CN101995645B - 变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

一种变焦镜头，由物方至像方于光轴上依序包含正屈光力的第一透镜组、负屈光力的第二透镜组、正屈光力的第三透镜组及正屈光力的第四透镜组。当该变焦镜头由广角端至望远程变焦时，第一透镜组与第三透镜组皆向物方移动，第二透镜组则先向像方移动再向物方移动，使第一透镜组与第二透镜组之间的第一可变间距增大，而第二透镜组与第三透镜组之间的第二可变间距则缩小；第四透镜组亦可沿光轴移动，使第三透镜组与第四透镜组之间的第三可变间距发生变化；第三透镜组与第四透镜组中皆包含有至少一非球面表面。本发明变焦镜头可满足高变焦倍率及高解像力的光学性能要求，并可缩短镜头全长及缩小镜头体积。

Description

变焦镜头
【技术领域】
本发明涉及一种变焦镜头，尤其是指一种应用于相机的数字式或非数字式的实像(Real Image)取像装置的变焦镜头，具有全长短、小型化、高变焦倍率及高解像力的优点。
【背景技术】
近年来，随着照相、摄影等光学技术与数字电子技术的快速整合，照相手机、小型数字相机及小型家用摄影机等电子装置皆配备有用以进行摄影的变焦镜头。此种变焦镜头皆要求符合小型化及轻量化，并要满足高变焦倍率(Zoom Ratio)及高解像力(High Resolution)的要求。通常，高变焦倍率镜头是以多群透镜组、多枚透镜，较长的镜头长度型式来实现，并加入特殊低色散透镜及非球面透镜来实现高解像力的要求。
随着半导体制造工艺技术的进步，使得非球面透镜可以大量地应用于摄影镜头中。采用非球面透镜除可校正球面透镜产生的球面像差问题外，还可运用一枚非球面透镜来取代数枚球面透镜，来达到降低成本与产品轻量化的需求。在变焦镜头中，在谋求整个镜头系统小型化的同时，为获得所期望的变焦倍率，得到整个变焦范围良好的光学特性，还需要适当设定各透镜组中的透镜构成。现有的摄影变焦镜头大多为采用非球面透镜的负、正、正三群结构，但是该等三群结构变焦镜头，因为主要变倍是以二群为主，而二群所需的移动量较大，同时随变倍率增加，成像性会变化过大，故目前已发展四群结构的变焦镜头，通过增加透镜的数量，来克服三群结构的缺陷。然而现有的四群结构变焦镜头要透过三群变焦来达到四至六倍的变焦倍率以及高解像力会需要有较长的空间，而若使用四群变焦则又需要考虑透镜数量及成本的问题。并且，无论是三群变焦或是四群变焦，现有的四群结构变焦镜头各透镜组的外径通常较大，收纳时需要较大的收纳空间且收纳全长较长。
已知，在变焦镜头的设计中，直接而又有效的小型化方式是将变焦时各透镜组的移动量变小，从而可缩短整个镜头的长度，然而采用此方式通常会提高镜头加工的精度与难度，同时亦难以获得良好的像差修正。因此，对于变焦摄影镜头包括投影镜头来说，如何做到既满足高变焦倍率及高解像力的光学性能要求，同时又尽可能地简化光学系统的构成而实现小型化、轻量化设计，使镜头收纳后的体积缩小，这确是变焦镜头设计领域中令设计者头痛的一个难题。
本发明即是针对于前述困扰，提出改良，以提供收纳全长短、小型化且满足高变焦倍率及高解像力的四群结构变焦镜头。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的目的即在于提供一种变焦镜头，其使用正、负、正、正的四群透镜组，可满足高变焦倍率及高解像力的光学性能要求，并可缩短镜头全长及缩小镜头体积。
依据本发明的目的而提供的变焦镜头，其由物方至像方于光轴上依序包含正屈光力的第一透镜组、负屈光力的第二透镜组、正屈光力的第三透镜组及正屈光力的第四透镜组。当该变焦镜头由广角端(Wide-Angle End)至望远程(Telephoto End)变焦(Zooming)时，第一透镜组与第三透镜组皆向物方移动，第二透镜组则先向像方移动再向物方移动，使第一透镜组与第二透镜组之间的第一可变间距增大，而第二透镜组与第三透镜组之间的第二可变间距则缩小；第四透镜组也可沿光轴移动，使第三透镜组与第四透镜组之间的第三可变间距发生变化；第三透镜组与第四透镜组中皆包含有至少一非球面表面。
根据本发明的变焦镜头，第四透镜组在对焦时移动，其亦可与第一、第二及第三透镜组同时移动进行变焦。该第四透镜组作动时是向物方移动，其亦可先向物方移动再向像方移动。
根据本发明的变焦镜头，第三透镜组的物方侧设有一孔径光阑，于变焦时其随同第三透镜组一起移动。
根据本发明第一实施例的变焦镜头，第一透镜组由物方至像方于光轴上依序包含一新月形凹透镜与一新月形凸透镜，该新月形凹透镜与该新月形凸透镜的凸面皆朝向物方且相互接合成一体。
根据本发明第二与第三实施例的变焦镜头，第一透镜组由物方至像方于光轴上依序包含一正屈光度的复合透镜与凸面朝向物方的一新月形凸透镜。该复合透镜是由一新月形凹透镜与一新月形凸透镜接合而成，该新月形凹透镜与该新月形凸透镜的凸面皆朝向物方。
