CN100410715C - 变焦镜头 - Google Patents
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Abstract
一种变焦镜头，采取四群变焦设计，从物端到像端依次包括焦距为正的第一群镜片组、焦距为负的第二群镜片组、焦距为正的第三群镜片组以及焦距为正的第四群镜片组，利用第三群镜片组在变焦时移动来分担第四群镜片组作为补偿群以及提供集光能力，使光圈之后的组件口径变小，进而使整体镜头的总长以及口径缩小；本发明的变焦镜头具有高倍率、高像素、微小化的优点，采用适合的感光元件，在维持镜头的影像品质的同时，降低镜片数量、减少成本，可针对不同需要，生产出不同的变焦镜头。所以应用本发明可解决现有技术存在的微小化与维持镜头的影像品质的矛盾，相对可提高产业利用价值。
Description
技术领域
本发明是关于一种镜头，特别是关于一种应用在影像拍摄装置的变焦镜头。
背景技术
随着感光元件(CMOS/CCD)制作技术的进步，使影像拍摄装置向高像素、小体积的方向发展，常见的影像拍摄装置例如照相手机(PhoneCamera)、数字摄影机(Digital Video Camera，DVC)、数字照相机(DigitalStill Camera，DSC)以及数字单反相机(Digital Signal Lens Reflex，DSLR)等，都以提高像素的数目来满足消费者的需求。
就目前影像拍摄装置的相关技术趋势来说，除了希望感光元件(CMOS/CCD)单位尺寸不断缩小以及感光度持续上升外，还要使拍摄的数字像素尺寸满足人们的需求。在提高像素时，还要相应提高数字存储媒介的存储容量及加强数字信号的压缩处理，同时需要提供足够像素的动态影像，以适应下阶段高画质影像播放的需求。现今的开发方向是致力于提供相对同级产品具有较高的变焦倍率、高亮度且轻薄短小的产品，配合中高像素以及中高感光元件尺寸，开发出相应的影像拍摄装置的变焦镜头会具有很大市场需求。
回顾过去技术问题，大都是在小型化的目标之下无法同时兼顾所需诸如尺寸、光圈值(Fno)、视角(FOV)、变焦比(zoom ratio)以及镜片片数等规格。例如，美国第5,285,316号、第5,396,367号、第5,978,152号、第5,359,457号、第5,712,733号、第5,940,221号、第5,612,825号专利案的技术均采用四群变焦的设计。
美国专利第5,285,316号案提出7倍变焦6.3mm～47.972mm、光圈值可达2(Fno～2)的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用十片镜片构成四群镜片组的设计，第三群不动，非球面2面；借此提供像高3.3mm、总长67mm、口径14.85mm的设计。美国专利第5,396,367号案提出10倍变焦6.3mm～60.43mm、Fno～1.85的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用十片镜片构成四群镜片组的设计，第三群不动，非球面3面；借此提供像高3.3mm，总长73mm、口径15.85mm的设计。美国专利第5,978,152号案提出10倍变焦6.3mm～61.244mm、Fno～1.46的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用十片镜片构成四群镜片组的设计，第三群不动，非球面4面；借此提供像高3mm，总长70.2mm、口径16.3mm的设计。美国专利第5,359,457号案提出7倍变焦6.3mm～47.57mm、Fno～1.64的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用九片镜片构成四群镜片组的设计，第三群不动，非球面2面；借此提供像高3mm，总长82.2mm、口径22.02mm的设计。美国专利第5,712,733号案则提出12倍变焦6.3mm～73mm、Fno～1.75的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用十片镜片构成四群镜片组的设计，第三群不动，非球面2面；借此提供像高4.68mm，总长108.4mm、口径25.42mm的设计。