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CN103765288B - 可变放大倍率光学系统和成像设备 - Google Patents

可变放大倍率光学系统和成像设备 Download PDF

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CN103765288B CN201280041685.3A CN201280041685A CN103765288B CN 103765288 B CN103765288 B CN 103765288B CN 201280041685 A CN201280041685 A CN 201280041685A CN 103765288 B CN103765288 B CN 103765288B
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Abstract

[问题]为了在可变放大倍率光学系统中实现出色的光学性能，同时实现小尺寸和轻重量。[方案]该可变放大倍率光学系统，基本上由沿着光轴(Z)从物体侧顺序地设置的具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组(G1)、具有负折射本领的第二透镜组(G2)、具有负折射本领的第三透镜组(G3)、具有负折射本领的第四透镜组(G4)、在放大倍率改变期间固定的孔径光阑(St)、和具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第五透镜组(G5)构成。当放大倍率从广角端改变至长焦端时，第二透镜组(G2)、第三透镜组(G3)和第四透镜组(G4)以下述方式移动：与系统在广角端时相比，第一透镜组(G1)和第二透镜组(G2)之间的距离总是变长，第二透镜组(G2)和第三透镜组(G3)之间的距离总是变长，并且第三透镜组(G3)和第四透镜组(G4)之间的距离改变，第四透镜组(G4)和第五透镜组(G5)之间的距离改变。

Description

可变放大倍率光学系统和成像设备
技术领域
本发明涉及可变放大倍率光学系统和成像设备。特别地，本发明涉及能够用在摄像机、电子照相机等中并且特别适合用于监视摄像机的可变放大倍率光学系统，以及包括该可变放大倍率光学系统的成像设备。
背景技术
传统上，作为用于采用成像装置，如CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)作为记录介质的成像设备，如摄像机、电子照相机和监视摄像机的光学系统，已经开发了用于CCTV(闭路电视)的可变放大倍率光学系统。作为用于CCTV的这种可变放大倍率光学系统，已经提出了具有四组结构的许多光学系统，因为它们具有许多优点，如透镜镜筒和可变放大倍率机构的简单性以及处理的简易性(例如，请参照专利文献1至7)。
进一步，虽然五组式光学系统的结构比四组式光学系统的结构更复杂，但还提出了具有五组结构的许多光学系统以给予出色的光学性能(例如，请参照专利文献8和9)。
相关技术文献
专利文献
专利文献1：
日本未审查专利公开No.9(1997)-258102
专利文献2：
日本未审查专利公开No.2001-116993
专利文献3：
日本未审查专利公开No.2001-228396
专利文献4：
日本未审查专利公开No.2003-287678
专利文献5：
日本未审查专利公开No.2004-109993
专利文献6：
日本未审查专利公开No.2004-126631
专利文献7：
日本未审查专利公开No.2005-84409
专利文献8：
日本未审查专利公开No.7(1995)-13075
专利文献9：
日本未审查专利公开No.2011-81063
发明内容
在如专利文献1至7中公开的四组式可变放大倍率光学系统中，光学系统由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第二透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第三透镜组、和具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第四透镜组构成。如果试图增加这种光学系统的放大比率同时维持它的高光学性能，则第一透镜组的外径变大。因此，存在的缺点是，重量变重。相反，如果试图减小这种光学系统的尺寸，则第二透镜组的负折射本领变得太强。因此，存在的缺点是，光学系统的光学性能变低。
作为解决这些问题的方法，专利文献8提出了一种五组式可变放大倍率光学系统，其由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第二透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第三透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第四透镜组、和具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第五透镜组构成。在该可变放大倍率光学系统中，前述四组式可变放大倍率光学系统中的第二透镜组被分成多个 透镜组。分离的透镜组在广角端和长焦端处变为彼此靠近，并且在中间可变放大倍率范围中变为彼此远离。由于未公开详细的透镜数据，因此许多特征不清楚。然而，由于这种镜头结构与常规四组式可变放大倍率光学系统在广角端和长焦端处的结构不存在任何差别。因此，它不可能解决前述问题。
专利文献9公开了一种具有高的可变放大比率的可变放大倍率光学系统。然而，第一透镜组的直径大，并且重量重。
考虑到前述情况，本发明的目标是提供一种可变放大倍率光学系统，其具有出色的光学性能，同时该光学系统的尺寸小且该光学系统的重量轻，以及提供一种包括该可变放大倍率光学系统的成像设备。
本发明的可变放大倍率光学系统基本上由从物体侧顺序地设置的下述透镜组构成：
具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组；
具有负折射本领的第二透镜组；
具有负折射本领的第三透镜组；
具有负折射本领的第四透镜组；和
具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第五透镜组。当放大倍率从广角端改变至长焦端时，第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组以下述方式移动：与广角端相比，第一透镜组和第二透镜组之间的距离恒定地变长，第二透镜组和第三透镜组之间的距离恒定地变长，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离改变，第四透镜组和第五透镜组之间的距离改变。
