CN102122059B - 变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

一种变焦光学系统，从物体侧至成像侧依序包括折射力分别为正、负、正和正的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，且第四透镜组从物体侧至成像侧依序包括折射力分别为正、负和正的第一透镜、第二透镜和第三透镜；第一透镜组和第三透镜组固定于光轴上，当变焦光学系统从广角端状态变焦至望远端状态时，第二透镜组沿着光轴朝成像侧移动，而第四透镜组沿着光轴移动，以校正伴随第二透镜组移动而产生的像差，本发明的变焦光学系统满足以下条件：

，其中，

、

、分别为第一透镜的焦点距离、第二透镜的焦点距离、第三透镜的焦点距离。与现有技术相比，本发明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，近年来数码照相机或数码摄像机逐渐取代传统机械相机和模拟摄像机而成为主流。

一般而言，数码照相机或摄像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，该四组透镜组分别具有正、负、正和正的折射力(refractive power)，例如授权公告号为CN1061761的中国发明专利（其名称为 “变焦距透镜光学系统”）等。

然而，上述现有技术的变焦光学系统为达到较高的变倍比(即变焦光学系统的望远端状态的焦距/广角端状态的焦距)，易使得解像力变差，因此，难以实现摄像装置的高像素化。

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：

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；

第二透镜组，具有负折射力；

第三透镜组，具有正折射力，并设置有光圈；及

第四透镜组，具有正折射力，且所述第四透镜组从所述物体侧至所述成像侧依序包括折射力分别为正、负和正的第一透镜、第二透镜和第三透镜；

其中，所述第一透镜组和所述第三透镜组固定于光轴上，而当所述变焦光学系统从广角端状态至望远端状态作焦点距离变化时，所述第二透镜组是沿着所述光轴朝所述成像侧移动，而所述第四透镜组则沿着所述光轴移动，以校正伴随所述第二透镜组移动所产生的像差；而且

所述变焦光学系统满足以下条件：                                                ，其中，

、

、

分别为所述第四透镜组的第一透镜的焦点距离、第二透镜的焦点距离、第三透镜的焦点距离。

其中，所述第四透镜组满足以下条件：

，其中，

为所述第四透镜组的焦点距离，

为所述变焦光学系统在所述广角端状态时的焦点距离。

其中，所述第一透镜满足以下条件

，其中，为所述第一透镜的阿贝数。

其中，所述第三透镜满足以下条件

，其中，

为所述第三透镜的阿贝数。

其中，所述第三透镜组包括设置于所述光圈附近的第四透镜，且所述光圈位于所述第四透镜朝所述物体侧的一面附近。

其中，所述第四透镜满足以下条件

，其中，

为所述第四透镜的阿贝数。

其中，所述第二透镜组从所述物体侧至所述成像侧依序包括折射力分别为负、负和正的第五透镜、第六透镜和第七透镜。

其中，所述第六透镜和所述第七透镜为组合透镜。

其中，所述第六透镜和所述第七透镜为非组合透镜。

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折射力分别为正、负、正和正的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，且第四透镜组从物体侧至成像侧依序包括折射力分别为正、负和正的第一透镜、第二透镜和第三透镜；第一透镜和第三透镜组固定于光轴上，当变焦光学系统从广角端状态变焦至望远端状态时，第二透镜组沿着光轴朝成像侧移动，而第四透镜组沿着光轴移动，以校正伴随第二透镜组移动而产生的像差，本发明的变焦光学系统满足以下条件：

，其中，

、、

分别为第一透镜的焦点距离、第二透镜的焦点距离、第三透镜的焦点距离。与现有技术相比，本发明避免了现有技术中的变焦光学系统，在提供高变倍比效果的情况下，变焦光学系统在解像力和校正球面像差、横向色差等方面不佳的缺陷，本发明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：

1、1’、1’’、1’’’                          变焦光学系统

ax                                                 光轴

CG                                               感光组件保护玻璃

GR1,GR11,GR12,GR13               第一透镜组

GR2,GR21,GR22,GR23               第二透镜组

GR3,GR31,GR32,GR33               第三透镜组

GR4,GR41,GR42,GR43               第四透镜组

Im                                                 受光面

I                                                   成像侧

L1,L21,L31,L41                           透镜

L2,L22,L32,L42                           透镜

L3,L23,L33,L43                           透镜

L4,L24,L34,L44                           透镜

L5,L25,L35,L45                           透镜

L6,L26,L36,L46                           透镜

L7,L27,L37,L47                           透镜

L8,L28,L38,L48                           透镜

L9,L29,L39,L49                           透镜

L10,L20,L30,L40                         透镜

OLPF                                           光学低通滤波镜

O                                                  物体侧

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，本发明的变焦光学系统1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，且该第三透镜组GR3朝该物体侧O设置有光圈ST。

