CN102129121A - 变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变焦镜头，从物方至像方依次包括：一具有正屈光度的第一透镜组；一具有负屈光度的第二透镜组；一具有正屈光度的第三透镜组；一具有负屈光度的第四透镜组；以及一具有正屈光度的第五透镜组。当变焦镜头从广角端向望远端变焦时，第一透镜组与第三透镜组均朝向物方侧移动，第二透镜组与第五透镜组均朝向像方侧移动；而当物距改变需要调焦时，第四透镜组朝向像方侧移动。这些透镜组满足一定的设计条件，通过这种设计本发明变焦镜头就能够实现高变焦倍率、高分辨率及结构紧凑的目的。

Description

变焦镜头
【技术领域】
本发明涉及一种变焦镜头，特别是有关于一种适用于小型数字影像产品上并具有高变焦倍率及高分辨率的摄影镜头。
【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、小型数码相机及小型家用摄影机等新产品，皆朝向符合小型化及轻量化，并要满足高变焦倍率及高解像力的要求。高倍变焦镜头的出现，目的就是为了提高拍摄的便利性，避免了频繁更换镜头引起的进灰现象，同时也降低了投入的成本。但是，高变焦倍率镜头是以多群镜片组、多枚镜片，以及较长的镜头长度型式来达成，因此其体积较大。而且高倍变焦镜头的光学特性通常会导致拍摄质量降低，因此需要加入特殊低色散镜片及非球面镜片来达成分辨率的要求。
在高倍变焦镜头中，为具有所期望的变焦比，得到整个变焦范围良好的光学特性，需要适当设定各透镜组合的透镜构成。在变焦镜头中，若加强透镜组合的光焦度，则变焦时各透镜组合的移动量就变少，就可能缩短整个镜头长度。但如果只加强各透镜组合的光焦度，就会产生像差变动随着变焦而变大，而出现像差难以修正的问题。因此，为实现高变焦比、透镜数少的小型镜头系统，需要适当设定伴随变焦的各透镜组合的移动条件和各透镜组合的光焦度等。如果这些得不到满足，各种像差的发生就会增多，在整个变焦范围很难得到良好的图像质量。
请参照大陆专利公告第CN 100338495C号揭示的内容，其变焦透镜是由五群透镜组组成，五群透镜组的屈光度，从物侧起依次为正、负、正、正、正，在从广角端向远摄端变化时，其第一透镜组、第三透镜组及第四透镜组均移向物侧，第五透镜组也会移向物侧，而第二透镜组则会移向像侧，从而使得第一透镜组与第二透镜组之间的间隔增大，第二透镜组与第三透镜组之间的间隔减小，第三透镜组与第四透镜组之间的间隔变化，第四透镜组与第五透镜组之间的间隔增大。但是，该变焦镜头并不能获得足够大的变焦比，而若获得很高的变焦比，必将产生难以充分校正的像差。
因此，有必要提供一种具有高变焦倍率、高分辨率的小型变焦镜头。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有高变焦倍率、高分辨率特点的变焦镜头，而且该变焦镜头能够实现结构小型化。
为达成上述目的，本发明提供一种变焦镜头，从物方至像方依次包括：一具有正屈光度的第一透镜组；一具有负屈光度的第二透镜组；一具有正屈光度的第三透镜组；一具有负屈光度的第四透镜组；以及一具有正屈光度的第五透镜组。当该变焦透镜从广角端向望远端变焦时，该第一透镜组与该第三透镜组均朝向物方侧移动，该第二透镜组与该第五透镜组均朝向像方侧移动；而当物距改变需要调焦时，该第四透镜组朝向像方侧移动。
该变焦镜头满足下列条件式：
0.45 ≤ MG 1 · fW fT · Y ≤ 0.75
0.50 < | MG 2 &CenterDot; Y fG 2 | &le; 1.29
6.15 < | MG 3 &CenterDot; T fG 3 | &le; 7.28
其中MG1为该第一透镜组在变焦时从广角端至望远端的移动量；fW为该变焦镜头在广角端时的焦点距离；fT为该变焦镜头在望远端时的焦点距离；Y为成像面的最大对角长；MG2为该第二透镜组在变焦时从广角端至望远端的移动量；fG2为该第二透镜组的焦点距离；MG3为该第三透镜组在变焦时从广角端至望远端的移动量；以及fG3为该第三透镜组的焦点距离。
相较于现有技术，本发明变焦镜头的变焦比可达15X至20X，而且此光学系统可以使得变焦镜头的第二透镜组G2、第三透镜组G3及第四透镜组G4的外径变小，从而减少收纳空间，缩短收纳长度。因此，本发明变焦镜头具有高变焦倍率、高分辨率特点，且能够实现结构紧凑的目的。
【附图说明】
图1是本发明变焦镜头的透镜结构示意图。
图2A至图2E是本发明变焦镜头依据第一数值实施例在望远端所形成的非点像差、歪曲像差、倍率色像差、球面像差及慧星像差的曲线示意图。
图3A至图3E是本发明变焦镜头依据第一数值实施例在中间端所形成的非点像差、歪曲像差、倍率色像差、球面像差及慧星像差的曲线示意图。
图4A至图4E是本发明变焦镜头依据第一数值实施例在广角端所形成的非点像差、歪曲像差、倍率色像差、球面像差及慧星像差的曲线示意图。
图5A至图5E是本发明变焦镜头依据第二数值实施例在望远端所形成的非点像差、歪曲像差、倍率色像差、球面像差及慧星像差的曲线示意图。
图6A至图6E是本发明变焦镜头依据第二数值实施例在中间端所形成的非点像差、歪曲像差、倍率色像差、球面像差及慧星像差的曲线示意图。
图7A至图7E是本发明变焦镜头依据第二数值实施例在广角端所形成的非点像差、歪曲像差、倍率色像差、球面像差及慧星像差的曲线示意图。
