TWI537595B - Zoom lens - Google Patents

Description

變焦鏡頭

本發明係與光學鏡頭有關；特別是指一種變焦鏡頭。

近年來半導體技術的快速進步，使得如監視器等光學器材所成像的畫面愈來愈細緻，連帶使得上述光學器材的鏡頭所適用之解析度和畫素的要求也跟著提升，更詳而言之，當鏡頭短焦時要求具有廣視角，且亦需滿足低製造成本以及輕薄短小依舊之需求。

除此之外，上述光學器材於白天時，其鏡頭係以可見光作為影像擷取時之光源，而到夜晚時，則會改以近紅外光作為影像擷取之光源，但由於某些設置場所之環境光過於昏暗，為了使成像後之畫面有足夠亮度，所以上述光學器材的鏡頭通常都需要滿足大光圈的設計，並同時配合將兩鏡群分別設置於光圈前後的架構設計，祈以達到變焦與前述之光學需求(如美國專利US8395847、US8184379、US8085474、US7652827等)。

然而，上述專利的設計都是應用於片幅(image format)1/3英吋至1/2.7英寸的光學感光元件。但當現今光學感光元件使用之畫素超過5百萬時，由於單一畫素尺寸(pixel size)再小將會造成感光度不佳，所以光學感光元件之設計片幅會變大，但片幅增大後，通常為了好設計、製造，鏡頭體積則會跟著放大，造成製作成本也跟著變高，而與市 場的需求背道而馳。

是以，由上述說明可知悉，市場的應用往高畫素的高階應用發展時，習用變焦鏡頭的設計仍未臻完善，無法有效地滿足市場需求，而仍有待改進之虞。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種可從廣角端到攝遠端皆有大光圈特色的變焦鏡頭，並可適用於如1/2英吋的大尺寸光學感光元件，且其鏡頭體積仍能保持輕薄短小，而總長與習用之鏡頭設計相仿，且同時能達到矯正可見光至紅外光的像差，更能保持高解度和大光圈，同時具有容易製造、組裝之優點。

緣以達成上述目的，本發明所提供變焦鏡頭包含有由一物側至一像側且沿一光軸依序排列之一第一鏡群、一光圈以及一第二鏡群。其中，該第一鏡群具有負屈光力，且由該物側至該像側依序排列之一第一鏡片、一第二鏡片以及一第三鏡片所組成；該第一鏡片具有負屈光力；該第二鏡片具有負屈光力；該第三鏡片具有正屈光力，且與該第二鏡片膠黏形成一具有負屈光力之膠合透鏡；此外，該第一鏡片、該第二鏡片與該第三鏡片可於該物側及該光圈之間沿該光軸同步移動。該第二鏡群具有正屈光力，且由該物側至該像側依序排列之一第四鏡片、一第五鏡片、一第六鏡片、一第七鏡片、一第八鏡片以及一第九鏡片所組成；該第四鏡片具有正屈光力；該第五鏡片具有負屈光力；該第六鏡片具有正屈光力，且與該第五鏡片膠黏形成一具有負屈光力之膠合透鏡；該第七鏡片具有正屈光力；該第八鏡片具有負屈光力；該第九鏡片具有正屈光力；此外，該第四鏡片、該第五鏡片、該第六鏡片、該第七鏡片、該第八鏡片以及該第九鏡 片可於該光圈及該像側之間沿該光軸同步移動。

如此一來，透過上述之鏡頭設計，便可在鏡頭體積仍能保持輕薄短小，而總長與習用之鏡頭設計相仿，且可適用於如1/2英吋的大尺寸光學感光元件，並同時能達到矯正可見光至紅外光的像差，更能保持高解度和大光圈，且同時具有容易製造、組裝之優點。

