TWI406005B

TWI406005B - 小型化變焦鏡頭及影像擷取裝置

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Publication number: TWI406005B
Application number: TW098105879A
Authority: TW
Original assignee: Asia Optical Co Inc
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2013-08-21
Also published as: US20100214664A1; US8184378B2; TW201031946A

Description

小型化變焦鏡頭及影像擷取裝置

本發明涉及一種變焦鏡頭及採用該變焦鏡頭作為影像擷取鏡頭的影像擷取裝置，尤其係指一種適用於例如數位靜態相機及家用攝影機等小尺寸影像擷取裝置的小型化變焦鏡頭及採用該小型化變焦鏡頭的影像擷取裝置。

近年來，數位靜態相機及數位攝影機對於家用來說已廣泛普及。隨著該些影像擷取裝置內的影像感測元件例如電荷耦合元件(CCD，Charge Coupled Device)或互補金屬氧化半導體(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)的日趨小型化之設計，對於影像擷取裝置之整體，亦要求進一步的小型化，以滿足輕薄短小、便於攜帶之需求。與此相伴，安裝於該些影像擷取裝置內的成像鏡頭，尤其是變焦鏡頭，亦已尋求藉由縮減其全長等來達成薄型化。此外，對於此種尤其是用於數位靜態相機的成像鏡頭，除了小型化之要求外，亦尋求對應於影像擷取裝置之高像素的透鏡性能的改進。

以往，用於數位靜態相機等的變焦成像鏡頭，對於變倍比為3倍左右者，由3組構成的變焦鏡頭，因較有利於全長的縮減而被廣泛使用，例如美國專利第5,909,318號所揭示者。該專利所揭示之變焦鏡頭為一沈胴式變焦鏡頭，於使用時，鏡頭可伸出至機身外側且各組透鏡皆為可動，而在不使用時各組透鏡則退避至機身內部，藉此達成薄型化。惟，上述由3組透鏡構成之沈胴式變焦鏡頭，由於在使用時用於支持移動透鏡組的鏡筒需自機身伸出，因此在防塵、防摔、防水等耐久性方面有其較大局限。

有鑑於此，業界另提出了兼顧薄型化及耐久性要求的總長固定的一種內變焦鏡頭，如美國專利第7,068,441號、第7,242,529號及第7,256,945號所揭示者。該些專利所揭示之變焦鏡頭的第一透鏡組皆為固定設置以增強鏡頭之耐久性，且第一透鏡組內皆配置有一直角棱鏡，以將來自被攝物體的入射光光路彎折約90°而縮短整個光學系統之總長。惟，該些專利所揭示之變焦鏡頭皆採用了五群透鏡組的架構，其中多群透鏡組作動以達成變焦及調焦，從而使作動距離較長而增加了鏡頭總長，且透鏡總數除直角棱鏡外多達9至11片，亦使鏡頭總長進一步加長而增加了最終的影像擷取裝置產品的尺寸、成本與重量。

因此，習用的該些具有光路彎折構件的內變焦鏡頭仍有進一步改良之空間，以在提供較佳之成像品質的同時，仍滿足當前影像擷取裝置日趨薄型化、低成本之發展趨勢。

有鑑於此，本發明的主要目的即在於提供一種適用於小尺寸影像擷取裝置的小型化變焦鏡頭，其具有尺寸短小、結構簡單、成本較低、耐久性佳且成像品質良好等特點。

本發明的另一目的在於提供一種具有上述小型化變焦鏡頭的影像擷取裝置。

依據本發明之主要目的而提供之小型化變焦鏡頭，其由物方至像方沿光軸依序包含一具有正屈光力的第一透鏡組、一具有正屈光力的第二透鏡組及一具有正屈光力的第三透鏡組。其中，第一透鏡組係固定不動且包含用以使光路彎折的一反射構件，第二透鏡組與第三透鏡組係可沿光軸移動，且第一透鏡組、第二透鏡組與第三透鏡組皆包含有至少一非球面表面。當該小型化變焦鏡頭由廣角端至望遠端變焦時，第二透鏡組向物方移動，第三透鏡組則向像方移動，以縮小第一透鏡組與第二透鏡組之間的間距並增大第二透鏡組與第三透鏡組之間的間距。

