CN100465688C - 变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于将物体成像于感光元件上的变焦镜头。该变焦镜头包括第一透镜群、第二透镜群、第三透镜群与第四透镜群。第二透镜群位于第一透镜群与感光元件之间，第三透镜群位于第二透镜群与感光元件之间，第二透镜群适于在第一透镜群与第三透镜群之间移动。第三透镜群包括两个具有正光学屈光度的透镜。第四透镜群位于第三透镜群与感光元件之间，且适于在第三透镜群与感光元件之间移动。此外，第一透镜群、第二透镜群、第三透镜群及第四透镜群的光学屈光度分别为正、负、正、正。本发明中，由于第三透镜群的透镜数量被减少为两片，因此可降低公差累积，不仅可节省透镜的材料成本还可提高整个变焦镜头的生产合格率，进而可降低生产成本。

Description

变焦镜头

技术领域

本发明涉及一种变焦镜头(Zoom Lens)，尤其涉及一种低成本的变焦镜头。

背景技术

随着现代视讯技术的进步，数码摄像机(Digital Video Camera，DVC)及数码相机(Digital Camera，DC)等影像装置已被广泛使用。这些影像装置中的核心元件之一为变焦镜头，借助于变焦镜头的光学变焦可使影像清晰地对焦于电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)上而成像，因此变焦镜头的光学性能与影像成像的质量息息相关。在竞争激烈的市场中，各厂商无不致力于改善变焦镜头的质量，并降低其制作成本，以提高影像装置的竞争优势。

请参照图1，图1是现有的变焦镜头的结构示意图。美国第5,583,697号专利披露了一种变焦镜头。如图1所示，变焦镜头100包括四个透镜群110、120、130、140，其中，透镜群110由三片透镜112组成，透镜群120由三片透镜122组成，透镜群130由三片透镜132组成，而透镜群140由两片透镜142组成。

现有的变焦镜头100通过透镜群120与透镜群140相对移动的方式来放大倍率或缩小倍率。当欲拍摄物体的距离改变时，通过调整透镜群140的位置进行对焦，使拍摄物体的影像清晰。此种利用后群对焦的架构相较于利用前群对焦的架构能够有效缩小透镜的体积与长度。

然而，在变焦镜头100中，由于透镜群130是由一片非球面模造玻璃透镜搭配两片球面透镜组成，在批量生产时不易提高整体合格率。此外，非球面模造玻璃透镜对于矫正像差而言相当重要，但在透镜群130中，非球面模造玻璃透镜同时搭配两片高折射率的球面透镜，如此会使公差累积过于严重，不利于整体产量的合格率，进而使生产成本提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种变焦镜头，以降低生产成本。

为实现所述或其它目的，本发明一实施方式提出一种变焦镜头，其适于将物体成像于感光元件上。此变焦镜头包括第一透镜群、第二透镜群、第三透镜群及第四透镜群。第一透镜群具有正光学屈光度，第二透镜群具有负光学屈光度，并位于第一透镜群与感光元件之间。第三透镜群具有正光学屈光度，并位于第二透镜群与感光元件之间，且第二透镜群适于在第一透镜群与第三透镜群之间移动。第三透镜群包括两个具有正光学屈光度的透镜。此外，第四透镜群具有正光学屈光度，并位于第三透镜群与感光元件之间，且第四透镜群适于在第三透镜群与感光元件之间移动，其中，所述第二透镜群适于从所述第一透镜群旁移动至所述第三透镜群旁，以使所述变焦镜头的倍率从广角端切换至望远端，而该变焦镜头于所述广角端时的有效焦距为A1，所述第三透镜群中邻近所述第二透镜群的所述透镜的直径为A2，且0.4<A1/A2<0.5。

相较于现有的由十一片透镜所组成的变焦镜头，在本发明一实施方式中，由于将第三透镜群的透镜数量减少为两片，因此可降低公差的累积，不仅可节省透镜的材料成本，还可提高整个变焦镜头的生产合格率，进而可降低生产成本。并且，在本发明一实施方式中，使变焦镜头于广角端时的有效焦距A1与透镜的直径A2的比值(A1/A2)介于0.4至0.5之间，可有效确保成像质量。