根据本发明的变焦镜头，第二透镜组由物方至像方于光轴上依序包含一第一凹透镜、一第二凹透镜与一凸透镜，该第一凹透镜与该第二凹透镜曲率较大的面是相向设置。较佳地，该第一凹透镜为一非球面透镜，该第二凹透镜亦可为一非球面透镜。根据本发明第一实施例的变焦镜头，该第一凹透镜为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第二凹透镜为一双凹透镜，该凸透镜则为一双凸透镜。根据本发明第二实施例的变焦镜头，该第一凹透镜为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第二凹透镜为凸面朝向像方的一新月形凹透镜，该凸透镜则为一双凸透镜。根据本发明第三实施例的变焦镜头，该第一凹透镜为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第二凹透镜为一双凹透镜，该凸透镜则为凸面朝向物方的一新月形凸透镜。
根据本发明的变焦镜头，第三透镜组由物方至像方于光轴上依序包含一双凸透镜、一新月形凸透镜与一新月形凹透镜，其中该双凸透镜是一非球面透镜，该新月形凸透镜与该新月形凹透镜的凸面皆朝向物方且相互接合成一体。
根据本发明的变焦镜头，第四透镜组是由一新月形凸透镜构成，其凸面朝向物方。
根据本发明的变焦镜头，第四透镜组与成像面之间还设有一滤光片与一玻璃盖板。
本发明变焦镜头采用正、负、正、正的四群透镜组为架构，变焦时第一透镜组与第三透镜组向物方移动，第二透镜组则先向像方移动再向物方移动，使第一透镜组与第二透镜组之间的第一可变间距增大，而第二透镜组与第三透镜组之间的第二可变间距则缩小。第四透镜组则于对焦时移动，其亦可与第一、第二及第三透镜组同时移动进行变焦。第三透镜组与第四透镜组中皆包含有至少一非球面表面。本发明变焦镜头透过三群透镜组的变焦以及非球面透镜的采用可达到四至六倍的变焦倍率以及高解像力。于变焦作动时，第二透镜组的移动量相对较小，可有效缩小第二透镜组的外径，增加收纳时镜头体积小型化的机构设计可能性，有效将镜头小型化。本发明变焦镜头的架构可同时缩小第二、第三透镜组的外径，减少镜头收纳空间，从而可获得收纳全长短、外径小的一短小型四至六倍变焦镜头。再有，本发明变焦镜头仅有9枚或10枚单透镜构成，因此镜头总长较短，生产成本亦较低。
【附图说明】
图1至图3分别为本发明第一实施例的变焦镜头位于广角端、中间角度端及望远程的光学结构示意图。
图4A-4D分别为本发明第一实施例的变焦镜头位于广角端的纵向球差、彗星像差、场曲及畸变像差表现图。
图5A-5D分别为本发明第一实施例的变焦镜头位于望远程的纵向球差、彗星像差、场曲及畸变像差表现图。
图6至图8分别为本发明第二实施例的变焦镜头位于广角端、中间角度端及望远程的光学结构示意图。
图9至图11分别为本发明第三实施例的变焦镜头位于广角端、中间角度端及望远程的光学结构示意图。
【具体实施方式】
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。
本发明变焦镜头可以应用于影像撷取装置或摄影装置，用来将目标物成像于一影像感测元件(CCD或CMOS)。图1至图3分别显示了本发明第一实施例的变焦镜头位于广角端(Wide-Angle End)、中间角度端(Medium-AngleEnd)及望远程(Telephoto End)的光学结构示意图；图6至图8分别显示了本发明第二实施例的变焦镜头位于广角端、中间角度端及望远程的光学结构示意图；图9至图11分别显示了本发明第三实施例的变焦镜头位于广角端、中间角度端及望远程的光学结构示意图。图4A-4D及图5A-5D则分别显示了本发明第一实施例的变焦镜头位于广角端及望远程的各像差表现图。
本发明变焦镜头由物方至像方于光轴上依序包含正屈光力的第一透镜组G1、负屈光力的第二透镜组G2、正屈光力的第三透镜组G3及正屈光力的第四透镜组G4。第三透镜组G3的物方侧设有一孔径光阑ST。
第一透镜组G1的屈光力为正，其由一正屈光力的复合透镜构成(第一实施例，参图1至图3)或由一正屈光力的复合透镜与凸面朝向物方的一新月形凸透镜L3构成(第二及第三实施例，参图6至图8及图9至图11)，其中该复合透镜是由凸面朝向物方的一新月形凹透镜L1与凸面朝向物方的一新月形凸透镜L2相互接合而成。第二透镜组G2由物方至像方于光轴上依序包含一第一凹透镜、一第二凹透镜与一凸透镜，其中该第一凹透镜与该第二凹透镜曲率较大的面相向设置。第三透镜组G3为补正系，主要功能为改善球面像差与彗星像差，其由物方至像方于光轴上依序包含一双凸透镜与一复合透镜，其中该双凸透镜包含有至少一非球面表面，该复合透镜是由一新月形凸透镜与一新月形凹透镜相互接合而成。第四透镜组G4是由一枚新月形凸透镜构成，其凸面朝向物方且包含有至少一非球面表面。本发明变焦镜头的各组成透镜可皆由玻璃制成，部分透镜如非球面透镜亦可由塑料制成。
当本发明变焦镜头由广角端至望远程变焦(Zooming)时，第一透镜组G1与第三透镜组G3向物方移动，第二透镜组G2则先向像方移动再向物方移动，使第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的第一可变间距A增大，而第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的第二可变间距B则缩小。变焦时，孔径光阑ST随同第三透镜组G3一起移动。