1~5‧‧‧變焦鏡頭

G1‧‧‧第一鏡群

L1‧‧‧第一鏡片

L2‧‧‧第二鏡片

L3‧‧‧第三鏡片

L23‧‧‧膠合透鏡

ST‧‧‧光圈

G2‧‧‧第二鏡群

L4‧‧‧第四鏡片

L5‧‧‧第五鏡片

L6‧‧‧第六鏡片

L56‧‧‧膠合透鏡

L7‧‧‧第七鏡片

L8‧‧‧第八鏡片

L9‧‧‧第九鏡片

Z‧‧‧光軸

圖1A為第一實施例變焦鏡頭於廣角端的鏡片架構圖；圖1B為第一實施例變焦鏡頭於攝遠端的鏡片架構圖；圖2A為第一實施例於廣角端之畸變圖；圖2B為第一實施例於廣角端之場曲圖；圖2C為第一實施例於廣角端之縱向球差圖；圖2D為第一實施例於攝遠端之畸變圖；圖2E為第一實施例於攝遠端之場曲圖；圖2F為第一實施例於攝遠端之縱向球差圖；圖3A為第二實施例變焦鏡頭於廣角端的鏡片架構圖；圖3B為第二實施例變焦鏡頭於攝遠端的鏡片架構圖；圖4A為第二實施例於廣角端之畸變圖；圖4B為第二實施例於廣角端之場曲圖；圖4C為第二實施例於廣角端之縱向球差圖；圖4D為第二實施例於攝遠端之畸變圖；圖4E為第二實施例於攝遠端之場曲圖；圖4F為第二實施例於攝遠端之縱向球差圖；圖5A為第三實施例變焦鏡頭於廣角端的鏡片架構圖；圖5B為第三實施例變焦鏡頭於攝遠端的鏡片架構圖；圖6A為第三實施例於廣角端之畸變圖； 圖6B為第三實施例於廣角端之場曲圖；圖6C為第三實施例於廣角端之縱向球差圖；圖6D為第三實施例於攝遠端之畸變圖；圖6E為第三實施例於攝遠端之場曲圖；圖6F為第三實施例於攝遠端之縱向球差圖；圖7A為第四實施例變焦鏡頭於廣角端的鏡片架構圖；圖7B為第四實施例變焦鏡頭於攝遠端的鏡片架構圖；圖8A為第四實施例於廣角端之畸變圖；圖8B為第四實施例於廣角端之場曲圖；圖8C為第四實施例於廣角端之縱向球差圖；圖8D為第四實施例於攝遠端之畸變圖；圖8E為第四實施例於攝遠端之場曲圖；圖8F為第四實施例於攝遠端之縱向球差圖；圖9A為第五實施例變焦鏡頭於廣角端的鏡片架構圖；圖9B為第五實施例變焦鏡頭於攝遠端的鏡片架構圖；圖10A為第五實施例於廣角端之畸變圖；圖10B為第五實施例於廣角端之場曲圖；圖10C為第五實施例於廣角端之縱向球差圖；圖10D為第五實施例於攝遠端之畸變圖；圖10E為第五實施例於攝遠端之場曲圖；圖10F為第五實施例於攝遠端之縱向球差圖。

需說明的是，上列之畸變圖、場曲圖以及縱向球差圖，皆是於光線波長為587奈米時所得之光學模擬數據圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉以下實施例並配合圖示詳細說明如後，並請參圖1A及圖1B、圖3A及圖3B、圖5A及圖5B、圖7A及圖7B、圖9A及圖9 B所示，分別為本發明第一至第五實施例之變焦鏡頭1~5於廣角端與攝遠端時之鏡片架構，其中：該等變焦鏡頭1~5分別包含有由一物側至一像側且沿一光軸Z依序排列之一第一鏡群G1、一光圈ST以及一第二鏡群G2。另外，依使用上之需求，該等變焦鏡頭1~5之中(如光圈位置、該第二鏡群G2與該像側之間等)更可設置有一濾光片(Optical Filter)，以濾除掉不必要之雜訊光，而可達到提升光學效能之目的。當然，濾光片之位置可依不同設計需求改變，而不以上述內容為限。其中：該第一鏡群G1具有負屈光力，且由該物側至該像側依序排列之一第一鏡片L1、一第二鏡片L2以及一第三鏡片L3所組成，且該第一鏡群G1之該第一鏡片L1、該第二鏡片L2與該第三鏡片L3可於該物側及該光圈ST之間沿該光軸Z同步移動。

更詳而言之，該第一鏡片L1為具有負屈光力之凸凹透鏡，且其凸面S1朝向該物側，而凹面S2朝向該像側。

該第二鏡片L2為具有負屈光力之雙凹透鏡。

該第三鏡片L3為具有正屈光力之凸凹透鏡，且其凸面S4朝向該物側並與該第二鏡片L2朝向該像側之凹面S4黏合，而形成一具有負屈光力之膠合透鏡L23，且值得一提的是，透過上述將負屈光力之該第二鏡片L2與正屈光力之該第三鏡片L3黏合並排列於該第一鏡片L1之後的設計，可有效地達到消除第一鏡群G1所造成的軸上色差(Axial chromatic aberration)之效果。