希望的是，本发明的可变放大倍率光学系统中的第四透镜组在放大倍率从广角端改变至长焦端时临时地移向物体侧以及反向地移向图像侧。
进一步，希望的是，本发明的可变放大倍率光学系统中的第三透镜组和第四透镜组之间的距离在放大倍率改变期间在焦距更靠近广角端而不是长焦端时是最短的，并且在广角端处的距离比长焦端处的距离长。
希望的是，本发明的可变放大倍率光学系统中的第一透镜组基本上由从物体侧顺序地设置的具有负折射本领的第1f透镜组、具有正折射本领的第1m透镜组和具有正折射本领的第1r透镜组构成，第1f透镜组基本上由两个负透镜构成，并且通过沿光轴的方向移动第1m透镜组进行聚焦。
在该情况中，希望的是，第1m透镜组是粘合透镜，该粘合透镜基本上由从物体侧顺序地设置的具有朝向物体侧的凸面的弯月形凹透镜和双凸透镜构成。
在本发明的可变放大倍率光学系统中，希望的是，当第二透镜组的焦距是f2并且第三透镜组的焦距是f3时，满足下述条件公式(1)：
0.10＜f2/f3＜2.00...(1)。
进一步，希望的是，本发明的可变放大倍率光学系统中的第二透镜组基本上仅由具有朝向物体侧的凸面的弯月形凹透镜构成。
在该情况中，希望的是，当弯月形凹透镜的折射率是LN2时，满足下述条件公式(2)：
2.0≤LN2...(2)。
在这里，在透镜是非球面透镜时，在近轴区域中考虑前述透镜中的每一个的折射本领的符号和表面形状。
在上述描述中，透镜的数量是作为组成元件的透镜的数量。例如，当由彼此不同的材料制成的多个单透镜粘合在一起以形成粘合透镜时，计算构成粘合透镜的单透镜的数量。
进一步，用语“弯月形凸透镜”指的是具有正折射本领的弯月透镜。用语“弯月形凹透镜”指的是具有负折射本领的弯月透镜。
本发明的成像设备包括如上所述的本发明的可变放大倍率光学系统。
本发明的可变放大倍率光学系统基本上由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组、具有负折射本领的第二透镜组、具有负折射本领的第三透镜组、具有负折射本领的第四透镜组、和具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第五透镜组构成。进一步，当放大倍率从广角端改变至长焦端时，第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组以下述方式移动：与广角端相比，第一透镜组和第二透镜组之间的距离恒定地变长，第二透镜组和第三透镜组之间的距离恒定地变长，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离改变，第四透镜组和第五透镜组之间的距离改变。因此，能够实现出色的光学性能，同时该光学系统的尺寸小，且该光学系统的重量轻。
本发明的成像设备包括本发明的可变放大倍率光学系统。因此，能够 获得具有高的图像质量的图像，同时成像设备的尺寸小且成像设备的重量轻。
附图说明
图1(A)至图1(C)是图示根据本发明的一个实施例(示例1)的可变放大倍率光学系统的镜头结构的横截面；
图2(A)至图2(C)是图示本发明的示例2中的可变放大倍率光学系统的镜头结构的横截面；
图3(A)至图3(C)是图示本发明的示例3中的可变放大倍率光学系统的镜头结构的横截面；
图4(A)至图4(C)是图示本发明的示例4中的可变放大倍率光学系统的镜头结构的横截面；
图5(A)至图5(C)是图示本发明的示例5中的可变放大倍率光学系统的镜头结构的横截面；
图6(A)至图6(C)是图示本发明的示例6中的可变放大倍率光学系统的镜头结构的横截面；
图7(A)至图7(L)是本发明的示例1的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图8(A)至图8(L)是本发明的示例2的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图9(A)至图9(L)是本发明的示例3的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图10(A)至图10(L)是本发明的示例4的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图11(A)至图11(L)是本发明的示例5的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图12(A)至图12(L)是本发明的示例6的可变放大倍率光学系统的像差示意图；和
图13是图示根据本发明的一个实施例的成像设备的配置的示意图。
具体实施方式
将参照附图详细描述本发明的实施例。图1(A)至图1(C)图示根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统的结构示例的横截面。图1(A)至图1(C)的结构示例在该实施例和稍后将被描述的示例1的可变放大倍率光学系统中是共用的。在图1(A)至图1(C)中，左侧是物体侧，右侧是图像侧。
该可变放大倍率光学系统由沿着光轴Z从物体侧顺序地设置的具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组G1、具有负折射本领的第二透镜组G2、具有负折射本领的第三透镜组G3、具有负折射本领的第四透镜组G4、在放大倍率改变期间固定的孔径光阑St、和具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第五透镜组G5构成。进一步，当放大倍率从广角端改变至长焦端时，第二透镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4以下述方式移动：与广角端相比，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的距离恒定地变长，第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的距离恒定地变长，并且第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的距离变化，第四透镜组G4和第五透镜组G5之间的距离变化。在这里，图1中图示的孔径光阑St不一定表示孔径光阑St的尺寸或形状，而是表示孔径光阑St在光轴Z上的位置。
当该可变放大倍率光学系统应用于成像设备时，希望的是，根据该镜头将安装在其上的相机侧的结构，将盖玻璃、棱镜和各种滤光器，如红外截止滤光器和低通滤光器，设置在光学系统和像平面Sim之间。图1图示了一种示例，其中被假设是这些元件的平行平板光学构件PP1和PP2设置在第五透镜组G5和像平面Sim之间。