第二透镜组GR2用于提供变焦光学系统1变倍比的调整，在本发明的变焦光学系统的变焦过程中，第一透镜组GR1和第三透镜组GR3固定于光轴ax上；在本发明的变焦光学系统1从广角端状态至望远端状态作焦点距离变化时，第二透镜组GR2沿着光轴ax朝成像侧I移动，第四透镜组GR4也沿着光轴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依序排列的透镜L1、透镜L2和透镜L3。透镜L1和透镜L2可为组合透镜，该组合透镜朝物体侧O的一面的曲率半径可小于朝成像侧I的一面的曲率半径，且透镜L1和透镜L2可分别例如为凸凹透镜和双凸透镜。再者，透镜L3可为朝物体侧O的一面的曲率半径小于朝成像侧I的一面的曲率半径的凸凹透镜。

第二透镜组GR2包括从物体侧O朝成像侧I依序排列的透镜L4、透镜L5和透镜L6。透镜L5和透镜L6可为组合透镜，该组合透镜朝物体侧O的一面的曲率半径可小于朝成像侧I的一面的曲率半径，且透镜L5和透镜L6可分别例如为双凹透镜和凸透镜，且该凸透镜可为凸平或凸凹透镜。另外，透镜L5和透镜L6可为非组合透镜，即可间隔设置，以增加光学系统的变量来平衡像差，亦可同时提高解像力。再者，透镜L4可为朝物体侧O的一面的曲率半径大于朝成像侧I的一面的曲率半径的凸凹透镜。

第三透镜组GR3包括透镜L7，光圈ST设置于透镜L7的朝物体侧O的一面附近。透镜L7可为朝物体侧O的一面的曲率半径小于朝成像侧I的一面的曲率半径的凸凹透镜，或也可为双凸透镜，且透镜L7的凸面为非球面较佳。另外，透镜L7满足以下条件，其中， 

为透镜L7的阿贝数(Abbe Number)，其例如为塑料透镜，如此能降低色差。

第四透镜组GR4用于提供对焦调整，从物体侧O至成像侧I依序包括折射力为正的透镜L8、折射力为负的透镜L9和折射力为正的透镜L10，并满足以下条件：

，其中，前述

、

、

分别为第四透镜组GR4的透镜L8的焦点距离、透镜L9的焦点距离、透镜L10的焦点距离。

具体的，透镜L8可为朝物体侧O的一面的曲率半径小于朝成像侧I的一面的曲率半径的双凸透镜。透镜L9可为朝该物体侧O的一面的曲率半径大于朝该成像侧I的一面的曲率半径的双凹透镜。透镜L10可为朝该物体侧O的一面的曲率半径大于朝该成像侧I的一面的曲率半径的双凸透镜。此外，变焦光学系统1满足以下条件：

、，其中，前述

为透镜L8的阿贝数，前述

为透镜L10的阿贝数(Abbe Number)，例如为塑料透镜，藉此平衡系统色差。

再者，变焦光学系统1满足以下条件：

，其中，前述

为第四透镜组GR4的焦点距离，前述为变焦光学系统1在广角端状态时的焦点距离。

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。光线从该物体侧O沿着光轴ax经过光圈ST入射到受光面，在受光面Im形成物体的像。

接着先说明非球面公式，下列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、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为本发明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，下列表一至表三为该第一具体实施例的数据资料，图2B及图2C为本发明的变焦光学系统1’的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变焦光学系统1’在广角端状态时的球面像差、场曲、畸变及横向色差，而图2C中的各图表用以表示变焦光学系统1’在望远端状态时的球面像差、场曲、畸变及横向色差。

表一：

焦点距离f= 4.75 ～ 28.00、光圈值FNO = 3.65 ～ 4.91、视场角2ω= 67.2° ～ 12.0°

表二：

焦点距离f=4.75、14.65、28.00，透镜面6、12、14及20的可变间隔。

表三：

图3A为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，下列表四至表六为该第二具体实施例的数据资料，图3B及图3C为本发明的变焦光学系统1”的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变焦光学系统1”在广角端状态时的球面像差、场曲、畸变及横向色差，而图3C中的各图表用以表示变焦光学系统1”在望远端状态时的球面像差、场曲、畸变及横向色差。