該第二鏡群G2具有正屈光力，且由該物側至該像側依序排列之一第四鏡片L4、一第五鏡片L5、一第六鏡片L6、一第七鏡片L7、一第八鏡片L8以及一第九鏡片 L9所組成，且該第二鏡群G2之該第四鏡片L4、該第五鏡片L5、該第六鏡片L6、該第七鏡片L7、該第八鏡片L8以及該第九鏡片L9可於該光圈ST及該像側之間沿該光軸Z同步移動，藉以調整各該變焦鏡頭1~5之成像放大率，以使各該變焦鏡頭1~5呈現廣角端(Wide)至攝遠端(Telephoto)的倍率變化。

此外，當該些變焦鏡頭1~5調整放大倍率，而驅使該第二鏡群G2在該像側與該光圈ST之間沿該光軸Z移動時，該些變焦鏡頭1~5會因光學倍率改變而出現成像面偏移之情形，移動該第一鏡群G1可達到成像面校正之效果。

更詳而言之，該第四鏡片L4為具有正屈光力之雙凸透鏡，且其二鏡面S7、S8皆為非球面表面。

該第五鏡片L5為具有負屈光力之凸凹透鏡，且其凸面S9朝向該物側，而凹面S10則朝向該像側。

該第六鏡片L6為具有正屈光力之雙凸透鏡，且朝向該物側之凸面S10與該第五鏡片L5朝向該像側之凹面S10黏合，形成一具有負屈光力之膠合透鏡L56，而於此處設計該膠合透鏡L56之目的，在於可透過該膠合透鏡L56鏡片結構之光學效果有效地抑制第二鏡群G2所產生的軸上色差。

該第七鏡片L7為具有正屈光力之凸凹透鏡，且其凸面S13朝向該像側，而凹面S12朝向該物側。值得一提的是，於正屈光力之第六鏡片L6後再排列設計同樣具有正屈光力之第七鏡片L7之設計目的，在於可有效地分擔第六鏡片L6於光學系統中的屈光力(diopter)，除可加強抑制像差外，更可避免第六鏡片L6因屈光力過大導致鏡片過於彎折(over bending)之情形，進而可有效地降低該第六鏡片L6之製造難度、並可提升該變焦鏡頭1~5組裝時之誤差容 許值。

該第八鏡片L8為具有負屈光力之凸凹透鏡，且其凸面S14朝向該物側，而凹面S15朝向該像側。

該第九鏡片L9為具有正屈光力之凸凹透鏡，且其凸面S16朝向該物側，而凹面S17朝向該像側，且其二鏡面S16、S17皆為非球面表面。

為有效提升該變焦鏡頭1~5之光學效能，本發明第一至第五實施例之變焦鏡頭1~5各個鏡片表面的光軸Z通過處的曲率半徑R、各鏡面與下一鏡面(或成像面)於光軸Z上之距離D、各鏡片之折射率Nd、各鏡片之阿貝係數Vd、以及各該變焦鏡頭1~5於廣角端及攝遠端時之有效焦距F、孔徑係數與可視角FOV(2 ω)，依序如表一至表五所示：

另外，各實施例之該變焦鏡頭1~5的各個透鏡中，該等非球面表面S7、S8、S16及S17之表面凹陷度z由下列公式所得到：

其中：z：非球面表面之凹陷度；c：曲率半徑之倒數；h：表面之離軸半高；k：圓錐係數；A~J：表面之離軸半高h的各階係數。

本發明第一至第五實施例之變焦鏡頭1~5的各個非球面表面S7、S8、S16及S17的非球面係數k及各階係數A~J，依序如表六至表十所示：

表十

另外，除上述光學規格外，該等變焦鏡頭1~5配合下列條件式之設計，更可讓影像達到較佳的成像品質，進而可有效地達到縮小鏡頭體積以及廣角之效果：(1)-1.2<F/f1<-0.4；(2)Vd6>63；(3)Vd6-Vd5>40；(4)Vd9>63；其中，F為該變焦鏡頭1~5之焦距；f1為該第一鏡群G1之焦距；Vd5為該第五鏡片L5之阿貝係數；Vd6為該第六鏡片L6之阿貝係數；Vd9為該第九鏡片L9之阿貝係數。

而上述條件式之設計目的，在於若該等變焦鏡頭1~5滿足(1)式時，則可有效地縮小系統之體積，並可有效地抑制像差。更詳細地，若該等變焦鏡頭1~5超出(1)式的上限，其第一鏡群G1的屈光力將會變的過弱，使得變焦過程所需移動的行程變長，而不利於縮小系統體積。反之，若低於(1)式的下限，該第一鏡群G1的屈光力將變的過強，而無法有效地抑制像差。