在如在专利文献1至7中公开的常规四组式可变放大倍率光学系统中，光学系统由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第二透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第三透镜组、和具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第四透镜组构成。如果试图在增加这种光学系统的放大比率的同时维持它的高光学性能，则第一透镜组的外径变大。因此，存在的缺点是，重量变重。相反，如果试图减小这种 光学系统的尺寸，则第二透镜组的负折射本领变得太强。因此，存在的缺点是，光学系统的光学性能变低。
作为解决这些问题的方法，专利文献8提出了一种五组式可变放大倍率光学系统，其由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第二透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第三透镜组、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第四透镜组、和具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第五透镜组构成。在该可变放大倍率光学系统中，前述四组式可变放大倍率光学系统中的第二透镜组被分成多个透镜组，分离的透镜组在广角端和长焦端处变为彼此靠近，并且在中间可变放大倍率范围中变为彼此远离。由于未公开详细的透镜数据，因此许多特征不清楚。而且，这种镜头结构与常规四组式可变放大倍率光学系统在广角端和长焦端处的结构不存在任何差别。因此，它不可能解决前述问题。可以想到的是，专利文献8的主要目的是改进在中间可变放大倍率范围中的性能。
在专利文献9中，前述四组式可变放大倍率光学系统中的第二透镜组被分成多个透镜组，分离的透镜组之间的距离在放大倍率改变期间在可变放大倍率位置更靠近长焦端而不是广角端时变为最短。可以想到的是，这种结构的主要目的是获得高可变放大比率。第一透镜组的直径仍然较大，并且重量仍然较重。
在根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统中，将四组式可变放大倍率光学系统中的第二透镜组分成多个透镜组的特征是类似的。然而，当放大倍率从广角端向长焦端改变时，分离的透镜组(在五组式可变放大倍率光学系统中的第二透镜组G2和第三透镜组G3)之间的距离与广角端相比恒定地增加，该特征是不同的。这种结构可以抑制球面像差，当增加放大比率同时维持小尺寸时，该球面像差特别是在长焦侧倾向于被过度修正。
当放大倍率改变时，如果第二透镜组G2和第三透镜组G3移动，同时第一透镜组G1和第五透镜组G5相对于像平面固定，则焦点位置波动。为了校正焦点的这种运动，根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学 系统中的第四透镜组G4在放大倍率从广角端改变至长焦端时临时地移向物体侧以及反向地移向图像侧。
进一步，根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统中的第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的距离在放大倍率改变期间在焦距更靠近广角端时与更靠近长焦端时相比是最短的，并且广角端处的距离比长焦端处的距离长。因此，能够抑制场曲在中间可变放大倍率范围中的波动。
进一步，当第二透镜组的焦距是f2，第三透镜组的焦距是f3时，根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统满足下述条件公式(1)。如果所述值低于条件公式(1)的下限，则第二透镜组G2的折射本领变得太强，并且主要位于广角端处的像散和畸变变差。相反，如果所述值超过条件公式(1)的上限，则第三透镜组G3的折射本领变得太强，并且长焦端处的球面像差变差。
0.10＜f2/f3＜2.00...(1)
进一步，根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统的第二透镜组G2仅由具有朝向物体侧的凸面的弯月形凹透镜L8构成。因此，能够减小第一透镜组G1的直径，同时通过最小化第二透镜组G2的透镜长度最小化镜头的总长度。
在这里，当弯月形凹透镜L8的折射率是LN2时，满足下述条件公式(2)。当满足条件公式(2)时，能够减小弯月形凹透镜L8的曲率，并且抑制长焦端处的球面像差的增加。
2.0≤LN2...(2)
进一步，根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统中的第一透镜组由从物体侧顺序地设置的具有负折射本领的第1f透镜组G1f、具有正折射本领的第1m透镜组G1m和具有正折射本领的第1r透镜组G1r构成，其中第1f透镜组G1f由两个负透镜L1和L2构成，并且通过沿光轴的方向移动第1m透镜组G1m进行聚焦。这种结构可以抑制由聚焦引起的光线的高度的波动。因此，能够减小最近的聚焦距离。进一步，能够抑制由聚焦引起的成像范围的变化。
在这里，第1f透镜组G1f由从物体侧顺序地设置的具有朝向物体侧的凸面的弯月形凹透镜L1和负透镜L2构成。这种结构可以防止广角侧的 畸变变差，并抑制长焦端处的高阶球面像差。
进一步，第1m透镜组G1m是粘合透镜，其由从物体侧顺序地设置的具有朝向物体侧的凸面的弯月形凹透镜L3和双凸透镜L4构成。这种结构可以抑制聚焦期间各种像差的波动，同时减轻聚焦透镜的重量。
进一步，第1r透镜组G1r由从物体侧顺序地设置的具有面向物体侧的强凸面的正的第1r1透镜L5、双凸的第1r2透镜L6、和具有朝向物体侧的凸面的凸弯月形第1r3透镜L7构成。第1r透镜组G1r的这种结构可以抑制球面像差和像散在放大倍率变化期间的波动。
进一步，当正的第1r1透镜L5和双凸的第1r2透镜L6的平均折射率是N1r12，正的第1r1透镜L5和双凸的第1r2透镜L6的平均阿贝数是v1r12，第1r3透镜L7的折射率是N1r3，第1r3透镜L7的阿贝数是v1r3时，满足下述条件公式(3)。如果所述值低于条件公式(3)的下限，则变得难以抑制在广角端处的周边区域中的像散。
0.20＜N1r3-N1r12....(3)
进一步，当正的第1r1透镜L5和双凸的第1r2透镜L6的平均折射率是N1r12，正的第1r1透镜L5和双凸的第1r2透镜L6的平均阿贝数是v1r12，第1r3透镜L7的折射率是N1r3，且第1r3透镜L7的阿贝数是v1r3时，满足下述条件公式(4)。如果所述值低于条件公式(4)的下限，则变得难以平衡中间视场角中的横向色像差和广角端处周边视场角中的横向色像差。