表四：

焦点距离f= 4.75 ～ 35.68、光圈值FNO = 2.89 ～ 4.24、视场角2ω= 67.2° ～ 9.5°

表五：

焦点距离f=4.75、17.85、35.68，透镜面6、12、14及20的可变间隔。

表六：

图4A为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，表七至表九为第三具体实施例的数据资料，图4B及图4C为本发明的变焦光学系统1”’的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变焦光学系统1”’在广角端状态时的球面像差、场曲、畸变及横向色差，而图4C中的各图表分别表示变焦光学系统1”’在望远端状态时的球面像差、场曲、畸变及横向色差。

表七：

焦点距离f= 4.76 ～ 45.11、光圈值FNO = 3.05 ～ 3.77、视场角2ω= 67.1° ～ 7.4°

表八：

焦点距离f=4.76、20.75、45.11，透镜面6、12、14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，第四透镜组（GR4、GR41、GR42或GR43）满足

，其中，该

、

、

分别为透镜（L8、L28、L38或L48）、透镜（L9、L29、L39或L49）、透镜（L10、L20、L30或L40）的焦点距离。此外，在又一较佳实施形态中，第四透镜组（GR4、GR41、GR42或GR43）还满足，其中，

为该第四透镜组（GR4、GR41、GR42或GR43）的焦点距离，

为变焦光学系统于广角端状态时的焦点距离。再者，在另一较佳实施形态中，上述表十所列的

、

及

分别为第三透镜组（GR3、GR31、GR32或GR33）的透镜（L7、L27、L37或L47）、第四透镜组（GR4、GR41、GR42或GR43）的透镜（L8、L28、L38或L48）和透镜（L10、L20、L30或L40）的阿贝数，且大于50。

再者，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不仅能获得较高的变倍比(约五倍以上)，亦能同时具有良好的球面像差、横向色差、场曲以及畸变的校正效果。此外，本发明的变焦光学系统的第三透镜组（GR3、GR31、GR32或GR33）的透镜（L7、L27、L37或L47）、第四透镜组（GR4、GR41、GR42或GR43）的透镜（L8、L28、L38或L48）和透镜（L10、L20、L30或L40）可选用塑料透镜，以使其阿贝数大于50，且此亦可降低变焦光学系统的制作成本。

综上所述，本发明的变焦光学系统可应用于照相机、摄像机或手机等具有摄像镜头的电子设备中。本发明的变焦光学系统的第四透镜组从该物体侧至该成像侧依序包括折射力分别为正、负、正的三个透镜(如第1图所示的透镜L8、L9、L10)，且该三个透镜较佳地满足的条件式，且经上述图2B、图2C、图3B、图3C、图4B及图4C的实验数据证明，本发明的变焦光学系统在达到高变倍比的情形下，兼顾像差和色差校正。

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 (9)

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；

第二透镜组，具有负折射力；

第三透镜组，具有正折射力，并设置有光圈；及

第四透镜组，具有正折射力，且所述第四透镜组从所述物体侧至所述成像侧依序包括折射力分别为正、负和正的第一透镜、第二透镜和第三透镜；

其中，所述第一透镜组和所述第三透镜组固定于光轴上，而当所述变焦光学系统从广角端状态至望远端状态作焦点距离变化时，所述第二透镜组是沿着所述光轴朝所述成像侧移动，而所述第四透镜组则沿着所述光轴移动，以校正伴随所述第二透镜组移动所产生的像差；而且

所述变焦光学系统满足以下条件：                                               

，其中，、

、

分别为所述第四透镜组的第一透镜的焦点距离、第二透镜的焦点距离、第三透镜的焦点距离。

2. 根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第四透镜组满足以下条件：，其中，

为所述第四透镜组的焦点距离，

为所述变焦光学系统在所述广角端状态时的焦点距离。

3. 根据权利要求1或2所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜满足以下条件

，其中，

为所述第一透镜的阿贝数。

4. 根据权利要求1或2所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第三透镜满足以下条件

，其中，

为所述第三透镜的阿贝数。

5. 根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第三透镜组包括设置于所述光圈附近的第四透镜，且所述光圈位于所述第四透镜朝所述物体侧的一面附近。

6. 根据权利要求5所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第四透镜满足以下条件

，其中，

为所述第四透镜的阿贝数。

7. 根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第二透镜组从所述物体侧至所述成像侧依序包括折射力分别为负、负和正的第五透镜、第六透镜和第七透镜。

8. 根据权利要求7所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第六透镜和所述第七透镜为组合透镜。

9. 根据权利要求7所述的变焦光学系统，其特征在于：所述第六透镜和所述第七透镜为非组合透镜。  

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