CN100547450C - 变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变焦镜头，其包括有若干个透镜组，这些透镜组自物面至像面依序包括有具有正屈光度的第一透镜组、具有负屈光度的第二透镜组、具有正屈光度的第三透镜组、具有正屈光度的第四透镜组。通过改变第二透镜组与第三透镜组之间的间距，可以达到变焦的作用。现有技术中要以三群变焦达到四倍的变焦倍率(Zoom Ratio)所需的空间太长，而采用四群变焦则又须考虑透镜数量及价格上的问题，而本发明则借助特殊的架构及采用非球面的塑料透镜，以取代传统的玻璃透镜来满足高画素、短总长及低成本的要求。

Description

变焦镜头

【技术领域】

本发明是关于一种变焦镜头，特别是有关于一种使用塑料非球面透镜与树脂合成透镜来改善成本问题，以及使用两组胶合透镜与镜片互相承靠的设计方式来简化组立作业。

【背景技术】

早期光学透镜多为球面镜片，但球面镜片会因入射光离轴远近造成聚焦点不一致，而产生球面像差(Spherical Aberration)的问题。解决方法是采用多片透镜来补偿，或是采用非球面镜。采用多片透镜补偿的方式会造成变焦镜头的成本与镜头体积的增加，而采用非球面镜的方式除可校正像差问题外，并可运用一片非球面镜来取代数片球面镜，来达到降低成本与产品轻巧化的需求。非球面镜采用塑料材质，其是以合成树脂为材料，因此可以运用射出成型的方式，大量且快速制造，以降低成本。

就设计上而言，由于变焦镜头的镜头焦距长度可以随意调整，所以在矫正各种焦距下的像差和色差的问题上，考虑的条件更多，因此设计手法上更加困难。现有变焦镜头结构的例子可参见图1中所示。这类变焦镜头的专利很多，例如美国专利第6744571号、第6014268号、第5712733号、第5103343号等。在这些现有技术中，提高变焦***的变焦倍率通常会采取两种方法，其一个方法是提高变焦透镜组的屈光度，但这会使得变焦透镜组产生像差；另一种方法是拉长变焦透镜组的移动距离，但这种方式，三群变焦要达到四倍的变焦倍率的移动空间势必要更大，因此会导致变焦镜头的长度更长，而采用四群变焦则可以减少移动所需的空间。四群变焦中如果全部采用球面镜头，则因需要大量的透镜来补偿像差，因此会导致变焦镜头的成本与镜头体积、重量的增加。

因此，有必要提供一种新的变焦镜头，以克服现有技术中的缺点。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种变焦镜头，其可以使用两片非球面透镜及一片树脂复合透镜(Hybrid Lens)就能够组合成四倍变焦的高解像镜头，从而减少透镜数量及降低成本。

依据本发明的上述目的，本发明提供一种变焦镜头，其包括有若干个透镜组，自物面端至像面端分别为具有正屈光度的第一透镜组，用于汇聚收光；具有负屈光度的第二透镜组，用于延长焦距，增加变焦倍率；孔径光阑；具有正屈光度的第三透镜组，用于补偿像差，修正成像位置；具有正屈光度的第四透镜组用于对焦，其中第二透镜组包括有一第一非球面透镜，第三透镜组包括有一复合透镜，且该复合透镜是在一个正透镜的朝向物面的一侧附加一树脂层而形成的，第四透镜组包括有一第二非球面透镜，且第一透镜组与第四透镜组是固定不动的，而第二透镜组及第三透镜组则可相对于第一、第四透镜组移动，以进行变焦。

上述第三透镜组还具有二片黏合镜片，而第二透镜组的第一非球面透镜及第四透镜组的第二非球面透镜均为一塑料透镜，其具有至少一非球面。另外，孔径光阑在变焦的过程是可动的。

相较于现有技术，本发明变焦镜头采用四群变焦来达成四倍变焦倍率，以改善三群变焦要达到四倍变焦倍率所需的空间太长，本发明还使用两片塑料非球面透镜及一片塑脂复合透镜，来达成减少透镜数量跟降低成本的需求，并在第一透镜组G1中采用互相紧邻承靠的方式，第二透镜组G2跟第三透镜组G3采用透镜黏合的方式来方便组立。

