CN102122058B

CN102122058B - 变焦光学系统

Info

Publication number: CN102122058B
Application number: CN201110054737.8A
Authority: CN
Inventors: 施富斌; 陈恩偕
Original assignee: DONGGUAN CHANGAN GUSONG PLASTIC PART MOULD FACTORY
Current assignee: DONGGUAN CHANGAN GUSONG PLASTIC PART MOULD FACTORY
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: CN102122058A

Abstract

一种变焦光学系统，从物体侧至成像侧依序包括：具有正折射力的第一透镜组、具有负折射力的第二透镜组、具有正折射力的第三透镜组以及具有正折射力的第四透镜组。当所述变焦光学系统从广角端至望远端作焦点距离变化时，第一透镜组和第三透镜组是固定于光轴上，而第二透镜组是沿着所述光轴朝所述成像侧移动，且第四透镜组也是沿着光轴移动，以校正伴随所述第二透镜组移动而产生的像差，所述第四透镜组包括第一凸透镜、组合透镜和第二凸透镜，所述组合透镜具有负折射力。因此，本发明避免了现有技术中的光学变焦系统，在高变倍比条件下所存在的解像力和校正球面像差、色差等方面不佳的缺陷，具有较佳的影像质量。

Description

变焦光学系统

技术领域

本发明涉及一种变焦光学系统，特别是涉及一种包括四组透镜组且其折射力分别为正、负、正和正的变焦光学系统。

背景技术

随着科技进步，近年来数字照相机或数字摄影机逐渐取代传统机械相机和模拟摄影机而成为主流。

一般而言，数字相机或摄影机的变焦光学系统需具备良好的光学性能，如大孔径(aperture)、高变倍比(zoom ratio)、小型化等，然而，在要求高变倍比及大孔径的情形下，需增多用以校正像差的透镜数目，这样将提高了小型化的难度。现有技术中公开了一种包括四组透镜组的变焦系统，所述四组透镜组分别具有正、负、正和正的折射力(refractive power)，例如中国第CN1167268号发明专利公开案（其申请名称为 “变焦距透镜光学系统”）等。

然而，上述现有技术的变焦系统为达到较高的变倍比，而使解像力变差，因此，难以实现摄像装置的高画素化。

因此，为解决上述问题，亟需提供一种变焦光学系统，在满足高变倍比的条件下，同时具有较好的光学影像质量。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种变焦光学系统，在满足高变倍比的条件下，同时具有较好的光学影像质量。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种变焦光学系统，从物体侧至成像侧依序包括：

第一透镜组，具有正折射力，从广角端至望远端作焦点距离变化时，所述第一透镜组是固定于光轴上；

第二透镜组，具有负折射力，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第二透镜组是沿着所述光轴朝所述成像侧移动；

第三透镜组，具有正折射力，所述第三透镜组设置有光圈，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第三透镜组是固定于所述光轴上；以及

第四透镜组，具有正折射力，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第四透镜组是沿着所述光轴移动，以校正伴随所述第二透镜组移动而产生的像差，其中，所述第四透镜组从所述物体侧至所述成像侧依序包括第一凸透镜、组合透镜和第二凸透镜，且其中，所述组合透镜具有负折射力。

其中，所述第四透镜组的组合透镜至少包括从所述物体侧至所述成像侧依序排列的凹透镜和第三凸透镜，且其中，所述凹透镜的凹面朝所述成像侧，所述第三凸透镜的凸面朝所述物体侧。

