CN102087404B - 变焦镜头 - Google Patents

Abstract

一种变焦镜头，其第一、二、三、四透镜群组沿着光轴从物体侧至成像侧依序排列，各透镜群组的屈光能力为正、负、正、正。第一、三透镜群组固定于一预定位置上；第二透镜群组根据图像放大倍率的改变而沿着光轴移动；第四透镜群组沿着光轴移动，以保持成像面固定在图像记录器上。本发明至少具有4枚由塑胶材料所制成的透镜，以减轻镜头重量及方便驱动镜组。本发明具有较小的进光量变化及适中的变焦比，并且同时具有紧致体积的优势，以减少图像提取装置的整体体积。本发明的变焦镜头的光阑可随着不同的图像提取应用时改变其F_NO。

Description

变焦镜头

技术领域

本发明涉及一种变焦镜头，尤其涉及一种能应用于数字摄影机(DV)、数字相机(DSC)等图像提取装置内的变焦镜头。

背景技术

随着现代视频技术的进步，诸如投影机、数字摄影机及数字相机等图像装置已被广泛地使用。这些图像装置中的核心元件之一为变焦镜头，通过变焦镜头的光学变焦可使各种放大倍率不同的图像能清晰地成像，因此变焦镜头的光学品质与图像成像的品质息息相关。

其中，美国专利申请案号第US2005/0099700A1号公开一种紧凑型的变焦镜头，其具有屈光能力分别为正、负、正、正的四群透镜组。当该变焦镜头从广角端位置向远端位置进行变焦时，其中的第一透镜组和第三透镜组固定不动，而第二透镜组则向成像侧移动。这种变焦镜头的结构虽然较紧凑，但变焦倍率(3倍)不高。

再者，美国专利案号第US5,909,318号提出一透镜成像系统，包括第一、第二与第三透镜群，该第一透镜群与该第二透镜群为可移动的，该第三透镜群只移动少许距离(几乎固定不动)。而该第一透镜群由四片透镜所组成，该第二透镜群也由四片透镜所组成，第三透镜群还包括一彩色滤光片及一成像面。但该专利所耗用的镜片数目较多(共11片)，故镜头体积较大，且成本也高。

此外，美国专利案号第US5,285,316号提出屈光能力分别为正、负、正、正排列的四群镜片组，其采用十片镜片构成四群镜片组的设计，第三群不动，非球面2面，借此提供像高3.3mm、总长67mm、口径14.85mm的设计。前述公知技术中，采用第二和/或第四群镜片组移动，不仅在焦距的调整上缺乏变化，在提升像素及亮度上会造成整体尺寸无法缩小的情况，更使图像倍数受到限制，以至于无法得到适当倍数的摄影图像，因此无法满足高解析度的要求。同时，前述公知技术所采用的镜片数量较高，导致制造成本也随的提高。

再者，美国专利案号第US6,714,355号提出3倍变焦、F_NO～2.8的内容，令四群镜片组的屈光能力分别为正、负、正、正排列，采用十片镜片构成四群镜片组的设计，第三群移动，非球面1面。然而，采用第二，第三，第四群镜片组移动的技术在变焦倍率上普遍不足，且存在最大光阑值太高或者存在镜片数过多的问题，故仍有无法解决变焦镜头微小化的问题。

另外，美国专利案号第US7,379,249号所公开的内容，其采用五个透镜群组，并且所使用的10片透镜都为玻璃材料，因此所需花费的成本较高。再者，上述公知所公开的FNO为2.78～4.02，因此公知变焦镜头的进光量变动较大，其广角端与望远端的进光量比为(4.02/2.78)²＝2.09倍，因此公知望远端的进光量明显地比望远端小。

此外，美国专利案号第US7,453,647号所公开的内容，其采用四个透镜群组，并且所使用的9片透镜都为玻璃材料，另外其中三个透镜群组为可活动式，并且总长度为75.5mm，因此所需花费的成本较高。再者，上述公知在广角时的FNO为2.53～4.72，因此公知变焦镜头的进光量变动较大，其广角端与望远端的进光量比为(4.72/2.53)²＝3.48倍，因此公知望远端的进光量明显地比望远端小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种变焦镜头，其可提高进光量及变焦比，并且同时能达到紧致体积的要求。