美国专利第5,940,221号案提出12倍变焦6.3mm～84.25mm、Fno～1.47的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用十片镜片构成四群镜片组的设计，第三群不动，非球面4面；借此提供像高4.067mm，总长96.4mm、口径25.79mm的设计。美国专利第5,612,825号案提出12倍变焦6.3mm～73.82mm、Fno～1.8的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用十二片镜片构成四群镜片组的设计，第三群不动，非球面1面；借此提供像高4mm，总长85.8mm、口径20.247mm的设计。
但是，上述现有技术中，都采用令第二及/或第四群镜片组移动，不仅在焦距的调整上缺乏变化，在提高像素及亮度上会造成整体尺寸无法缩小的状况，更使得影像倍数受到限制，以致无法得到适当倍数的摄影影像，也造成无法满足提高分辨率的像素要求。同时，上述现有技术采用的镜片数量较多，导致制造成本也随之提高。
其后，有美国第6,788,474号、第6,587,281号、第6,714,355号、第6,538,825号专利案中也分别提出采取令第二、第三、第四群镜片组移动的设计。
美国专利第6,788,474号案提出10倍变焦5.864mm～58.871mm、Fno～2.8的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用十一片镜片构成四群镜片组的设计，第三群移动，非球面2面；借此提供像高3.71mm，总长78.1mm、口径19mm的设计。美国专利第6,587,281号案提出10倍变焦5.864mm～58.871mm、Fno～2.8的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用十一片镜片构成四群镜片组的设计，第三群移动，非球面2面；借此提供像高3.71mm，总长78.1mm、口径19mm的设计。美国专利第6,714,355号案提出3倍变焦3.643mm～10.42mm、Fno～2.8的内容，令四群镜片组的焦距分别为四群正、负、正、正排列，采用十片镜片构成四群镜片组的设计，第三群移动，非球面1面。美国专利第6,538,825号案则提出3倍变焦8.054～23.74mm、Fno～2.8的内容，令四群镜片组的焦距分别为正、负、正、正排列，采用九片镜片构成四群镜片组的设计，第三群移动，非球面2面；借此提供像高4mm的设计。
然而，采用上述令第二、第三、第四群镜片组移动的技术在变焦倍率上普遍不足，且存在最大光圈值(Fno)太高或者存在镜片数过多的问题，所以之前美国专利中存在的变焦镜头微小化的问题仍然无法解决。同时，这些美国专利均无法在微小化的同时进一步提高镜头的亮度、视角及/或降低镜片片数，所以也无法降低成本，而且无法针对不同产品层次的需求提供其所需的变焦镜头。
由于上述现有技术存在无法兼顾产品微小化与维持镜头影像品质、制造成本高等缺点，无法满足对数字照相机/摄影机的镜头的需求。因此，如何提供具有轻薄短小、低成本、高亮度等特色的变焦镜头，解决现有技术的问题，已成目前急待解决的课题。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种兼顾产品微小化并保持镜头影像品质的变焦镜头。
本发明的另一目的在于提供一种可降低成本的变焦镜头。
本发明的再一目的在于提供一种可满足不同产品层次需求的变焦镜头，提高了产业利用价值。
为达上述及其它目的，本发明提供一种变焦镜头，该变焦镜头由物端到像端依次包括：焦距为正的第一群镜片组，在变焦时保持固定不动，该第一群镜片组从物端到像端依次包括第一镜片、第二镜片及第三镜片，第一镜片为负透镜，第二及第三镜片为正透镜；焦距为负的第二群镜片组，在从广角变焦至望远程时，由物端向像端移动，该第二群镜片组从物端到像端依次包括第四镜片、第五镜片及第六镜片，该第四及第五镜片为负透镜，第六镜片为正透镜；焦距为正的第三群镜片组，在从广角变焦至望远程时，由像端向物端移动，该第三群镜片组包括至少一个第七镜片，两面均为非球面；以及焦距为正的第四群镜片组，在从广角变焦至望远程时，由像端向物端移动，该第四群镜片组从物端到像端依次包括第八及第九镜片，该第八镜片是负透镜，该第九镜片是正透镜，且至少其一表面为非球面；且该变焦镜头满足下列条件：
18＜T÷H＜25
0.15＜(H11×fw)÷(H×ft)＜0.55
