CN101008701A - 变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型化的变焦镜头，其自物方一侧至像面一侧依次包括负屈光度的第一透镜组、正屈光度的第二透镜组、正屈光度的第三透镜组、正屈光度的第四透镜组及正屈光度的第五透镜组，其中当变焦镜头自远距端向广角端变化时，第四透镜组自物方一侧向像面一侧移动。本发明采用负、正、正、正及正五组透镜组结构，构成短小紧凑的变焦镜头系统，可降低镜头的成本，且具有符合修正各种像差要求的长后焦，通过改变第一透镜组及第二透镜组的位置而达到变焦的效果，获得清晰成像。

Description

变焦镜头

【技术领域】

本发明涉及一种变焦镜头，尤其是指一种可应用于光学投影系统中的小型化、高分辨率且具有长的后焦距的变焦投影镜头。

【背景技术】

作为取像、投影系统的核心部件之一的光学镜头，其首要性能指标是要满足高变焦倍率及高解像力的要求。通常，高变焦倍率镜头是以多群镜片组、多枚镜片，较长的镜头长度型式来实现，并加入特殊低色散镜片及非球面镜片来达到解像力的要求。现有变焦镜头一般多为取像的用途而设计，因此其后焦距(back focal length)通常不长，但已可满足一般摄影中取像的要求。然而，对于光学投影系统来说，现有的一般变焦镜头往往由于不具有足够长的后焦距，因而无法适用于光学投影系统中。例如，对于液晶投影机，由于液晶投影机上的液晶投影板所需的分辨率越来越高，因此对变焦投影镜头的影像分辨率的要求也就相应更为严格，同时又因系统分光的缘故，投影镜头需要具有长的后焦距。因此，业界逐渐开发出专为光学投影系统设计的变焦投影镜头，如中国台湾专利公告第442665号、第330245号等专利文献，均揭示了一种变焦投影镜头的设计方案。

在变焦投影镜头中，为获得所期望的变焦倍率及图像分辨率，获得整个变焦范围良好的光学特性，需要适当设定各透镜组中的镜片构成。若增加透镜组的屈光度，则变焦时各透镜组的移动量就变小，从而可缩短整个镜头的长度。然而增加各透镜组的屈光度，亦会造成像差波动随着变焦进程变大且难以进行良好的修正的问题。因此，对于包括投影镜头在内的变焦镜头而言，如何能同时保持良好光学特性，又能简化光学系统的构成而实现小型化设计，实为镜头设计领域中令设计者头痛的一大难题。

与照相、摄影装置一样，目前投影机已普遍用于日常生活中，尤其近年来更被进一步使用于体积小的影像设备上，例如与笔记本电脑、桌上型电脑、DVD等设备相结合，以实现人性化及轻便化的设计而满足人们的需求。因此，致力于设计出体积小、质量佳且价格便宜的变焦投影镜头，以满足目前及未来市场的需求，确是镜头设计工作者所追求的目标和期望。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种短小型变焦镜头，其光学系统相对简化，镜组较少且结构紧凑，具有长的后焦距及符合要求的像差修正，可获得高影像分辨率，并可降低成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种变焦镜头，其自物方一侧至像面一侧依次包括负屈光度的第一透镜组、正屈光度的第二透镜组、正屈光度的第三透镜组、正屈光度的第四透镜组及正屈光度的第五透镜组，其中当变焦镜头自远距端(telephoto end)向广角端(wide-angle end)变化时，第四透镜组自物方一侧(enlargement side，投影系统的放大一侧)向像面一侧(reduction side，投影系统的缩小一侧)移动。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中当变焦镜头从广角端向远距端变焦时，第二透镜组是从放大一侧向缩小一侧移动。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中当变焦镜头从广角端向远距端变焦时，第三透镜组是从放大一侧向缩小一侧移动。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中第一透镜组与第二透镜组之间满足如下关系式：

$0.499<\frac{\mathrm{fa}}{\mathrm{bf}}---(a-1)$

(a-1)中，fa是变焦镜头作为一整体于广角端的焦距，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中第一透镜组满足下列关系式：

$\frac{\mathrm{tt}}{\mathrm{fa}}<6.36---(a-2)$

(a-2)中，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长，fa是变焦镜头作为一整体于广角端的焦距。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中第二透镜组满足下列关系式：