附图说明

为使本发明的所述和其它目的、特征和优点更明显易懂，下文特举优选实施方式并接合附图对本发明进行详细说明。

图1是现有的变焦镜头的结构示意图；

图2A至图2C是本发明一实施方式的变焦镜头在不同变焦倍率下的结构示意图；

图3A至图3C分别为对应于图2A至图2C所示的变焦镜头的成像光学数据图。

附图标记说明

50                      感光元件

100、200                    变焦镜头

110、120、130、140          透镜群

112、122、132、142          透镜

210                         第一透镜群

212                         第一透镜

214                         第二透镜

216                         第三透镜

220                         第二透镜群

222                         第四透镜

224                         第五透镜

226                         第六透镜

230                         第三透镜群

232                         透镜(第七透镜)

234                         透镜(第八透镜)

240                         第四透镜群

242                         第九透镜

244                         第十透镜

250                         红外光阻隔片

260                         低通滤波片

S1～S22                     表面

具体实施方式

图2A至图2C是本发明一实施方式的变焦镜头在不同变焦倍率下的结构示意图，其中，图2A示出了变焦镜头处于广角端(wide-end)时的结构，图2B示出了变焦镜头处于中间位置(middle)时的结构，而图2C示出了变焦镜头处于望远端(tele-end)时的结构。请同时参考图2A至图2C，本实施方式的变焦镜头200适于将物体成像于感光元件50上，其中，感光元件50例如为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，CMOS)。变焦镜头200包括第一透镜群210、第二透镜群220、第三透镜群230及第四透镜群240。其中，第二透镜群220位于第一透镜群210与感光元件50之间，第三透镜群230位于第二透镜群220与感光元件50之间，且第二透镜群220适于在第一透镜群210与第三透镜群230之间移动。此外，第四透镜群240位于第三透镜群230与感光元件50之间，且第四透镜群240适于在第三透镜群230与感光元件50之间移动。

如上所述，第一透镜群210、第二透镜群220、第三透镜群230以及第四透镜群240的光学屈光度分别为正、负、正、正，借助于这种组合可以有效地消除像差与色差。此外，第三透镜群230包括两个具有正光学屈光度的透镜232、234。

在本实施方式的变焦镜头200中，第一透镜群210包括依序排列的第一透镜212、第二透镜214及第三透镜216，其中，第三透镜216邻近第二透镜群220，且第一透镜212、第二透镜214和第三透镜216的光学屈光度分别为负、正、正。此外，第二透镜群220包括依序排列的第四透镜222、第五透镜224与第六透镜226，其中，第六透镜226邻近第三透镜群230，且第四透镜222、第五透镜224与第六透镜226的光学屈光度分别为负、负、正。另外，第三透镜群230的透镜232为第七透镜，透镜234为第八透镜，且透镜234位于透镜232与第四透镜群240之间，且第七透镜232、第八透镜234的光学屈光度分别为正、正组合。第四透镜群240包括第九透镜242和第十透镜244，其中，第十透镜244位于第九透镜242与感光元件50之间，第九透镜242与第十透镜244的光学屈光度分别为负、正。

在本实施方式中，第三透镜群230的透镜232与透镜234至少其中之一为非球面透镜。其中，非球面透镜可选用玻璃模造透镜、复合透镜或塑料透镜。此外，第三透镜群230的两个透镜232、234中，较邻近第二透镜群220的透镜(即透镜232)为新月型透镜，且此新月型透镜凸向物体。

由于现有的变焦镜头100(如图1所示)需由十一片透镜组成，而本实施方式的变焦镜头200因将第三透镜群230的透镜数量减少为两片，所以仅包括十片透镜，如此不仅可节省透镜的材料成本，还可降低公差的累积。而且，由于结构较为简单，生产合格率较高，因此可进一步降低变焦镜头200的生产成本。

在本实施方式中，当变焦镜头200的倍率由广角端(如图2A所示)变成中间位置(如图2B所示)时，第二透镜群220及第四透镜群240朝第三透镜群230的方向移动。当变焦镜头200的倍率由中间位置变成望远端(如图2C所示)时，第二透镜群220朝第三透镜群230的方向移动，而第四透镜群220反向朝感光元件50的方向移动。换言之，本实施方式发明的变焦镜头200仅需移动第二透镜群220及第四透镜群240即具有变焦的功效，因此连动机构较为简单且成本较低。

