CN101201449A - 变焦镜头和成像设备 - Google Patents

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CN101201449A
CN101201449A CNA2007101953476A CN200710195347A CN101201449A CN 101201449 A CN101201449 A CN 101201449A CN A2007101953476 A CNA2007101953476 A CN A2007101953476A CN 200710195347 A CN200710195347 A CN 200710195347A CN 101201449 A CN101201449 A CN 101201449A
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zoom
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岩泽嘉人
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    • G02B15/144511—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having four groups only the first group being negative arranged -+-+

Abstract

本发明公开了一种变焦镜头，其从物方至像方依次包括：具有负屈光度的第一透镜组；具有正屈光度的第二透镜组；具有负屈光度的第三透镜组；和具有正屈光度的第四透镜组。在屈光度从广角端向摄远端改变的过程中，各个组均沿光轴方向运动，并且满足以下关系式(1)：－5＜f4/f1＜－2.6，其中：f1为所述第一透镜组的焦距；f4为所述第四透镜组的焦距。

Description

变焦镜头和成像设备
技术领域
本发明涉及变焦镜头和成像设备。具体而言，本发明涉及这样的变焦镜头：该镜头适用于以可拆卸的方式安装到银盐胶片单镜头反射式相机或数码单镜头反射式相机的可互换镜头，具有高性能并能够足以确保后焦点(back focus)；本发明还涉及使用这种变焦镜头的成像设备。
背景技术
近年来，由光电转换器形成的图像传感器的象素数量的增大引起对高品质图像摄取光学系统的需求，以及对具有覆盖广角范围的小F数、并具有超广视角的变焦镜头的需求。
此外，存在可互换镜头同时需要确保足够的后焦点的限制。
例如，在日本专利申请公开No.2005-106878(专利文献1)中提出了一种超广角变焦镜头，其在广角端具有122度的视角，通过4组式变焦结构来实现，在该变焦结构中，从物方开始依次排列有：负的第一透镜组、正的第二透镜组、负的第三透镜组、以及正的第四透镜组。
发明内容
但是，专利文献1中提出的变焦镜头中，在物方的有效孔径极大，摄远端的F数约为5.6。
着眼于以上问题，特别是对提供高性能且紧凑的变焦镜头(该镜头适用于以可拆卸的方式安装到银盐胶片单镜头反射式相机或数码单镜头反射式相机的可互换镜头，能够足以确保后焦点)的需求以及对提供使用这种变焦镜头的成像设备的需求，而提供了本发明。
根据本发明的一种实施例的变焦镜头包括从物方至像方依次排列的：具有负屈光度的第一透镜组；具有正屈光度的第二透镜组；具有负屈光度的第三透镜组；和具有正屈光度的第四透镜组。在从广角端向摄远端的倍率改变过程中，各个组沿光轴方向运动，并且满足以下关系式(1)，其中f1为所述第一透镜组的焦距，而f4为所述第四透镜组的焦距：
(1)-5＜f4/f1＜-2.6。
此外，根据本发明的一种实施例的成像设备设置有变焦镜头以及成像传感器，所述成像传感器用于将由所述变焦镜头形成的光学图像转换成电信号。所述变焦镜头设置有从物方至像方依次排列的：第一透镜组，具有负屈光度；第二透镜组，具有正屈光度；第三透镜组，具有负屈光度；以及第四透镜组，具有正屈光度。在从广角端向摄远端的倍率改变过程中，各个组沿光轴方向运动，并且满足以下关系式(1)，其中f1为所述第一透镜组的焦距，而f4为所述第四透镜组的焦距：
(1)-5＜f4/f1＜-2.6。
下文中参考附图对这些实施例进行的详细说明中阐述了本发明的这些以及其他的特征和方面。
附图说明
图1的示意图示出根据本发明的变焦镜头第一实施例的镜头构造；
图2与图3和图4一同示出了其中将具体数值用于第一实施例的第一数值实施例的像差曲线图。图2示出了在广角端的球差、像散和畸变；
图3示出了在中间焦距处的球差、像散和畸变；
图4示出了在摄远端的球差、像散和畸变；
图5的示意图示出根据本发明的变焦镜头第二实施例的镜头构造；
图6与图7和图8一同示出了其中将具体数值用于第二实施例的第二数值实施例的像差曲线图。图6示出了在广角端的球差、像散和畸变；
图7示出了在中间焦距处的球差、像散和畸变；
图8示出了在摄远端的球差、像散和畸变；
图9的示意图示出根据本发明的变焦镜头第三实施例的镜头构造；
图10与图11和图12一同示出了其中将具体数值用于第三实施例的第三数值实施例的像差曲线图。图10示出了在广角端的球差、像散和畸变；
图11示出了在中间焦距处的球差、像散和畸变；
图12示出了在摄远端的球差、像散和畸变；
图13的示意图示出根据本发明的变焦镜头第四实施例的镜头构造；
图14与图15和图16一同示出了其中将具体数值用于第四实施例的第四数值实施例的像差曲线图。图14示出了在广角端的球差、像散和畸变；
图15示出了在中间焦距处的球差、像散和畸变；
图16示出了在摄远端的球差、像散和畸变；
图17的示意图示出根据本发明的变焦镜头第五实施例的镜头构造；
图18与图19和图20一同示出了其中将具体数值用于第五实施例的第五数值实施例的像差曲线图。图18示出了在广角端的球差、像散和畸变；
图19示出了在中间焦距处的球差、像散和畸变；
图20示出了在摄远端的球差、像散和畸变；
图21的示意图示出根据本发明的变焦镜头第六实施例的镜头构造；
图22与图23和图24一同示出了其中将具体数值用于第六实施例的第六数值实施例的像差曲线图。图22示出了在广角端的球差、像散和畸变；
图23示出了在中间焦距处的球差、像散和畸变；
图24示出了在摄远端的球差、像散和畸变；
