CN100410717C - 变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型化的变焦镜头，特别适用于可拍照手机或微型数码相机等领域，其从物方到像方依次包括负屈光度的第一透镜组、正屈光度的第二透镜组及正屈光度的第三透镜组，其中第一透镜组位置固定，改变第二透镜组与第一透镜组之间的距离而使整个镜头的焦距变化，并由第三透镜组位置的改变而补偿变焦后造成的成像面移动，使成像面的位置始终保持固定不变。整个变焦镜头的镜片数目少，结构紧凑，尺寸超短，而光学变焦仍达到接近2倍，且采用非球面镜片可以有效矫正像差，使本发明变焦镜头具有优良的光学性能。

Description

变焦镜头

【技术领域】

本发明涉及一种变焦镜头，尤其是指一种具有远景拍摄及广视角拍摄功能，适用于可拍照手机、微型数码相机的尺寸超短的轻量微型化变焦镜头。

【背景技术】

与传统照相机、摄影机及一般数码相机的可调焦、可变焦镜头不同，受手机尺寸的限定，可拍照手机中所使用的照相镜头的尺寸要小很多，结构亦简单很多，且多数均是定焦镜头，其可拍摄的范围尤其是远、近距离拍摄有一定限制，无法象传统照相机那样通过调焦、变焦而获取最佳拍摄效果。如中国实用新型专利第01272836.5、01273098.X、02218484.8、03220711.5号以及美国专利第6,650,486、6,741,405号均公开了一种适用于可拍照手机的定焦镜头结构。

然而随着技术的发展，人们对手机拍摄影像的质量要求越来越高，虽然近年来通过改进可拍照手机中所使用的CCD(Charge Coupled Device，感光耦合元件)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体)等影像感测元件技术，使可拍照手机拍摄的影像画质从10万像素、35万像素提高至130万像素甚至200万像素的水平，但由于可拍照手机所使用的镜头几乎均为定焦镜头，其焦距固定，镜头的视角就固定，当要拍摄局部范围景物时必须要移动拍摄距离，使用十分不便，而若采用数码变焦又会降低影像的画质。因此，采用具有光学变焦功能的镜头仍是目前可拍照手机的首选。

目前产业界不乏微型化变焦镜头的设计方案，例如日本佳能(Canon)公司获准公告于2001年2月20日的美国专利第6,191,896号及公告于2001年5月15日的美国专利第6,233,099号，就揭示了一种具有负、正、正及正屈光度的四透镜组的变焦镜头，通过改变第一、二及三透镜组之间的距离而达到远、近视角拍摄的焦距调整。同样是由佳能公司申请并公开于2003年2月5日的中国发明专利申请公开第CN1395144A号，也揭示了一种微型化的变焦镜头，其从物方到像方依次包括一负屈光度的第一透镜组、一正屈光度的第二透镜组及位置固定的第三透镜组，通过改变第一透镜组与第二透镜组之间的距离达到变焦效果。然而，上述现有变焦镜头在一般拍摄状态向远视角或近视角拍摄状态转换，或由远视角向近视角转换时，整个镜头的长度尺寸将随着拍摄状态的变化而改变，这种整体尺寸在使用中会改变的变焦镜头，对于厚度尺寸仅20mm甚至更小的手机而言显然是不适合的，一方面是镜头难以装入手机机构件中，二是手机携带和使用时常会有磨擦、碰撞等情形，镜头尺寸的改变很容易使镜头意外受损。而且，前述现有变焦镜头所使用的镜片至少也有六片以上，除生产成本增加以外，其重量较大也是一个困扰。

另据称，飞利浦(Philips)公司研究开发出一种适合手机使用的微型化液体镜头，其是将两种互不相溶且具有不同折射率的液体注入一个透明的柱状容器中，通过施加电压来调整和变换容器中两种液体的极性，进而通过表面张力的变化来改变两种液体之间的界面型态，从而达到偏折光线的目的，并通过改变电压大小和极性来进行调焦。但这种产品在使用过程的稳定性、成像质量以及使用寿命等指数仍有待进一步测试，短期内要进行大规模量产及使用仍有相当大的难度。