其中，所述组合透镜的凹透镜为双凹透镜或者为弯月形状的凹透镜。

其中，所述第四透镜组的第一凸透镜的焦点距离和所述第一透镜组的焦点距离的比值在0.16至1之间。

其中，所述第四透镜组的第一凸透镜的朝所述物体侧的凸面的曲率半径小于或者等于其朝所述成像侧的一面的曲率半径。

其中，所述第二透镜组至少包括从所述物体侧至所述成像侧依序排列的凹透镜、双凹透镜和第四凸透镜。

其中，所述双凹透镜和所述第四凸透镜为组合透镜。

其中，所述双凹透镜和所述第四凸透镜为非组合透镜。

其中，所述第三透镜组至少包括一第五凸透镜，所述光圈设置于所述第五凸透镜的朝所述物体侧的一面附近，所述第三透镜组的第五凸透镜的阿贝数在50至82之间。

其中，所述第一透镜组的焦点距离与所述广角端的焦点距离的比值在4至10之间。

本发明还提供了一种变焦光学系统，从物体侧至成像侧依序包括：

第一透镜组，所述第一透镜组为具有正折射力的第一透镜组，从广角端至望远端作焦点距离变化时，所述第一透镜组是固定于光轴上；

第二透镜组，所述第二透镜组为具有负折射力的第二透镜组，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第二透镜组是沿着所述光轴朝所述成像侧移动；

第三透镜组，所述第三透镜组为具有正折射力的第三透镜组，所述第三透镜组设置有光圈，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第三透镜组是固定于所述光轴上；以及

第四透镜组，所述第四透镜组为具有正折射力的第四透镜组，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第四透镜组是沿着所述光轴移动，以校正伴随所述第二透镜组移动而产生的像差，其中，所述第四透镜组从所述物体侧至所述成像侧依序包括第一凸透镜、组合透镜和第二凸透镜，且其中，所述第一凸透镜的朝所述物体侧的凸面的曲率半径小于或者等于其朝所述成像侧的一面的曲率半径。

其中，所述第四透镜组的组合透镜至少包括从所述物体侧至所述成像侧依序排列的凹透镜和第三凸透镜，且所述凹透镜的凹面朝所述成像侧，所述第三凸透镜的凸面朝所述物体侧。

其中，所述组合透镜为具有负折射力的组合透镜。

其中其特征在于，所述双凹透镜和所述第四凸透镜为组合透镜。

其中，所述双凹透镜和所述第四凸透镜为非组合透镜。

本发明的有益效果：本发明的变焦光学系统，从物体侧至成像侧依序包括：具有正折射力的第一透镜组、具有负折射力的第二透镜组、具有正折射力的第三透镜组以及具有正折射力的第四透镜组；当变焦光学系统从广角端至望远端作焦点距离变化时，第一透镜组和第三透镜组是固定于光轴上，而第二透镜组是沿着光轴朝成像侧移动，且第四透镜组也是沿着光轴移动，以校正伴随第二透镜组移动而产生的像差，其中，第四透镜组包括第一凸透镜、组合透镜和第二凸透镜，且其中，组合透镜具有负折射力。与现有技术相比，本发明避免了现有技术中的光学变焦系统，在高变倍比条件下所存在的解像力和校正球面像差、色差等方面不佳的缺陷，具有在变焦区域内维持像差/色差平衡的稳定度的特点。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的变焦光学系统的透镜组合架的结构示意图。