而于对焦(Focusing)时，本发明变焦镜头的第四透镜组G4进行作动，使第三透镜组G3与第四透镜组G4之间的第三可变间距C发生变化。第四透镜组G4于对焦时的作动，可补偿变焦后造成的成像面移动。第四透镜组G4的另一项功能在于亦可兼作补正系使用，与第二透镜组G2、第三透镜组G3同时移动进行变焦后，其后并可再单独移动进行对焦。
本发明变焦镜头的4群透镜组仅包含有9枚或10枚单透镜，其中至少有2枚为非球面透镜，以使本发明变焦镜头具有较佳的像差矫正效果。具体而言，第三透镜组G3与第四透镜组G4皆包含有一枚非球面透镜，每一非球面透镜皆包含有至少一非球面表面，该等非球面表面的形状可以下式表达：
D = CH 2 1 + 1 - ( 1 + K ) C 2 H 2 + E 4 H 4 + E 6 H 6 + E 8 H 8 + E 10 H 10
其中D代表非球面透镜在离透镜中心轴的相对高度H时的矢(Sag)量，C表示顶点曲率，H表示非球面透镜在离透镜中心轴的相对高度，K表示非球面透镜的圆锥常数(Conic Constant)，而E4、E6、E8及E10分别为四阶、六阶、八阶及十阶的非球面修正系数。
以下将以三个具体的实施例为例来对本发明变焦镜头进行详细说明：
第一实施例
请同时参阅图1至图3，其为本发明第一实施例的变焦镜头分别位于广角端、中间角度端及望远程的光学结构示意图。本发明第一实施例的变焦镜头由物方至像方于光轴上依序包含正屈光力的第一透镜组G1、负屈光力的第二透镜组G2、正屈光力的第三透镜组G3及正屈光力的第四透镜组G4。第三透镜组G3的物方侧设有一孔径光阑ST。第一至第四透镜组皆可沿光轴移动，以实现变焦与对焦。变焦时，孔径光阑ST随同第三透镜组G3一起移动。
第一透镜组G1由一正屈光力的复合透镜构成，该复合透镜是由一第一透镜L1与一第二透镜L2相互接合而成。该第一透镜L1为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第二透镜L2为凸面亦朝向物方的一新月形凸透镜。
第二透镜组G2由物方至像方于光轴上依序包含一第三透镜L3、一第四透镜L4与一第五透镜L5，其中该第三透镜L3为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第四透镜L4为一双凹透镜，该第五透镜L5则为一双凸透镜。该第三透镜L3与该第四透镜L4曲率较大的面相向设置。较佳地，该第三透镜L3的物方表面S4与像方表面S5皆为非球面表面，该第四透镜L4的物方表面S6与像方表面S7亦皆为非球面表面。
第三透镜组G3为补正系，主要功能为改善球面像差与彗星像差，其由物方至像方于光轴上依序包含一第六透镜L6与一复合透镜，该复合透镜是由一第七透镜L7与一第八透镜L8相互接合而成。该第六透镜L6是一双凸透镜，其物方表面S11与像方表面S12较佳地皆为非球面表面。该第七透镜L7是凸面朝向物方的一新月形凸透镜，该第八透镜L8是凸面亦朝向物方的一新月形凹透镜。
第四透镜组G4是由一第九透镜L9构成，该第九透镜L9为凸面朝向物方的一新月形凸透镜。较佳地，该第九透镜L9的物方表面S16与像方表面S17皆为非球面表面。
第四透镜组G4与成像面IMG之间另设有光学件，该等光学件可以是如图所示的例如由低通滤波器LPF(Low Pass Filter)构成的一滤光片FL，涂布有光学镀膜的一玻璃盖板CG(Cover Glass)，亦可以是本领域内一般技术人员所能想到的具有适当功能或构造的任何光学件。该成像面IMG为影像感测元件如CCD的光接收表面。
当本发明第一实施例的变焦镜头由广角端(图1)至望远程(图3)变焦(Zooming)时，第一透镜组G1与第三透镜组G3皆向物方移动，第二透镜组G2则先向像方移动再向物方移动，使第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的第一可变间距A增大，而第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的第二可变间距B则缩小。变焦时，孔径光阑ST随同第三透镜组G3一起移动。
对焦(Focusing)作动由第四透镜组G4来实现。该第四透镜组G4的另一项功能在于亦可兼作补正系使用，其可与第一、第二及第三透镜组G1、G2、G3同时移动进行变焦，其后并可再单独移动进行对焦，以补偿变焦造成的成像面移动。
下表表一示出了本发明第一实施例的变焦镜头的各构成元件的具体数值。在该表中，“Si”表示由物方至像方位于光轴上的透镜L1至L9、孔径光阑ST、滤光片FL(LPF)及玻璃盖板CG的光入射面及光出射面中的第i个表面；“INF”表示无穷大；“Ri”表示从物方开始第i个表面的曲率半径；“Di”则表示第i个表面与第(i+1)个表面之间的表面间距，即各透镜沿着光轴测量所得的厚度或是两相邻透镜或光学元件沿光轴的间距。此外，各表面中的接合表面以同一表面序号表示。
表一
  Si   面型   元件   Ri(mm)   Di(mm)
  S1   球面   L1   20.857037   0.700