此外，本实施方式的变焦镜头200还可借助于第四透镜群240朝远离或接近感光元件50的方向移动来调整成像位置，使变焦镜头200聚焦出清晰的影像。也就是说，第四透镜群240除了具有变焦的功能外，还具有成像补偿的功能，所以可以避免像差与成像面偏移的问题。

值得注意的是，为了确保成像质量，变焦镜头200于广角端时的有效焦距A1与透镜232的直径A2的比值(即A1/A2)需介于0.4至0.5之间。此外，为了使变焦镜头200的体积更小，第三透镜群230的有效焦距A3与第四透镜群的有效焦距A4的比值(即A3/A4)需介于1.5至2之间。另外，所述变焦镜头200在各种倍率下，物体的成像光束的主光线入射感光元件50的入射角例如皆小于10度，优选小于5度。

为了使变焦镜头200具有更佳的光学性能，变焦镜头200可更进一步包括红外光阻隔片(IR Cutting)250及低通滤波片(Low Pass Filter)260。下面将列举变焦镜头200的一优选实施方式，当然，下述的表一及表二中所列的数据资料并非用以限定本发明，本领域任何技术人员在参照本发明之后，可对其参数或设定作适当改动，这些改动仍应落入本发明的范围。

〈表一〉

S13、S14为非球面，其可以下面公式表示：

$X=\frac{(1/R)H^2}{1+\sqrt{1-(1+K){(H/R)}^2}}+{\mathrm{AH}}^4+{\mathrm{BH}}^6+{\mathrm{CH}}^8+{\mathrm{DH}}^{10}$

其中，X为光轴方向的偏移量，R是密切球面(osculating sphere)的半径，也就是接近光轴处的曲率半径(如表格内S13、S14的曲率半径)。H是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度。从公式中可知，不同的H对应出不同的X值，在本设计中K＝0，而A、B、C、D为非球面系数(aspheric coefficient)。S13的非球面系数即A为-0.281837E-04、B为-0.854095E-05、C为0.407756E-06及D为-0.114077E-07。S14的非球面系数即A为0.209996E-03、B为-0.127416E-04、C为0.861426E-06及D为-0.274988E-07。

在表一中，曲率半径(mm)是指每一表面的曲率半径，间距(mm)是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离，备注栏中各透镜、黏胶层或低通滤波片所对应的厚度、折射率与色散值请参见同列中各间距、折射率(refractive index)与色散值(Abbenumber)对应的数值。此外，在表一中，表面S1为第一透镜212远离第二透镜214的表面。表面S2为第一透镜212与第二透镜214相连的表面。表面S3为第二透镜214远离第一透镜212的表面。表面S4、S5为第三透镜216的两表面。表面S6、S7为第四透镜222的两表面。表面S8为第五透镜224远离第六透镜226的表面。表面S9为第五透镜224与第六透镜226相连的表面。表面S10为第六透镜226远离第五透镜224的表面。表面S11、S12为红外光阻隔片250的两表面，其中表面S12亦可同时作为控制入射光量的孔径光阑(Aperture Stop，STO)。表面S13、S14为透镜232的两表面。表面S15、S16为透镜234的两表面。表面S17为第九透镜242远离第十透镜244的表面。表面S18为第九透镜242与第十透镜244相连的表面。表面S19为第十透镜244远离第九透镜242的表面。表面S20、S21为低通滤波片260的两表面。表面S22为感光元件50的入射表面。关于各表面的曲率半径、间距等参数值请参照表一，在此不再重述。

〈表二〉

在表二中分别列出变焦镜头200于广角端、中间位置及望远端时的一些重要参数值，包括有效焦距(Effective Focal Length，EFL)、视场角(Fieldof View，FOV)、F数值(F/#)及表面S5、S10、S16、S19的可变动距离(mm)。

图3A至图3C分别为对应于图2A至图2C所示的变焦镜头的成像光学数据图。请参考图3A至图3C，由于纵向球差(longitudinal sphericalaberration)、畸变(distortion)、像散场曲(astigmatism field curves)或横向色差(later color)的图形均在标准的范围内，因此本实施方式的变焦镜头200具有良好的光学性能。