图25是示出根据本发明的成像设备一种实施例的框图。
具体实施方式
下面将参考附图对实现本发明的变焦镜头以及成像设备的最佳实施例进行说明。
首先将说明本发明的变焦镜头。
在本发明的变焦镜头中，从物方至像方依次排列有：具有负屈光度的第一透镜组；具有正屈光度的第二透镜组；具有负屈光度的第三透镜组；以及具有正屈光度的第四透镜组。在屈光度从广角端向摄远端改变的过程中，各个组在光轴方向上运动，并满足以下关系式(1)：
(1)-5＜f4/f1＜-2.6，
其中，
f1：第一透镜组的焦距；而
f4：第四透镜组的焦距。
因此，在本发明的变焦镜头中，能够实现小型化并能够确保所需的后焦点。还能够减小在第一透镜组中产生的场曲。
关系式(1)界定了第一透镜组与第四透镜组之间的焦距比率。当满足关系式(1)时，能够校正广角端的场曲，同时还能够确保适当的后焦点，此外，可使得前透镜直径较小，由此有助于小型化。
当超过关系式(1)的下限时，第一透镜组的屈光度变强，由此难以校正在第一透镜组中发生的场曲。当超过关系式(1)的上限时，第四透镜组的屈光度变强，由此难以确保所需的后焦点。此外，第一透镜组的屈光度变弱，由此别无他法而只能使得前透镜直径较大，由此不利于实现小型化。
在根据本发明的一种实施例的变焦镜头中，当用D3表示摄远端情况下第三透镜组中与物方最接近的表面上轴上光束的光路直径时，优选地满足以下关系式(2)。由此，能够在适当地校正场曲的同时实现小F数：
(2)-1.7＜D3/f1＜-0.95。
关系式(2)界定了第一透镜组的焦距与摄远端情况下第三透镜组中与物方最接近的表面上轴上光束的光路直径之间的比率。当超过关系式(2)的下限时，第一透镜组的屈光度变的过强，具体而言，会变的难以校正广角端的场曲。当超过关系式(2)的上限时，第一透镜组的屈光度变弱，具体而言，会变的难以确保广角端的充足照度。
在根据本发明的一种实施例的变焦镜头中，希望整个第一透镜组在光轴方向上运动以执行对近物的聚焦。利用充分实现了像差校正的整个第一透镜组来执行聚焦，由此能够在接近区域(proximal area)只有较小像差变化的情况下实现聚焦。
在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，希望通过设置在物方的物方子组以及设置在像面方的像面方子组来构造第一透镜组，并移动像面方子组以对近物执行聚焦。为了实现广角，需要在第一透镜组中吸收较宽范围的光，由此致使前透镜直径变大，且其重量变重。因此，第一透镜组被分为物方子组以及像面方子组以实现小直径，由此可在光轴上移动可以构造得更轻的像面方子组来实现聚焦。因此，在保持通过第一透镜组实现聚焦这种优点的同时，聚焦组的较轻重量可使得驱动机构进一步小型化。例如，能够使用诸如超声马达的小输出驱动源。
在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，当将第一透镜组分为物方子组以及像面方子组、并在像面方子组中执行聚焦时，优选地满足以下关系式(3)，其中f11表示第一透镜组中物方子组的焦距，而f12表示第一透镜组中像面方子组的焦距。由此，能够防止在聚焦时发生畸变。
(3)0.15＜f11/f12＜0.45
关系式(3)界定了第一透镜组的物方子组与其像面方子组之间的焦距比率。当超过关系式(3)的下限时，第一透镜组的像面方子组的屈光度变的过弱，由此聚焦时移动量变大，使得难以构造透镜筒，由此是不利的。当超过关系式(3)的上限时，第一透镜组的像面方子组的屈光度变的过强，由此聚焦时畸变变化较大。
在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，希望与第一透镜组的物最接近的表面包括非球面，所述非球面设置成使得距离光轴越远正屈光度就越强。由此，能够更有效的对畸变以及场曲进行校正。
更优选的，满足以下关系式(4)：
(4)-45＜(|x|-|x0|)/(c0×(N’-N)×f1)＜-5
其中：
x表示非球面形状(在光轴方向上距透镜表面顶点的距离)；
x0表示非球面的基准球的形状；
c0表示非球面的基准球的曲率；
N表示非球面的物方介质的折射率；
N’表示非球面的像方介质的折射率；
f1表示第一透镜组的焦距。
关系式(4)界定了布置在第一透镜组物方的非球面的形状，其使得越远离光轴，正屈光度就越强。当满足关系式(4)时，能够适当地对广角端的畸变以及摄远端的球差进行校正。当超过关系式(4)的下限时，非球面的能力(power)变的过弱，难以对广角端的畸变进行校正。当超过关系式(4)的上限时，非球面的能力变的过强，难以对摄远端的畸变进行校正。下面参考附图及表格，描述根据本发明的实施例的变焦镜头具体示例以及取具体数值的数值实施例。
注意，在各个实施例中会引入非球面，该非球面的形状由下面的公式1限定：
[公式1]
X = y 2 · c 2 1 + 1 - ϵ · y 2 · c 2 + ΣA i · y i
在公式1中，x表示沿光轴方向距透镜表面顶点的距离，y表示沿垂直于光轴的方向上的高度，c表示在透镜表面顶点处的近轴曲率，ε表示圆锥常数，而Ai表示第i阶非球面系数。
图1示出了根据第一实施例的变焦镜头1在广角端的透镜构造，并用箭头表示出各个透镜组沿光轴方向朝向摄远端的运动轨迹。
变焦镜头1从物方至像面方依次包括：具有负屈光度的第一透镜组GR1、具有正屈光度的第二透镜组GR2、具有负屈光度的第三透镜组GR3、以及具有正屈光度的第四透镜组GR4。
从物方至像面方依次设置以下项来构造第一透镜组GR1：物方子组，其包括负透镜G1以及负透镜G2，负透镜G1在物方具有非球面并在像方具有较强曲率的凹面，负透镜G2在像方具有较强曲率的凹面；以及像方子组，其包括负透镜G3以及正透镜G4，负透镜G3在物方具有非球面。从物方至像面方依次设置以下项来构造第二透镜组GR2：由负透镜G5以及正透镜G6形成的胶合透镜；以及正透镜G7。利用从物方至像面方依次设置的负透镜G8与正透镜G9形成的胶合透镜来构造第三透镜组GR3。从物方至像面方依次设置以下项来构造第四透镜组GR4：由正透镜G10与负透镜G11形成的胶合透镜；由负透镜G12与正透镜G13形成的胶合透镜；在像方具有非球面的负透镜G14；以及正透镜G15。孔径光阑S设置在第二透镜组GR2的物方。由第一透镜组GR1的第三透镜G3与第四透镜G4形成的像面方子组在光轴上运动以执行聚焦。