20＜v1r12-v1r3...(4)
进一步，第1f透镜组G1f和第1r透镜组G1r中的每一个至少包括一个非球面表面。当在第1f透镜组G1f中采用非球面表面时，能够防止广角端处的畸变的增加。当在第1r透镜组G1r中采用非球面表面时，能够抑制长焦端处的球面像差。
更希望的是，根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统满足分别代替前述条件公式(1)、(3)和(4)的下述条件公式(1-1)、(3-1)和(4-1)。当满足条件公式(1-1)、(3-1)和(4-1)时，分别能够进一步增强满足条件公式(1)、(3)和(4)所能够实现的效果。作为理想模式，同时满足所有条件公式(1-1)、(3-1)和(4-1)不总是必要的。应当满足条件公式(1-1)、(3-1)和(4-1)中的一个，或它们的任意组合。
0.20＜f2/f3＜1.60...(1-1)
0.29＜N1r3-N1r12...(3-1)
40＜v1r12-v1r3...(4-1)
在根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统中，希望的是，玻璃用作设置在最靠近物体侧的具体材料。可替换地，可以采用透明陶瓷。
作为形成非球面形状的透镜的材料，可以使用玻璃。可替换地，可以使用塑料。当使用塑料时，能够降低镜头的重量和成本。
当在恶劣条件中使用根据本实施例的一个实施例的可变放大倍率光学系统时，希望的是，涂覆用于保护的多层涂层。除了用于保护的涂层，还可以涂覆用于在使用中减少重影光等的抗反射涂层。
在图1中图示的示例中，光学构件PP1和PP2设置在镜头系统和图像表面Sim之间。代替设置各种滤光器，如低通滤光器和截断特定波长带的滤光器等，各种滤光器可以设置在透镜之间。可替换地，具有与各种滤光器相同功能的涂层可以涂覆至一个透镜的透镜表面。
接下来，将描述本发明的可变放大倍率光学系统的数值的示例。图1(A)、图1(B)和图1(C)分别图示示例1中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的透镜布置。在图1(A)至图1(C)中，还图示了光学构件PP，左侧是物体侧，右侧是图像侧。所图示的孔径光阑St没有必要表示孔径光阑St的尺寸和形状，而是表示孔径光阑St在光轴Z上的位置。
类似地，图2(A)、图2(B)和图2(C)分别图示示例2中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的透镜布置。图3(A)、图3(B)和图3(C)分别图示示例3中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的透镜布置。图4(A)、图4(B)和图4(C)分别图示示例4中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的透镜布置。图5(A)、图5(B)和图5(C)分别图示示例5中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的透镜布置。图6(A)、图6(B)和图6(C)分别图示示例6中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的透镜布置。
表1示出关于示例1中的可变放大倍率光学系统的基本透镜数据，表 2示出关于可变放大倍率的数据，表3示出关于焦距的数据，表4和5示出非球面表面数据。类似地，表6至表30示出示例2至6中的可变放大倍率光学系统的基本透镜数据、关于可变放大倍率的数据、关于焦距的数据和非球面表面数据。接下来，将采用示例1的表作为示例描述表中的符号的含义。示例2至6的表中的符号的含义基本上类似示例1中的含义。
在表1的基本透镜数据中，Si栏示出第i(i＝1，2，3，...)个表面的表面编号。元件的最靠近物体侧表面的表面编号是第一表面，表面编号向着图像侧顺序地增加。Ri栏示出第i个表面的曲率半径。Di栏示出光轴Z上第i个表面和第(i+1)个表面之间在光轴Z上的距离。Ndi栏示出第i个表面和第(i+1)个表面之间的介质关于d-线(波长是587.6nm)的折射率，vdj栏示出最靠近物体侧光学元件是第一光学元件时第j(j＝1，2，3，...)个光学元件关于d-线的阿贝数，j的值向着图像侧顺序地增加。进一步，θg，f栏示出每个光学元件的部分色散率。
曲率半径的符号在表面的形状向着物体侧凸起时是正的，在表面的形状向着图像侧凸起时是负的。基本透镜数据包括孔径光阑St和光学构件PP。在表面编号一栏中，用语“(光阑)”针对对应于孔径光阑St的表面与表面编号一起被写出。
在表1的基本透镜数据中，“DD[表面编号]”被写在在放大倍率改变期间改变的表面距离的每一行中。“DD[4]”是第1f透镜组G1f和第1m透镜组G1m之间的距离，“DD[7]”是第1m透镜组G1m和第1r透镜组G1r之间的距离，“DD[13]”是第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的距离。“DD[15]”是第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的距离，“DD[23]”是第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的距离，“DD[26]”是第四透镜组G4和孔径光阑St之间的距离。
表2中关于可变放大倍率的数据示出广角端处、中焦距状态中和长焦端处的变焦放大比率(可变放大比率)、焦距f、后焦距Bf(空气中距离)、F数Fno.、全视场角2ω、以及DD[13]、DD[15]、DD[23]和DD[26]的值。
表3中关于焦距的数据示出DD[4]和DD[7]在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的值。
在基本透镜数据、关于可变放大倍率的数据和关于焦距的数据中，度 用作角度的单位，mm用作长度的单位。然而，由于可以通过成比例地放大或减小光学系统而使用该光学系统，因而可以使用其它合适的单位。
在表1的基本透镜数据中，标记*附加于非球面表面的表面编号。表1示出作为非球面表面的曲率半径的近轴曲率半径的数值。表4和表5中的非球面表面数据示出非球面表面的表面编号Si和关于非球面表面的非球面系数。非球面系数是由下述等式(A)表示的非球面等式中的系数KA和Am(m＝3，4，5...16)的值：
Zd＝C·h2/{1+(1-KA·C2·h2)1/2}+∑Am·hm...(A)，其中
Zd：非球面表面的深度(从非球面表面上在高度h处的点至接触非球面表面的顶点且垂直于光轴的垂直线的长度)，
H：高度(从光轴至透镜表面的距离)，
C：近轴曲率半径的倒数，和