另外，若該等變焦鏡頭1~5無法滿足(2)、(3)式，則會造成軸上色差之抑制效果不彰，且可見光至紅外波 段的像差也會放大，進而造成鏡頭成像品質不佳。

此外，若該第九鏡片L9之阿貝係數低於(4)式的範圍，則色差會表現的較差。因此，透過(4)式之設計並配合第九鏡片L9之形狀，將可有效地消除光學系統於接近成像面時之各種像差，而可使該等變焦鏡頭1~5之光學性能可以滿足百萬畫素的光學感光元件之光學需求。

而本發明第一至第五實施例之變焦鏡頭1~5於上述條件之詳細數據如表十一所示：

如此一來，請參閱圖2A至圖2C，可知悉第一實施例之該變焦鏡頭1藉由上述設計，於廣角端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖2A可看出，該變焦鏡頭1的最大畸變量不超過-100%以及0%。由圖2B可看出，該變焦鏡頭1的最大場曲不超過-0.10mm及0.10mm。由圖2C可看出，該變焦鏡頭1的最大縱向球差不超過-0.20mm與0.10mm。

此外，參閱圖2D至圖2F，可知悉第一實施例之該變焦鏡頭1藉由上述設計，於攝遠端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖2D可看出，該變焦鏡頭1的最大畸變量不超過-50%以及0%。由圖2E可看出，該變焦鏡頭1的最大場曲不超過-0.10mm及0.10mm。由圖2F可看出，該變焦鏡頭1的縱向球差不超過-0.10mm與0.10mm。

續參閱圖4A至圖4C，可知悉第二實施例之該變焦鏡頭2藉由上述設計，於廣角端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖4A可看出，該變焦鏡頭2的最大畸變量不超過-100%以及0%。由圖4B可看出，該變焦鏡頭2的最大場曲不超過-0.10mm及0.10mm；由圖4C可看出，該變焦鏡頭2的最大縱向球差不超過-0.10mm與0.10mm。

此外，參閱圖4D至圖4F，可知悉第二實施例之該變焦鏡頭2藉由上述設計，於攝遠端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖4D可看出，該變焦鏡頭2的最大畸變量不超過-50%以及0%。由圖4E可看出，該變焦鏡頭2的最大場曲不超過-0.20mm及0.10mm。由圖4F可看出，該變焦鏡頭2的縱向球差不超過0mm與0.10mm。

續參閱圖6A至圖6C，可知悉第三實施例之該變焦鏡頭3藉由上述設計，於廣角端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖6A可看出，該變焦鏡頭3的最大畸變量不超過-100%以及0%。由圖6B可看出，該變焦鏡頭3的最大場曲不超過-0.10mm及0.10mm。由圖6C可看出，該變焦鏡頭3的最大縱向球差不超過-0.10mm與0.10mm。

此外，參閱圖6D至圖6F，可知悉第三實施例之該變焦鏡頭3藉由上述設計，於攝遠端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖6D可看出，該變焦鏡頭3的最大畸變量不超過-50%以及0%。由圖6E可看出，該變焦鏡頭3的最大場曲不超過-0.10mm及0.10mm。由圖6F可看出，該變焦鏡頭3的縱向球差不超過0mm與0.10mm。

續參閱圖8A至圖8C，可知悉第四實施例之該變焦鏡頭4藉由上述設計，於廣角端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖8A可看出，該變焦鏡頭4的最大畸變量不超過-100%以及0%。由圖8B可看出，該變焦鏡頭4 的最大場曲不超過-0.20mm及0.20mm。由圖8C可看出，該變焦鏡頭4的最大縱向球差不超過0mm與0.10mm。

此外，參閱圖8D至圖8F，可知悉第四實施例之該變焦鏡頭4藉由上述設計，於攝遠端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖8D可看出，該變焦鏡頭4的最大畸變量不超過-50%以及0%。由圖8E可看出，該變焦鏡頭4的最大場曲不超過-0.20mm及0.10mm。由圖8F可看出，該變焦鏡頭4的縱向球差不超過0mm與0.10mm。

續參閱圖10A至圖10C，可知悉第五實施例之該變焦鏡頭5藉由上述設計，於廣角端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖10A可看出，該變焦鏡頭5的最大畸變量不超過-100%以及0%。由圖10B可看出，該變焦鏡頭5的最大場曲不超過-0.10mm及0.20mm。由圖10C可看出，該變焦鏡頭5的最大縱向球差不超過-0.10mm與0.10mm。