依據本發明的較佳實施例，該反射構件係一棱鏡或一反射鏡。較佳地，該反射構件係一直角棱鏡。

依據本發明的較佳實施例，該第三透鏡組於變焦時兼作補正系使用，其與第二透鏡組同時移動進行變焦後，再單獨移動進行調焦。

依據本發明的較佳實施例，該第一透鏡組由物方至像方沿光軸依序包含一負屈光力的第一透鏡、該反射構件及一正屈光力的第二透鏡，其中該第一透鏡設置於該反射構件的下方。較佳地，該第二透鏡係一非球面透鏡，其物方表面及像方表面係皆為非球面表面。該第一透鏡與該第二透鏡係分別為一新月形凹透鏡與一新月形凸透鏡，其中該新月形凹透鏡的凸面面向物方，該新月形凸透鏡的凸面則面向像方。

依據本發明的較佳實施例，該第二透鏡組由物方至像方於光軸上依序包含一正屈光力的第一透鏡、一正屈光力的第二透鏡及一負屈光力的第三透鏡，其中該第一透鏡係一非球面透鏡，其物方表面及像方表面係皆為非球面表面。較佳地，該第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡係分別為一雙凸透鏡、一雙凸透鏡及一雙凹透鏡。該第二透鏡與該第三透鏡係相互接合成一體而構成一負屈光力的膠合透鏡。

依據本發明的較佳實施例，該第二透鏡組更包含一孔徑光闌，該孔徑光闌設置於該第二透鏡組的該第一透鏡的物方，其隨同第二透鏡組於變焦時移動。

依據本發明的較佳實施例，該第三透鏡組係由一雙凸透鏡構成，其包含有一非球面表面並由塑膠製成。該第三透鏡組與成像面之間更設有一濾光片。

依據本發明之另一目的而提供之影像擷取裝置，其至少包含有一影像感測元件及一變焦鏡頭。該變焦鏡頭由物方至像方沿光軸依序包含一具有正屈光力的第一透鏡組、一具有正屈光力的第二透鏡組及一具有正屈光力的第三透鏡組。其中，第一透鏡組係固定不動且包含用以使光路彎折的一反射構件，第二透鏡組與第三透鏡組係可沿光軸移動，且第一透鏡組、第二透鏡組與第三透鏡組皆包含有至少一非球面表面。當該小型化變焦鏡頭由廣角端至望遠端變焦時，第二透鏡組向物方移動，第三透鏡組則向像方移動，以縮小第一透鏡組與第二透鏡組之間的間距並增大第二透鏡組與第三透鏡組之間的間距。

相較於習知技藝，本發明之小型化變焦鏡頭僅有屈光力皆為正的三群透鏡組構成(較佳地，僅包括6枚透鏡及一反射構件)，其中第一透鏡組係固定不動而可使該鏡頭的總長固定並可提供較佳的耐久性能，第二透鏡組與第三透鏡組則可沿光軸移動以達成變焦及調焦。該第一透鏡組包含有用以使光路彎折的一反射構件，可將來自被攝物體的入射光光路彎折而縮短整個光學系統之總長。此外，第一透鏡組、第二透鏡組與第三透鏡組皆包含有至少一非球面表面，可在縮減鏡頭總長的同時有效校正各種像差而獲得較佳之成像品質。藉由此特定光學架構，本發明之小型化變焦鏡頭具有尺寸短小、結構簡單、成本較低、耐久性佳且成像品質良好等優點。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。

本發明之小型化變焦鏡頭可應用於小尺寸影像擷取裝置，例如數位靜態相機及家用攝影機等，用來將目標物成像於一影像感測元件(CCD或CMOS)。第一圖至第三圖分別顯示了本發明之小型化變焦鏡頭位於廣角端(Wide-Angle End)、中間角度端(Medium-Angle End)及望遠端(Telephoto End)之光學結構示意圖。第四圖至第六圖則分別顯示了本發明之小型化變焦鏡頭位於廣角端(Wide-Angle End)、中間角度端(Medium-Angle End)及望遠端(Telephoto End)的相應光路圖。