$\frac{\mathrm{tt}}{\mathrm{bf}}<3.17---(a-3)$

(a-3)中，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

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：

$\left|\frac{\mathrm{ex}}{\mathrm{bf}}\right|<8.153---(a-4)$

(a-4)中，ex是变焦镜头作为一整体于广角端的出瞳，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

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：

$0.685<\frac{\mathrm{lt}}{\mathrm{tt}}---(a-5)$

(a-5)中，lt是变焦镜头作为一整体于广角端自第一透镜组的顶点至最后点的全长，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中第一至五透镜组中包含有至少一非球面镜片。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中非球面可由下列公式表达：

$\frac{X(H^2/R)}{\{1+[1-2(1+K)(H/R){]}^{1/2}\}}+A{H}^4+B{H}^6+C{H}^8+D{H}^{10}$

其中，X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；R为曲率半径；A、B、C、D为高阶非球面系数。

本发明采用负、正、正、正及正五组透镜组结构，构成短小紧凑的变焦镜头系统，可降低镜头的成本，且具有符合修正各种像差要求的长后焦，通过改变第二、三及四透镜组的位置而达到变焦的效果，获得清晰成像。当本发明的变焦镜头被用于具有LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示屏)的投影设备内时，本发明的变焦镜头不仅有助于投影设备的小型化及提高其性能，还有利于投射出高质量的影像。

【附图说明】

图1是本发明的变焦镜头的光学结构图。

图2A是本发明的变焦镜头在广角端(W)的纵向像差表现图。

图2B是本发明的变焦镜头在广角端(W)的横向色差表现图。

图2C是本发明的变焦镜头在广角端(W)的像散及畸变表现图。

图2D是本发明的变焦镜头在广角端(W)的多色绕射表现图。

图3A是本发明的变焦镜头在中端(M)状态的纵向像差表现图。

图3B是本发明的变焦镜头在中端(M)状态的横向色差表现图。

图3C是本发明的变焦镜头在中端(M)状态的像散及畸变表现图。

图3D是本发明的变焦镜头在中端(M)状态的多色绕射表现图。

图4A是本发明的变焦镜头在远距端(T)的纵向像差表现图。

图4B是本发明的变焦镜头在远距端(T)的横向色差表现图。

图4C是本发明的变焦镜头在远距端(T)的像散及畸变表现图。

图4D是本发明的变焦镜头在远距端(T)的多色绕射表现图。

【具体实施方式】

首先应当指出，虽然在下文所述的实施例中，本发明的变焦镜头是用做为投影设备的光学投影镜头，但本发明的变焦镜头也可以作为光学取像镜头而应用于取像设备中。

图1是本发明变焦镜头的光学结构图，显示了位于光学设备前端的变焦镜头处于广角端状态的光学结构。本发明的变焦镜头是由五透镜组构成，即，从物方一侧(enlargement side，投影系统的放大一侧)至像面一侧(reductionside，投影系统的缩小一侧)依次包含第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3、第四透镜组4及第五透镜组5，其中，第一透镜组1具有负的屈光度，第二透镜组2具有正的屈光度，第三透镜组3具有正的屈光度，第四透镜组4具有正的屈光度，第五透镜组5亦具有正的屈光度。在第五透镜组5与液晶板7之间还可设有一玻璃盖板6。

请继续参阅图1，第一透镜组1包含第一镜片11、第二镜片12及第三镜片13，其中，第一镜片11为负透镜，其具有凸向物方一侧的镜表面R1及另一侧凹陷的镜表面R2，第二镜片12为负透镜，其具有凸向物方一侧的镜表面R3及向物方一侧凹陷的镜表面R4。第三镜片13为双凹透镜，具有镜表面R5、R6。

请继续参阅图1，第二透镜组2包含第四镜片21，该第四镜片21为正透镜，其具有凸向物方一侧的镜表面R7及凸向像面一侧的镜表面R8。第三透镜组3包含第五镜片31，该第五镜片31亦为正透镜，其具有凸向物方一侧的镜表面R9及略向像面一侧凸起的镜表面R10。第四透镜组4包含有第六镜片41、第七镜片42及第八镜片43，其中第六镜片41为双凹透镜，具有镜表面R11、R12。第七镜片42为双凸透镜，具有镜表面R13、R14。第八镜片43是正透镜，具有略为凹陷的镜表面R15及凸向像面一侧的镜表面R16。第五透镜组5包含第九镜片51，该第九镜片51为正透镜，具有凸向物方一侧的镜表面R17及另一侧近呈平面的镜表面R18。