【附图说明】

图1是现有变焦镜头的结构示意图。

图2是本发明变焦镜头的结构示意图。

图3是图2中所示变焦镜头的细部结构示意图。

图4是图3中所示变焦镜头的第一实施例的透镜规格图。

图5是图3中所示变焦镜头的第一实施例，其非球面镜片的系数图。

图6是图3中所示变焦镜头的第一实施例，其透镜间可变间距和***有效焦距的关系图。

图7是图3中所示变焦镜头的第一实施例，其处于广角组态和望远组态的透镜组位置的示意图。

图8是图3中所示变焦镜头的第一实施例，其处于广角组态时的纵向球面像差和场曲图。

图9是图3中所示变焦镜头的第一实施例，其处于广角组态时的畸变和横向色差图。

图10是图3中所示变焦镜头的第一实施例，其处于望远组态时的纵向球面像差和场曲图。

图11是图3中所示变焦镜头的第一实施例，其处于望远组态时的畸变和横向色差图。

图12是图3中所示变焦镜头的第二实施例的透镜规格图。

图13是图3中所示变焦镜头的第二实施例，其非球面镜片的系数图。

图14是图3中所示变焦镜头的第二实施例，其透镜间可变间距和***有效焦距的关系图。

图15是图3中所示变焦镜头的第二实施例，其处于广角组态和望远组态的透镜组位置的示意图。

图16是图3中所示变焦镜头的第二实施例，其处于广角组态时的纵向球面像差和场曲图。

图17是图3中所示变焦镜头的第二实施例，其处于广角组态时的畸变和横向色差图。

图18是图3中所示变焦镜头的第二实施例，其处于望远组态时的纵向球面像差和场曲图。

图19是图3中所示变焦镜头的第二实施例，其处于望远组态时的畸变和横向色差图。

图20是图3中所示变焦镜头的第三实施例的透镜规格图。

图21是图3中所示变焦镜头的第三实施例，其非球面镜片的系数图。

图22是图3中所示变焦镜头的第三实施例，其透镜间可变间距和***有效焦距的关系图。

图23是图3中所示变焦镜头的第三实施例，其处于广角组态和望远组态的透镜组位置的示意图。

图24是图3中所示变焦镜头的第三实施例，其处于广角组态时的纵向球面像差和场曲图。

图25是图3中所示变焦镜头的第三实施例，其处于广角组态时的畸变和横向色差图。

图26是图3中所示变焦镜头的第三实施例，其处于望远组态时的纵向球面像差和场曲图。

图27是图3中所示变焦镜头的第三实施例，其处于望远组态时的畸变和横向色差图。

【具体实施方式】

请参阅图2与图3所示，图2为本发明变焦镜头的结构示意图，图3为图2的细部图，本发明变焦镜头从物面至像面依序为：具有第一正透镜L1、第一负透镜L2的第一透镜组G1；具有第一非球面镜L3、第二负透镜L4、第二正透镜L5的第二透镜组G2；光阑STOP；具有第三正透镜L6、第四正透镜L7、第三负透镜L8的第三透镜组G3；具有第二非球面镜L9的第四透镜组G4；镀膜玻璃CG，其可用来提供较好的成像效果(如镀上抗反射或红外线过滤的薄膜)。在屈光度的分配上，第一透镜组G1具正屈光度；第二透镜组G2具负屈光度；第三透镜组G3具正屈光度；第四透镜组G4具正屈光度。在结构上，第一透镜组G1的第一正透镜L1与第一负透镜镜L2互相紧邻承靠；第二透镜组G2的第二负透镜L4与第二正透镜L5互相黏合；第三透镜组G3的第四正透镜L7与第三负透镜L8互相黏合。

另外，本发明是透过在第二透镜组G2内采用第一非球面镜L3、在第四透镜组G4内采用第二非球面镜L9、并在第三透镜组内采用由树脂层P1与第三正透镜L6所组成的复合透镜等来取代多个玻璃透镜，以减少透镜的数量。另外，本发明是将第一非球面镜L3及第二非球面镜L9采用塑料材质制造，以利于生产并减低成本。

请参阅图4至图11所示，图4是透过光学设计所得到的第一实施例的透镜规格图，该实施例的相对孔径(F-number)为2.8至4.3。请参阅图5所示，其中显示出第一非球面镜L3、由树脂层P1与第三正透镜L6所组成的复合透镜，以及第二非球面镜L9的非球面相关数值，非球面镜满足下列非球面数学式：

$D=\frac{C\·H^2}{1+\sqrt{1-(1+K)}\·C^2\·H^2}+\underset{i=2}{\mathrm{\Σ}}{E}_{2i}\·H^{2i}$

上述数学式中，D为非球面镜片在离镜片中心轴的相对高度H时的矢(Sag)量，H为非球面镜片在离镜片中心轴的相对高度，C为顶点曲率，K为非球面镜片的圆锥常数(Conic Const)，E_2i为高阶非球面修正系数。请参阅图6所示，其中显示出在给定有效焦距(EFL)的范围后，分别计算出的四个透镜组的可变间距。