請參第一圖至第三圖，本發明之小型化變焦鏡頭由物方至像方沿光軸依序由以下透鏡組構成：具有正屈光力的第一透鏡組G1、具有正屈光力的第二透鏡組G2及具有正屈光力的第三透鏡組G3，其中第一透鏡組G1係固定不動且包含用以使來自目標物的入射光光路彎折的一反射構件P，第二透鏡組G2與第三透鏡組G3則可沿光軸移動以達成變焦及調焦。

第一透鏡組G1的屈光度為正，其位置係固定不動並由一第一透鏡L1、一反射構件P及一第二透鏡L2構成，其中第一透鏡L1用於傳遞顯示目標圖像的入射光至反射構件P，反射構件P設置於第一透鏡L1的下方，用於改變通過第一透鏡L1的入射光的路徑，並使光入射至第二透鏡L2。較佳地，第一透鏡L1為具有負屈光力的一新月形凹透鏡，其被構成為朝向物方的一凸形結構並具有至少一非球面表面。反射構件P可使用一棱鏡或一反射鏡，其設置可明顯縮減本發明變焦透鏡之光學系統的總長。在較佳實施例中，該反射構件P係由一直角棱鏡構成。第二透鏡L2則為具有正屈光力的一新月形凸透鏡，其被構成為朝向像方的一凸形結構。通過將第一透鏡組G1包括的透鏡的至少一個透鏡表面設為非球面，可有效修正像差、縮減系統總長、減小第一透鏡L1的有效直徑並因此縮減反射構件P的尺寸。

第二透鏡組G2的屈光度為正，可沿光軸移動做變焦(Zooming)而改變光學系統的放大倍率，其移動的距離最長。該第二透鏡組G2由3枚透鏡組成，其由物方至像方於光軸上依序包含一第三透鏡L3、一第四透鏡L4及一第五透鏡L5，其中第四透鏡L4與第五透鏡L5係相互接合成一體而構成一膠合透鏡。較佳地，第三透鏡L3為具有正屈光度的一雙凸透鏡並具有至少一非球面表面以縮減系統總長並有效修正像差，第四透鏡L4為具有正屈光度的一雙凸透鏡，第五透鏡L5則為具有負屈光度的一雙凹透鏡。第四透鏡L4與第五透鏡L5構成的膠合透鏡的整體屈光度為負。該第二透鏡組更包含一用於調整光通量的孔徑光闌STO，該孔徑光闌STO設置於第一透鏡組G1的第二透鏡L2與第二透鏡組G2的第三透鏡L3之間並可隨同第二透鏡組G2的各透鏡一起於變焦時移動。

第三透鏡組G3的的屈光度亦為正，其可沿光軸移動做調焦(Focusing)。該第三透鏡組G3僅由一第六透鏡L6構成，該第六透鏡L6係一雙凸透鏡並包含一非球面表面。較佳地，該第六透鏡L6係由塑膠製成，以在不影響鏡頭性能之前提下進一步降低本發明變焦鏡頭的生產成本。

第三透鏡組G3與成像面IMG之間另設有一光學件，該光學件可以是例如由紅外線截止濾鏡ICF(Infrared Cut Filter)構成的一濾光片FL，可以是塗佈有光學鍍膜的一玻璃平板，亦可以是熟知此技藝者所能想到的具有適當功能或構造的任何光學件。該成像面IMG為影像感測元件如CCD的光接收表面。

在本發明之小型化變焦鏡頭中，藉由沿光軸移動第二透鏡組G2及第三透鏡組G3來達成變焦。此外，本發明變焦鏡頭採用所謂的後調焦系統，即藉由移動第三透鏡組G3來達成調焦或對焦。