0.5＜t31÷T31＜1.0
50＜f3×T31＜105
其中，H为像高，T为镜头总长，H11为第一群镜片组第一片镜片的直径，ft为望远程时的等效焦距，fw为广角端时的等效焦距，t31为第三群镜片组第一片镜片的边缘厚度，T31为第三群镜片组第一片镜片的中心厚度，f3为第三群镜片组的等效焦距。
该第一及第二镜片组成胶合透镜，第三镜片为弯月形(meniscius)正透镜。
该第五及第六镜片组成胶合透镜。
该第七镜片是弯月形(meniscius)正透镜，且朝向物端的表面是凸面(convex surface)。
该第八及第九镜片组成胶合透镜。
由上可知，本发明的变焦镜头从物端到像端，各镜组合的焦距配置分别为，第一群为正，第二群为负，第三群为正，第四群为正，光圈位于第二群以及第三群之间。当变焦时，第一群第一面到像端的总长度不变，并且光圈到像端的总长度也不变。从广角端向望远程变焦时，第二群从物端向像端移动，作为变焦群(variator)，第三群从像端向物端移动，作为集光镜群(collector)，并且协助分担第四群作为补偿群(compensator)，第四群为从像端向物端移动，作为补偿群。
利用上述设计手段便可通过变动第三群镜片组与光圈之间的距离来分担第四群作为补偿群的功能，使光圈之后的组件口径变小，进而使整体镜头的总长及口径缩小。而且，第三群镜片组同时扮演了集光的功能，所以本群中的组件具有两面非球面设计以在聚焦集光的同时适度的平衡轴上的球差(spherical aberration)，所以可采用具有较少镜片的第三群镜片组提供集光的能力。此外，第四群镜片组中的胶合透镜可平衡色差(chromatic aberraion)，且第四群镜片组至少有一非球面可减少第四群镜片组中镜片的数量，并可以扮演平衡场曲(field curvature)像差的作用。
综上所述，本发明的变焦镜头具有高倍率、高像素、微小化的优点，采用适合的感光元件作为sensor，在维持镜头的影像品质的同时，降低镜片数量、减少成本，可针对不同需要，生产出不同的变焦镜头。所以应用本发明可解决现有技术存在的微小化与维持镜头的影像品质的矛盾，相对可提高产业利用价值。
附图说明
图1是本发明远程变焦的结构示意图；
图2是本发明中间焦距变焦的结构示意图；
图3是本发明广角变焦的结构示意图；以及
图4是本发明实施例的数值比较图表。
具体实施方式
实施例
以下实施例进一步说明本发明的技术手段，并非用于限制本发明的范畴。
请参阅图1至图3，本发明提供一种变焦镜头100，该变焦镜头100采取四群变焦设计，从物端到像端依次包括的焦距分别是正、负、正、正排列的第一群镜片组110、第二群镜片组120、第三群镜片组130以及第四群镜片组140。在本实施例中还包括滤波器150及感光元件160，该第二群镜片组120与第三群镜片组130该之间还包括光圈170。该滤波器150可采用例如光学低通滤波器(Optical Low Pass Filter，OLPF)，该感光元件160可采用电耦合元件(CCD)或CMOS感应器。
该第一群镜片组110在变焦时与像端的距离保持不变，且第一群镜片组110的焦距为正，它从物端往像端(感光元件160)依次包括第一镜片L1、第二镜片L2及第三镜片L3，该第一镜片L1为负透镜，第二镜片L2及第三镜片L3为正透镜。在本实施例中，该第一镜片L1及第二镜片L2组成胶合透镜；该第三镜片L3是弯月形(meniscius)正透镜，且可使用一片低色散玻璃(ED Glass)，降低望远程时的横向像差(lateral chromatic aberration)。
该第二群镜片组120用作变焦群(variator)，在从广角变焦至望远程时，由物端向像端(感光元件160)移动，且第二群镜片组120的焦距为负，它从物端向像端依次包括第四镜片L4、第五镜片L5及第六镜片L6，该第四镜片L4及第五镜片L5为负透镜，第六镜片L6为正透镜。在本实施例中，该第五镜片L5及第六镜片L6组成胶合透镜。
该第三群镜片组130用作集光群(collector)，并且协助分担第四群镜片组140作为补偿群(compensator)，在从广角变焦至望远程时，由像端(感光元件160)向物端移动，且第三群镜片组130的焦距为正，它包括两面均为非球面的第七镜片L7，可使补偿距离缩短且简化镜片数量。在本实施例中，该第七镜片是弯月形(meniscius)正透镜，且朝向物端的表面是凸面(convex surface)。虽然本实施例中以一片第七镜片L7为例进行说明，但该第三群镜片组130也可增加镜片数量以增进成像品质及组装调整。