因此，研究开发一种适合于可拍照手机使用的，具有远景拍摄及广视角拍摄功能且尺寸短小的轻量化光学变焦镜头，仍是产业界所面临的一项迫切的现实技术需求。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种尺寸超短、镜片数目少且结构紧凑，具有远景拍摄及广视角拍摄功能，且光学成像性能优良的变焦镜头。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种变焦镜头，其从物方到像方依次包括负屈光度的第一透镜组、正屈光度的第二透镜组及正屈光度的第三透镜组，其中用于收光的第一透镜组位置固定，用于变焦的第二透镜组及提供补偿的第三透镜组可移动，改变第二透镜组与第一透镜组之间的距离而使整个镜头的焦距变化，并由第三透镜组位置的改变而补偿变焦后造成的成像面移动，使成像面的位置始终保持固定不变。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其满足如下关系式：

$0.27<\frac{f_{\mathrm{bw}}}{\mathrm{TT}}<0.35---(a-1)$

其中，f_bw是广角端的后焦长度(Back Focal Length at Wide Angle End)，TT是光轨迹总长度(Total Optical Track)。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中第二透镜组与第三透镜组之间满足下列关系式：

$1.7<\frac{f_2}{f_3}<2.9---(a-2)$

其中，f₂是第二透镜组的焦距，f₃是第三透镜组的焦距。依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其还满足下列关系式：

$0.16<\frac{I_C}{\mathrm{TT}}<2.2---(a-3)$

其中，I_C是成像圈的半径(Radius ofan Image Circle)，TT是光轨迹总长度(Total Optical Track)。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头中，第二透镜组包含一正屈光度的变焦透镜，该变焦透镜朝向物方一侧的表面及朝向像方一侧的表面均为球面。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头中，第三透镜组包含一正透镜及一负透镜，该正透镜及该负透镜各有至少一表面是非球面。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头中，第一透镜组包含一负屈光度的收光透镜，该收光透镜的至少一表面是非球面。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头中，上述非球面可由下列非球面公式表达：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{\frac{1}{2}}}+A{h}^4+B{h}^6+C{h}^8+D{h}^{10}$

其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；k为锥度常量；c＝1/r，r表示傍轴曲率半径；A、B、C、D为高阶非球面系数。

与现有技术相比，本发明变焦镜头采用负、正、正三透镜组结构，并使第一透镜组及成像面的位置固定不变，通过改变正屈光度的第二透镜组的位置改变第一、二透镜组间的距离，而达到变焦的效果，并以第三透镜组补偿因变焦而造成的像面移动，确保成像清晰。整个变焦镜头的镜片数目少，结构紧凑，尺寸甚至可缩减至9mm，而光学变焦仍达到接近2倍，且在如此短的总长条件下仍具有足够的后焦，而具有优良的光学性能。另外，采用非球面镜片还可以有效矫正像差而确保影像质量良好。因此，本发明的变焦镜头符合大规模量产的要求，具有良好的市场前景。