  S2   球面   L2   13.731835   3.096
  S3   球面   165.775268   A
  S4   非球面   L3   387.551067   0.923
  S5   非球面   6.281316   3.318
  S6   非球面   L4   -16.040448   0.821
  S7   非球面   41.695103   0.120
  S8   球面   L5   19.299295   1.221
  S9   球面   -5344.285390   B
  S10   虚拟面   ST   INF   0.600
  S11   非球面   L6   8.025878   1.550
  S12   非球面   -13.215418   0.120
  S13   球面   L7   3.858795   1.693
  S14   球面   L8   15.548405   0.511
  S15   球面   3.387626   C
  S16   非球面   L9   11.253443   1.622
  S17   非球面   310.163845   D
  S18   平面   LPF   INF   0.30
  S19   平面   INF   0.95
  S20   平面   CG   INF   0.50
  S21   平面   INF   0.37
  S22   平面   CCD   INF   0.00
由上表表一可知，本发明第一实施例的变焦镜头的透镜组G2、G3及G4皆采用了非球面设计，以有效校正各类像差而获得较佳的成像性能。详细而言，如图1至图3所示，第二透镜组G2中的新月形凹透镜L3的物方表面S4与像方表面S5以及双凹透镜L4的物方表面S6与像方表面S7皆为非球面表面，第三透镜组G3中的双凸透镜L6的物方表面S11与像方表面S12皆为非球面表面，第四透镜组G4的新月形凸透镜L9的物方表面S16与像方表面S17亦皆为非球面表面。
表二示出了上述非球面表面的锥度常数K及相关非球面系数E4、E6、E8及E10。
表二
  表面序号   K   E4   E6   E8   E10
  S4   0   1.870581E-05   9.409815E-06   -1.681017E-07   9.023831E-10
  S5   0   -1.051235E-05   1.554391E-05   -1.578588E-07   1.608852E-08
  S6   0   -5.426188E-05   -6.005696E-05   1.740831E-07   5.132204E-08
  S7   0   -1.162273E-04   -6.155935E-05   2.051812E-06   -2.289202E-09
  S11   0   -3.151457E-04   8.583487E-05   -1.354580E-05   1.464261E-06
  S12   0   2.293699E-04   1.099817E-04   -1.716547E-05   1.801306E-06
  S16   0   1.254823E-03   -1.323356E-04   4.161604E-06   -7.619417E-08
  S17   0   1.796562E-03   -1.920010E-04   6.256909E-06   -9.905594E-08
本发明第一实施例的变焦镜头于变焦时，第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的第一可变间距A、第二透镜组G2与第三透镜组G3或孔径光阑ST之间的第二可变间距B、第三透镜组G3与第四透镜组G4之间的第三可变间距C以及第四透镜组G4与滤光片FL之间的第四可变间距D皆发生变化。该些可变间距的具体数值(以mm表示)以及系统的有效焦距EFL(EffectiveFocal Length)、F值FNO以及光学总长TTL(Total Track Length)皆示于下表表三中，其中“W”代表广角端(Wide-Angle End)，“M”代表中间角度端(Medium-Angle End)，“T”代表望远程(Telephoto End)。
表三
  项目   W   M   T
  EFL   6.397   13.791   28.723
  FNO   3.115   3.690   4.701
  TTL   42.996   44.618   48.674
  A   0.500   6.908   10.812
  B   14.657   6.512   0.575
  C   7.469   9.721   14.964
  D   1.955   3.061   3.908
由表三可知，本发明第一实施例的变焦镜头的光学总长较短且变焦倍率为4.49倍。由广角端至望远程变焦时，第一可变间距A、第三可变间距C及第四可变间距D皆增大，而第二可变间距B则减小。