请参阅图7所示，其为本发明变焦镜头的第一实施例中，在最短焦距与最长焦距时各透镜组的位置示意图，从这个图中可以看出，当变焦镜头从广角组态转换为望远组态时，第一透镜组G1与第四透镜组G4是固定不动，第二透镜组G2与第三透镜组G3则改变其位置及间距，并配合一可动光阑STOP，使得所要拍摄的影像视其需要作最佳的放大倍率及影像效果调整，并进一步通过第一透镜组G1与第二透镜组G2的焦距比绝对值为小于0.4且大于0.15；而第二透镜组G2与第三透镜组G3的焦距比绝对值为小于1.2且大于0.55，来证明本发明的实施性。

图8至图11为本发明变焦镜头的第一实施例位于广角组态与望远组态下的球面像差、场曲图、畸变以及横向色差图，其中图8为广角组态的纵向球面像差图与场曲图，该球面像差图是以三种不同波长WV1、WV2、WV3的入射光经由本发明变焦镜头后，以入射光线的高度为纵轴，横轴则为各光线的焦点和与主轴相重叠光线焦点的差异；该场曲图是取WV1波长的入射波，纵轴为比例视角坐标，横轴为像差尺度(mm)，T为切线方向(Tangential)，S为弧矢方向(Ssagittal)，清楚得获知子午方向与弧矢方向焦点相对位置。图9为广角组态的畸变图与横向色差图，该畸变图是取WV1波长的入射波，畸变采用理想像高的百分比表示，该图表示畸变程度小于5％，负值代表桶状畸变，整体影像变小，也称为负型扭曲；该横向色差图，纵轴为比例视角坐标，横轴为像差尺度，色差是由不同光波长的入射光，其在透镜间行进速度不同，因此曲折角度也不同所造成，P代表主横向色差(Primary Lateral Color)，是指***的有效焦距在不同波长下也不同，该焦距中的差别引起透镜放大率颜色的差别，S代表二级横向色差(Secondary Lateral Color)，是指因透镜不随波长成线性改变造成的。图10为望远组态的纵向球面像差图与场曲图，图11为望远组态的畸变图与横向色差图，该图畸变程度约1％，正值是代表枕状畸变，整体影像变大，也称为正型扭曲，一般而言，广角组态比望远组态更易产生畸变，由上述各图验证了本发明变焦镜头的整个光学品质要求。

前面所说明的本发明第一实施例，以及下文中将说明的第二实施例及第三实施例，因***焦距跟视场角略有差异，所以造成透镜的规格跟透镜组之间所需要移动的距离也有所变动。

请参阅图12至图19所示，其中图12为本发明的第二实施例的透镜规格图，该实施例的相对孔径(F-number)为2.8至4.4，图13为第二实施例的非球面相关数值，图14为第二实施例在给定有效焦距(EFL)的范围后，分别计算出的四个透镜组的可变间距。图15为本发明变焦镜头的第二实施例中于最短焦距与最长焦距时各透镜组的位置示意图，图16至图19为本发明变焦镜头的第二实施例在广角组态与望远组态下的球面像差、场曲图、畸变以及横向色差图。

请参阅图20至图27所示，其中图20为本发明第三实施例的透镜规格图，该实施例的相对孔径(F-number)为2.8至4.3，图21为第二实施例的非球面相关数值，图22为第三实施例在给定有效焦距(EFL)的范围后，分别计算出的四个透镜组的可变间距。图23为本发明变焦镜头的第三实施例中，在最短焦距与最长焦距时各透镜组的位置示意图，图24至图27为本发明变焦镜头的第三实施例在广角组态与望远组态下的球面像差、场曲图、畸变及横向色差图。

在上述所有实施例中，本发明变焦镜头的第一透镜组是用来将指定的物面成像到第二透镜组要求的物面位置上；第二透镜组负责变焦，使***能达到最大的变焦倍率；第三透镜组是产生像面位置变化，以补偿第二透镜组的像面位移；第四透镜组是对第二透镜组所成的像不符合***要求时，将其成像到指定的像面位置。

本发明变焦镜头的第一透镜组与第二透镜组要满足以下条件：

$0.15<\left|\frac{F2}{F1}\right|<0.4$

其中F1为第一透镜组合成焦距，F2为第二透镜组焦距。当上式超过上限时，第二透镜组聚焦力(Power)会变小，整体***无法达到平衡，因为第二透镜组是***的负焦距。当上式超过下限时，则难以在短距离内完成高变焦倍率。当第一透镜组与第二透镜组的间距拉大时，第一透镜组的第一片镜片所需的外径相对变大，也因此厚度被迫加厚，以保持可加工的外径。

