CN100589008C - 变焦镜头 - Google Patents

Abstract

一种变焦镜头，包括从一物侧至一像侧依次排列的一第一透镜组、一第二透镜组、一第三透镜组以及一第四透镜组，其中第二透镜组适于在第一透镜组与第三透镜组之间移动，且第四透镜组适于在第三透镜组与像侧之间移动。此外，第一透镜组具有正屈光度，并包括至少一第一复合透镜。第二透镜组具有负屈光度，并包括至少一第二复合透镜，且第二复合透镜包括至少一非球面透镜，其中非球面透镜之一的粘合面为凹面，且粘合面朝向物侧。第三透镜组具有正屈光度，并包括至少一非球面透镜。第四透镜组具有正屈光度，并包括至少由从物侧至像侧依次排列的一双凸透镜与一第三复合透镜。此变焦镜头兼具高倍率与小体积的优点。

Description

变焦镜头

技术领域

本发明是有关于一种镜头，且特别是有关于一种变焦镜头(zoomlens)。

背景技术

随着现代电视通信(视讯)技术的进步，数字摄影机(digital videocamera，DVC)及数字相机(digital camera，DC)等影像装置已被广泛地使用。这些影像装置中的核心组件之一为变焦镜头，经由变焦镜头的光学变焦可使远、近影像能清晰地对焦于电荷耦合器件(chargecoupled device，CCD)上而成像，因此变焦镜头的光学品质与影像成像的品质息息相关。在竞争激烈的市场中，各厂商无不致力于改良变焦镜头的品质，并降低其制作成本，以提升上述影像装置的竞争优势。此外，为使影像装置符合轻、薄、短、小的需求，各厂商还致力于改良变焦镜头的设计，以使变焦镜头的体积缩小。

请参照图1，传统的变焦镜头100是由美国第5,583,697号专利所揭露。变焦镜头100包括四个透镜组110、120、130、140，其中透镜组110是由三片透镜112所组成，透镜组120是由三片透镜122所组成，透镜组130是由三片透镜132所组成，而透镜组140是由两片透镜142所组成。

变焦镜头100是经由透镜组120与透镜组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，则透过调整透镜组140的位置进行对焦，使拍摄物体的影像清晰。此种利用后组对焦的架构相较于利用前组对焦的架构，能够有效缩小变焦镜头100的体积与长度。

然而，在变焦镜头100中，由于透镜组130是由一片非球面模制玻璃透镜搭配两片球面透镜所组成，在量产制作时整体合格率不易提升。此外，非球面模制玻璃透镜对于矫正像差而言相当重要。然而，在透镜组130中，非球面模制玻璃透镜是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，亦不利整体量产的合格率，而且使得生产成本提高。

请参照图2，另一种传统的变焦镜头200是由美国第5,784,205号专利所揭露。变焦镜头200包括四个透镜组210、220、230、240，其中透镜组210是由三片透镜212所组成，透镜组220是由三片透镜222所组成，透镜组230是由二片透镜232所组成，而透镜组240是由三片透镜242所组成。

当变焦镜头200在变焦过程中，透镜组220、230及240必须同时相对移动，以达成改变倍率的目的。然而，三个透镜组220、230、240连动的架构在机构的设计上较为复杂，这容易使得整体机构的体积过大。此外，由于可移动的透镜组较多，对各透镜的组装公差的要求必须更严谨，以确保变焦镜头200的光学品质，这会提高变焦镜头200的生产成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种变焦镜头，其具有高倍率与小体积的优点。

本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部份或全部目的或是其它目的，本发明提出一种变焦镜头，其包括从一物侧至一像侧依次排列的一第一透镜组、一第二透镜组、一第三透镜组以及一第四透镜组，其中第二透镜组适于在第一透镜组与第三透镜组之间移动，且第四透镜组适于在第三透镜组与像侧之间移动。此外，第一透镜组具有正屈光度，并包括至少一第一复合透镜。第二透镜组具有负屈光度，并包括至少一第二复合透镜，且第二复合透镜包括至少一非球面透镜，其中非球面透镜之一的粘合面为凹面，且粘合面朝向物侧。第三透镜组具有正屈光度，并包括至少一非球面透镜。第四透镜组具有正屈光度，并包括至少由从物侧至像侧依次排列的一双凸透镜与一第三复合透镜，其中该第一透镜组是由从该物侧至该像侧依次排列的一第一透镜、一第二透镜与一第三透镜所组成，且该第一透镜、该第二透镜与该第三透镜的屈光度依次为负、正、正，并且该第一透镜到该像侧的距离为L，而该变焦镜头的变倍比为X，且L/X≤2.5。