另，本发明第一实施例的变焦镜头的各透镜组G1、G2、G3及G4的有效焦距fG1、fG2、fG3、fG4分别为32.284mm、-8.477mm、11.132mm及22.189mm。
依照上述表一至表三所列的参数进行设计，如图4A至图4D(广角端各像差表现图)及图5A至图5D(望远程各像差表现图)所示，本发明第一实施例的变焦镜头于广角端及望远程皆对各类像差进行了有效校正而可获得较佳的光学性能。其中，图4A及图5A分别显示了本发明第一实施例的变焦镜头于广角端及望远程的纵向球差(Longitudinal Spherical Aberration)表现；图4B及图5B分别显示了本发明第一实施例的变焦镜头于广角端及望远程的彗星像差(Coma Aberration)表现；图4C及图5C分别显示了本发明第一实施例的变焦镜头于广角端及望远程的场曲(Field Curvature)表现；图4D及图5D则分别显示了本发明第一实施例的变焦镜头于广角端及望远程的畸变像差(Distortion)表现。
本发明第一实施例中，fG2+fG3＝2.655，且2.40＜EFL/(fG2+fG3)＜10.82。
第二实施例
请同时参阅图6至图8，其为本发明第二实施例的变焦镜头分别位于广角端、中间角度端及望远程的光学结构示意图。本发明第二实施例的变焦镜头由物方至像方于光轴上依序亦包含正屈光力的第一透镜组G1、负屈光力的第二透镜组G2、正屈光力的第三透镜组G3及正屈光力的第四透镜组G4。第三透镜组G3的物方侧设有一孔径光阑ST。第一至第四透镜组皆可沿光轴移动，以实现变焦与对焦。变焦时，孔径光阑ST随同第三透镜组G3一起移动。
与第一实施例不同的是，第一透镜组G1是由一第一透镜L1与一第二透镜L2相互接合而成的一正屈光力的复合透镜与一第三透镜L3构成。该第一透镜L1为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第二透镜L2为凸面亦朝向物方的一新月形凸透镜，该第三透镜L3亦为凸面朝向物方的一新月形凸透镜。
第二透镜组G2由物方至像方于光轴上依序包含一第四透镜L4、一第五透镜L5与一第六透镜L6，其中该第四透镜L4为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第五透镜L5为凸面朝向像方的一新月形凹透镜，该第六透镜L6则为一双凸透镜。该第四透镜L4与该第五透镜L5曲率较大的面相向设置。较佳地，该第四透镜L4的物方表面S6与像方表面S7皆为非球面表面。
第三透镜组G3为补正系，主要功能为改善球面像差与彗星像差，其由物方至像方于光轴上依序包含一第七透镜L7与一复合透镜，该复合透镜是由一第八透镜L8与一第九透镜L9相互接合而成。该第七透镜L7是一双凸透镜，其物方表面S13与像方表面S14较佳地皆为非球面表面。该第八透镜L8是凸面朝向物方的一新月形凸透镜，该第九透镜L9是凸面亦朝向物方的一新月形凹透镜。
第四透镜组G4由第十透镜L10构成，该第十透镜L10为凸面朝向物方的一新月形凸透镜。较佳地，该第十透镜L10的物方表面S18为非球面表面。
第四透镜组G4与成像面IMG之间另设有光学件，该等光学件可以是如图所示的例如由低通滤波器LPF(Low Pass Filter)构成的一滤光片FL，涂布有光学镀膜的一玻璃盖板CG(Cover Glass)，亦可以是本领域内一般技术人员所能想到的具有适当功能或构造的任何光学件。该成像面IMG为影像感测元件如CCD的光接收表面。
当本发明第二实施例的变焦镜头由广角端(图6)至望远程(图8)变焦(Zooming)时，与第一实施例相同，第一透镜组G1与第三透镜组G3皆向物方移动，第二透镜组G2则先向像方移动再向物方移动，使第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的第一可变间距A增大，而第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的第二可变间距B则缩小。变焦时，孔径光阑ST随同第三透镜组G3一起移动。
对焦(Focusing)作动由第四透镜组G4来实现。该第四透镜组G4的另一项功能在于亦可兼作补正系使用，其可与第一、第二及第三透镜组G1、G2、G3同时移动进行变焦，其后并可再单独移动进行对焦，以补偿变焦造成的成像面移动。
下表表四示出了本发明第二实施例的变焦镜头的各构成元件的具体数值。
表四
  Si   面型   元件   Ri(mm)   Di(mm)
  S1   球面   L1   32.528170   0.900
  S2   球面   L2   23.688113   2.030
  S3   球面   60.984476   0.13
  S4   球面   L3   22.790000   2.119
  S5   球面   317.887696   A
  S6   非球面   L4   -371.349042   0.900
  S7   非球面   5.649674   3.440
  S8   球面   L5   -11.126078   0.510