为了解决上述技术问题，根据本发明的其中一种方案，提供一种变焦镜头，其包括：一具有正屈光能力的第一透镜群组、一具有负屈光能力的第二透镜群组、一具有正屈光能力的第三透镜群组及一具有正屈光能力的第四透镜群组。该第一透镜群组固定于一预定位置上。该第二透镜群组随着该变焦镜头的放大倍率的变动而沿着该变焦镜头的光轴移动。该第三透镜群组具有至少一透镜，并且该透镜固定于一预定位置上。该第四透镜群组沿着该变焦镜头的光轴移动，以保持该变焦镜头所产生的成像面准确投射在一图像记录器上。其中该第一透镜群组、该第二透镜群组、该第三透镜群组及该第四透镜群组沿着该光轴并从该变焦镜头的物体侧(Object side)至成像侧(Image side)依序排列，并且该第一透镜群组、该第二透镜群组、该第三透镜群组及该第四透镜群组的焦距符合下列三组条件：条件(1)：4.4＜F1/|F2|＜4.7；条件(2)：1.2＜F1/F3＜1.4；以及条件(3)：1.1＜F4/(F_WF_T)^1/2＜1.4；其中，F1为该第一透镜群组的焦距，F2为该第二透镜群组的焦距，F3为该第三透镜群组的焦距，F4为该第四透镜群组的焦距，F_W为广角状态时的焦距，并且F_T为望远状态时的焦距。

为了解决上述技术问题，根据本发明的其中一种方案，提供一种变焦镜头，其包括：一具有正屈光能力的第一透镜群组、一具有负屈光能力的第二透镜群组、一具有正屈光能力的第三透镜群组及一具有正屈光能力的第四透镜群组。该第一透镜群组固定于一预定位置上。该第二透镜群组随着该变焦镜头的放大倍率的变动而沿着该变焦镜头的光轴移动。该第三透镜群组具有至少一透镜，并且该透镜固定于一预定位置上。该第四透镜群组沿着该变焦镜头的光轴移动，以保持该变焦镜头所产生的成像面准确投射在一图像记录器上。其中该第一透镜群组、该第二透镜群组、该第三透镜群组及该第四透镜群组沿着该光轴并从该变焦镜头的物体侧至成像侧依序排列，并且该第一透镜群组由一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜依序排列所组成，该第二透镜群组由一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜依序排列所组成，并且该第一透镜群组及该第二透镜群组符合下列两组条件：条件(1)：1.9＜fl₁₂/fl₃＜2.2；以及条件(2)：3＜fl₅₆/fl₄＜4；；其中，fl₁₂为该第一透镜群组的第一透镜及第二透镜所合成的焦距，fl₃为该第一透镜群组的第三透镜所合成的焦距，fl₄为该第二透镜群组的第四透镜所合成的焦距，并且fl₅₆为该第二透镜群组的第五透镜及第六透镜所合成的焦距。

为了解决上述技术问题，根据本发明的其中一种方案，提供一种变焦镜头，其包括：一具有正屈光能力的第一透镜群组、一具有负屈光能力的第二透镜群组、一具有正屈光能力的第三透镜群组及一具有正屈光能力的第四透镜群组。该第一透镜群组固定于一预定位置上。该第二透镜群组随着该变焦镜头的放大倍率的变动而沿着该变焦镜头的光轴移动。该第三透镜群组具有至少一透镜，并且该透镜固定于一预定位置上。该第四透镜群组沿着该变焦镜头的光轴移动，以保持该变焦镜头所产生的成像面准确投射在一图像记录器上。其中该第一透镜群组、该第二透镜群组、该第三透镜群组及该第四透镜群组沿着该光轴并从该变焦镜头的物体侧至成像侧依序排列，并且该第四透镜群组的焦距符合下列两组条件：条件(1)：2.2＜F₄/F_W＜2.7；以及条件(2)：0.5＜F₄/F_T＜0.7；其中，F₄为该第四透镜群组的焦距，F_W为广角状态时的焦距，并且F_T为望远状态时的焦距。