根据本发明的另一方面，还提供了一种变焦镜头，包括：

一第一透镜组，具有正屈光度，该第一透镜组包括至少一第一复合透镜；

一第二透镜组，具有负屈光度，并位于该第一透镜组与一像侧之间，该第二透镜组包括至少一第二复合透镜，且该第二复合透镜包括至少一非球面透镜，其中该非球面透镜之一的粘合面为凹面，且该粘合面朝向一物侧；

一第三透镜组，具有正屈光度，并位于该第二透镜组与该像侧之间，该第三透镜组包括至少一非球面透镜，且该第二透镜组适于在该第一透镜组与该第三透镜组之间移动；以及

一第四透镜组，具有正屈光度，并位于该第三透镜组与该像侧之间，该第四透镜组包括至少由从物侧至像侧依次排列的一双凸透镜与一第三复合透镜，且该第四透镜组适于在该第三透镜组与该像侧之间移动，其中该第三透镜组是由从该物侧至该像侧依次排列的一第七透镜与一第八透镜所组成，且该第七透镜与该第八透镜的屈光度依次为正、负，其中该第一透镜组是由从该物侧至该像侧依次排列的一第一透镜、一第二透镜与一第三透镜所组成，且该第一透镜、该第二透镜与该第三透镜的屈光度依次为负、正、正，并且该第一透镜到该像侧的距离为L，而该变焦镜头的变倍比为X，且L/X≤2.5。

基于上述，本发明经由第一透镜组至第四透镜组的屈光度为正、负、正、正的组合来消除像差与色差，并且搭配模制非球面透镜来达到小型化与高倍率的效果。此外，第四透镜组兼具变焦与补偿的效果，且将第四透镜组当成调焦组可有效缩小本发明的变焦镜头的体积。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1为传统的一种变焦镜头的结构示意图。

图2为传统的另一种变焦镜头的结构示意图。

图3A至图3C是本发明一实施例的变焦镜头在不同变焦倍率下的结构示意图。

图4A至图4C分别为对应图3A至图3C之变焦镜头的成像光学仿真数据图。

具体实施方式

下列各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。

图3A至图3C是本发明一实施例的变焦镜头在不同变焦倍率下的结构示意图，其中图3A示出变焦镜头处于广角端(wide-end)时的结构，图3B示出变焦镜头处于中间位置(middle)时的结构，而图3C示出变焦镜头处于望远端(tele-end)时的结构。请参照图3A至图3C，本实施例的变焦镜头300适于将位于一物侧的景物成像至一像侧，其中像侧可配置例如电荷耦合器件、互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)或底片等的感光组件10，以拾取成像至像侧的影像。

变焦镜头300包括从物侧至像侧依次排列的一第一透镜组310、一第二透镜组320、一第三透镜组330以及一第四透镜组340。而第一透镜组310、第二透镜组320、第三透镜组330及第四透镜组340的屈光度分别为正、负、正、正。其中，第二透镜组320适于在第一透镜组310与第三透镜组330之间移动。第四透镜组340适于在第三透镜组330与像侧之间移动。此外，第一透镜组310包括至少一第一复合透镜312。第二透镜组320包括至少一第二复合透镜324。且第二复合透镜324具有至少一非球面透镜324b，其中非球面透镜324b之一的粘合面S9为凹面，且粘合面S9朝向物侧。

由于本实施例的变焦镜头300的四个透镜组310、320、330、340的屈光度采用上述正、负、正、正的组合，因此像差与色差的程度可被有效地缩小。此外，当变焦镜头300的倍率由广角端(如图3A所示)逐渐变成望远端(如图3C所示)时，第二透镜组320是朝第三透镜组330的方向移动，而第四透镜组340是先朝第三透镜组330的方向移动后，再反向朝像侧的方向移动。换句话说，本实施例的变焦镜头300仅需移动第二透镜组320及第四透镜组340即具有变焦的功效。因此，机构设计仅需使第二透镜组320及第四透镜组340同时连动，故此机构较为简单而能具有小体积及低成本的优点。