  S9   球面   -29.817120   0.13
  S10   球面   L6   24.349739   1.430
  S11   球面   -43.710434   B
  S12   虚拟面   ST   INF   0.800
  S13   非球面   L7   6.520678   3.120
  S14   非球面   -9.619640   0.130
  S15   球面   L8   5.331840   2.200
  S16   球面   L9   24.724642   0.450
  S17   球面   3.970480   C
  S18   非球面   L10   8.861041   2.380
  S19   球面   44.130149   D
  S20   平面   LPF   INF   0.22
  S21   平面   INF   0.63
  S22   平面   CG   INF   0.50
  S23   平面   INF   0.37
  S24   平面   CCD   INF   0.00
由上表表四可知，本发明第二实施例的变焦镜头的透镜组G2、G3及G4皆采用了非球面设计，以有效校正各类像差而获得较佳的成像性能。详细而言，如图6至图8所示，第二透镜组G2中的新月形凹透镜L4的物方表面S6与像方表面S7皆为非球面表面，第三透镜组G3中的双凸透镜L7的物方表面S13与像方表面S14皆为非球面表面，第四透镜组G4的新月形凸透镜L10的物方表面S18亦为非球面表面。
表五示出了上述非球面表面的锥度常数K及相关非球面系数E4、E6、E8及E10。
表五
  表面序号   K   E4   E6   E8   E10
  S6   -19.504216   4.363249E-04   -9.058187E-06   6.613418E-08   0
  S7   -0.224462   3.766321E-04   2.091831E-05   -7.277146E-07   0
  S13   0   -7.219361E-04   -1.497550E-05   -1.625772E-07   0
  S14   0   2.822874E-04   -1.178253E-05   -1.055948E-07   0
  S18   0   -5.782180E-05   2.374702E-06   -3.804886E-08   0
与第一实施例相同，本发明第二实施例的变焦镜头于变焦时，第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的第一可变间距A、第二透镜组G2与第三透镜组G3或孔径光阑ST之间的第二可变间距B、第三透镜组G3与第四透镜组G4之间的第三可变间距C以及第四透镜组G4与滤光片FL之间的第四可变间距D亦皆发生变化。该些可变间距的具体数值(以mm表示)以及系统的有效焦距EFL、F值FNO以及光学总长TTL皆示于下表表六中。
表六
  项目   W   M   T
  EFL   5.247   13.529   34.599
  FNO   3.252   4.235   5.193
  TTL   44.889   47.555   59.924
  A   0.500   8.120   16.430
  B   14.740   4.578   0.800
  C   5.092   6.976   16.679
  D   2.168   5.492   3.626
由表六可知，本发明第二实施例的变焦镜头的光学总长较短且变焦倍率可达6.59倍。由广角端至望远程变焦时，第一可变间距A及第三可变间距C皆增大，第二可变间距B减小，第四可变间距D则发生变化。
另，本发明第二实施例的变焦镜头的各透镜组G1、G2、G3及G4的有效焦距fG1、fG2、fG3、fG4分别为38.557mm、-7.724mm、10.666mm及22.410mm。
依照上述表四至表六所列的参数进行设计，本发明第二实施例的变焦镜头于广角端、中间角度端及望远程皆可对各类像差进行有效校正而获得较佳的光学性能。
在本发明第二实施例中，fG2+fG3＝2.942，且1.78＜EFL/(fG2+fG3)＜11.76。
第三实施例
请同时参阅图9至图11，其为本发明第三实施例的变焦镜头分别位于广角端、中间角度端及望远程的光学结构示意图。
该第三实施例的系统光学结构及各透镜组作动方式与第二实施例基本相同，其第一透镜组G1、第三透镜组G3及第四透镜组G4的结构与第二实施例相同，第一透镜组G1亦由一正屈光力的复合透镜与一新月形凸透镜L3构成。
该第三实施例的第二透镜组G2结构与第二实施例略有不同，其由物方至像方于光轴上依序包含一第四透镜L4、一第五透镜L5与一第六透镜L6，其中该第四透镜L4为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第五透镜L5为一双凹透镜，该第六透镜L6则为凸面朝向物方的一新月形凸透镜。该第四透镜L4与该第五透镜L5曲率较大的面亦相向设置。