【具体实施方式】
请参照图1所示，本发明变焦镜头1从物方至像方依次为：一具有正屈光度的第一透镜组G1；一具有负屈光度的第二透镜组G2；一光圈S；一具有正屈光度的第三透镜组G3；一具有负屈光度的第四透镜组G4；一具有正屈光度的第五透镜组G5；一玻璃平板GP；以及一成像面IP。当该变焦镜头1从广角端向望远端变焦时，该第一透镜组G1与该第三透镜组G3均朝向物方侧移动，该第二透镜组G2与该第五透镜组G5均朝向像方侧移动。而当物距改变需要调焦时，该第四透镜组G4朝向像方侧移动。可见，当该变焦镜头1从广角端向望远端变化时，该第一透镜组G1与该第二透镜组G2之间的间隔变大，该第二透镜组G2与该第三透镜组G3之间的间隔变小，该第三透镜组G3与该第四透镜组G4之间的间隔变大，该第四透镜组G4与该第五透镜组G5之间的间隔变大。
该变焦镜头1满足下列条件式：
0.45 &le; MG 1 &CenterDot; fW fT &CenterDot; Y &le; 0.75 - - - ( 1 )
0.50 < | MG 2 &CenterDot; Y fG 2 | &le; 1.29 - - - ( 2 )
6.15 < | MG 3 &CenterDot; Y fG 3 | &le; 7.28 - - - ( 3 )
其中MG1为该第一透镜组G1在变焦时从广角端至望远端的移动量；fW为该变焦镜头1在广角端时的焦点距离；fT为该变焦镜头1在望远端时的焦点距离；Y为成像面的最大对角长；MG2为该第二透镜组G2在变焦时从广角端至望远端的移动量；fG2为该第二透镜组G2的焦点距离；MG3为该第三透镜组G3在变焦时从广角端至望远端的移动量；以及fG3为该第三透镜组G3的焦点距离。
根据以上设计条件，本发明变焦镜头1的变焦比可达15X至20X，而且此光学系统可以使得变焦镜头1的第二透镜组G2、第三透镜组G3及第四透镜组G4的外径变小，从而减少收纳空间，达到变焦镜头1小型化的目的。
请参照图1所示，本发明变焦镜头1的第一透镜组G1沿着光轴100从物方侧起依次包含有：一新月型负透镜11、一新月型凸透镜12及一新月型凸透镜13。新月型负透镜11具有一凸面101及一凹面102；新月型凸透镜12具有二外凸表面103、104；以及新月型凸透镜13具有一凸面105及一凹面106。
第二透镜组G2沿着光轴100从物方侧起依次包含有：一新月型负透镜14、一组由一双凸透镜15与一双凹透镜16接合的镜片组，以及一新月型负透镜17。新月型负透镜14具有一凸面107及一凹面108。双凸透镜15具有两凸面109、110，双凹透镜16具有两凹面110’、111。该第二透镜组G2至少包含一面非球面。例如，新月型负透镜17的两表面112、113均为非球面。
第三透镜组G3沿着光轴100从物方侧起依次包含有：一凸透镜18、一组由一凹透镜19与一双凸透镜20接合而成的镜片组，以及一凸透镜21。凸透镜18具有一凸面114及一凹面115，且至少一表面为非球面，例如凸面114为非球面。凹透镜19具有两凹面116、117，该双凸透镜20具有两凸面117’、118。凸透镜21具有一凸面119及一凹面120，该凸透镜21具有一非球面，例如其凹面120为非球面。在变焦过程中，该第三透镜组G3可以兼作补正系使用，用以修正各聚焦点的像面弯曲。
光圈S设置于该第三透镜组G3的物方侧，在变焦过程中，光圈S是与该第三透镜组G3一起移动。
第四透镜组G4是由两枚球面镜片接合而成，沿着光轴100从物方侧起依次包含有：一凸透镜2及一双凹透镜232。凸透镜2具有一凹面121及一凸面122。双凹透镜23具有两凹面122’、123。该第四透镜组G4为不同摄影距离时作调焦使用。
第五透镜组G5沿着光轴100从物方侧起依次包含有：一凸透镜24及一凹透镜25。凸透镜24具有两凸面124、125。凹透镜25具有一凹面126及一凸面127。该凸透镜24的凸面124为非球面。
玻璃平板GP具有两表面128、129，在至少一表面128或129上会镀覆一层具有一定功效(例如：抗反射或红外线过滤)的薄膜，从而提高成像品质。
本发明变焦镜头1的第一数值实施例如下表一、表二及表三所示。在表一至表三所示的第一数值实施例中，所有矩离值(曲率半径及厚度)均以毫米为单位。另外，表一中的“类型”及“曲率半径”等二栏是指相对应的透镜表面的型式(即是否为“非曲面”或“标准”型表面)及曲率半径；“厚度”一栏是指透镜沿着光轴测量的厚度，或者是指二相邻的透镜间沿着光轴100的距离，即前一透镜(例如新月型负透镜11)的像方侧表面(表面102)与后一透镜(例如新月型凸透镜12)的物方侧表面(表面103)间沿着光轴100的距离，为简化表格起见，在表一中，二者(即厚度及距离)均以“厚度”称之，但是可以了解，此仅为简化的目的，并非对于本发明做额外的限制或造成任何误解。在表一及表三中，D6是指第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的间隔，D13是指第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的间隔，D21是指第三透镜组G3与第四透镜组G4之间的间隔，D24是指第四透镜组G4与第五透镜组G5之间的间隔。
表一