KA、Am：非球面系数(m＝3，4，5...16)。
表1
表2 示例1·关于可变放大倍率的数据
广角端 中间 长焦端
变焦放大比 1.0 5.7 18.2
f 7.62 43.46 138.77
Bf 40.90 40.90 40.90
FNo. 1.87 1.87 2.71
2ω[°] 74.64 14.22 4.53
DD[13] 0.80 37.85 46.09
DD[15] 7.68 11.68 14.68
DD[23] 49.52 5.74 5.56
DD[26] 9.60 12.33 1.27
表3 示例1·关于焦距的数据
inf 3m 0.55m
DD[4] 1.01 3.83 14.49
DD[7] 14.08 11.27 0.60
表4 示例1·非球面表面数据(1)
表面编号 1
KA -1.144658E+02
A3 1.266635E-06
A4 -7.680904E-07
A5 1.835455E-07
A6 -1.799087E-08
A7 1.017818E-09
A8 -3.276256E-11
A9 5.233524E-13
A10 -6.219345E-15
A11 4.254304E-16
A12 -1.872576E-17
A13 3.233753E-19
A14 -7.119809E-22
A15 -4.166246E-23
A16 3.616030E-25
表5 示例1·非球面表面数据(2)
表面编号 12
KA 9.454836E-01
A3 -4.681704E-07
A4 -8.801168E-08
A5 -2.733358E-08
A6 6.617664E-10
A7 5.655299E-11
A8 -4.406643E-12
A9 4.336422E-14
A10 3.637359E-15
A11 -1.252064E-17
A12 -6.278635E-18
A13 1.083594E-19
A14 3.928111E-21
A15 -1.431683E-22
A16 1.282501E-24
表6 示例2·基本透镜数据
Si Ri Di Ndi vdj θg，f
(表面编号) (曲率半径) (表面距离) (折射率) (阿贝数) (部分色散比)
*1 1118.1599 3.00 1.772499 49.60 0.55212
2 134.0215 10.85
3 -197.8726 1.90 1.799516 42.22 0.56727
4 214.3676 DD[4]
5 156.0336 2.30 1.800000 29.84 0.60178
6 77.2465 15.02 1.496999 81.54 0.53748
7 -155.1544 DD[7]
8 116.2018 7.57 1.433871 95.20 0.53733
9 -1319.3557 0.20
10 95.9125 12.94 1.433871 95.20 0.53733
11 -153.7147 0.20
*12 60.8312 7.89 1.743198 49.34 0.55312
13 146.9923 DD[13]
14 34.0446 0.80 2.001003 29.13 0.59952
15 15.5818 DD[15]
16 120.5438 0.80 1.882997 40.76 0.56679
17 28.2452 2.67
18 -472.6907 6.19 1.808095 22.76 0.63073
19 -14.6590 0.80 1.816000 46.62 0.55682
20 71.7680 0.15
21 30.0934 5.40 1.712995 53.87 0.54587
22 -30.0934 0.90 1.882997 40.76 0.56679
23 -959.3350 DD[23]
24 -24.8047 1.00 1.756998 47.82 0.55662
25 53.0499 2.39 1.922860 18.90 0.64960
26 -797.1480 DD[26]
27(光阑) ∞ 2.48
28 -278.8115 3.49 1.882997 40.76 0.56679
29 -45.4383 0.12
30 60.0639 7.21 1.603112 60.64 0.54148
31 -30.4146 1.50 1.804000 46.58 0.55730
32 -369.2199 31.88
33 719.1564 4.60 1.696797 55.53 0.54341
34 -45.0329 0.53
35 43.4947 6.14 1.487490 70.23 0.53007
36 -45.0578 1.60 1.882997 40.76 0.56679
37 35.5739 3.15
38 35.2860 8.12 1.496999 81.54 0.53748
39 -23.1235 1.50 1.806100 33.27 0.58845
40 -186.2093 0.12
41 60.2392 5.22 1.540720 47.23 0.56511
42 -46.9134 0.20
43 ∞ 1.00 1.516330 64.14 0.53531
44 ∞ 0.00
45 ∞ 33.00 1.608589 46.44 0.56664
46 ∞ 13.20 1.516329 64.10 0.53463
47 ∞ 11.02
表7 示例2·关于可变放大倍率的数据
广角端 中间 长焦端
变焦放大比 1.0 5.7 18.2
f′ 7.64 43.55 139.05
Bf′ 40.24 40.24 40.24
FNo. 1.87 1.87 2.72
2ω[°] 74.49 14.23 4.53
DD[13] 0.80 40.25 49.38
DD[15] 7.21 11.21 14.21
DD[23] 49.77 4.20 3.27
DD[26] 10.64 12.76 1.56
表8 示例2·关于焦距的数据
inf 3m 0.55m
DD[4] 1.00 3.92 14.97
DD[7] 14.56 11.64 0.59
表9 示例2·非球面表面数据(1)
表面编号 1
KA -4.58137E+02
A3 5.16186E-06
A4 -1.32039E-06
A5 2.51247E-07
A6 -2.76734E-08
A7 1.94629E-09
A8 -8.79742E-11
A9 2.49075E-12
A10 -4.22860E-14
A11 4.74370E-16
A12 -8.93631E-18
A13 2.62159E-19
A14 -4.54316E-21
A15 3.85676E-23
A16 -1.29271E-25