表1示出了数值实施例1的透镜数据，其通过将具体数值应用于根据第一实施例的变焦镜头1来获得。在表1以及其他示出透镜数据的表中，“表面号”表示从物方计算的第i表面；“曲率半径”表示从物方起的第i表面的近轴曲率半径；“轴向表面距离”表示第i表面与第i+1表面之间的轴向表面距离；“折射率”表示具有物方第i表面的玻璃材料对于d线的折射率；而“阿贝数”则表示具有物方第i表面的玻璃材料对于d线的阿贝数。表面号i后缀的标号“*”表示该表面为非球面，而轴向表面距离中的数字“di”表示该轴向表面距离是可变距离。
[表1]
  表面号   曲率半径   轴向表面距离   折射率   阿贝数
  1*2345*678910111213141516171819202122232425*2627   84.81820.12434.52322.571-52.98747.70645.008-98.015孔径光阑40.80822.226-85.25546.066-140.088-63.28735.682154.18123.905-18.425-25.683278.27816.174-94.802-28.032-50.093-214.342-54.130   1.5005.3741.250d41.0011.2545.000d82.0403.9956.2440.2003.374d140.8002.169d178.1790.8010.1500.8005.9091.9991.0000.1502.212   1.772501.827161.772501.610941.874541.560061.772501.882591.922861.497001.879581.867031.497001.883001.79876   49.7745.4349.7733.5735.1561.4449.7040.4918.8981.6138.3031.2481.6140.8022.61
在从广角端向摄远端变焦期间，改变第一透镜组GR1与第二透镜组GR2(孔径光阑S)之间的距离d8，第二透镜组GR2与第三透镜组GR3之间的距离d14，以及第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d17。因此，表2示出了在广角端(f＝15.40)、广角端与摄远端之间的中间焦距(f＝23.25)、以及摄远端(f＝33.99)这些位置处，数值实施例1中各个距离d8、d14和d17的值以及焦距f、F数FNO、以及视角2ω的各个数值。在聚焦期间，第一透镜组GR1中的物方子组与像面方子组之间的距离d4发生改变。
[表2]
  fFNO2ωd4d8d14d17   ＝＝＝＝＝＝＝   15.403.58111.013.33022.0421.56813.848   ～～～～～～～   23.253.5885.113.3309.3277.8227.594   ～～～～～～～   33.993.6063.713.3302.15114.6650.750
第一透镜G1的物方表面(第一表面)，第三透镜G3的物方表面(第五表面)，以及第十四透镜G14的像方表面(第二十五表面)由非球面构造。表3示出了数值实施例1中上述各个表面的非球面系数以及圆锥常数ε。
[表3]
  表面号   ε   A4   A6   A8   A10
  1525   9.866811   0.10690989×10-4-0.30646240×10-50.13814555×10-4   -0.14223401×10-7-0.44595354×10-80.27805869×10-7   0.17283994×10-100.11684383×10-90.10618731×10-9   -0.12132212×10-13-0.35067195×10-120.56273183×10-12
图2至图4分别示出了焦点位于无限远处时数值实施例1中的球差、像散和畸变。图2示出了在广角端的各个像差，图3示出了在中间焦距的各个像差，而图4示出了在摄远端的各个像差。在球差图中，纵轴表示球差与全孔径(full-aperture)F数的比率，而横轴表示失焦(defocus)。在图中，实线表示在d线处的球差，虚线表示在C线处的球差，而点划线则表示在g线处的球差。在像散图中，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦，实线表示弧矢(sagittal)像面，而虚线则表示子午(meridional)像面。在畸变图中，纵轴表示图像高度。
图5示出了根据第二实施例的变焦镜头2在广角端的透镜构造，并用箭头表示出各个透镜组沿光轴方向朝向摄远端的运动轨迹。
变焦镜头2从物方至像面方依次包括：具有负屈光度的第一透镜组GR1、具有正屈光度的第二透镜组GR2、具有负屈光度的第三透镜组GR3、以及具有正屈光度的第四透镜组GR4。
从物方至像面方依次设置以下项来构造第一透镜组GR1：物方子组，其包括负透镜G1以及负透镜G2，负透镜G1在物方具有非球面并在像方具有较强曲率的凹面，负透镜G2在像方具有较强曲率的凹面；以及像方子组，其包括负透镜G3以及正透镜G4，负透镜G3在物方具有非球面。从物方至像面方依次设置以下项来构造第二透镜组GR2：由负透镜G5以及正透镜G6形成的胶合透镜；以及正透镜G7。利用从物方至像面方依次设置的负透镜G8与正透镜G9形成的胶合透镜来构造第三透镜组GR3。从物方至像面方依次设置以下项来构造第四透镜组GR4：由正透镜G10与负透镜G11形成的胶合透镜；由负透镜G12与正透镜G13形成的胶合透镜；在像方具有非球面的负透镜G14；以及正透镜G15。孔径光阑S设置在第二透镜组GR2的物方，由第一透镜组GR1的第三透镜G3与第四透镜G4形成的像面方子组在光轴上运动以执行聚焦。
表4示出了数值实施例2的透镜数据，其通过将具体数值应用于根据第二实施例的变焦镜头2来获得。
[表4]
  表面号   曲率半径   轴向表面距离   折射率   阿贝数