  表面编号   类型   曲率半径(mm)   厚度(mm)   折射率(Nd)   阿贝系数(Vd)
  101   标准   61.098   2.10   1.805   29.42
  102   标准   39.030   0.20
  103   标准   38.504   7.30   1.439   95.95
  104   标准   600.297   0.20
  105   标准   42.201   5.10   1.620   60.29
  106   标准   122.399   D6
  107   标准   61.209   1.50   1.835   45.71
  108   标准   8.224   4.43
  109   标准   26.154   4.71   1.805   26.42
  110、110’   标准   -11.860   1.20   1.670   55.90
  111   标准   10.515   2.43
  112   非球面   30.382   1.20   1.525   56.21
  113   非球面   18.980   D13
  光圈   标准   无穷大   1.00
  114   非球面   12.698   3.60   1.677   54.89
  115   标准   -145.548   1.62
  116   标准   -67.119   1.00   1.805   25.43
  117、117’   标准   19.285   3.70   1.497   85.55
  118   标准   -24.219   0.10
  119   标准   20.058   2.30   1.516   64.06
  120   非球面   -123.160   D21
  121   标准   -290.528   2.20   1.666   33.00
  122、122’   标准   -18.529   1.00   1.697   55.70
  123   标准   18.529   D24
  124   非球面   20.372   3.45   1.589   61.51
  125   标准   -12.021   0.10
  126   标准   -14.861   0.90   1.755   26.51
  127   标准   -27.634   2.00
  128   标准   无穷大   0.75   1.516330   64.14
  129   标准   无穷大
本发明变焦镜头1采用了非球面的设计，例如：第二透镜组G2的新月型负透镜17的两表面112、113均为非球面；第三透镜组G3的凸透镜18的凸面114为非球面；第三透镜组G3的凸透镜21的凹面为非球面；第五透镜组G5的该凸透镜24的凸面124为非球面。非球面的设计公式表示如下：
z = 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 + E 12 h 12 + E 14 h 14 + E 16 h 16
其中：z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为锥度常数(Conic Constant)；c＝1/r，r表示曲率半径；h表示镜片高度；E4表示四次的非球面系数；E6表示六次的非球面系数；E8表示八次的非球面系数；E10表示十次的非球面系数；E12表示十二次的非球面系数；E14表示十四次的非球面系数；以及E16表示十六次的非球面系数。
在第一数值实施例中，非球面系数的具体数值如下表二所示：
表二
  表面编号   112   113   114   120   124
  k   0   0   0.549032943   0   0
  E4   -1.107262E-03   -1.316278E-03   -8.096703E-05   1.522241E-04   -1.377539E-04
  E6   2.229638E-05   2.702036E-05   1.039087E-06   8.117960E-07   8.824606E-06
  E8   -5.870459E-07   -9.424563E-07   -1.563590E-07   -1.274967E-08   -1.226583E-06
  E10   1.105954E-08   3.916307E-08   1.253566E-08   3.069883E-09   8.528962E-08
  E12   -7.422855E-11   -2.173851E-09   -6.278908E-10   -2.172184E-10   -3.250559E-09
  E14   0   8.544826E-11   1.676877E-11   6.918273E-12   6.294681E-11
  E16   0   -1.370714E-12   -1.813040E-13   -7.967580E-14   -4.818418E-13
表三
  成像面的最大对角长(Y＝4.15mm)   D6   D13   D21   D24