该第四群镜片组140作为补偿群(compensator)及对焦群(focusinggroup)，在从广角变焦至望远程时由像端(感光元件160)向物端移动，且该第四群镜片组140的焦距为正，它从物端向像端依次包括第八镜片L8及第九镜片L9，该第八镜片L8是负透镜，该第九镜片L9是正透镜，且至少其一表面为非球面。在本实施例中，该第八镜片L8及第九镜片L9组成胶合透镜，用于平衡色差(chromatic aberration)。
当本发明的变焦镜头100进行变焦时，该第一群镜片组110保持固定不动，该光圈170到像端的总长度也保持固定不变，通过改变第二群镜片组120、第三群镜片组130与第四群镜片组140之间光轴方向的间距，产生不同倍率的放大倍数，使影像通过滤波器150处理成像在该感光元件160。该变焦镜头100更满足下列条件：
18＜T÷H＜25
0.15＜(H11×fw)÷(H×ft)＜0.55
0.5＜t31÷T31＜1.0
50＜f3×T31＜105
其中，H为像高，T为镜头总长，H11为第一群镜片组110第一片镜片(即第一镜片L1)的直径，ft为望远程时的等效焦距，fw为广角端时的等效焦距，t31为第三群镜片组130第一片镜片(即第七镜片L7)的边缘厚度，T31为第三群镜片组130第一片镜片(即第七镜片L7)的中心厚度，f3为第三群镜片组130的等效焦距。
现以10倍变焦6.3mm～63mm、Fno1.8～2.6、FOV(2ω)：60～6.6，提供像高3.63mm、总长75mm、口径13.5mm的设计为例，列表规格如下：
| Groupno. | Surface no. | Radius | Thickness | Index | Vd |
| OBJ： | INFINITY | INFINITY | AIR | ||
| 1 | 1 | 49.68147 | 2 | 1.755201 | 27.5795 |
| 2 | 26.46925 | 5.102059 | 1.587712 | 80 | |
| 3 | -128.90094 | 0.1 | AIR | ||
| 4 | 25.12075 | 2.839391 | 1.600431 | 61.3966 | |
| 5 | 56.37644 | Variable | AIR | ||
| 2 | 6 | 42.47046 | 1 | 1.773 | 49.6 |
| 7 | 9.24027 | 4.967505 | AIR | ||
| 8 | -11.58133 | 0.8 | 1.678 | 55.5 | |
| 9 | 10.55698 | 2.470402 | 1.805 | 25.4 | |
| 10 | -4127.2188 | Variable | AIR | ||
| STO： | INFINITY | Variable | AIR | ||
| 3 | 12 | 7.30088 | 2.389927 | 1.603 | 60 |
| ASP： | |||||
| K＝-0.074951 | A＝-0.307652E-04 | B＝-0.273260E-06 | C＝0.469603E-07 | ||
| D＝0.173168E-08 | E＝0.101031E-10 | ||||
| 13 | 10.78903 | Variable | AIR | ||
| ASP： | |||||
| K＝1.412372 | A＝0.105060E-04 | B＝-0.231448E-05 | C＝0.250695E-06 | ||
| D＝-0.467747E-08 | E＝0.197908E-09 | ||||
| 4 | 14 | 9.02174 | 1.812612 | 1.805 | 25.4 |
| 15 | 5.09045 | 5.52336 | 1.516 | 64.1 | |
| 16 | -63.75409 | Variable | AIR | ||
| ASP： | |||||
| K＝19.439153 | A＝0.382652E-03 | B＝0.448071E-05 | C＝0.161168E-06 | ||