請一併參考第一圖至第三圖，當本發明小型化變焦鏡頭由廣角端(第一圖)至望遠端(第三圖)變焦(Zooming)時，第一透鏡組G1係固定不動，第二透鏡組G2向物方移動，第三透鏡組G3則向像方移動，使第一透鏡組G1與第二透鏡組G2之間的第一可變間距D6縮小，第二透鏡組G2與第三透鏡組G3之間的第二可變間距D12增大，而第三透鏡組G3與濾光片FL之間的第三可變間距D14則縮小。焦點距離變化時，孔徑光闌STO隨第二透鏡組G2一起移動。

本發明小型化變焦鏡頭的調焦或對焦(Focusing)作動由第三透鏡組G3來達成。於近距離對焦時，該第三透鏡組G3沿光軸朝向物方線性移動，接近第二透鏡組G2，使其與濾光片FL之間的第三可變間距D14增大；而於遠距離對焦時，該第三透鏡組G3沿光軸朝向像方線性移動，遠離第二透鏡組G2，使其與濾光片FL之間的第三可變間距D14縮小。如上所述，該第三透鏡組G3的另一項功能在於亦可兼作補正系使用，其可與第二透鏡組G2同時移動進行變焦，以補償變焦造成的成像面移動，其後並可再單獨移動進行對焦。

下表表一示出了本發明小型化變焦鏡頭的數值實施例的具體數值。在該表中，“Si”表示由物方至像方位於光軸上的透鏡L1至L6、反射構件P、孔徑光闌STO及濾光片FL的光入射面及光出射面中的第i個表面；“INF”表示相應表面為平面；“Ri”表示從物方開始第i個表面的曲率半徑；“Di”則表示第i個表面與第(i+1)個表面之間的表面間距，即各透鏡沿著光軸測量所得之厚度或是兩相鄰透鏡沿光軸的間距。此外，各表面之中的膠合表面係以同一表面序號表示。

如上所述，於本發明小型化變焦鏡頭中，各透鏡組G1、G2及G3皆採用了非球面設計，以有效校正各類像差而獲得較佳的成像性能。特別地，將第一透鏡組G1中的至少一透鏡表面設為非球面尤為有效。

由上表表一可知，本發明小型化變焦鏡頭較佳地共包含有5個非球面表面。詳細而言，如第一圖至第三圖所示，第一透鏡組G1中的新月型凹透鏡L2的物方表面S5與像方表面S6皆為非球面表面，第二透鏡組G2中的雙凸透鏡L3的物方表面S8與像方表面S9皆為非球面表面，第三透鏡組G3的雙凸透鏡L6的物方表面S13亦為非球面表面。該些非球面表面的設計公式表示如下：

其中：D為沿光軸方向在高度為H的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值；K為錐度常數(Conic Constant)；C=1/R，R代表曲率半徑；H代表鏡片高度；E₄ 代表四次的非球面係數(4 th Order Aspherical Coefficient)；E6代表六次的非球面係數；E₈ 代表八次的非球面係數。

表二示出了本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭的各非球面表面的錐度常數K及相關非球面係數E₄ 、E₆ 、E₈ 。

如前所述，本發明小型化變焦鏡頭於變焦時，第一透鏡組G1與第二透鏡組G2或孔徑光闌STO之間的第一可變間距D6、第二透鏡組G2與第三透鏡組G3之間的第二可變間距D12以及第三透鏡組G3與濾光片FL之間的第三可變間距D14皆發生變化。該些可變間距的具體數值(以mm表示)示於下表表三中，其中“W”代表廣角端(Wide-Angle End)，“M”代表中間角度端(Medium-Angle End)，“T”代表望遠端(Telephoto End)。

由表三可知，本發明之小型化變焦鏡頭的光學總長較短且變焦倍率為2.55倍。由廣角端至望遠端變焦時，第一可變間距D6及第三可變間距D14皆減小，而第二可變間距D12則增大。另，本發明之小型化變焦鏡頭的各透鏡組G1、G2及G3的有效焦距fG1、fG2、fG3分別為-16.366mm、11.776mm及15.0639mm。