本实施例的变焦镜头300是采用后组对焦设计。当欲拍摄的物体与变焦镜头300之间的距离改变时，变焦镜头300可经由第四透镜组340的移动来保持不同拍摄距离的固定成像位置，亦即第四透镜组340具有对焦功能。此外，第四透镜组340亦具有成像补偿功能，以降低像差与成像面偏移的程度。再者，后组对焦设计亦有助于缩小透镜组310～340整体所占的空间，而使变焦镜头300的体积缩小。

在本实施例中，第三透镜组330包括至少一非球面透镜332，且第四透镜组340包括至少从物侧至像侧依次排列的一双凸透镜342与一第三复合透镜344。经由非球面透镜324b与非球面透镜332的搭配，变焦镜头300可实现高倍率变焦。

下文将举例说明变焦镜头300的各透镜组的组成，但其并非用以限定本发明。

在本实施例中，第一透镜组310可由从物侧至像侧依次排列的一第一透镜312a、一第二透镜312b与一第三透镜314所组成，且第一透镜312a、第二透镜312b与第三透镜314的屈光度可依次为负、正、正。其中，上述第一复合透镜312由第一透镜312a与第二透镜312b组成，且第一透镜312a、第三透镜314可为凸面朝向物侧的一凸凹透镜，而第二透镜312b可为凸面朝向物侧的一凸平透镜。

第二透镜组320可由从物侧至像侧依次排列的一第四透镜322、一第五透镜324a与一第六透镜324b所组成，且第四透镜322、第五透镜324a与第六透镜324b的屈光度可依次为负、正、负。其中，上述第二复合透镜324由第五透镜324a与第六透镜324b所组成，而上述非球面透镜324b即为第六透镜324b。此外，第四透镜322可为凸面朝向物侧的一凸凹透镜，第五透镜324a可为一双凸透镜，而第六透镜324b可为一双凹透镜。

第三透镜组330可由从物侧至像侧依次排列的一第七透镜332与一第八透镜334所组成，且第七透镜332与第八透镜334的屈光度可依次为正、负。其中，上述非球面透镜332即为第七透镜332。另外，第七透镜332可为一双凸透镜，而第八透镜334可为凸面朝向物侧的一凸凹透镜。

第四透镜组340可由从物侧至像侧依次排列的一第九透镜342、一第十透镜344a与一第十一透镜344b所组成，且第九透镜342、第十透镜344a与第十一透镜344b的屈光度可依次为正、正、负。其中，上述双凸透镜342即为第九透镜342，而上述第三复合透镜344由第十透镜344a与第十一透镜344b所组成。再者，第十透镜344a可为一双凸透镜，而第十一透镜344b可为凸面朝向像侧的一凹凸透镜。

为了使变焦镜头300具有较佳的成像品质、较高倍率与较小体积，其各项参数可设计为符合下列全部或部分条件。这些条件为：

(1)L/X≤2.5；

(2)V_d2＜60；

(3)|V_d5-V_d6|≤16；

(4)θ/D≥1.9。

其中，L为第一透镜312a到像侧的距离(即第一透镜312a至感光组件10的距离)；X为变焦镜头300的变倍比(即变焦镜头300的最大倍率除以最小倍率的比值)；V_d2、V_d5及V_d6分别为第二透镜312b、第五透镜324a及第六透镜324b的色散值；θ为当变焦镜头300的倍率切换至广角端时变焦镜头300的视角；而D为第一透镜组310与第三透镜组330的间距。

为了使变焦镜头300具有更佳的光学品质，变焦镜头300可更包括一孔径光栏350，位于第二透镜组320与第三透镜组330之间，且靠近第三透镜组300，更详细地说，孔径光栏350配置于第六透镜324b与第七透镜332之间(例如：表面S10与表面S13之间)、第六透镜324b靠近像侧的一表面S10上，或第七透镜332靠近物侧的一表面S13上，以控制入射光量，此实施例是将孔径光栏350配置于第六透镜324b与第七透镜332之间，并靠近第七透镜332。此外，变焦镜头也可进一步包括一低通滤波片360，其可配置于第四透镜组340与像侧之间。

下表将列举变焦镜头300中的较佳参数值，然而，下文中所列举的数据资料并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在参照本发明之后，都可以对其参数或设定作适当的更动，但仍应属于本发明之范畴内。