| D＝0.581923E-08 | E＝0.531172E-17 | ||||
| 17 | INFINITY | 5.801558 | 1.516 | 64.1 | |
| 18 | INFINITY | 8.203371 | AIR | ||
| IMG： | INFINITY | 0 | AIR | ||
| zoom data | Wide | Middle | Tele | ||
| EFL | 6.3 | 32.3 | 63 | ||
| FOV | 29.95 | 6.37 | 3.31 | ||
| F：no | 1.85 | 2.22 | 2.63 | ||
| THI S5 | 0.1 | 13.74102 | 16.77684 | ||
| THI S10 | 17.67684 | 4.03583 | 1 | ||
| THI S11 | 10.77885 | 4.76907 | 1 | ||
| THI S13 | 2.00539 | 0.82957 | 0.5 | ||
| THI S16 | 1.42874 | 8.61434 | 12.71297 |
非球面镜片的数学公式(ASPHERIC CONSTANTS)
ASPHERIC CURV K A B C
D
E F G H
J
---------------------------------------------------------
A-1 0.13696977 -0.074951 -3.07652E-05 -2.73260E-07 4.69603E-08
1.73168E-09
1.01031E-11 0.00000E+00 0.00000E+00
0.00000E+00 0.00000E+00
A-2 0.09268675 1.412372 1.05060E-05 -2.31448E-06 2.50695E-07
-4.67747E-09
1.97908E-10 0.00000E+00 0.00000E+00
0.00000E+00 0.00000E+00
A-3 -0.01568527 19.439153 3.82652E-04 4.48071E-06 -1.61168E-07
5.81923E-09
5.31172E-18 0.00000E+00 0.00000E+00
0.00000E+00 0.00000E+00
---------------------------------------------------------
参考波长(REFERENCE WAVELENGTH)＝587.6NM
光谱区域(SPECTRAL REGION)＝486.1-656.3NM
＊变焦参数(ZOOM PARAMETERS) POS.1 POS.2 POS.3
＊1 ＝ 0.1000 13.7410 16.7768
＊2 ＝ 17.6768 4.0358 1.0000
＊3 ＝ 1.4287 8.6143 12.7130
＊4 ＝ 2.0054 0.8296 0.5000
＊5 ＝ 10.7788 4.7691 1.0000
---------------------------------------------------------
再由上述条件分别代表：镜头的总长与像高比、镜头孔径与变焦倍率的关系、第三群镜片组的尺寸形态以及第三群镜片组的尺寸与焦距的关系等特征，与现有技术比较而言具有解决变焦镜头微小化问题，同时更进一步提高镜头的成像品质，适合感光元件作为sensor，并降低镜片片数，符合降低成本并且满足不同产品层次需求的变焦镜头。现以五组具体数值为例，分别对比上述主要八件美国专利案(如图4)，其中，本发明设计的数值实施例涵盖10～12倍的变焦倍率，适合1/2.7″～1/2.5″的感光元件，FOV(2ω)60度，Fno可达1.8，在镜头总长75mm下，使用镜片数减少至9片，可达到四百万像素等级的产品规格。
由上可知，本发明的变焦镜头从物端到像端，各群镜片组的焦距配置分别为，第一群为正，第二群为负，第三群为正，第四群为正，光圈170位于第二群镜片组120及第三群镜片组130之间。当变焦时，第一群镜片组110到像端的总长度不变，并且光圈170到像端的总长度也不变。从广角端向望远程变焦时，第二群镜片组120从物端向像端移动，作为变焦群(variator)，第三群镜片组130从像端向物端移动，作为集光镜群(collector)，并且协助分担第四群镜片组140作为补偿群(compensator)，第四群镜片组140为从像端向物端移动，作为补偿群。