  1*2345*678910111213141516   68.80920.44152.79829.959-59.094211.101105.261-265.286孔径光阑56.82226.422-110.83054.232-177.912-68.25539.643   1.5007.3061.250d41.2003.002.638d81.2001.5006.7000.1503.853d140.8002.829   1.772501.816001.772501.661881.883001.655571.754501.864741.92286   49.7746.5749.7728.9640.8054.6151.5734.7818.89
  171819202122232425*2627   282.21326.195-21.582-30.240225.46518.289-294.606-33.532-60.964134.747-97.683   d179.4070.8000.1500.8006.2592.4371.0000.1502.833 1.497001.879581.858171.497001.883001.79850 81.6138.3027.5681.6140.8022.60
在从广角端向摄远端变焦期间，改变第一透镜组GR1与第二透镜组GR2(孔径光阑S)之间的距离d8，第二透镜组GR2与第三透镜组GR3之间的距离d14，以及第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d17。因此，表5示出了在广角端(f＝16.45)、广角端与摄远端之间的中间焦距(f＝24.83)、以及摄远端(f＝34.05)这些位置处数值实施例2中各个距离d8、d14和d17的值以及焦距f、F数FNO、以及视角2ω的各个数值。在聚焦期间，第一透镜组GR1中的物方子组与像面方子组之间的距离d4发生改变。
[表5]
  fFNO2ωd4d8d14d17   ＝＝＝＝＝＝＝   16.452.88107.214.92420.0951.69716.705   ～～～～～～～   24.832.8881.514.9247.19610.2698.133   ～～～～～～～～   34.052.9063.914.9241.00017.6520.750
第一透镜G1的物方表面(第一表面)，第三透镜G3的物方表面(第五表面)，以及第十四透镜G14的像方表面(第二十五表面)由非球面构造。表6示出了数值实施例2中上述各个表面的非球面系数以及圆锥常数ε。
[表6]
  表面号   ε   A4   A6   A8   A10
  1525   9.866811   0.10690989×10-4-0.30646240×10-50.13814555×10-4   -0.14223401×10-7-0.44595354×10-80.27805869×10-7   0.17283994×10-100.11684383×10-90.10618731×10-9   -0.12132212×10-13-0.35067195×10-120.56273183×10-12
图6至图8分别示出了焦点位于无限远处时数值实施例2中的球差、像散和畸变。图6示出了在广角端的各个像差，图7示出了在中间焦距的各个像差，而图8示出了在摄远端的各个像差。在球差图中，纵轴表示球差与全孔径F数的比率，而横轴表示失焦。在图中，实线表示在d线处的球差，虚线表示在C线处的球差，而点划线则表示在g线处的球差。在像散图中，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦，实线表示弧矢像面，而虚线则表示子午像面。在畸变图中，纵轴表示图像高度。
图9示出了根据第三实施例的变焦镜头3在广角端的透镜构造，并用箭头表示出各个透镜组沿光轴方向朝向摄远端的运动轨迹。
变焦镜头3从物方至像面方依次包括：具有负屈光度的第一透镜组GR1、具有正屈光度的第二透镜组GR2、具有负屈光度的第三透镜组GR3、以及具有正屈光度的第四透镜组GR4。
从物方至像面方依次设置以下项来构造第一透镜组GR1：物方子组，其包括负透镜G1以及负透镜G2，负透镜G1在物方具有非球面并在像方具有较强曲率的凹面负透镜G2在像方具有较强曲率的凹面；以及像方子组，其包括负透镜G3、负透镜G4以及正透镜G5，负透镜G3在物方具有非球面。从物方至像面方依次设置以下项来构造第二透镜组GR2：由负透镜G6以及正透镜G7形成的胶合透镜；以及正透镜G8。利用从物方至像面方依次设置的负透镜G9与正透镜G10形成的胶合透镜来构造第三透镜组GR3。从物方至像面方依次设置以下项来构造第四透镜组GR4：正透镜G11；由负透镜G12、正透镜G13以及在像方具有非球面的负透镜G14形成的胶合三合透镜；以及正透镜G15。孔径光阑S设置在第二透镜组GR2的物方，由第一透镜组GR1的第三透镜G3、第四透镜G4以及第五透镜G5形成的像面方子组在光轴上运动以实现聚焦。
表7示出了数值实施例3的透镜数据，其通过将具体数值应用于根据第三实施例的变焦镜头3来获得。
[表7]
  表面号   曲率半径   轴向表面距离   折射率   阿贝数
  1*2345*67   82.08419.24325.94219.50340.57926.030-55.189   1.5003.9791.250d41.0004.9580.900   1.772501.883001.772501.83481   49.3640.8049.3642.72
  8910111213141516171819202122232425*2627   84.52038.164-179.134孔径光阑44.17621.422-63.48248.974-156.819-69.05227.74061.80719.683-45.269213.46816.177-13.5442872.738-819.800-25.879   0.1505.911d101.2005.0006.7260.1503.295d160.8002.143d196.6750.1500.80010.6371.0000.7984.378 1.645091.896851.657681.883001.883001.922861.497001.903661.497001.772501.60630 30.2630.3253.6140.8040.8018.8981.6131.3281.6149.3634.11