【附图说明】

图1是本发明变焦镜头处于远景拍摄状态时的光学系示意图。

图2是本发明变焦镜头处于一般拍摄状态时的光学系示意图。

图3是本发明变焦镜头处于广视角拍摄状态时的光学系示意图。

图4是依据第一组数值实施的变焦镜头在广角端的球差。

图5是依据第一组数值实施的变焦镜头在广角端的像散。

图6是依据第一组数值实施的变焦镜头在广角端的横向色差。

图7是依据第一组数值实施的变焦镜头在远摄端的球差。

图8是依据第一组数值实施的变焦镜头在远摄端的像散。

图9是依据第一组数值实施的变焦镜头在远摄端的横向色差。

图10是依据第二组数值实施的变焦镜头在广角端的球差。

图11是依据第二组数值实施的变焦镜头在广角端的像散。

图12是依据第二组数值实施的变焦镜头在广角端的横向色差。

图13是依据第二组数值实施的变焦镜头在远摄端的球差。

图14是依据第二组数值实施的变焦镜头在远摄端的像散。

图15是依据第二组数值实施的变焦镜头在远摄端的横向色差。

【具体实施方式】

请参阅图1所示本发明的变焦镜头的光学系示意图，该变焦镜头从物方到像方依次包括负屈光度的第一透镜组1、正屈光度的第二透镜组2及正屈光度的第三透镜组3。其中，该第一透镜组1包含一负屈光度的收光透镜10，该收光透镜10可采用光学塑料模造成型，其被固定在镜头的最前端用于收光。该收光透镜10是一非球面镜片，即其至少一表面为非球面。在具体实施时，其朝向物方一侧的第一表面11可采用略微凸起的非球面，相对的第二表面12则是向物方凹陷的非球面，采用该收光透镜10可使本发明变焦镜头在广角状态时视角可达65.3度。

第二透镜组2用于改变镜头焦距，其包含一正屈光度的变焦透镜20，该变焦透镜20采用光学玻璃材料，以便能有更好的光学质量，且其朝向物方一侧的第一表面21及相对另一侧的第二表面22均为球面，借此使本发明的变焦镜头的整个光学系统的公差容忍度获得大幅度提升。对于用于可拍照手机或超短型数码相机的此类微型光学镜头而言，通过内部透镜的精确移动以进行变焦是具有相当难度的，因此具有大的公差容忍度是整个变焦镜头光学系统能否量产的重要关键要素之一。

第三透镜组3用以补偿变焦所造成的成像面6位置的移动，确保成像面6的位置始终固定不变，使变焦后入射光线仍可在固定位置的成像面6上聚焦而获得清晰影像。该第三透镜组3自物方至像方依次包含一正透镜31及一负透镜32，该正透镜31是一塑料材质的模造非球面镜片，其朝向物方一侧的第一表面311及相对另一侧的第二表面312中至少有一表面为非球面。同样，负透镜32也是一塑料材质的模造非球面镜片，其朝向物方一侧的第一表面321及相对另一侧的第二表面322中至少有一表面为非球面。该正透镜31的焦距为正值，以补偿第一透镜组1与该负透镜32在不同温度下所造成的后焦改变量，使本发明变焦镜头在不同温度下亦可以获得良好的解像。此外该正透镜31还作为场曲的补偿，借由该正、负透镜31、32的非球面特性，可进一步提高整个镜头的光学解像。

另外，在该第二透镜组2与第三透镜组3之间设置有光圈5以控制光线入射量，在第三透镜组3的负透镜32的第二表面322邻近位置设有平光玻璃镜片4(或红外滤镜)。本发明变焦镜头的第一透镜组1及成像面6位置固定，从而使整个镜头的总长度固定，使镜头便于装配至手机的机构件中，并降低在手机携带及使用过程中镜头被外力意外碰撞损坏的风险。通过移动第二透镜组2改变其与第一透镜组1间的距离而进行变焦，同时调整第三透镜组3的位置以补偿因变焦而造成的成像面6的移动，即可由图1所示的远影拍摄状态转为图2所示的一般拍摄状态，进而转为图3所示的近距离广视角拍摄状态。

本发明变焦镜头所使用的镜片数目少且结构紧凑，采用总长固定的内部变焦方式，其总体长度可缩减至9mm，在如此短的总长度条件下镜头仍有足够的后焦。为此，在一个较佳实施状态下，本发明变焦镜头满足如下关系式：

$0.27<\frac{f_{\mathrm{bw}}}{\mathrm{TT}}<0.35---(a-1)$

其中，f_bw是广角端的后焦长度(Back Focal Length at Wide Angle End)，TT是光轨迹总长度(Total Optical Track)，即从物方到像方的第一个镜头第一表面至成像面的距离。当该(a-1)式的比值偏下限时，易产生后焦不足，会使镜头没有足够的空间放置红外滤镜(IR Filter)或平光玻璃镜片4。而当(a-1)式比值偏上限时，容易产生入射至成像面的角度过大，导致于有阴影(Shading)现象。