表10 示例2·非球面表面数据(2)
表面编号 12
KA 9.61547E-01
A3 -2.62582E-06
A4 4.45866E-07
A5 -1.10434E-07
A6 1.08058E-08
A7 -6.30961E-10
A8 1.75806E-11
A9 8.12145E-14
A10 -1.73754E-14
A11 1.07011E-16
A12 1.64768E-17
A13 -3.33030E-19
A14 -5.84026E-21
A15 2.48068E-22
A16 -2.17774E-24
表11 示例3·基本透镜数据
表12 示例3关于可变放大倍率的数据
广角端 中间 长焦端
变焦放大比 1.0 5.7 18.2
f′ 7.63 43.51 138.92
Bf′ 41.23 41.23 41.23
FNo. 1.87 1.87 2.74
2ω[°] 74.64 14.21 4.52
DD[13] 0.80 38.40 46.83
DD[15] 8.25 12.25 15.25
DD[23] 49.28 3.48 4.15
DD[26] 9.19 13.38 1.30
表13 示例3·关于焦距的数据
inf 3m 0.55m
DD[4] 1.01 3.73 14.08
DD[7] 13.67 10.95 0.59
表14 示例3·非球面表面数据(1)
表面编号 1
KA -4.468497E+01
A3 2.777523E-06
A4 -1.060854E-06
A5 1.873957E-07
A6 -1.617402E-08
A7 8.274842E-10
A8 -2.532251E-11
A9 4.543772E-13
A10 -7.531673E-15
A11 2.430208E-16
A12 -3.513915E-18
A13 -1.593706E-19
A14 7.513811E-21
A15 -1.179792E-22
A16 6.701519E-25
表15 示例3·非球面表面数据(2)
表面编号 12
KA 9.762715E-01
A3 -1.967016E-06
A4 6.067136E-07
A5 -1.852765E-07
A6 2.475162E-08
A7 -2.265087E-09
A8 1.402363E-10
A9 -5.831184E-12
A10 1.628599E-13
A11 -3.370140E-15
A12 7.337566E-17
A13 -1.908439E-18
A14 3.789332E-20
A15 -4.123364E-22
A16 1.779160E-24
表16 示例4·基本透镜数据
表17 示例4·关于可变放大倍率的数据
广角端 中间 长焦端
变焦放大比 1.0 5.7 18.3
f′ 7.64 43.72 139.88
Bf′ 41.16 41.16 41.16
FNo. 1.87 1.87 2.71
2ω[°] 74.39 14.21 4.50
DD[13] 0.80 41.64 50.88
DD[15] 6.77 11.27 14.77
DD[23] 50.61 4.08 3.44
DD[26] 12.16 13.35 1.25
表18 示例4·关于焦距的数据
inf 3m 0.55m
DD[4] 1.00 4.37 17.02
DD[7] 16.61 13.25 0.59
表19 示例4·非球面表面数据(1)
表面编号 1
KA -1.638686E+03
A3 -7.g84087E-07
A4 -7.445182E-07
A5 1.455516E-07
A6 -1.209683E-08
A7 4.480628E-10
A8 9.212129E-13
A9 -6.783062E-13
A10 1.950646E-14
A11 1.511816E-17
A12 -7.066382E-18
A13 -8.845084E-20
A14 7.960287E-21
A15 -1.346019E-22
A16 7.617207E-25
表20 示例4·非球面表面数据(2)
表面编号 12
KA 9.599348E-01
A3 4.508169E-07
A4 -4.588327E-08
A5 -1.814323E-08
A6 -2.546687E-10
A7 9.137975E-11
A8 -3.140506E-12
A9 -6.383125E-14
A10 3.345302E-15
A11 1.490242E-16
A12 -9.156579E-18
A13 8.923339E-20
A14 2.994286E-21
A15 -7.461677E-23
A16 4.697905E-25
表21 示例5·基本透镜数据
Si Ri Di Ndi vdj θg，f
(表面编号) (曲率半径) (表面距离) (折射率) (阿贝数) (部分色散比)
*1 1148.5775 2.00 1.788001 47.37 0.55598
2 140.6095 10.83
3 -195.6697 1.80 1.834807 42.73 0.56486
4 212.7958 DD[4]
5 126.7529 2.00 1.805181 25.42 0.61616
6 75.4660 16.38 1.438750 94.93 0.53433
7 -154.3092 DD[7]
8 101.2845 8.04 1.433871 95.20 0.53733
9 -16671.7552 0.20
10 86.0211 12.95 1.433871 95.20 0.53733
11 -192.9017 0.20
*12 60.0092 6.78 1.788001 47.37 0.55598
13 151.5548 DD[13]
14 30.6562 0.80 2.001003 29.13 0.59952
15 16.6089 DD[15]
16 186.9512 0.80 1.882997 40.76 0.56679
17 22.6712 3.10
18 946.0474 6.61 1.808095 22.76 0.63073
19 -14.2966 0.80 1.816000 46.62 0.55682
20 93.0335 0.36
21 27.5953 5.88 1.648498 53.02 0.55487
22 -26.2350 0.80 1.882997 40.76 0.56679
23 709.7970 DD[23]
24 -24.0962 0.80 1.699998 48.08 0.55960
25 59.6189 2.26 1.922860 18.90 0.64960
26 -1095.0797 DD[26]
27(光阑) ∞ 2.14