本发明变焦镜头的第二透镜组与第三透镜组要满足以下条件：

$0.55<\left|\frac{F2}{F3}\right|<1.2$

其中F2为第二透镜组合成焦距，F3为第三透镜组焦距。当上式超过上限时，第三透镜组聚焦力变大，像散快速增加。当上式超过下限时，则第三透镜组聚焦力变小，整体光学***变长，无法满足紧致性(Compact)的需求。

一般而言光学***设计流程有下列几个步骤：

(一)光学***规格订定：决定***焦距，视场角等并选择合用的型式。

(二)初阶设计：即安排适当的高斯结构，由***焦距、色差以及***要求决定透镜的屈光度配置，并考虑球面像差、慧差以及其它的像差来决定透镜的形状。

(三)薄透镜的加厚：在初阶设计中大都是以薄透镜的型式来进行理论的***分析，然而没有厚度的薄透镜并不合实际，所以必须给予每个透镜合理的厚度，并保持整个***的结构不变。

(四)优化：将透镜加上合理的厚度后，对***进行优化的工作，取一适当镜组并分析其成像结果，以决定***是否达到要求。

可从上的流程中得到透镜组的相关规格资料表，并可根据***的有效焦距计算出透镜组所需要移动的距离。

本发明变焦镜头与现有的变焦镜头的差异性在于采用四群变焦来达成四倍变焦倍率，以改善三群变焦要达到四倍变焦倍率所需的空间太长，以及使用两片塑料非球面透镜及一片塑脂复合透镜，来达成减少透镜数量跟降低成本的需求，并在第一透镜组G1中采用互相紧邻承靠的方式，第二透镜组G2跟第三透镜组G3采用透镜黏合的方式来方便组立。

Claims (17)

1.一种变焦镜头，其自物面至像面依序包括有：具有正屈光度的第一透镜组、具有负屈光度的第二透镜组、可移动光阑、具有正屈光度的第三透镜组，以及具有正屈光度的第四透镜组，其特征在于：第二透镜组包括有一第一非球面透镜，第三透镜组包括有一复合透镜，且该复合透镜是在一个正透镜的朝向物面的一侧附加一树脂层而形成的，第四透镜组包括有一第二非球面透镜，且第一透镜组与第四透镜组是固定不动的，而第二透镜组及第三透镜组则可相对于第一、第四透镜组移动，以进行变焦。

2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第一透镜组包括有一第一正透镜及一第一负透镜。

3.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第二透镜组除第一非球面透镜以外，还包括有一第二负透镜以及一第二正透镜。

4.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第三透镜组除复合透镜以外，还包括有一第四正透镜以及一第三负透镜。

5.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第四透镜组的第二非球面镜具有至少一非球面。

6.如权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于：第一透镜组的第一正透镜是紧邻第一负透镜。

7.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第二透镜组的第一非球面透镜是由塑料制成。

8.如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于：第二透镜组的第二负透镜是黏合于第二正透镜。

9.如权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于：第三透镜组的第四正透镜是黏合于第三负透镜。

10.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第四透镜组的第二非球面透镜是由塑料制成。

11.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第二透镜组的第一非球面镜满足下列非球面数学式：

$D=\frac{C\&CenterDot;H^2}{1+\sqrt{1-(1+K)}\&CenterDot;C^2\&CenterDot;H^2}+\underset{i=2}{\mathrm{\&Sigma;}}{E}_{2i}\&CenterDot;H^{2i}$

其中，D为非球面镜片在离镜片中心轴的相对高度H时的矢量，H为非球面镜片在离镜片中心轴的相对高度，C为顶点曲率，K为非球面镜片的圆锥常数，E2i为高阶非球面修正系数。

12.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第四透镜组的第二非球面镜满足下列非球面数学式：

$D=\frac{C\&CenterDot;H^2}{1+\sqrt{1-(1+K)}\&CenterDot;C^2\&CenterDot;H^2}+\underset{i=2}{\mathrm{\&Sigma;}}{E}_{2i}\&CenterDot;H^{2i}$

其中，D为该非球面镜片在离镜片中心轴的相对高度H时的矢量，H为非球面镜片在离镜片中心轴的相对高度，C为顶点曲率，K为非球面镜片的圆锥常数，E2i为高阶非球面修正系数。

13.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第一透镜组与第二透镜组的焦距比率的绝对值是介于0.15与0.4之间。

14.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：第二透镜组与第三透镜组的焦距比率的绝对值是介于0.55与1.2之间。

15.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该变焦镜头还包括有一片镀膜玻璃，其设置在像面侧，用以提供较好的成像效果。

16.如权利要求15所述的变焦镜头，其特征在于：在镀膜玻璃上具有抗反射镀膜。

17.如权利要求15所述的变焦镜头，其特征在于：在镀膜玻璃上具有红外线过滤薄膜。

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