值得注意的是，由于光的可逆原理，本领域任何技术人员亦可对前述参数作适当改动，以使本发明的变焦镜头适用于投影系统中。显然，这些改动仍应落入本发明的范围内。

综上所述，本实施方式的变焦镜头至少具有以下优点。

1.相较于现有的由十一片透镜所组成的变焦镜头，由于本实施方式的变焦镜头将第三透镜群的透镜数量减少为两片，所以仅包括十片透镜。如此，不仅可节省透镜的材料成本，并可减少公差的累积，从而可提高整个变焦镜头的生产合格率，进一步降低生产成本。

2.四个透镜群的光学屈光度采用了正、负、正、正的组合来消除像差，并且与非球面复合透镜配合可使本发明的变焦镜头具有高倍率及高分辨率的成像质量。

3.第四透镜群除了具有变焦的功能外，还具有成像补偿的功能，所以可以避免像差与成像面偏移的问题。

4.使变焦镜头于广角端时的有效焦距A1与透镜的直径A2的比值(即A1/A2)介于0.4至0.5之间，可有效确保成像质量。

5.使第三透镜群230的有效焦距A3与第四透镜群的有效焦距A4的比值(即A3/A4)介于1.5至2之间，可使本实施方式的变焦镜头的体积更小。

虽然上面对本发明的优选实施方式作了描述，但其并非是对本发明的限制，本领域任何技术人员在不超出本发明的构思和范围的前提下，还可作出一些改动与润饰，因此，本发明的保护范围应以所附的权利要求界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种适于将物体成像于感光元件上的变焦镜头，该变焦镜头包括:

一第一透镜群，其具有正光学屈光度；

一第二透镜群，其具有负光学屈光度，并位于所述第一透镜群与所述感光元件之间；

一第三透镜群，其具有正光学屈光度，并位于所述第二透镜群与所述感光元件之间，该第三透镜群包括两个具有正光学屈光度的透镜，所述第二透镜群适于在所述第一透镜群与所述第三透镜群之间移动；及

一第四透镜群，其具有正光学屈光度，并位于所述第三透镜群与所述感光元件之间，该第四透镜群适于在所述第三透镜群与所述感光元件之间移动，

其中，所述第二透镜群适于从所述第一透镜群旁移动至所述第三透镜群旁，以使所述变焦镜头的倍率从广角端切换至望远端，而该变焦镜头于所述广角端时的有效焦距为A1，所述第三透镜群中邻近所述第二透镜群的所述透镜的直径为A2，且0.4<A1/A2<0.5。

2.如权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述第一透镜群包括:

一第一透镜，其具有负光学屈光度；

一第二透镜，其具有正光学屈光度，并位于所述第一透镜与所述第二透镜群之间；及

一第三透镜，其具有正光学屈光度，并位于所述第二透镜与所述第二透镜群之间。

3.如权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述第二透镜群包括:

一第四透镜，其具有负光学屈光度；

一第五透镜，其具有负光学屈光度，并位于所述第四透镜与所述第三透镜群之间；及

一第六透镜，其具有正光学屈光度，并位于所述第五透镜与所述第三透镜群之间。

4.如权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述第三透镜群的这些透镜包括一第七透镜与一第八透镜，该第八透镜位于所述第七透镜与所述第四透镜群之间，且所述第七透镜与该第八透镜至少其中之一为非球面透镜。

5.如权利要求4所述的变焦镜头，其中，所述非球面透镜为玻璃模造透镜、复合透镜或塑料透镜。

6.如权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述第三透镜群的这些透镜中，邻近所述第二透镜群的所述透镜为新月型透镜，且该新月型透镜凸向所述物体。

7.如权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述第四透镜群包括:

一第九透镜，其具有负光学屈光度；及

一第十透镜，其具有正光学屈光度，并位于所述第九透镜与所述感光元件之间。

8.如权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述第三透镜群的有效焦距为A3，所述第四透镜群的有效焦距为A4，且1.5<A3/A4<2。

9.如权利要求1所述的变焦镜头，其中，在各种倍率下，所述物体的成像光束的主光线入射到所述感光元件的入射角小于10度。

Images