在从广角端向摄远端变焦期间，改变第一透镜组GR1与第二透镜组GR2(孔径光阑S)之间的距离d10，第二透镜组GR2与第三透镜组GR3之间的距离d16，以及第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d19。因此，表8示出了在广角端(f＝15.40)、广角端与摄远端之间的中间焦距(f＝23.25)、以及摄远端(f＝33.99)这些位置处数值实施例3中各个距离d10、d16和d19的值以及焦距f、F数FNO、以及视角2ω的各个数值。在聚焦期间，第一透镜组GR1中的物方子组与像面方子组之间的距离d4发生改变。
[表8]
  fFNO2ωd4d10d16d19 ＝＝＝＝＝＝＝   15.403.58111.18.52622.2581.51613.515 ～～～～～～～   23.253.5884.88.52610.1006.1458.072   ～～～～～～～   33.993.6063.78.5263.38810.2151.623
第一透镜G1的物方表面(第一表面)，第三透镜G3的物方表面(第五表面)，以及第十四透镜G14的像方表面(第二十五表面)由非球面构造。因此，表9示出了数值实施例3中上述各个表面的非球面系数以及圆锥常数ε。
[表9]
  表面号   ε   A4   A6   A8   A10
  1525   10.145411   0.14950114×10-4-0.11631935×10-40.14847184×10-4   -0.25399939×10-7-0.19771836×10-80.22549428×10-7   0.36144960×10-100.10321854×10-9-0.73414138×10-11   -0.26718336×10-13-0.33446521×10-120.44985862×10-12
图10至图12分别示出了焦点位于无限远处时数值实施例3中的球差、像散和畸变。图10示出了在广角端的各个像差，图11示出了在中间焦距的各个像差，而图12示出了在摄远端的各个像差。在球差图中，纵轴表示球差与全孔径F数的比率，而横轴表示失焦。在图中，实线表示在d线处的球差，虚线表示在C线处的球差，而点划线则表示在g线处的球差。在像散图中，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦，实线表示弧矢像面，而虚线则表示子午像面。在畸变图中，纵轴表示图像高度。
图13示出了根据第四实施例的变焦镜头4在广角端的透镜构造，并用箭头表示出各个透镜组沿光轴方向朝向摄远端的运动轨迹。
变焦镜头4从物方至像面方依次包括：具有负屈光度的第一透镜组GR1、具有正屈光度的第二透镜组GR2、具有负屈光度的第三透镜组GR3、以及具有正屈光度的第四透镜组GR4。
从物方至像面方依次设置以下项来构造第一透镜组GR1：物方子组，其包括负透镜G1以及负透镜G2，负透镜G1在物方具有非球面并在像方具有较强曲率的凹面负透镜G2在像方具有较强曲率的凹面；以及像方子组，其包括负透镜G3以及正透镜G4，负透镜G3在物方具有非球面。从物方至像面方依次设置以下项来构造第二透镜组GR2：由负透镜G5以及正透镜G6形成的胶合透镜；以及正透镜G7。利用从物方至像面方依次设置的负透镜G8与正透镜G9形成的胶合透镜来构造第三透镜组GR3。从物方至像面方依次设置以下项来构造第四透镜组GR4：正透镜G10；由负透镜G11、正透镜G12以及在像方具有非球面的负透镜G13形成的胶合三合透镜；以及正透镜G14。孔径光阑S设置在第二透镜组GR2的像面方，由第一透镜组GR1的第三透镜G3与第四透镜G4形成的像面方子组在光轴上运动以执行聚焦。
表10示出了数值实施例4的透镜数据，其通过将具体数值应用于根据第四实施例的变焦镜头4来获得。
[表10]
  表面号   曲率半径   轴向表面距离   折射率   阿贝数
  1*2345*67891011121314151617181920212223*2425   92.59316.18026.18915.530-28.000286.819119.548-52.00729.57618.385-44.26833.591-273.220孔径光阑-43.52420.86372.96723.537-21.855-92.56818.083-9.889-41.796-138.056-13.552   1.5005.8421.250d41.8002.2993.000d80.8004.8140.2002.519d131.7190.8002.121d174.0970.1000.8007.2860.8000.2005.755   1.772501.772501.772501.593031.873501.509751.716271.883001.922861.497001.883001.487491.882631.49700   49.7749.7049.7735.8134.5656.9351.7540.8018.8981.6140.8070.4440.5281.61
在从广角端向摄远端变焦期间，改变第一透镜组GR1与第二透镜组GR2之间的距离d8，第二透镜组GR2(孔径光阑S)与第三透镜组GR3之间的距离d14，以及第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d17。因此，表11示出了在广角端(f＝10.22)、广角端与摄远端之间的中间焦距(f＝15.43)、以及摄远端(f＝23.32)这些位置处数值实施例4中各个距离d8、d14和d17的值以及焦距f、F数FNO、以及视角2ω的各个数值。在聚焦期间，第一透镜组GR1中的物方子组与像面方子组之间的距离d4发生改变。
[表11]
  fFNO2ωd4d8d13   ＝＝＝＝＝＝   10.223.58111.611.56419.2651.000   ～～～～～～   15.433.5886.311.5647.7084.876   ～～～～～～   23.323.6063.011.5641.0009.866
  d17   ＝   9.366   ～   5.490   ～   0.500
第一透镜G1的物方表面(第一表面)，第三透镜G3的物方表面(第五表面)，以及第十三透镜G13的像方表面(第二十三表面)由非球面构造。因此，表12示出了数值实施例4中上述各个表面的非球面系数以及圆锥常数ε。