为了解决上述技术问题，根据本发明的其中一种方案，提供一种变焦镜头，其应用于一图像提取装置，其中该变焦镜头包括：一具有正屈光能力的第一透镜群组、一具有负屈光能力的第二透镜群组、一具有正屈光能力的第三透镜群组及一具有正屈光能力的第四透镜群组。该第一透镜群组固定于一预定位置上。该第二透镜群组随着该变焦镜头的放大倍率的变动而沿着该变焦镜头的光轴移动。该第三透镜群组具有至少一透镜，并且该透镜固定于一预定位置上。该第四透镜群组沿着该变焦镜头的光轴移动，以保持该变焦镜头所产生的成像面准确投射在一图像记录器上。该光阑沿着该光轴且设置于该第二透镜群组及第三透镜群组之间。其中，该第一透镜群组、该第二透镜群组、该第三透镜群组及该第四透镜群组沿着该光轴并从该变焦镜头的物体侧至成像侧依序排列，并且由该第一透镜群组、该第二透镜群组、该第三透镜群组及该第四透镜群组所组成的变焦镜头组装于该图像提取装置内。

因此，本发明的有益效果在于：

1、本发明具有较小的进光量变化(广角端与望远端的进光量比约为(3.39/2.84)²＝1.42倍)及适中的变焦比(5倍的变焦比)，并且同时具有紧致体积的优势，以减少图像提取装置的整体体积。

2、本发明的变焦镜头的光阑可随着不同的图像提取应用时改变其F_NO。例如：当拍摄动态图像而需要较大的进光量时，可选用较小的F_NO；当拍摄静态图像而需要较高的解析度时，可选用较大的F_NO。

3、本发明至少具有4枚由塑胶材料所制成的透镜，以达到减轻镜头重量及方便驱动镜组的目的。

为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1A至图1C为分别显示本发明第一实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角、标准位置及望远三种型态下的透镜配置示意图。

图1D至图1F为分别表示第一实施例处于广角型态时、标准位置型态时及望远型态时的像曲线图。

图2A至图2C为分别显示本发明第二实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角、标准位置及望远三种型态下的透镜配置示意图。

图2D至图2F为分别表示第二实施例处于广角型态时、标准位置型态时及望远型态时的像曲线图。

图3A至图3C为分别显示本发明第三实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角、标准位置及望远三种型态下的透镜配置示意图。

图3D至图3F为分别表示第三实施例处于广角型态时、标准位置型态时及望远型态时的像曲线图。

图4A至图4C为分别显示本发明第四实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角、标准位置及望远三种型态下的透镜配置示意图。

图4D至图4F为分别表示第四实施例处于广角型态时、标准位置型态时及望远型态时的像曲线图。

图5A至图5C为分别显示本发明第五实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角、标准位置及望远三种型态下的透镜配置示意图。

图5D至图5F为分别表示第五实施例处于广角型态时、标准位置型态时及望远型态时的像曲线图。

上述附图中的附图标记说明如下：

第一透镜群组G1

第二透镜群组G2

第三透镜群组G3

第四透镜群组G4

第一透镜L1

第二透镜L2

第三透镜L3

第四透镜L4

第五透镜L5

第六透镜L6

第七透镜L7

第八透镜L8

第九透镜L9

第十透镜L10

光学表面S1至S20

轴向距离D1至D20

光阑A

图像记录器I

光轴Z

具体实施方式

请参阅图1A至图1C所示，其分别显示本发明第一实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角端(Wide)(图1A)、标准位置(Normal)(图1B)及望远端(Tele)(图1C)三种型态下的透镜配置示意图。