下表表七示出了本发明第三实施例的变焦镜头的各构成元件的具体数值。
表七
  Si   面型   元件   Ri(mm)   Di(mm)
  S1   球面   L1   22.811068   0.800
  S2   球面   L2   15.686004   2.807
  S3   球面   42.129002   0.13
  S4   球面   L3   21.797278   2.360
  S5   球面   414.053453   A
  S6   球面   L4   34.582035   0.700
  S7   球面   6.094068   3.243
  S8   球面   L5   -15.692144   0.500
  S9   球面   78.038687   0.13
  S10   球面   L6   13.634349   1.294
  S11   球面   44.357594   B
  S12   虚拟面   ST   INF   0.800
  S13   非球面   L7   8.754630   3.225
  S14   非球面   -11.325957   0.127
  S15   球面   L8   4.823159   2.414
  S16   球面   L9   11.460087   0.500
  S17   球面   3.924296   C
  S18   非球面   L10   10.009395   1.858
  S19   球面   49.852773   D
  S20   平面   LPF   INF   0.22
  S21   平面   INF   0.63
  S22   平面   CG   INF   0.50
  S23   平面   INF   0.37
  S24   平面   CCD   INF   0.00
由上表表七可知，本发明第三实施例的变焦镜头的透镜组G3及G4采用了非球面设计，以有效校正各类像差而获得较佳的成像性能。详细而言，如图9至图11所示，第三透镜组G3中的双凸透镜L7的物方表面S13与像方表面S14皆为非球面表面，第四透镜组G4的新月形凸透镜L10的物方表面S18亦为非球面表面。
表八示出了上述非球面表面的锥度常数K及相关非球面系数E4、E6、E8及E10。
表八
  表面序号   K   E4   E6   E8   E10
  S13   0   -4.296656E-04   -4.045978E-06   1.670532E-07   0
  S14   0   9.421357E-05   -1.707594E-06   1.291659E-07   0
  S18   0   -4.760987E-05   4.365473E-06   -5.879734E-08   0
本发明第三实施例的变焦镜头的各可变间距A、B、C、D的具体数值(以mm表示)以及系统的有效焦距EFL、F值FNO以及光学总长TTL皆示于下表表九中。
表九
  项目   W   M   T
  EFL   6.569   16.866   43.248
  FNO   3.467   4.180   4.971
  TTL   47.678   49.683   59.24
  A   0.500   9.460   17.000
  B   15.972   5.556   1.064
  C   4.611   4.445   15.422
  D   3.987   7.613   3.146
由表九可知，本发明第三实施例的变焦镜头的光学总长较短且变焦倍率可达6.58倍。由广角端至望远程变焦时，第一可变间距A增大，第二可变间距B减小，第三可变间距C及第四可变间距D则皆发生变化。
另，本发明第三实施例的变焦镜头的各透镜组G1、G2、G3及G4的有效焦距fG1、fG2、fG3、fG4分别为38.229mm、-8.698mm、11.665mm及25.483mm。
依照上述表七至表九所列的参数进行设计，本发明第三实施例的变焦镜头于广角端、中间角度端及望远程皆可对各类像差进行有效校正而获得较佳的光学性能。
本发明第三实施例中，fG2+fG3＝2.967，且2.21＜EFL/(fG2+fG3)＜14.58。
综上所述，本发明变焦镜头采用正、负、正、正的四群透镜组为架构，变焦时第一透镜组G1与第三透镜组G3皆向物方移动，第二透镜组G2则先向像方移动再向物方移动，使第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的第一可变间距A增大，而第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的第二可变间距B则缩小。第四透镜组G4则于对焦时移动，其亦可与第一、第二及第三透镜组G1、G2、G3同时移动进行变焦。第三透镜组G3与第四透镜组G4中皆包含有至少一非球面表面。本发明变焦镜头透过三群透镜组的变焦以及非球面透镜的采用可达到四至六倍的变焦倍率以及高解像力。于变焦作动时，第二透镜组G2的移动量相对较小，可有效缩小第二透镜组G2的外径，增加收纳时镜头体积小型化的机构设计可能性，有效将镜头小型化。本发明变焦镜头的架构可同时缩小第二、第三透镜组G2、G3的外径，减少镜头收纳空间，从而可获得收纳全长短、外径小的一短小型四至六倍变焦镜头。再有，本发明变焦镜头仅有9枚或10枚单透镜构成，因此镜头总长较短，生产成本亦较低。