[表12]
  表面号   ε   A4   A6   A8   A10
  1523   16.686111   0.31005662×10-4-0.81332133×10-50.30846271×10-4   -0.71054176×10-70.39844381×10-70.10339208×10-6   0.13281885×10-90.30106097×10-9-0.93978784×10-9   -0.10610991×10-12-0.20748486×10-110.19100956×10-11
图14至图16分别示出了焦点位于无限远处时数值实施例4中的球差、像散和畸变。图14示出了在广角端的各个像差，图15示出了在中间焦距的各个像差，而图16示出了在摄远端的各个像差。在球差图中，纵轴表示球差与全孔径F数的比率，而横轴表示失焦。在图中，实线表示在d线处的球差，虚线表示在C线处的球差，而点划线则表示在g线处的球差。在像散图中，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦，实线表示弧矢像面，而虚线则表示子午像面。在畸变图中，纵轴表示图像高度。
图17示出了根据第五实施例的变焦镜头5在广角端的透镜构造，并用箭头表示出各个透镜组沿光轴方向朝向摄远端的运动轨迹。
变焦镜头5从物方至像面方依次包括：具有负屈光度的第一透镜组GR1、具有正屈光度的第二透镜组GR2、具有负屈光度的第三透镜组GR3、以及具有正屈光度的第四透镜组GR4。
从物方至像面方依次设置以下项来构造第一透镜组GR1：物方子组，其包括负透镜G1以及负透镜G2，负透镜G1在物方具有非球面并在像方具有较强曲率的凹面负透镜G2在像方具有较强曲率的凹面；以及像方子组，其包括负透镜G3以及正透镜G4，负透镜G3在物方具有非球面。从物方至像面方依次设置以下项来构造第二透镜组GR2：由负透镜G5以及正透镜G6形成的胶合透镜；以及正透镜G7。利用从物方至像面方依次设置的负透镜G8与正透镜G9形成的胶合透镜来构造第三透镜组GR3。从物方至像面方依次设置以下项来构造第四透镜组GR4：正透镜G10；由负透镜G11、正透镜G12以及在像方具有非球面的负透镜G13形成的胶合三合透镜；以及正透镜G14。孔径光阑S设置在第二透镜组GR2的物方，由第一透镜组GR1的第三透镜G3与第四透镜G4形成的像面方子组在光轴上运动以实现聚焦。
表13示出了数值实施例5的透镜数据，其通过将具体数值应用于根据第五实施例的变焦镜头5来获得。
[表13]
  表面号   曲率半径   轴向表面距离   折射率   阿贝数
  1*2345*67891011121314151617181920212223*2425   92.59316.36325.16514.839-28.1251025.725136.186-58.824孔径光阑33.62019.267-51.15133.203-96.772-43.93624.382108.43522.639-24.676-169.21215.610-9.911-35.622-54.659-13.399   1.5005.7871.250d41.8001.4633.000d80.5001.0004.4080.2002.825d140.8002.0404d174.0140.1000.8007.6460.8000.5575.367   1.772501.772501.772501.622491.874961.525101.656621.883001.922861.497001.883001.487491.883001.49700   49.7749.7049.7032.3335.4054.0054.5540.8018.8981.6140.8070.4440.8081.61
在从广角端向摄远端变焦期间，改变第一透镜组GR1与第二透镜组GR2(孔径光阑S)之间的距离d8，第二透镜组GR2与第三透镜组GR3之间的距离d14，以及第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d17。因此，表14示出了在广角端(f＝10.22)、广角端与摄远端之间的中间焦距(f＝15.43)、以及摄远端(f＝23.32)这些位置处数值实施例5中各个距离d8、d14和d17的值以及焦距f、F数FNO、以及视角2ω的各个数值。在聚焦期间，第一透镜组GR1中的物方子组与像面方子组之间的距离d4发生改变。
[表14]
fFNO2ωd4d8d14d17 ＝＝＝＝＝＝＝  10.223.58111.611.40019.3161.49010.767   ～～～～～～～   15.433.5886.411.4008.1026.0066.251     ～～～～～～～  23.323.6063.011.4001.51611.7570.500
第一透镜G1的物方表面(第一表面)，第三透镜G3的物方表面(第五表面)，以及第十三透镜G13的像方表面(第二十三表面)由非球面构造。因此，表15示出了数值实施例5中上述各个表面的非球面系数以及圆锥常数ε。
[表15]
  表面号     ε  A4  A6   A8  A10
  1523     16.879011  0.30398945×10-4-0.81161548×10-50.27009907×10-4  -0.69991481×10-70.85540282×10-70.78702227×10-7   0.13273466×10-9-0.22574794×10-9-0.55586073×10-9  -0.10788258×10-12-0.16839086×10-120.41561089×10-12
图18至图20分别示出了焦点位于无限远处时数值实施例5中的球差、像散和畸变。图18示出了在广角端的各个像差，图19示出了在中间焦距的各个像差，而图20示出了在摄远端的各个像差。在球差图中，纵轴表示球差与全孔径F数的比率，而横轴表示失焦。在图中，实线表示在d线处的球差，虚线表示在C线处的球差，而点划线则表示在g线处的球差。在像散图中，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦，实线表示弧矢像面，而虚线则表示子午像面。在畸变图中，纵轴表示图像高度。