上述变焦镜头的第一到第五透镜组中，至少包含有一非球面透镜。

本发明的变焦镜头中还包含有孔径光圈(未图示)，孔径光圈可设置在前述第四透镜组4中。

图1所示本发明的变焦镜头，在光学投影系统中，当变焦镜头自广角端(wide-angle end)向远距端(telephoto end)变焦时，第二透镜组2从放大一侧(屏幕一侧)向缩小一侧(像面一侧)移动，第三透镜组3也从放大一侧向缩小一侧移动，同时第四透镜组4以相同速度向像面一侧沿线性移动而形成一条朝向缩小一侧突出的平缓轨迹。

本发明的变焦镜头中，包含全球面玻璃硝材加工和非球面塑料射出成型镜片，对于温度变化的影响可利用两透镜组之间的间距或后焦来补偿，因此可减少镜头因温度变化而导致影像质量降低的情形。

如前所述，用以将来自一LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示屏)的影像投射至屏幕的光学投影系统需要有足够长的后焦，以避免光源干扰。另外，此类光学投影系统还应当短小紧凑，并具有符合需求的修正量以校正各种像差(例如横向色差等)。因此，当镜头从广角端向远距端变焦时，第一透镜组与第二透镜组间的距离减小，满足以下条件式：

$0.499<\frac{\mathrm{fa}}{\mathrm{bf}}---(a-1)$

(a-1)中，fa是变焦镜头作为一整体于广角端的焦距，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中第一透镜组满足下列关系式：

$\frac{\mathrm{tt}}{\mathrm{fa}}<6.36---(a-2)$

(a-2)中，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长，fa是变焦镜头作为一整体于广角端的焦距。

依据本发明的目的所提供的变焦镜头，其中第二透镜组满足下列关系式：

<math> <mrow> <mfrac> <mi>tt</mi> <mi>bf</mi> </mfrac> <mtext>&lt;3.17---</mtext> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>

(a-3)中，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

超出上述式(a-2)及(a-3)的上限值时，变焦镜头作为一整体于广角端的后焦距的移动幅度会过长，从而导致变焦镜头的整体总长过长。如果低于式(a-1)的下限值的话，则镜头的光功率(Otical Power)会太低。

本发明的变焦镜头的第二透镜组满足下列关系式：

$\left|\frac{\mathrm{ex}}{\mathrm{bf}}\right|<8.153---(a-4)$

(a-4)中，ex是变焦镜头作为一整体于广角端的出瞳，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

如果高于式(a-4)的上限值，则镜头的光功率(Optical Power)会过低。

本发明的变焦镜头还满足下列关系式：

$0.685<\frac{\mathrm{lt}}{\mathrm{tt}}---(a-5)$

(a-5)中，lt是变焦镜头作为一整体于广角端自第一透镜组的顶点至最后点的全长，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长。

如果低于式(a-5)的下限值的话，则变焦镜头作为一整体于广角端的全长会过长而后焦距过短。

本发明的变焦镜头中，第一透镜组至第五透镜组中包含有至少一非球面镜片。其中，非球面可由下列公式表达：

$\frac{X(H^2/R)}{\{1+[1-2(1+K)(H/R){]}^{1/2}}+A{H}^4+B{H}^6+C{H}^8+D{H}^{10}$

上式中，X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；R为曲率半径；A、B、C、D为高阶非球面系数。

依据前述本发明的技术内容，可依照下列数值实施例具体实施：

镜表面序号	曲率半径(mm)(Radius)	轴向距离(mm)(Axial Distance)	折射率(Refractive)	阿贝系数(Abbe Number)
					R1	155	1.3	1.69895	30.1
R2	52.9	0.1
					R3	59.5	1.4	1.52467	56.4
R4	16.0	7.4
					R5	-63.2	0.8	1.49700	81.6
R6	43.4	5.55～5.58～5.61
					R7	58.3	3.9	1.83000	37.2
R8	-107	9.86～1.66～0.20
					R9	37.2	3.8	1.77000	49.6
R10	-243	22.50～23.99～24.32
					R11	-20.3	0.6	1.80000	23.8
R12	38.8	1.1
					R13	34.9	4.9	1.49700	81.6
R14	-23.7	5.8
					R15	2609	7.2	1.52467	56.4
R16	-26.1	0.20～6.87～7.97
					R17	-44.7	3.2	1.80000	46.6
R18	-564	8.0
					R19	-21.7	23.44	1.52000	64.2
R20	∞	1.00
					R21	∞	2.20	1.49000	70.2
R22	∞	1.00