图2A是本发明的变焦光学系统的第一具体实施例的透镜组合架的结构示意图。

图2B是本发明的变焦光学系统的第一具体实施例的广角端的光学实验结果图。

图2C是本发明的变焦光学系统的第一具体实施例的望远端的光学实验结果图。

图3A是本发明的变焦光学系统的第二具体实施例的透镜组合架的结构示意图。

图3B是本发明的变焦光学系统的第二具体实施例的广角端的光学实验结果图。

图3C是本发明的变焦光学系统的第二具体实施例的望远端的光学实验结果图。

图4A是本发明的变焦光学系统的第三具体实施例的透镜组合架的结构示意图。

图4B是本发明的变焦光学系统的第三具体实施例的广角端的光学实验结果图。

图4C是本发明的变焦光学系统的第三具体实施例的望远端的光学实验结果图。

在图1、图2A、图2B、图2C、图3A、图3B、图3C、图4A、图4B和图4C中包括有：

100 变焦光学系统

101 凸凹透镜

102 双凸透镜

103 凸凹透镜

15、16 一面

201 凹透镜

202 双凹透镜

203 凸透镜

301 凸透镜

401 凸透镜

402 凹透镜

403 凸透镜

404 凸透镜

ax 光轴

CG 感光组件保护玻璃

CL 组合透镜

GR1 第一透镜组

GR2 第二透镜组

GR3 第三透镜组

GR4 第四透镜组

I 成像侧

O 物体侧

OLPF 光学低通滤波镜

ST 光圈。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，变焦光学系统100包括从物体侧O至成像侧I依序排列的第一透镜组GR1、第二透镜组GR2、第三透镜组GR3和第四透镜组GR4。前述第一透镜组GR1具有正折射力、第二透镜组GR2具有负折射力、第三透镜组GR3具有正折射力，而第四透镜组GR4具有正折射力，且所述第三透镜组GR3朝所述物体侧O设置有光圈ST。

在本发明的变焦光学系统变焦过程中，第一透镜组GR1和第三透镜组GR3是固定于光轴ax上；在本发明的变焦光学系统变焦过程中，从广角端至望远端作焦点距离变化时，第二透镜组GR2是沿着光轴ax朝成像侧I移动，第四透镜组GR4亦沿着光轴ax移动以校正伴随第二透镜组GR2移动所产生的像差。

第一透镜组GR1包括从物体侧O朝成像侧I依序排列的凸凹透镜101、双凸透镜102和凸凹透镜103。凸凹透镜101具有负折射力且其凸面朝所述物体侧O而所述凸面的曲率半径大致上大于其凹面的曲率半径，双凸透镜102具有正折射力，凸凹透镜101的凹面和双凸透镜102的朝所述物体侧O的凸面大致上具有相同的曲率半径，因而凸凹透镜101和双凸透镜102可为组合透镜。此外，另一个凸凹透镜103具有正折射力且其凸面朝所述物体侧O而凸面的曲率半径大致上小于其凹面的曲率半径。

第二透镜组GR2包括从物体侧O朝成像侧I依序排列的凹透镜201、双凹透镜202和凸透镜203，第二透镜组GR2提供变倍比调整的用。凹透镜201具有负折射力且其朝物体侧O的一面的曲率半径大于凹面的曲率半径，凹透镜201可为凸凹或平凹透镜，双凹透镜202具有负折射力，凸透镜203具有正折射力且其朝物体侧O的凸面的曲率半径大致上小于朝成像侧I的一面的曲率半径，凸透镜203可为双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜，双凹透镜202与凸透镜203为间隔设置，以增加光学系统的变量来平衡像差，同时可提高解像力。

再者，除如图1所示，双凹透镜202与凸透镜203为间隔设置外，当凸透镜203的朝物体侧O的凸面与双凹透镜202的凹面具有相同的曲率半径时，双凹透镜202和凸透镜203可为组合透镜。

第三透镜组GR3包括具有正折射力的凸透镜301，光圈ST设置于朝物体侧O的一面附近，其中凸透镜301也可以采用双凸透镜。再者，凸透镜301的凸面为非球面较佳。另外，凸透镜301的阿贝数(Abbe Number)是大于50，以降低色差，且凸透镜301可选择塑料镜片。

第四透镜组GR4包括凸透镜401、404和介于凸透镜401和404的间的组合透镜CL。第四透镜组GR4用于对焦调整。凸透镜401具有正折射力，凸透镜401可为双凸或者凹凸透镜且其朝物体侧O的一面15的曲率半径大致上小于或等于朝成像侧I的一面16的曲率半径，即满足的条件式，使得凸透镜401的设计提供更为清晰的像。凸透镜404具有正折射力，且凸透镜404也可以采用凹凸或平凸透镜。此外，凸透镜401和凸透镜404的阿贝数(Abbe Number)是大于50，由此平衡系统色差，且凸透镜401和凸透镜404可以选择塑料镜片。