本发明的变焦镜头是由10片透镜所组成。由图中所公开的各透镜组合配置关系可知，本发明的变焦镜头包括有：一第一透镜群组G1、一第二透镜群组G2、一第三透镜群组G3及一第四透镜群组G4。其中该第一透镜群组G1、该第三透镜群组G3及该第四透镜群组G4都具有正屈光能力，并且该第二透镜群组G2具有负屈光能力。利用该第一透镜群组G1、该第二透镜群组G2、该第三透镜群组G3及该第四透镜群组G4彼此之间的间隔变化(也即通过改变上述透镜群组间沿着光轴Z方向的间距)，即可改变此变焦镜头的焦距。

在本发明的较佳实施例中，该第一透镜群组G1包括有一第一透镜L1、一第二透镜L2及一第三透镜L3。该第二透镜群组G2包括有一第四透镜L4、一第五透镜L5及一第六透镜L6。该第三透镜群组G3为单一的第七透镜L7。该第四透镜群组G4包括有一第八透镜L8、一第九透镜L9及一第十透镜L10。此外，位于第七透镜L7前方为一光阑A(也即该光阑A沿着该光轴Z且设置于该第二透镜群组G2及第三透镜群组G3之间)，并且该光阑A的大小可随着使用的需要而进行调整。

本发明的第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第九透镜L9及第十透镜L10较佳是以塑胶材料制成的透镜，其他的透镜则可使用一般常用的玻璃透镜，借此可有效达到减轻镜头重量及方便驱动镜组的目的，所以本发明具有尺寸紧致及维持图像品质的优点。图中的S1至S20为各透镜的光学表面编号，D1至D20表示各光学表面之间的轴向距离。

换言之，该第一透镜群组G1固定于一预定位置上。该第二透镜群组G2随着该变焦镜头的放大倍率的变动而沿着该变焦镜头的光轴Z移动。该第三透镜群组G3具有至少一透镜(也即第七透镜L7)，并且该透镜固定于一预定位置上。该第四透镜群组G4沿着该变焦镜头的光轴Z移动，以保持该变焦镜头所产生的成像面准确投射在一图像记录器I上。

再者，本发明为实现具有尺寸紧致及维持图像的品质，该第一透镜群组G1、该第二透镜群组G2、该第三透镜群组G3及该第四透镜群组G4的焦距符合下列条件：

条件(1)：4.4＜F1/|F2|＜4.7；

条件(2)：1.2＜F1/F3＜1.4；以及

条件(3)：1.1＜F4/(F_WF_T)^1/2＜1.4；

其中，F1为该第一透镜群组的焦距，F2为该第二透镜群组的焦距，F3为该第三透镜群组的焦距，F4为该第四透镜群组的焦距，F_w为广角状态时的焦距，并且F_T为望远状态时的焦距。

另外，该第一透镜群组G1中的多个透镜及该第二透镜群组G2中的多个透镜符合下列两组条件：

条件(1)：1.9＜fl₁₂/fl₃＜2.2；以及

条件(2)：3＜fl₅₆/fl₄＜4；

其中，fl₁₂为该第一透镜群组的第一透镜及第二透镜所合成的焦距，fl₃为该第一透镜群组的第三透镜所合成的焦距，fl₄为该第二透镜群组的第四透镜所合成的焦距，并且fl₅₆为该第二透镜群组的第五透镜及第六透镜所合成的焦距。

为了达到5倍的变焦比，第四透镜群组G4需符合下列两组条件：

条件(1)：2.2＜F₄/F_W＜2.7；以及

条件(2)：0.5＜F₄/F_T＜0.7；

其中，F₄为该第四透镜群组的焦距，F_w为广角状态时的焦距，并且F_T为望远状态时的焦距。

另外，本发明的变焦镜头可应用于一图像提取装置(例如：传统相机、数字相机、数字摄影机等)。换言之，由该第一透镜群组G1、该第二透镜群组G2、该第三透镜群组G3及该第四透镜群组G4所组成的变焦镜头可组装于该图像提取装置内。

图1D为表示第一实施例处于广角型态时的像曲线图；图1E为表示第一实施例处于标准位置型态时的像曲线图；图1F为表示第一实施例处于望远型态时的像曲线图。

实施例一的数据请参考下表所示，其中r表示各透镜表面的曲率半径(编号由S1至S20)，D表示各光学表面的间的轴向距离(编号由D1至D20)，nd表示各光学表面的折射率，vd表示各光学表面的阿贝数(Abbe value，表示材料的色散(chromatic dispersion)特性的数值)。