表一

在表一中，曲率半径(mm)指每一表面的曲率半径，间距(mm)指两相邻表面间之距离。举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离，备注栏中各透镜与低通滤波片所对应的厚度、折射率与色散值请参照同列中各间距、折射率与色散值对应的数值。表面S1为第一透镜312a远离第二透镜312b的表面。表面S2为第一透镜312a与第二透镜312b相连的表面。表面S3为第二透镜312b远离第一透镜312a的表面。表面S4、S5为第三透镜314的两表面。表面S6、S7为第四透镜322的两表面。表面S8为第五透镜324a远离第六透镜324b的表面。表面S9为第五透镜324a与第六透镜324b相连的表面，且表面S9为一凹面朝向物侧的粘合面。表面S10为第六透镜324b远离第五透镜324a的表面。表面S11、S12为孔径光栏350的两表面。表面S13、S14为第七透镜332的两表面。表面S15、S16为第八透镜334的两表面。表面S17、S18为第九透镜342的两表面。表面S19为第十透镜344a远离第十一透镜344b的表面。表面S20为第十透镜344a与第十一透镜344b相连的表面。表面S21为第十一透镜344b远离第十透镜344a的表面。表面S22、S23为低通滤波片360的两表面。表面S24为感光组件10之一的主动表面。有关于各表面的曲率半径、间距等等参数值，请参照表一，在此不再重述。

上述之表面S10、S14为非球面，而非球面公式如下：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_1{r}^2+A_2{r}^4+A_3{r}^6+A_4{r}^8+A_5{r}^{10}...$

式中，Z为光轴方向的偏移量，c是密切球面(osculating sphere)的半径的倒数，也就是接近光轴处的曲率半径(如表一中S10、S14的曲率半径)的倒数。k为圆锥常数(conic constant)。r是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度，从公式中可得知，不同的r会对应出不同的Z值。而A₁、A₂、A₃、A₄、A₅...为非球面系数(asphericcoefficient)，系数A₁为0。表二所列出的是表面S10与表面S14的参数值。

表二

非球面参数	圆锥常数k	系数A<sub>2</sub>	系数A<sub>3</sub>	系数A<sub>4</sub>	系数A<sub>5</sub>
						S10	k＝0	-0.372476E-03	-0.613634E-05	0.122772E-06	-0.159162E-07
S14	k＝0	0.154522E-03	0.282349E-06	-0.246983E-07	0.442174E-09

表三

在表三中，是分别列出变焦镜头300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、f数值及表面S5、S10、S16、S21的可变动距离。值得注意的是，将表三中所列的望远程的有效焦距119mm除以广角端的有效焦距3.5mm后，可得到变焦镜头300的变倍比高达34倍，相较于传统技术，变焦透镜的变倍比只有20倍，由此可验证变焦镜头300可实现高倍率变焦。

图4A至图4C分别为对应图3A至图3C之变焦镜头的成像光学仿真数据图。请参照图4A至图4C，其中每一张图由左而右依次为纵向球差(Longitudinal Spherical Aberration)、畸变(Distortion)、像散场曲(Astigmatism Field Curves)及横向色差(Later Color)的图形。由于本发明之变焦镜头300的倍率在广角端、中间位置及望远端的纵向球差、畸变、像散场曲及横向色差的图形均在标准的范围内，因此本发明之变焦镜头300具有良好的光学品质。

综上所述，本发明的变焦镜头的四个透镜组的屈光度采用正、负、正、正的组合来使像差与色差的程度有效地缩小，并且搭配非球面复合透镜以使本发明的变焦镜头具有高倍率及高分辨率的成像品质。此外，由于本发明的变焦镜头在变焦时仅需移动第二透镜组与第四透镜组，因此第二透镜组与第四透镜组连动的机构较为简单，而使得此机构具有低成本且较不占空间的优点。再者，后组对焦设计亦有助于缩小透镜组整体所占的空间，而使变焦镜头的体积缩小。另外，第四透镜组具有成像补偿功能，以降低像差与成像面偏移的程度。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作些许更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附的权利要求书所界定的范围为准。另外本发明的任一实施例或权利要求无须实现本发明所揭露的全部目的或优点或特点。

Claims (10)