  望远端焦距(f＝5.04)   0.82   21.80147   3.00338   3.150861
  中间端焦距(f＝21.9)   26.50161   7.307241   13.05495   6.736514
  广角端焦距(f＝79.9)   44.22316   1.2   23.12054   8.683466
依照上述第一数值实施例设计，本发明变焦镜头1的各参数如下表所示：
  参数   fW   fT   f1   f2   f3   f4   f5   MG1   MG2   MG3   Y
  数值   5.05   79.93   77.11   -6.92   14.43   -23.93   19.01   45.33   1.92   22.53   4.15
依照上述数值计算可以得出：条件式(1)的数值为0.69，条件式(2)的数值为1.15，条件式(3)的数值为6.48。
请参照图2A至图2E所示的本发明变焦镜头1在望远端时的像差曲线图，图3A至图3E所示的本发明变焦镜头1在中间端时的像差曲线图，以及图4A至图4E所示的本发明变焦镜头1在广角端时的像差曲线图，依照上述第一数值实施例进行设计，本发明变焦镜头1的非点像差、歪曲像差、倍率色像差、球面像差及慧星像差均能够得到很好的校正效果。
本发明变焦镜头1的第二数值实施例如下表四、表五及表六所示。
表四
  表面编号   类型   曲率半径(mm)   厚度(mm)   折射率(Nd)   阿贝系数(Vd)
  101   标准   57.327   2.10   1.800   36.80
  102   标准   36.587   0.20
  103   标准   36.587   7.40   1.438   94.95
  104   标准   1256.798   0.20
  105   标准   37.121   5.10   1.487   85.24
  106   标准   137.887   D6
  107   标准   89.477   1.50   1.835   48.78
  108   标准   7.577   3.93
  109   标准   28.585   4.00   1.805   25.43
  110、110’   标准   -11.860   1.20   1.713   53.87
  111   标准   16.979   0.80
  112   非球面   12.196   1.20   1.525   55.95
  113   非球面   9.365   D13
  光圈   标准   STO   1.00
  114   非球面   13.081   3.60   1.678   60.20
  115   标准   -756.776   2.63
  116   标准   -300.687   1.00   1.810   25.30
  117、117’   标准   13.852   3.70   1.487   70.23
  118   标准   -41.430   0.10
  119   标准   15.487   2.50   1.520   64.12
  120   非球面   -74.268   D21
  121   标准   43.688   2.65   1.667   33.05
  122、122’   标准   -12.439   1.00   1.700   52.53
  123   标准   12.439   D24
  124   非球面   35.942   3.45   1.590   61.55
  125   标准   -10.357   0.10
  126   标准   -14.861   0.90   1.740   28.30
  127   标准   -25.262   2.00
  128   标准   无穷大   0.75   1.516330   64.14
  129   标准   无穷大
表五
  表面编号 112 113 114 120 124
  k   0   0   0.799704813   0   0
  E4   -1.229065E-03   -1.665641E-03   -8.960570E-05   1.330662E-04   -2.601425E-04
  E6   3.244803E-05   4.301620E-05   1.009105E-06   4.258679E-07   1.492687E-05
  E8   -4.955536E-07   -1.501589E-06   -1.637373E-07   -1.272064E-08   -2.492681E-06
  E10   7.721060E-09   7.847274E-08   1.240496E-08   1.893611E-09   2.037652E-07
  E12   0.000000E+00   -3.593624E-09   -5.623619E-10   -1.248664E-10   -9.206736E-09