变数D5、D11、D14与D20相对于不同变焦位置的关系分别如下：

其中f表示对应于广角端、标准端与望远端的系统焦距，F_NO表示对应于广角端、标准端与望远端的光阑口径，2ω表示对应于广角端、标准端与望远端的视角。

再者，所述透镜中，光学表面编号S8至S11、S13、S14及S17至S20为非球面，其非球面数数据分别如下所示：

上述的非球面在径向的方程式可表示为：

$Z=\frac{{\mathrm{CY}}^2}{1+\sqrt{(1-(K+1)C^2{Y}^2}}+A_4{Y}^4+A_6{Y}^6+A_8{Y}^8+A_{10}{Y}^{10}+A_{12}{Y}^{12}$

其中，Z值为弛垂(sag)，C(＝1/r)为非球面曲率，K为二次曲面常数，Y为与透镜光轴Z垂直的高度，A₄为4阶非球面数，A₆为6阶非球面数，A₈为8阶非球面数，A₁₀为10阶非球面数，A₁₂为12阶非球面数。

请参阅图2A至图2C所示，其分别显示本发明第二实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角端(图2A)、标准位置(图2B)及望远端(图2C)三种型态下的透镜配置示意图。因此，第二实施例与第一实施例相同，都是由10片透镜所组成。图2D为表示第二实施例处于广角型态时的像曲线图；图2E为表示第二实施例处于标准位置型态时的像曲线图；图2F为表示第二实施例处于望远型态时的像曲线图。

实施例二的数据请参考下表所示：

变数D5、D11、D14与D20相对于不同变焦位置的关系分别如下：

再者，所述透镜中，光学表面编号S8至S11、S13、S14及S17至S20为非球面，其非球面数数据分别如下所示：

请参阅图3A至图3C所示，其分别显示本发明第三实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角端(图3A)、标准位置(图3B)及望远端(图3C)三种型态下的透镜配置示意图。因此，第三实施例与第一实施例相同，都是由10片透镜所组成。图3D为表示第三实施例处于广角型态时的像曲线图；图3E为表示第三实施例处于标准位置型态时的像曲线图；图3F为表示第三实施例处于望远型态时的像曲线图。

实施例三的数据请参考下表所示：

变数D5、D11、D14与D20相对于不同变焦位置的关分别如下：

再者，所述透镜中，光学表面编号S8至S11、S13、S14及S17至S20为非球面，其非球面数数据分别如下所示：

请参阅图4A至图4C所示，其分别显示本发明第四实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角端(图4A)、标准位置(图4B)及望远端(图4C)三种型态下的透镜配置示意图。因此，第四实施例与第一实施例相同，都是由10片透镜所组成。图4D为表示第四实施例处于广角型态时的像曲线图；图4E为表示第四实施例处于标准位置型态时的像曲线图；图4F为表示第四实施例处于望远型态时的像曲线图。

实施例四的数据请参考下表所示：

变数D5、D11、D14与D20相对于不同变焦位置的关分别如下：

再者，所述透镜中，光学表面编号S8至S11、S13、S14及S17至S20为非球面，其非球面数数据分别如下所示：

请参阅图5A至图5C所示，其分别显示本发明第五实施例的变焦镜头的各透镜群组在广角端(图5A)、标准位置(图5B)及望远端(图5C)三种型态下的透镜配置示意图。因此，第五实施例与第一实施例相同，都是由10片透镜所组成。图5D为表示第五实施例处于广角型态时的像曲线图；图5E为表示第五实施例处于标准位置型态时的像曲线图；图5F为表示第五实施例处于望远型态时的像曲线图。