该数值实施例中，第一透镜组1的镜表面R3、R4及第四透镜组4的镜表面R15、R16为非球面，其非球面的相关数值如下表：

镜表面	K	E4	E6	E8	E10
						R3	9.237865	8.0000E-006	-1.1178E-007	3.4213E-010	-5.6571E-013
R4	-0.731938	1.7000E005	-1.0715E-007	2.9376E-010	-1.7469E-013
						R15	-9752091	-1.8000E-005	-9.5728E-008	2.2113E-010	-2.5977E-012
R16	0.197391	4.0000E-006	-3.7881E-008	-1.1241E-011	-8.9197E-013

其中，变焦镜头的相关性能指数如下：

焦距(F)＝18.3(广角)～20.1(一般)～21.9(远距)

光圈数值(FNO)＝1.60(广角)～1.66(一般)～1.72(远距)

如图2A至图4D是前述数值实施例的变焦镜头的像差表现图，其中，图2A至图2D是该数值实施例的变焦镜头于广角端(W)的像差表现图，图3A至图3D是该数值实施例的变焦镜头于中端(M)的像差表现图，图4A至图4D是该数值实施例的变焦镜头于远距端(T)的像差表现图。这些像差表现图显示了于变焦镜头的缩小一侧观测2公尺处某一目标物体时所观测到的各种像差，尤其是纵向像差(mm)(如图号尾数为A的各附图所示)，横向色差(微米)(如图号尾数为B的各附图所示)，像散(mm)及畸变(％)(如图号尾数为C的各附图所示)，多色绕射MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)(％)(如图号尾数为D的各附图所示)。

综上所述，本发明采用负、正、正、正及正五组透镜组结构，构成短小紧凑的变焦镜头系统，可降低镜头的成本，且其具有符合修正各种像差要求的长后焦，通过改变第二、三及四透镜组的位置而达到变焦及对焦的效果，获得清晰成像。

Claims (12)

1.一种变焦镜头，其自物方一侧至像面一侧依次包括负屈光度的第一透镜组、正屈光度的第二透镜组、正屈光度的第三透镜组、正屈光度的第四透镜组及正屈光度的第五透镜组，其特征在于：当变焦镜头自远距端向广角端变焦时，该第四透镜组自物方一侧向像面一侧移动。

2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：当变焦镜头自广角端向远距端变焦时，第二透镜组是从物方一侧(投影系统的放大一侧)向像面一侧(投影系统的缩小一侧)移动。

3.如权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于：当变焦镜头自广角端向远距端变焦时，第三透镜组是从物方一侧(投影系统的放大一侧)向像面一侧(投影系统的缩小一侧)移动。

4.如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于：当变焦镜头自广角端向远距端变焦时，第四透镜组同时以相同于第三透镜组的速度向像面一侧线性移动而形成一凸向缩小一侧的平缓轨迹。

5.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：其满足如下关系式：

$0.499<\frac{\mathrm{fa}}{\mathrm{bf}}$

其中，fa是变焦镜头作为一整体于广角端的焦距，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

6.如权利要求5所述的变焦镜头，其特征在于：其满足下列关系式：

$\frac{\mathrm{tt}}{\mathrm{fa}}<6.36$

其中，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长，fa是变焦镜头作为一整体于广角端的焦距。

7.如权利要求6所述的变焦镜头，其特征在于：其满足下列关系式：

$\frac{\mathrm{tt}}{\mathrm{bf}}<3.17$

其中，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

8.如权利要求7所述的变焦镜头，其特征在于：其还满足下列关系式：

$\left|\frac{\mathrm{ex}}{\mathrm{bf}}\right|<8.153$

其中，ex是变焦镜头作为一整体于广角端的出瞳，bf是变焦镜头作为一整体于广角端的后焦。

9.如权利要求8所述的变焦镜头，其特征在于：其还满足下列关系式：

$0.685<\frac{\mathrm{lt}}{\mathrm{tt}}$

其中，lt是变焦镜头作为一整体于广角端自第一透镜组的顶点至最后点的全长，tt是变焦镜头作为一整体于广角端的光学总长。

10.如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于：所述第一至五透镜组中包含有至少一非球面镜片。

11.如权利要求10所述的变焦镜头，其特征在于：所述第四透镜组中包含有一非球面镜片。

12.如权利要求11所述的变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜组中包含有一非球面镜片。

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