1、一种变焦镜头，包括：

一第一透镜组，具有正屈光度，该第一透镜组包括至少一第一复合透镜；

一第二透镜组，具有负屈光度，并位于该第一透镜组与一像侧之间，该第二透镜组包括至少一第二复合透镜，且该第二复合透镜包括至少一非球面透镜，其中该非球面透镜之一的粘合面为凹面，且该粘合面朝向一物侧；

一第三透镜组，具有正屈光度，并位于该第二透镜组与该像侧之间，该第三透镜组包括至少一非球面透镜，且该第二透镜组适于在该第一透镜组与该第三透镜组之间移动；以及

一第四透镜组，具有正屈光度，并位于该第三透镜组与该像侧之间，该第四透镜组包括至少由从物侧至像侧依次排列的一双凸透镜与一第三复合透镜，且该第四透镜组适于在该第三透镜组与该像侧之间移动，

其中该第一透镜组是由从该物侧至该像侧依次排列的一第一透镜、一第二透镜与一第三透镜所组成，且该第一透镜、该第二透镜与该第三透镜的屈光度依次为负、正、正，并且该第一透镜到该像侧的距离为L，而该变焦镜头的变倍比为X，且L/X≤2.5。

2、如权利要求1所述的变焦镜头，其中该第二透镜的色散值小于60。

3、如权利要求1所述的变焦镜头，其中该第一复合透镜由该第一透镜与该第二透镜所组成，且该第一透镜与该第三透镜皆为凸面朝向该物侧的一凸凹透镜，而该第二透镜为凸面朝向该物侧的一凸平透镜。

4、如权利要求1所述的变焦镜头，其中该第二透镜组是由从该物侧至该像侧依次排列的一第四透镜、一第五透镜与一第六透镜所组成，该第四透镜、该第五透镜与该第六透镜的屈光度依次为负、正、负。

5、如权利要求1所述的变焦镜头，其中该变焦镜头的倍率切换至一广角端时，该变焦镜头的视角为θ，而该第一透镜组与该第三透镜组的间距为D，且θ/D≥1.9。

6、如权利要求1所述的变焦镜头，其中该第四透镜组是由从该物侧至该像侧依次排列的一第九透镜、一第十透镜与一第十一透镜所组成，其中该第九透镜、该第十透镜与该第十一透镜的屈光度依次为正、正、负。

7、如权利要求6所述的变焦镜头，其中该双凸透镜为该第九透镜，且该第三复合透镜由该第十透镜与该第十一透镜所组成，而该第十透镜为一双凸透镜，而该第十一透镜为凸面朝向该像侧的一凹凸透镜。

8、如权利要求1所述的变焦镜头，还包括一孔径光栏，位于该第二透镜组与该第三透镜组之间，且靠近该第三透镜组。

9、一种变焦镜头，包括：

一第一透镜组，具有正屈光度，该第一透镜组包括至少一第一复合透镜；

一第二透镜组，具有负屈光度，并位于该第一透镜组与一像侧之间，该第二透镜组包括至少一第二复合透镜，且该第二复合透镜包括至少一非球面透镜，其中该非球面透镜之一的粘合面为凹面，且该粘合面朝向一物侧；

一第三透镜组，具有正屈光度，并位于该第二透镜组与该像侧之间，该第三透镜组包括至少一非球面透镜，且该第二透镜组适于在该第一透镜组与该第三透镜组之间移动；以及

一第四透镜组，具有正屈光度，并位于该第三透镜组与该像侧之间，该第四透镜组包括至少由从物侧至像侧依次排列的一双凸透镜与一第三复合透镜，且该第四透镜组适于在该第三透镜组与该像侧之间移动，

其中该第三透镜组是由从该物侧至该像侧依次排列的一第七透镜与一第八透镜所组成，且该第七透镜与该第八透镜的屈光度依次为正、负，

其中该第一透镜组是由从该物侧至该像侧依次排列的一第一透镜、一第二透镜与一第三透镜所组成，且该第一透镜、该第二透镜与该第三透镜的屈光度依次为负、正、正，并且该第一透镜到该像侧的距离为L，而该变焦镜头的变倍比为X，且L/X≤2.5。

10、如权利要求9所述的变焦镜头，其中该第七透镜为一双凸透镜且具有至少一非球表面，而该第八透镜为凸面朝向该物侧的一凸凹透镜。

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