实施例五的数据请参考下表所示：

变数D5、D11、D14与D20相对于不同变焦位置的关分别如下：

再者，所述透镜中，光学表面编号S8至S11、S13、S14及S17至S20为非球面，其非球面数数据分别如下所示：

在第五实施例中，本发明的变焦镜头的光阑可随着不同的图像提取应用时改变其F_NO。例如：当拍摄动态图像而需要较大的进光量时，可选用较小的F_NO；当拍摄静态图像而需要较高的解析度时，可选用较大的F_NO。

借此，将上述本发明第一个至第四个实施例作一整理，如下表所示：

其中，F1为该第一透镜群组的焦距，F2为该第二透镜群组的焦距，F3为该第三透镜群组的焦距，F4为该第四透镜群组的焦距，F_W为广角状态时的焦距，F_M为标准位置状态时的焦距，F_T为望远状态时的焦距，fl₁₂为该第一透镜群组的第一透镜及第二透镜所合成的焦距，fl₃为该第一透镜群组的第三透镜所合成的焦距，fl₄为该第二透镜群组的第四透镜所合成的焦距，并且fl₅₆为该第二透镜群组的第五透镜及第六透镜所合成的焦距。

综上所述，本发明所能产生的特点及功能经整理如后：

1、本发明具有较小的进光量变化(广角端与望远端的进光量比约为(3.39/2.84)²＝1.42倍)及适中的变焦比(5倍的变焦比)，并且同时具有紧致体积的优势，以减少图像提取装置的整体体积。

2、本发明的变焦镜头的光阑可随着不同的图像提取应用时改变其F_NO。例如：当拍摄动态图像而需要较大的进光量时，可选用较小的F_NO；当拍摄静态图像而需要较高的解析度时，可选用较大的F_NO。

3、本发明至少具有4枚由塑胶材料所制成的透镜，以达到减轻镜头重量及方便驱动镜组的目的。

本发明的所有范围应以所附的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，都应包含于本发明的范畴中，任何本领域普通技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰都可涵盖在本发明的专利范围。

Claims (4)

1.一种变焦镜头，其特征在于，包括：

一具有正屈光能力的第一透镜群组，其固定于一预定位置上；

一具有负屈光能力的第二透镜群组，其随着该变焦镜头的放大倍率的变动而沿着该变焦镜头的光轴移动；

一具有正屈光能力的第三透镜群组，其具有至少一透镜，并且该透镜固定于一预定位置上；以及

一具有正屈光能力的第四透镜群组，其沿着该变焦镜头的光轴移动，以保持该变焦镜头所产生的成像面准确投射在一图像记录器上；

其中，该第一透镜群组、该第二透镜群组、该第三透镜群组及该第四透镜群组沿着该光轴并从该变焦镜头的物体侧至成像侧依序排列，并且该第一透镜群组、该第二透镜群组、该第三透镜群组及该第四透镜群组的焦距符合下列三组条件：

条件(1)：4.4＜F1/|F2|＜4.7；

条件(2)：1.2＜F1/F3＜1.4；以及

条件(3)：1.1＜F4/(F_WF_T)^1/2＜1.4；

其中，F1为该第一透镜群组的焦距，F2为该第二透镜群组的焦距，F3为该第三透镜群组的焦距，F4为该第四透镜群组的焦距，F_W为广角状态时的焦距，并且F_T为望远状态时的焦距。

2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，更进一步包括：一直径大小可进行调整的光阑，并且该光阑沿着该光轴且设置于该第二透镜群组及第三透镜群组之间。

3.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该第一透镜群组及该第二透镜群组符合下列两组条件：

条件(1)：1.9＜fl₁₂/fl₃＜2.2；以及

条件(2)：3＜fl₅₆/fl₄＜4；

其中，fl12为该第一透镜群组的第一透镜及第二透镜所合成的焦距，fl3为该第一透镜群组的第三透镜所合成的焦距，fl4为该第二透镜群组的第四透镜所合成的焦距，并且fl56为该第二透镜群组的第五透镜及第六透镜所合成的焦距。

4.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，该第四透镜群组的焦距符合下列两组条件：

条件(1)：2.2＜F4/F_W＜2.7；以及

条件(2)：0.5＜F4/F_T＜0.7。

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