依照表一至表三所列之參數進行設計，如第七A圖至第七D圖(廣角端各像差表現圖)、第八A圖至第八D圖(中間角度端各像差表現圖)及第九A圖至第九D圖(望遠端各像差表現圖)所示，本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭於廣角端、中間角度端及望遠端對各種像差皆有良好之校正表現。其中，第七A、八A及九A圖分別顯示了本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭於廣角端、中間角度端及望遠端之場曲(Field Curvature)表現；第七B、八B及九B圖分別顯示了本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭於廣角端、中間角度端及望遠端之畸變像差(Distortion)表現；第七C、八C及九C圖分別顯示了本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭於廣角端、中間角度端及望遠端之縱向球差(Longitudinal Spherical Aberration)表現；第七D、八D及九D圖則分別顯示了本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭於廣角端、中間角度端及望遠端之彗星像差(ComaAberration)表現。由該些像差圖可見，本發明之小型化變焦鏡頭在廣角端、中間角度端及望遠端皆對各類像差進行了有效校正而可獲得較佳的光學性能。

綜上所述，相較於習知技藝，本發明之小型化變焦鏡頭僅有屈光力皆為正的三群透鏡組G1、G2、G3構成(較佳地，僅包括6枚透鏡L1~L6及一反射構件P)，其中第一透鏡組G1係固定不動而可使該鏡頭的總長固定並可提供較佳的耐久性能，第二透鏡組G2與第三透鏡組G3則可沿光軸移動以達成變焦及調焦。該第一透鏡組G2包含有用以使光路彎折的一反射構件P，可將來自被攝物體的入射光光路彎折而縮短整個光學系統之總長。此外，第一透鏡組G1、第二透鏡組G2與第三透鏡組G3皆包含有至少一非球面表面，可在縮減鏡頭總長的同時有效校正各種像差而獲得較佳之成像品質。藉由此特定光學架構，本發明之小型化變焦鏡頭具有尺寸短小、結構簡單、成本較低、耐久性佳且成像品質良好等優點。再者，本發明之小型化變焦鏡頭符合以下條件式

0.505<EFL/fG2<1.285，

其中，fG2為第二透鏡組G2之有效焦距且EFL為本發明小型化變焦鏡頭之系統有效焦距。

本發明之小型化變焦鏡頭不僅可適用於小尺寸影像擷取裝置例如數位靜態相機及數位攝影機等，亦可適合作為在例如行動電話、個人電腦及個人數位助理中的成像部分。

G1．．．第一透鏡組

G2．．．第二透鏡組

G3．．．第三透鏡組

L1．．．新月形凹透鏡

P．．．反射構件

L2．．．新月形凸透鏡

L3．．．雙凸透鏡

L4．．．雙凸透鏡

L5．．．雙凹透鏡

L6．．．雙凸透鏡

STO．．．孔徑光闌

FL．．．濾光片

IMG．．．成像面

D6．．．第一可變間距

D12．．．第二可變間距

D14．．．第三可變間距

S5、S6、S8、S9、S13．．．透鏡表面

第一圖係本發明之小型化變焦鏡頭位於廣角端(Wide-Angle End)之光學結構示意圖。

第二圖係本發明之小型化變焦鏡頭位於中間角度端(Medium-Angle End)之光學結構示意圖。

第三圖係本發明之小型化變焦鏡頭位於望遠端(Telephoto End)之光學結構示意圖。

第四圖係本發明之小型化變焦鏡頭位於廣角端之對應光路圖。

第五圖係本發明之小型化變焦鏡頭位於中間角度端之對應光路圖。

第六圖係本發明之小型化變焦鏡頭位於望遠端之對應光路圖。

第七A圖至第七D圖係分別為本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭於廣角端的場曲、畸變像差、縱向球差與彗星像差表現圖。

第八A圖至第八D圖係分別為本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭於廣角端的場曲、畸變像差、縱向球差與彗星像差表現圖。

第九A圖至第九D圖係分別為本發明具體數值實施例之小型化變焦鏡頭於廣角端的場曲、畸變像差、縱向球差與彗星像差表現圖。