28 -309.2427 3.65 1.882997 40.76 0.56679
29 -42.6250 0.12
30 62.1599 6.85 1.563839 60.67 0.54030
31 -31.2361 1.20 1.804000 46.58 0.55730
32 -350.1700 35.55
33 1728.0148 4.55 1.696797 55.53 0.54341
34 -43.4526 0.30
35 42.0210 6.15 1.487490 70.23 0.53007
36 -43.4961 1.60 1.882997 40.76 0.56679
37 36.7305 0.12
38 33.4089 8.16 1.496999 81.54 0.53748
39 -23.5594 1.50 1.806100 33.27 0.58845
40 -329.1716 0.12
41 64.6880 5.12 1.567322 42.82 0.57309
42 -46.3994 0.20
43 ∞ 1.00 1.516330 64.14 0.53531
44 ∞ 0.00
45 ∞ 33.00 1.608589 46.44 0.56664
46 ∞ 13.20 1.516329 64.10 0.53463
47 ∞ 11.60
表22 示例5·关于可变放大倍率的数据
广角端 中间 长焦端
变焦放大比 1.0 5.7 18.2
f′ 7.61 43.37 138.48
Bf′ 40.82 40.82 40.82
FNo. 1.87 1.87 2.73
2ω[°] 74.60 14.24 4.54
DD[13] 0.80 37.00 45.04
DD[15] 7.64 11.64 14.64
DD[23] 47.67 4.50 4.84
DD[26] 9.67 12.64 1.26
表23 示例5·关于焦距的数据
inf 3m 0.55m
DD[4] 1.00 3.89 14.83
DD[7] 14.42 11.53 0.59
表24 示例5·非球面表面数据(1)
表面编号 1
KA -1.292987E+02
A3 2.440017E-06
A4 -8.390146E-07
A5 1.546545E-07
A6 -1.164077E-08
A7 4.013569E-10
A8 1.146383E-12
A9 -6.186674E-13
A10 1.884950E-14
A11 7.155295E-18
A12 -1.177701E-17
A13 2.107606E-19
A14 6.021065E-22
A15 -5.102732E-23
A16 3.970978E-25
表25 示例5·非球面表面数据(2)
表面编号 12
KA 9.145537E-01
A3 -1.201768E-06
A4 9.649789E-08
A5 -6.336666E-08
A6 6.014201E-09
A7 -4.254424E-10
A8 1.961689E-11
A9 -4.640334E-13
A10 6.193828E-16
A11 4.537461E-17
A12 1.224673E-17
A13 -5.359197E-19
A14 6.392771E-21
A15 3.632484E-23
A16 -9.107176E-25
表26 示例6·基本透镜数据
表27 示例6·关于可变放大倍率的数据
广角端 中间 长焦端
变焦放大比 1.0 5.7 18.3
f′ 7.63 43.62 139.55
Bf′ 39.73 39.73 39.73
FNo. 1.87 1.87 2.71
2ω[°] 74.72 14.17 4.50
DD[13] 0.80 37.29 45.23
DD[15] 7.57 11.87 14.57
DD[23] 47.17 4.86 5.92
DD[26] 11.27 12.79 1.09
表28 示例6·关于焦距的数据
inf 3m 0.55m
DD[4] 1.03 4.12 15.76
DD[7] 15.32 12.23 0.59
表29 示例6·非球面表面数据(1)
表面编号 1
KA -5.262102E+01
A3 1.478393E-06
A4 6.136511E-07
A5 -2.043531E-07
A6 3.143525E-08
A7 -2.527448E-09
A8 1.110050E-10
A9 -2.303459E-12
A10 6.442931E-15
A11 -4.126190E-16
A12 8.422049E-17
A13 -3.588192E-18
A14 7.234282E-20
A15 -7.388562E-22
A16 3.096807E-24
表30 示例6·非球面表面数据(2)
表面编号 12
KA 9.083037E-01
A3 -2.063300E-06
A4 3.148055E-08
A5 -3.469585E-08
A6 8.909404E-10
A7 4.382904E-11
A8 -3.852300E-12
A9 5.095699E-14
A10 4.710080E-15
A11 -2.760229E-16
A12 6.190504E-18
A13 8.407242E-21
A14 -4.145739E-21
A15 9.610231E-23
A16 -7.468715E-25
表31示出对应于示例1至6中的可变放大倍率光学系统的条件公式(1)至(4)的值。在所有的示例中，d线是参考波长。前述可变放大倍率处的数据的表和接下来的表31中的值示出在该参考波长处的值。
表31
公式编号 条件公式 示例1 示例2 示例3 示例4 示例5 示例6
(1) 0.10＞f2/f3＜2.00 0.734 0.514 1.515 0.252 1.066 0.652
(2) 2.0≤LN2 2.00100 2.00100 2.00330 2.00100 2.00100 2.00100
(3) 0.20＜N1r3-N1r12 0.33863 0.30933 0.33863 0.29529 0.35413 0.33863
(4) 20＜v1r12-v1r3 45.60 45.86 45.60 40.52 47.83 45.60
图7(A)至图7(L)示出示例1中的可变放大倍率光学系统的像差示意图。图7(A)、图7(B)、图7(C)和图7(D)分别图示广角端处的球面像差、像散、畸变像差(畸变)和横向色像差。图7(E)、图7(F)、图7(G)和图7(H)分别图示中焦距状态中的球面像差、像散、畸变像差(畸变)和横向色像差。图7(I)、图7(J)、图7(K)和图7(L)分别图示长焦端处的球面像差、像散、畸变像差(畸变)和横向色像差。