再者，前述第四透镜组GR4的组合透镜CL包括从所述物体侧O向成像侧I依序排列的凹透镜402和凸透镜403。凹透镜402具有负折射力且其凹面朝向成像侧I，并呈弯月或双凹形状，而凸透镜403具有正折射力且其凸面朝所述物体侧O，凹透镜402的凹面和凸透镜403的凸面具有大致相同的曲率半径，因而所组合成的组合透镜CL整体而言具有负折射力，即满足凹透镜402和凸透镜403接合后的焦点距离f_402/403＜0的条件式。另外，在第四透镜组GR4与成像侧I间设有光学低通滤波镜(optical low pass filter；OLPF)和感光组件保护玻璃CG。光线从所述物体侧O沿着光轴ax经过光圈ST入射到受光面，以于受光面形成物体的像。

接着先说明非球面公式，Z为相对于光轴上表面顶点的位移量，，其中，y为距离光轴的高度、R为顶点曲率半径、K为圆锥常数、及A、B、C、D、E为非球面系数。

以下说明本发明的变焦光学系统的具体实施例。

图2A是本发明的第一具体实施例的透镜组合架的结构示意图，下列表一至表三为所述第一具体实施例的数据资料，图2B及图2C是所述第一具体实施例的光学效果，其中，图2B中的各图表用以表示广角端的球面像差、场曲、畸变及横向色差，而图2C中的各图表用以表示望远端的球面像差、场曲、畸变及横向色差。

表一：

焦点距离f= 4.75 ～ 53.6、光圈值FNO = 3.09 ～ 3.81、视场角2ω= 68.1° ～ 6.0。

表二：

焦点距离f=4.75、29.48、53.6，透镜面5、11、14及21的可变间隔。

表三：

图3A是本发明的第二具体实施例的透镜组合架的结构示意图，下列表四至表六为所述第二具体实施例的数据资料，图3B及图3C为所述第二具体实施例的光学效果，其中，图3B中的各图表用以表示广角端的球面像差、场曲、畸变及横向色差，而图3C中的各图表用以表示望远端的球面像差、场曲、畸变及横向色差。

表四：

焦点距离f= 4.75 ～ 53.6、光圈值FNO = 2.89 ～ 4.12、视场角2ω= 68.5° ～ 6.3°。

表五：

焦点距离f=4.75、29.48、53.6，透镜面5、11、14及21的可变间隔。

表六：

图4A是为本发明的第三具体实施例的透镜组合架结构示意图，表七至表九为第三具体实施例的数据资料，图4B及图4C为第三具体实施例的光学效果，其中，图4B中的各图表分别表示广角端的球面像差、场曲、畸变及横向色差，而图4C中的各图表分别表示望远端的球面像差、场曲、畸变及横向色差。

表七：

焦点距离f= 4.78 ～ 53.5、光圈值FNO = 2.96 ～ 5.11、视场角2ω= 68.8° ～ 6.4°。

表八：

焦点距离f=4.78、29.48、53.5，透镜面5、10、13及20的可变间隔。

表九：

下列表十用以显示前述第一、二、三具体实施例的数据。

比较表十：

因此，在一较佳实施形态中，凸透镜401满足及凸透镜401与第一透镜组GR1的焦点距离满足，可使得本发明的变焦光学系统获得良好的像差校正。在再一实施形态中，第一透镜组GR1的和广角端W的焦点距离满足可使得本发明的变焦光学系统获得良好的高变倍比。在又一实施形态中，组合透镜CL的焦点距离可使得本发明的变焦光学系统获得良好的制造性。在另一实施形态中，第三透镜组GR3的凸透镜301的阿倍数V满足可使得本发明的变焦光学系统获得良好的色差校正。

由上述表十的比较及图2B、图2C、图3B、图3C、图4B及图4C可知，本发明的变焦光学系统在满足高变倍比的条件下，亦同时可兼顾像差和色差校正的效果。

综上所述，本发明的变焦光学系统可应用于照相机、摄影机或手机等的具有摄影镜头的电子设备中。本发明针对第四透镜组的凸透镜、凹凸透镜和设置于前属两者间的组合透镜进行改良，使得所述组合透镜易于制造，进而可获得良好的像差和色差校正，进而达到高变倍比。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1. 一种变焦光学系统，其特征在于，从物体侧至成像侧依序包括：