  E14   0.000000E+00   1.007281E-10   1.337528E-11   4.187708E-12   2.161125E-10
  E16   0.000000E+00   -1.155770E-12   -1.285531E-13   -5.451412E-14   -2.053936E-12
表六
  成像面的最大对角长(Y＝4.15mm)   D6   D13   D21   D24
  望远端焦距(f＝5.05)   0.82   25.04864   3.00338   2.415918
  中间端焦距(f＝22.2)   23.79607   8.619432   12.85635   7.276549
  广角端焦距(f＝100.7)   43.82418   1.2   25.73569   9.442708
依照上述第二数值实施例设计，本发明变焦镜头1的各参数如下表所示：
  参数   fW   fT   f1   f2   f3   f4   f5   MG1   MG2   MG3   Y
  数值   5.05   100.74   75.00   -7.25   15.08   -23.90   19.47   44.50   1.49   25.34   4.15
依照上述数值计算可以得出：条件式(1)的数值为0.53，条件式(2)的数值为0.85，条件式(3)的数值为6.97。
请参照图5A至图5E所示的本发明变焦镜头1在望远端时的像差曲线图，图6A至图6E所示的本发明变焦镜头1在中间端时的像差曲线图，以及图7A至图7E所示的本发明变焦镜头1在广角端时的像差曲线图，依照上述第一数值实施例进行设计，本发明变焦镜头1的非点像差、歪曲像差、倍率色像差、球面像差及慧星像差均能够得到很好的校正效果。

Claims (10)

1.一种变焦镜头，其特征在于：该变焦镜头从物方至像方依次包括：一具有正屈光度的第一透镜组；一具有负屈光度的第二透镜组；一具有正屈光度的第三透镜组；一具有负屈光度的第四透镜组；以及一具有正屈光度的第五透镜组；当该变焦镜头从广角端向望远端变焦时，该第一透镜组与该第三透镜组均朝向物方侧移动，该第二透镜组与该第五透镜组均朝向像方侧移动；而当物距改变需要调焦时，该第四透镜组朝向像方侧移动；该变焦镜头满足下列条件式：
0.45 &le; MG 1 &CenterDot; fW fT &CenterDot; Y &le; 0.75
0.50 < | WG 2 &CenterDot; Y fG 2 | &le; 1.29
6.15 < | MG 3 &CenterDot; Y fG 3 | &le; 7.28
其中MG1为该第一透镜组在变焦时从广角端至望远端的移动量；fW为该变焦镜头在广角端时的焦点距离；fT为该变焦镜头在望远端时的焦点距离；Y为成像面的最大对角长；MG2为该第二透镜组在变焦时从广角端至望远端的移动量；fG2为该第二透镜组的焦点距离；MG3为该第三透镜组在变焦时从广角端至望远端的移动量；以及fG3为该第三透镜组的焦点距离。
2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第一透镜组从物方侧起依次包含有：一新月型负透镜及一新月型凸透镜。
3.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第二透镜组从物方侧起依次包含有：一新月型负透镜、一组由一双凸透镜与一双凹透镜接合的镜片组，以及一新月型负透镜，其中该第二透镜组的位于像方侧的该新月型负透镜至少包含一面非球面。
4.如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于：该第二透镜组的位于像方侧的该新月型负透镜的两表面均为非球面。
5.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第三透镜组从物方侧起依次包含有：一具有至少一非球面的凸透镜、一组由一凹透镜与一双凸透镜接合而成的镜片组，以及一具有至少一非球面的凸透镜。
6.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第三透镜组从物方侧起依次包含有：一其朝向物方侧的表面为一非球面的凸透镜；一组由一凹透镜与一双凸透镜接合而成的镜片组；以及一其朝向像方侧的表面为一非球面的凸透镜。
7.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第四透镜组是由两枚球面镜片接合而成。
8.如权利要求7所述的变焦镜头，其特征在于：该第四透镜组从物方侧起依次包含有：一凸透镜及一双凹透镜。
9.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该第五透镜组从物方侧起依次包含有：一凸透镜及一凹透镜，其中该凸透镜的朝向物方侧的表面为一非球面。
10.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：该变焦镜头还包括一光圈，该光圈设置于该第二透镜组与该第三透镜组之间，在变焦过程中，光圈是与该第三透镜组一起移动。
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