此外，在变焦镜头总长度超短的情况下，其光学变焦仍可达到将近2倍。为此本发明变焦镜头的第二透镜组2与第三透镜组3之间满足下列关系式：

$1.7<\frac{f_2}{f_3}<2.9---(a-2)$

其中，f₂是第二透镜组2的焦距，f₃是第三透镜组3的焦距。当上述(a-2)式的比值偏下限时，表示第三透镜组3相对于第二透镜组2的放大率小，在变焦过程中所须移动的距离相对有所增加。当(a-2)式的比值偏上限时，代表第三透镜组3相对于第二透镜组2的放大率大，在变焦过程中可能导致像差的增加。

另外，为获得将近2倍的光学变焦，本发明变焦镜头在超短的空间里还满足下列关系式：

$0.16<\frac{I_C}{\mathrm{TT}}<2.2---(a-3)$

其中，I_C是成像圈的半径(Radius of an Image Circle)，即镜头对焦到成像焦点时，影像清析的范围的圆的半径。TT是光轨迹总长度(Total OpticalTrack)，即从物方到像方的第一个镜头第一表面至成像面的距离。当(a-3)式的比值偏下限时，表示整光轨迹总长度相对过长；当(a-3)式的比值偏上限时，容易产生畸变量的快速增加及入射至成像面的角度过大。

本发明变焦镜头的收光透镜10及第三透镜组3的正透镜31、负透镜32均采用非球面，使变焦镜头具有较佳的像差矫正。若采用球面镜片，则需要有更长的空间来设置复合透镜以矫正变焦时的像差，因此本发明采用非球面镜片，可减少镜头的镜片数目并缩减镜头总长。前述收光透镜10及第三透镜组3的正透镜31、负透镜32的非球面可用下列公式表示：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+A{h}^4+B{h}^6+C{h}^8+D{h}^{10}$

其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；k为锥度常量；c＝1/r，r表示傍轴曲率半径；A、B、C、D为高阶非球面系数。

依据前述本发明的技术内容，可依照下列第一组数值进行具体实施：

第一组数值实施例

其中：

另外，非球面系数的具体数值如下表所列：

依据上述第一组数值所实施的本发明变焦镜头，第一透镜组1的收光透镜10为双面非球面镜片，变焦透镜20为球面镜片，第三透镜组3的正透镜31为双面非球面镜片，负透镜32的第二表面322为非球面。前述(a-1)式、(a-2)式及(a-3)式的比值分别为：f_bW/TT＝0.28，f₂/f₃＝2.69，I_c/TT＝0.18。如图4至图9所示本发明依据第一组数值实施例获得的变焦镜头在不同状态的球差、像散及横向色差，显示本发明依据第一组数值实施的变焦镜头具有良好的光学性能。

本发明变焦镜头还可依据以下第二组数值具体实施：

第二组数值实施例

其中：

另外，非球面系数的具体数值如下表所列：

依据上述第一组数值所实施的本发明变焦镜头，第一透镜组1的收光透镜10为双面非球面镜片，变焦透镜20为球面镜片，第三透镜组3的正透镜31及为负透镜32均为双面非球面镜片。前述(a-1)式、(a-2)式及(a-3)式的比值分别为：f_bW/TT＝0.33，f₂/f₃＝1.97，I_c/TT＝0.19。如图10至图15所示本发明依据第二组数值获得的变焦镜头在不同状态的球差、像散及横向色差，显示本发明依据第二组数值实施的变焦镜头同样具有良好的光学性能。

Claims (23)

1. 一种变焦镜头，其特征在于：所述变焦镜头从物方到像方依次包括负屈光度的第一透镜组、正屈光度的第二透镜组及正屈光度的第三透镜组，其中用于收光的第一透镜组位置固定，用于变焦的第二透镜组及提供补偿的第三透镜组可移动，改变第二透镜组与第一透镜组之间的距离而使整个镜头的焦距变化，并改变第三透镜组位置而补偿变焦后造成的成像面移动，使成像面的位置始终保持固定不变，所述第二透镜组与第三透镜组之间满足下列关系式：