图21示出了根据第六实施例的变焦镜头6在广角端的透镜构造，并用箭头表示出各个透镜组沿光轴方向朝向摄远端的运动轨迹。
变焦镜头6从物方至像面方依次包括：具有负屈光度的第一透镜组GR1、具有正屈光度的第二透镜组GR2、具有负屈光度的第三透镜组GR3、以及具有正屈光度的第四透镜组GR4。
从物方至像面方依次设置以下项来构造第一透镜组GR1：物方子组，其包括负透镜G1以及负透镜G2，负透镜G1在物方具有非球面并在像方具有较强曲率的凹面负透镜G2在像方具有较强曲率的凹面；以及像方子组，其包括负透镜G3、负透镜G4以及正透镜G5，负透镜G3在物方具有非球面。从物方至像面方依次设置以下项来构造第二透镜组GR2：由负透镜G6以及正透镜G7形成的胶合透镜；以及正透镜G8。从物方至像面方依次设置以下项来构造第三透镜组GR3：负透镜G9；以及由负透镜G10与正透镜G11形成的胶合透镜。从物方至像面方依次设置以下项来构造第四透镜组GR4：正透镜G12；由负透镜G13、正透镜G14以及在像方具有非球面的负透镜G15形成的胶合三合透镜；以及正透镜G16。孔径光阑S设置在第二透镜组GR2的物方，由第一透镜组GR1的第三透镜G3、第四透镜G4以及第五透镜G5形成的像面方子组在光轴上运动以执行聚焦。
表16示出了数值实施例6的透镜数据，其通过将具体数值应用于根据第六实施例的变焦镜头6来获得。
[表16]
  表面号   曲率半径   轴向表面距离   折射率   阿贝数
  1*2345*6789101112131415161718192021222324252627*   120.2825222.9621134.2155624.8704945.9396734.90506-73.73451139.4976443.53072135.236380.0000056.8041126.87031-70.9541458.22979-157.33141-125.91810146.07859-70.1929735.33390269.3428623.38634-102.8521970.1193417.92286-21.36752-61.82621   2.0004.4501.500d41.6004.6431.1000.1503.109d101.6001.2006.8520.1503.910d161.0001.7900.9003.445d216.9300.1501.10011.7411.2001.533   1.772501.883001.772501.834811.761821.903661.638541.883001.834811.696801.846661.456501.903661.497001.77250   49.3640.8049.3642.7226.6131.3255.4540.8042.7255.4623.7890.2731.3281.6149.36
2829     -50.34053-27.22193   3.584     1.51823     58.96
在从广角端向摄远端变焦期间，改变第一透镜组GR1与第二透镜组GR2(孔径光阑S)之间的距离d10，第二透镜组GR2与第三透镜组GR3之间的距离d16，以及第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d21。因此，表17示出了在广角端(f＝16.42)、广角端与摄远端之间的中间焦距(f＝24.01)、以及摄远端(f＝34.01)这些位置处数值实施例6中各个距离d10、d16和d21的值以及焦距f、F数FNO、以及视角2ω的各个数值。在聚焦期间，第一透镜组GR1中的物方子组与像面方子组之间的距离d4发生改变。
[表17]
fFNO2ωd4d10d16d21   ＝＝＝＝＝＝＝   16.422.88107.509.22021.8881.50015.476 ～～～～～～～   24.012.8883.09.22010.6417.4188.248 ～～～～～～～   34.012.9063.79.2204.14511.8081.200
第一透镜G1的物方表面(第一表面)，第三透镜G3的物方表面(第五表面)，以及第十五透镜G15的像方表面(第二十七表面)由非球面构造。因此，表18示出了数值实施例6中上述各个表面的非球面系数以及圆锥常数ε。
[表18]
表面号     ε A4 A6 A8 A10 A12
1527     12.572011 0.112012×10-4-0.750513×10-50.117695×10-4 -0.160907×10-7-0.931964×10-80.220234×10-8 0.231863×10-100.137423×10-90.152244×10-9 -0.213231×10-13-0.545020×10-12-0.710637×10-12 0.962746×10-170.715615×10-150.200514×10-14
图22至图24分别示出了焦点位于无限远处时数值实施例6中的球差、像散和畸变。图22示出了在广角端的各个像差，图23示出了在中间焦距的各个像差，而图24示出了在摄远端的各个像差。在球差图中，纵轴表示球差与全孔径F数的比率，而横轴表示失焦。在图中，实线表示在d线处的球差，虚线表示在C线处的球差，而点划线则表示在g线处的球差。在像散图中，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦，实线表示弧矢像面，而虚线则表示子午像面。在畸变图中，纵轴表示图像高度。
下表19示出了与用于评价数值实施例1至6的关系式(1)至(4)的关系的各个关系式对应的数值和值。
[表19]
在数值实施例1至6中，满足关系式(1)至(4)，且如各个像差图中所示，对它们的像差进行的校正在广角端、广角端与摄远端之间的中间焦距、以及摄远端之问获得了良好的平衡。
下面将说明根据本发明一种实施例的成像设备。
根据本发明实施例的成像设备设置有变焦镜头以及成像传感器，成像传感器用于将由变焦镜头形成的光学图像转换成电信号。通过从物方至像方依次排列下列项来构造变焦镜头：具有正屈光度的第一透镜组；具有正屈光度的第二透镜组；具有负屈光度的第三透镜组；以及具有正屈光度的第四透镜组。在屈光度从广角端向摄远端改变的过程中，各个组在光轴方向上移动，并满足以下关系式(1)：