图示球面像差、像散和畸变(畸变像差)的每个像差示意图示出当d线(波长是587.6nm)是参考波长时的像差。在球面像差的示意图和横向色像差的示意图中，实线、长虚线、短虚线和灰线分别指示关于d线(波长587.6nm)、C线(波长是656.3nm)、F线(波长是486.1nm)和g线(波长435.8nm)的像差。在像散的示意图中，沿径向方向的像差和沿切向方向的像差分别由实线和虚线指示。在球面像差的示意图中，Fno.表示F数。在其它示意图中，ω表示半视场角。
类似地，图8(A)至图8(L)示出示例2中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的像差示意图。图9(A)至图9(L)示出示例3中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的像差示意图。图10(A)至图10(L)示出示例4中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的像差示意图。图11(A)至图11(L)示出示例5中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的像差示意图。图12(A)至图12(L)示出示例6中 的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦距状态中和在长焦端处的像差示意图。
如这些种类的数据所示，示例1至6中的所有的可变放大倍率光学系统都满足条件公式(1)至(4)。将会认识到，它们具有出色的光学性能，同时光学系统的尺寸小且重量轻。
接下来，将描述根据本发明的一个实施例的成像设备。图13是图示采用根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统的成像设备的结构的示意图，其作为根据本发明的一个实施例的成像设备的一个示例。成像设备例如是采用固态成像装置，如CCD和CMOS，作为记录介质的监视摄像机、摄像机、电子照相机等。
图13中图示的成像设备10包括可变放大倍率光学系统1、设置在可变放大倍率光学系统1的图像侧的滤光器2、对对象的由可变放大倍率光学系统形成的图像进行成像的成像装置3、对从成像装置3输出的信号进行操作处理的信号处理单元4、和用于进行可变放大倍率光学系统1的放大倍率改变和因放大倍率改变而必要的焦距调整的变焦控制单元5。
可变放大倍率光学系统1包括从物体侧顺序地设置的具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组G1、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第二透镜组G2、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第三透镜组G3、具有负折射本领且在放大倍率改变期间移动的第四透镜组G4、在放大倍率改变期间固定的孔径光阑St、和具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第五透镜组G5。
在图13中，示意性地图示了每个透镜组。成像装置3将由可变放大倍率光学系统1形成的光学图像转换为电信号。成像装置3以使得成像装置3的成像表面位于与可变放大倍率光学系统的像平面相同的位置处的方式布置。例如，CCD、CMOS等可以用作成像装置3。
到此为此，已经通过采用实施例和示例描述了本发明。然而，本发明不限于上述实施例和示例，并且多种修改是可行的。例如，各种值，如每个透镜元件的曲率半径、表面间距、折射率、阿贝数和非球面系数，不限于数值示例中的值，而是可以是其它值。

Claims (11)

1.一种可变放大倍率光学系统，基本上由从物体侧顺序地设置的下述透镜组构成：
具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第一透镜组；
具有负折射本领的第二透镜组；
具有负折射本领的第三透镜组；
具有负折射本领的第四透镜组；和
具有正折射本领且在放大倍率改变期间固定的第五透镜组，
其中当放大倍率从广角端改变至长焦端时，第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组以下述方式移动：与广角端相比，第一透镜组和第二透镜组之间的距离恒定地变长，第二透镜组和第三透镜组之间的距离恒定地变长，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离改变，第四透镜组和第五透镜组之间的距离改变。
2.根据权利要求1所述的可变放大倍率光学系统，其中第四透镜组在放大倍率从广角端改变至长焦端时临时地移向物体侧以及反向地移向图像侧。
3.根据权利要求1所述的可变放大倍率光学系统，其中第三透镜组和第四透镜组之间的距离在放大倍率改变期间在焦距更靠近广角端而不是长焦端时是最短的，并且广角端处的距离比长焦端的距离长。
4.根据权利要求2所述的可变放大倍率光学系统，其中第三透镜组和第四透镜组之间的距离在放大倍率改变期间在焦距更靠近广角端而不是长焦端时是最短的，并且广角端处的距离比长焦端处的距离长。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中
第一透镜组基本上由从物体侧顺序地设置具有负折射本领的第1f透镜组、具有正折射本领的第1m透镜组和具有正折射本领的第1r透镜组构成，第1f透镜组基本上由两个负透镜构成，并且
通过沿光轴的方向移动第1m透镜组进行聚焦。
6.根据权利要求5所述的可变放大倍率光学系统，其中第1m透镜组是粘合透镜，该粘合透镜基本上由从物体侧顺序地设置的具有朝向物体侧的凸面的弯月形凹透镜和双凸透镜构成。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中当第二透镜组的焦距是f2并且第三透镜组的焦距是f3时，满足下述条件公式(1)：
0.10＜f2/f3＜2.00...(1)。
8.根据权利要求7所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(1-1)：
0.20＜f2/f3＜1.60...(1-1)。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中第二透镜组仅由具有朝向物体侧的凸面的弯月形凹透镜构成。
10.根据权利要求9所述的可变放大倍率光学系统，其中当弯月形凹透镜的折射率是LN2时，满足下述条件公式(2)：
2.0≤LN2...(2)。
11.一种成像设备，包括：
根据权利要求1-4中任一项所述的可变放大倍率光学系统。
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