综上所述，本发明变焦镜头符合以下条件式
1.78＜EFL/(fG2+fG3)＜14.58，
其中，fG2为第二透镜组G2的有效焦距、fG3为第三透镜组G3的有效焦距且EFL为本发明变焦镜头的系统有效焦距。

Claims (18)

1.一种变焦镜头，由物方至像方沿光轴依序包含：正屈光力的第一透镜组、负屈光力的第二透镜组、正屈光力的第三透镜组及正屈光力的第四透镜组，其特征在于：当变焦镜头由广角端至望远程变焦时，第一透镜组与第三透镜组皆向物方移动，第二透镜组则先向像方移动再向物方移动，使第一透镜组与第二透镜组之间的第一可变间距增大，而第二透镜组与第三透镜组之间的第二可变间距则缩小；第四透镜组亦可沿光轴移动，使第三透镜组与第四透镜组之间的第三可变间距发生变化；第三透镜组与第四透镜组中皆包含有至少一非球面表面；
该变焦镜头从广角端至望远程均满足以下条件式：
1.78＜EFL/(fG2+fG3)＜14.58，
其中，fG2为第二透镜组的有效焦距、fG3为第三透镜组的有效焦距且EFL为变焦镜头的系统有效焦距。
2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第四透镜组于对焦时移动，其亦可与第一、第二及第三透镜组同时移动进行变焦。
3.如权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于：该第四透镜组作动时是向物方移动。
4.如权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于：该第四透镜组作动时是先向物方移动再向像方移动。
5.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第三透镜组的物方侧设有一孔径光阑，于变焦时其随同第三透镜组一起移动。
6.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第一透镜组由物方至像方于光轴上依序包含一第一新月形凹透镜与一第二新月形凸透镜，该第一新月形凹透镜与该第二新月形凸透镜的凸面皆朝向物方。
7.如权利要求6所述的变焦镜头，其特征在于：该第一新月形凹透镜与该第二新月形凸透镜相互接合成一体。
8.如权利要求6所述的变焦镜头，其特征在于：该第一透镜组还包含凸面朝向物方的一第三新月形凸透镜，且该第三新月形凸透镜邻近该第二新月形凸透镜的像方设置。
9.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第二透镜组由物方至像方于光轴上依序包含一第一凹透镜、一第二凹透镜与一凸透镜，该第一凹透镜与该第二凹透镜曲率较大的面相向设置。
10.如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于：该第一凹透镜为一非球面透镜。
11.如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于：该第一凹透镜与该第二凹透镜皆为非球面透镜。
12.如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于：该第一凹透镜为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第二凹透镜为一双凹透镜，该凸透镜为一双凸透镜。
13.如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于：该第一凹透镜为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第二凹透镜为凸面朝向像方的一新月形凹透镜，该凸透镜为一双凸透镜。
14.如权利要求9所述的变焦镜头，其特征在于：该第一凹透镜为凸面朝向物方的一新月形凹透镜，该第二凹透镜为一双凹透镜，该凸透镜为凸面朝向物方的一新月形凸透镜。
15.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第三透镜组由物方至像方于光轴上依序包含一双凸透镜、一新月形凸透镜与一新月形凹透镜，该新月形凸透镜与该新月形凹透镜的凸面皆朝向物方。
16.如权利要求15所述的变焦镜头，其特征在于：该新月形凸透镜与该新月形凹透镜相互接合成一体。
17.如权利要求15所述的变焦镜头，其特征在于：该双凸透镜是一非球面透镜。
18.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第四透镜组是由一新月形凸透镜构成，其凸面朝向物方。
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