利用上述设计手段便可通过变动第三群镜片组130与光圈170之间的距离分担第四群镜片组140作为补偿群的功能，使光圈170之后的组件口径变小，进而使整体镜头的总长以及口径缩小。而且，第三群镜片组130同时扮演了集光的功能，所以具有两面非球面设计在聚焦集光的同时适度的平衡轴上的球差(spherical aberration)，所以可采用具有较少甚至单一镜片的第三群镜片组130提供集光的能力。此外，第四群镜片组140中的胶合透镜可平衡色差(chromatic aberration)，且至少有一非球面可以减少第四群镜片组140中的镜片数量，并可以扮演平衡场曲(field curvature)像差的作用。因此，本发明的变焦镜头兼顾产品微小化并保持镜头的成像品质，降低成本，可满足不同层次产品的需求，提高了产业利用价值。所以，应用本发明可解决现有技术所存在的无法兼顾产品微小化与维持镜头的成像品质、高制造成本等缺点。
Claims (12)
1. 一种变焦镜头，其特征在于，该变焦镜头由物端到像端依次包括：
焦距为正的第一群镜片组，在变焦时保持固定不动，该第一群镜片组从物端到像端依次包括第一镜片、第二镜片及第三镜片，该第一镜片为负透镜，第二及第三镜片为正透镜；
焦距为负的第二群镜片组，在从广角变焦至望远程时，由物端向像端移动，该第二群镜片组从物端到像端依次包括第四镜片、第五镜片及第六镜片，该第四及第五镜片为负透镜，第六镜片为正透镜；
焦距为正的第三群镜片组，在从广角变焦至望远程时，由像端向物端移动，该第三群镜片组包括至少一个第七镜片，其两面均为非球面；以及
焦距为正的第四群镜片组，在从广角变焦至望远程时，由像端向物端移动，该第四群镜片组从物端到像端依次包括第八及第九镜片，该第八镜片是负透镜，该第九镜片是正透镜，且至少其一表面为非球面；
且该变焦镜头满足下列条件：
18＜T÷H＜25
0.15＜(H11×fw)÷(H×ft)＜0.55
0.5＜t31÷T31＜1.0
50＜f3×T31＜105
其中，H为像高，T为镜头总长，H11为第一群镜片组第一片镜片的直径，ft为望远程时的等效焦距，fw为广角端时的等效焦距，t31为第三群镜片组第一片镜片的边缘厚度，T31为第三群镜片组第一片镜片的中心厚度，f3为第三群镜片组的等效焦距。
2. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该第一及第二镜片组成胶合透镜。
3. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该第三镜片为弯月形正透镜。
4. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该第五及第六镜片组成胶合透镜。
5. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该第七镜片是弯月形正透镜，且朝向物端的表面是凸面。
6. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该第八及第九镜片组成胶合透镜。
7. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该变焦镜头还包括光圈，位于第二群镜片组与第三群镜片组之间。
8. 如权利要求7所述的变焦镜头，其特征在于，该光圈到该像端的总长度在变焦时固定不变。
9. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该变焦镜头还包括滤波器及至少一个感光元件。
10. 如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于，该滤波器是光学低通滤波器。
11. 如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于，该感光元件是电耦合元件。
12. 如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于，该感光元件是CMOS感应器。
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