$1.7<\frac{f_2}{f_3}<2.9$

其中，f₂是第二透镜组的焦距，f₃是第三透镜组的焦距。

2. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：所述第二透镜组包含一正屈光度的变焦透镜，该变焦透镜朝向物方一侧的表面及朝向像方一侧的表面均为球面。

3. 如权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜组包含一正透镜，该正透镜的至少一表面是非球面。

4. 如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜组还包含一与所述正透镜相邻的负透镜，该负透镜的至少一表面是非球面。

5. 如权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜组包含一负屈光度的收光透镜，该收光透镜的至少一表面是非球面。

6. 如权利要求5所述的变焦镜头，其特征在于：所述非球面满足下列公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{\frac{1}{2}}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}$

其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；k为锥度常量；c＝1/r，r表示傍轴曲率半径；A、B、C、D为高阶非球面系数。

7. 如权利要求1或6所述的变焦镜头，其特征在于：所述镜头满足如下关系式：

$0.27<\frac{f_{\mathrm{bw}}}{\mathrm{TT}}<0.35$

其中，f_bw是广角端的后焦长度，TT是光轨迹总长度。

8. 如权利要求7所述的变焦镜头，其特征在于：该镜头还满足下列关系式：

$0.16<\frac{I_C}{\mathrm{TT}}<2.2$

其中，I_C是成像圈的半径，TT是光轨迹总长度。

9. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：所述第二透镜组与第三透镜组之间进一步设置有光圈。

10. 如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜组与成像面之间还设置有平光玻璃镜片及红外滤镜两者的其中之一。

11. 如权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于：所述第二透镜组的变焦透镜是玻璃材质的镜片。

12. 如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜组的正透镜是塑料材质的模造非球面镜片。

13. 如权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜组的负透镜是塑料材质的模造非球面镜片。

14. 如权利要求5所述的变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜组的收光透镜是塑料材质的模造非球面镜片。

15. 一种变焦镜头，其特征在于：所述变焦镜头从物方到像方依次包括负屈光度的第一透镜组、正屈光度的第二透镜组及正屈光度的第三透镜组，通过改变第二透镜组与第一透镜组之间的距离而改变镜头的焦距，并改变第三透镜组位置而补偿变焦后造成的成像面移动，使成像面的位置始终保持固定不变，其中，所述变焦镜头满足以下条件：

$0.27<\frac{f_{\mathrm{bW}}}{\mathrm{TT}}<0.35---(a-1)$

$1.7<\frac{f_2}{f_3}<2.9---(a-2)$

$0.16<\frac{I_c}{\mathrm{TT}}<2.2---(a-3)$

所述(a-1)式中f_bw是广角端的后焦长度，TT是光轨迹总长度；所述(a-2)式中f₂是第二透镜组的焦距，f₃是第三透镜组的焦距；所述(a-3)式中I_C是成像圈的半径，TT是光轨迹总长度。

16. 如权利要求15所述的变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜组的位置固定不变，而所述第二透镜组及第三透镜组是可以沿光轴方向移动。

17. 如权利要求16所述的变焦镜头，其特征在于：所述第二透镜组包含一正屈光度的变焦透镜，该变焦透镜朝向物方一侧的表面及朝向像方一侧的表面均为球面。

18. 如权利要求17所述的变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜组包含一正透镜，该正透镜的至少一表面是非球面。

19. 如权利要求18所述的变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜组还包含一与所述正透镜相邻的负透镜，该负透镜的至少一表面是非球面。

20. 如权利要求19所述的变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜组包含一负屈光度的收光透镜，该收光透镜的至少一表面是非球面。

21. 如权利要求17所述的变焦镜头，其特征在于：所述第二透镜组的变焦透镜是玻璃材质的镜片。

22. 如权利要求20所述的变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜组的收光透镜、第三透镜组的正透镜及负透镜均是塑料材质的模造非球面镜片。

23. 如权利要求22所述的变焦镜头，其中所述非球面满足下列公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{\frac{1}{2}}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}$

其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；k为锥度常量；c＝1/r，r表示傍轴曲率半径；A、B、C、D为高阶非球面系数。

Images