(1)-5＜f4/f1＜-2.6，
其中，
f1为第一透镜组的焦距；而
f4为第四透镜组的焦距。
因此，根据本发明的实施例的成像设备能够实现小型化并能够确保所需的后焦点，并设置有允许减小第一透镜组中场曲的变焦镜头。
以下在图25中的框图中示出了成像设备的实施例的具体示例。
数码相机10构造成一种可互换镜头的所谓“单镜头反射式相机”。在数码相机10中，镜头单元20以可拆卸的方式安装到具有成像传感器的相机体30。
镜头单元20设置有：变焦镜头或定焦镜头；驱动单元，用于对镜头的各个部件进行驱动；以及控制部分，用于对驱动单元进行驱动和控制。就镜头而言，可以使用本发明上述的变焦镜头。即，可以使用根据各个实施例及其数值实施例中公开的变焦镜头1至6，或者根据除了上述实施例及数值实施例之外的其他模式实现的镜头。在用上述镜头作为变焦镜头21时，镜头设置有各种驱动单元，例如包括：在使第一透镜组的像面方子组变焦时使预定透镜组运动的变焦驱动单元22、在聚焦时使预定透镜组运动的聚焦驱动单元23、用于改变孔径光阑的孔径的光圈驱动单元24、以及用于对这些驱动单元进行驱动及控制的镜头控制CPU(中央处理单元)25。
相机主体30设置有成像传感器31，该装置用于将由变焦镜头21形成的光学图像转换成电信号。在成像传感器31前方设有跳起反射镜(jump-up mirror)32以将光从变焦镜头21导向五角棱镜33。所得的光进而被导向目镜34。这样，摄影者可以通过目镜34观看由变焦镜头21形成的光学图像。
作为成像传感器31，例如可以采用CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)等器件。从成像传感器31输出的电图像信号在图像处理电路35中受到各种处理，然后，经处理的信号由预定系统进行数据压缩，由此以图像数据的形式临时储存在图像存储器36中。
相机控制CPU(中央处理单元)37将相机主体30和镜头单元20作为一个整体进行总的控制。相机控制CPU 37将临时储存在图像存储器36中的图像数据取出，以显示在液晶显示装置38上或者储存在外部存储器39中。另外，相机控制CPU 37读出储存在外部存储器39中的图像数据以将其显示在液晶显示装置38上。来自操作单元40(例如快门释放开关和变焦开关)的信号被输入相机控制CPU 37，而由来自操作单元40的信号对各个单元进行控制。例如，在对快门释放开关进行操作时，相机控制CPU37将一个命令给予反射镜驱动单元41，并将另一个命令给予计时控制单元42。这样，反射镜驱动单元41使跳起反射镜32如图中双点划线所示跳起，从而使光线可以从变焦镜头21进入成像传感器31，计时控制单元42对成像传感器的信号读取计时进行控制。相机主体30与镜头单元20通过通信连接器43实现互连。当与变焦镜头21的控制有关的信号(例如AF(自动聚焦)型号、AE(自动曝光)信号、及变焦信号等)从相机控制CPU 37经过通信连接器43发送到镜头控制CPU 25时，通过镜头控制CPU 25对变焦驱动单元21、聚焦驱动单元23和光圈驱动单元24进行控制，从而将变焦镜头21设置到预定状态。
在上述实施例中公开的成像设备是单镜头反射式相机。但是，该成像装置也可以用于固定镜头式相机。或者，成像设备不仅可以是数码相机，也可以是银盐胶片式相机。
另外，上文对各种实施例的说明中涉及到的各部分形状以及数值仅作为说明目的而列举的示例，这些实施例不应理解为对本发明技术范围的限制。
根据本发明，能够实现小型化，并确保所需的后焦点。
本领域技术人员应当理解，取决于设计需求和其他因素，在权利要求及其等同形式的范围内，可以出现各种变更、组合、子组合和替换形式。
相关申请的交叉引用
本说明书包含与2006年12月13日提交至日本特许厅的日本专利申请JP 2006-336125有关的主题，其全部内容通过引用而结合于本说明书中。

Claims (7)

1.一种变焦镜头，从物方至像方依次包括：
第一透镜组，具有负屈光度；
第二透镜组，具有正屈光度；
第三透镜组，具有负屈光度；和
第四透镜组，具有正屈光度，其中：
在从广角端向摄远端的倍率改变过程中，各个所述透镜组沿光轴方向运动，并且满足以下关系式(1)：
(1)-5＜f4/f1＜-2.6，
其中：
f1为所述第一透镜组的焦距；
f4为所述第四透镜组的焦距。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，满足以下关系式(2)：
(2)-1.7＜D3/f1＜-0.95，
其中：
D3为在所述摄远端情况下，在所述第三透镜组中与物方最接近的表面上，轴上光束的光路直径。
3.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，整个所述第一透镜组向所述光轴方向运动以对近物执行聚焦。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述第一透镜组设置有布置在所述物方的物方子组以及布置在像面方的像面方子组，并且
使所述像面方子组移动以对近物执行聚焦。
5.根据权利要求4所述的变焦镜头，其中，
满足以下关系式(3)：
(3)0.15＜f11/f12＜0.45，
其中：
f11为所述第一透镜组中所述物方子组的焦距；
f12为所述第一透镜组中所述像面方子组的焦距。
6.根据权利要求1所述的变焦镜头，包括非球面，所述非球面布置在所述第一透镜组的与所述物方最接近的表面上，使得距所述光轴越远，正屈光度越强。
7.一种成像设备，包括：
变焦镜头；以及
成像传感器，所述成像传感器用于将由所述变焦镜头形成的光学图像转换成电信号，其中：
所述变焦镜头从物方至像方依次包括：
第一透镜组，具有负屈光度；
第二透镜组，具有正屈光度；
第三透镜组，具有负屈光度；以及
第四透镜组，具有正屈光度，并且
在从广角端向摄远端的倍率改变过程中，各个所述透镜组沿光轴方向运动，并且满足以下关系式(1)：
(1)-5＜f4/f1＜-2.6，
其中：
f1为所述第一透镜组的焦距；
f4为所述第四透镜组的焦距。
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