此外，參閱圖10D至圖10F，可知悉第五實施例之該變焦鏡頭5藉由上述設計，於攝遠端時之成像品質上也可達到要求，其中，由圖10D可看出，該變焦鏡頭5的最大畸變量不超過-50%以及0%。由圖10E可看出，該變焦鏡頭5的最大場曲不超過-0.10mm及0.10mm。由圖10F可看出，該變焦鏡頭5的縱向球差不超過0mm與0.10mm。

綜上所述，本創作之該變焦鏡頭1~5，透過上述之鏡片結構與鏡片材質與光學條件式之設計，便可從廣角端到攝遠端皆有大光圈之效果，並可適用於如1/2英吋的大尺寸光學感光元件，且其鏡頭體積仍能保持輕薄短小，並同時能達到矯正可見光至紅外光的像差，更能保持高解度和大光圈，並同時具有容易製造、組裝之優點。

而必須說明的是，以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，並不以上述實施例之內容為限，且舉凡應用 本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

1‧‧‧變焦鏡頭

G1‧‧‧第一鏡群

L1‧‧‧第一鏡片

L2‧‧‧第二鏡片

L3‧‧‧第三鏡片

L23‧‧‧膠合透鏡

ST‧‧‧光圈

G2‧‧‧第二鏡群

L4‧‧‧第四鏡片

L5‧‧‧第五鏡片

L6‧‧‧第六鏡片

L56‧‧‧膠合透鏡

L7‧‧‧第七鏡片

L8‧‧‧第八鏡片

L9‧‧‧第九鏡片

Z‧‧‧光軸

Claims (10)

1. 一種變焦鏡頭，包括有由一物側至一像側且沿一光軸依序排列之一第一鏡群、一光圈以及一第二鏡群，其中：該第一鏡群具有負屈光力，且由該物側至該像側依序排列之一第一鏡片、一第二鏡片以及一第三鏡片所組成；該第一鏡片具有負屈光力；該第二鏡片具有負屈光力；該第三鏡片具有正屈光力，且與該第二鏡片膠黏形成一具有負屈光力之膠合透鏡；此外，該第一鏡片、該第二鏡片與該第三鏡片可於該物側及該光圈之間沿該光軸同步移動；以及該第二鏡群具有正屈光力，且由該物側至該像側依序排列之一第四鏡片、一第五鏡片、一第六鏡片、一第七鏡片、一第八鏡片以及一第九鏡片所組成；該第四鏡片具有正屈光力；該第五鏡片具有負屈光力；該第六鏡片具有正屈光力，且與該第五鏡片膠黏形成一具有負屈光力之膠合透鏡；該第七鏡片具有正屈光力；該第八鏡片具有負屈光力；該第九鏡片具有正屈光力；此外，該第四鏡片、該第五鏡片、該第六鏡片、該第七鏡片、該第八鏡片以及該第九鏡片可於該光圈及該像側之間沿該光軸同步移動。
2. 如請求項1所述之變焦鏡頭，其中該第一鏡片為一凸凹透鏡，且其凸面朝向該物側；該第二鏡片為一雙凹透鏡；該第三鏡片為一凸凹透鏡，且其凸面朝向該物側並與該第二鏡片朝向該像側之凹面黏合。
3. 如請求項1所述之變焦鏡頭，其中該第四鏡片為一雙凸透鏡；該第五鏡片為一凸凹透鏡，且其凸面朝向該物側；該第六鏡片為一雙凸透鏡，且朝向該物側之凸面與該第五鏡片朝向該像側之凹面黏合；該第七鏡片為一凸凹透鏡，且其凸面朝向該像側；該第八鏡片為一凸凹透鏡，且其凸面朝向該物側；該第九鏡片為一凸凹透鏡，且其凸面朝向該物側。
4. 如請求項3所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡至少一鏡面為非球面表面。
5. 如請求項4所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡之二鏡面皆為非球面表面。
6. 如請求項3所述之變焦鏡頭，其中該第九透鏡至少一鏡面為非球面表面。
7. 如請求項6所述之變焦鏡頭，其中該第九透鏡之二鏡面皆為非球面表面。
8. 如請求項1所述之變焦鏡頭，其中該第五鏡片與該第六鏡片更滿足下列條件：Vd6>63；以及Vd6-Vd5>40；其中，Vd5為該第五鏡片之阿貝係數；Vd6為該第六鏡片之阿貝係數。
9. 如請求項1所述之變焦鏡頭，其中該第九鏡片更滿足下列條件：Vd9>63；其中，Vd9為該第九鏡片之阿貝係數。
10. 如請求項1所述之變焦鏡頭，更滿足下列條件：-1.2<F/f1<-0.4；其中，F為該變焦鏡頭之焦距；f1為該第一鏡群之焦距。