第一透镜组，具有正折射力，从广角端至望远端作焦点距离变化时，所述第一透镜组是固定于光轴上；所述第一透镜组从物体侧朝成像侧依序由具有负折射力的凸凹透镜、具有正折射力的双凸透镜和具有正折射力的凸凹透镜组成；

第二透镜组，具有负折射力，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第二透镜组是沿着所述光轴朝所述成像侧移动；所述第二透镜组从物体侧朝成像侧依序由具有负折射力的凹透镜、具有负折射力的双凹透镜和具有正折射力的第四凸透镜组成，其中，所述双凹透镜和所述第四凸透镜为非组合透镜；

第三透镜组，具有正折射力，所述第三透镜组设置有光圈，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第三透镜组是固定于所述光轴上；所述第三透镜组至少包括一第五凸透镜，所述光圈设置于所述第五凸透镜的朝所述物体侧的一面附近，所述第三透镜组的第五凸透镜的阿贝数在50至82之间；以及

2. 根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第四透镜组的组合透镜至少包括从所述物体侧至所述成像侧依序排列的凹透镜和第三凸透镜，且其中，第四透镜组的凹透镜的凹面朝所述成像侧，所述第三凸透镜的凸面朝所述物体侧。

3. 根据权利要求2所述的变焦光学系统，其特征在于：所述组合透镜的凹透镜为双凹透镜或者为弯月形状的凹透镜。

4. 根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第四透镜组的第一凸透镜的焦点距离和所述第一透镜组的焦点距离的比值在0.16至1之间。

5. 根据权利要求1或2或3或4所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第四透镜组的第一凸透镜的朝所述物体侧的凸面的曲率半径小于或者等于其朝所述成像侧的一面的曲率半径。

6. 根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜组的焦点距离与所述广角端的焦点距离的比值在4至10之间。

7. 一种变焦光学系统，其特征在于，从物体侧至成像侧依序包括：

第一透镜组，具有正折射力，从广角端至望远端作焦点距离变化时，所述第一透镜组是固定于光轴上, 所述第一透镜组从物体侧朝成像侧依序由具有负折射力的凸凹透镜、具有正折射力的双凸透镜和具有正折射力的凸凹透镜组成；

第二透镜组，具有负折射力，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第二透镜组是沿着所述光轴朝所述成像侧移动，所述第二透镜组从物体侧朝成像侧依序由具有负折射力的凹透镜、具有负折射力的双凹透镜和具有正折射力的第四凸透镜组成；

第三透镜组，具有正折射力，所述第三透镜组设置有光圈，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第三透镜组是固定于所述光轴上，所述第三透镜组至少包括一第五凸透镜，所述光圈设置于所述第五凸透镜的朝所述物体侧的一面附近，所述第三透镜组的第五凸透镜的阿贝数在50至82之间；以及

第四透镜组，具有正折射力，从所述广角端至所述望远端作焦点距离变化时，所述第四透镜组是沿着所述光轴移动，以校正伴随所述第二透镜组移动而产生的像差，其中，所述第四透镜组从所述物体侧至所述成像侧依序包括第一凸透镜、组合透镜和第二凸透镜，且其中，所述组合透镜为具有负折射力的组合透镜，所述第一凸透镜的朝所述物体侧的凸面的曲率半径小于或者等于其朝所述成像侧的一面的曲率半径。

8. 根据权利要求7所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第四透镜组的组合透镜至少包括从所述物体侧至所述成像侧依序排列的凹透镜和第三凸透镜，且第四透镜组的凹透镜的凹面朝所述成像侧，所述第三凸透镜的凸面朝所述物体侧。

9. 根据权利要求8所述的变焦光学系统，其特征在于：所述组合透镜的凹透镜为双凹透镜或者为弯月形状的凹透镜。

10. 根据权利要求7所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第四透镜组的第一凸透镜的焦点距离和所述第一透镜组的焦点距离的比值在0.16至1之间。

11. 根据权利要求7所述的变焦光学系统，其特征在于：所述双凹透镜和所述第四凸透镜为非组合透镜。

12.根据权利要求7所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜组的焦点距离与所述广角端的焦点距离的比值在4至10之间。