CN117031715B - 一种变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变焦镜头，包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一固定透镜群、变焦透镜群、第二固定透镜群和对焦透镜群；第一固定透镜群的焦距为f1，变焦透镜群的焦距为f2，第二固定透镜群的焦距为f3，对焦透镜群的焦距为f4，变焦镜头在广角端的焦距为fw，其中，5.65＜f1/fw＜6.42，‑1.42＜f2/fw＜‑1.25，2.5＜f3/fw＜3.3，2.9＜f4/fw＜3.32；变焦镜头中包括至少4个塑胶非球面透镜。本发明实施例提供的变焦镜头，最大光圈数达到1.8，整体焦距范围内畸变在7％以内，可实现8倍焦距变化，实现了低成本、小体积、大倍率变焦的大光圈变焦镜头。

Description

一种变焦镜头
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种变焦镜头。
背景技术
现有大光圈变焦镜头往往使用全玻璃镜片组成，同时为了提升产品性能还会使用到玻璃非球面镜片，成本较高、体积较大。
发明内容
本发明提供了一种变焦镜头，以实现低成本、小体积、大光圈的变焦镜头。
本发明提供了一种变焦镜头，包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一固定透镜群、变焦透镜群、第二固定透镜群和对焦透镜群；
所述第一固定透镜群和所述第二固定透镜群固定设置，所述变焦透镜群和所述对焦透镜群沿所述光轴方向移动设置；
所述第一固定透镜群的焦距为f1，所述变焦透镜群的焦距为f2，所述第二固定透镜群的焦距为f3，所述对焦透镜群的焦距为f4，所述变焦镜头在广角端的焦距为fw，其中：
5.65＜f1/fw＜6.42，-1.42＜f2/fw＜-1.25，2.5＜f3/fw＜3.3，2.9＜f4/fw＜3.32；
所述变焦镜头中包括至少4个塑胶非球面透镜。
可选的，所述第二固定透镜群和所述对焦透镜群中包括至少2个塑胶非球面透镜。
可选的，所述第一固定透镜群包括从物面至像面依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
所述变焦透镜群包括从物面至像面依次排列的第四透镜、第五透镜和第六透镜；
所述第二固定透镜群包括沿光轴从物方至像方依次排列的第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜；
所述对焦透镜群包括沿光轴从物方至像方依次排列的第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜；
所述第一透镜具有负光焦度，所述第二透镜具有正光焦度，所述第三透镜具有正光焦度；所述第四透镜具有负光焦度，所述第五透镜具有负光焦度，所述第六透镜具有正光焦度；所述第七透镜具有正光焦度，所述第八透镜具有负光焦度，所述第十一透镜具有正光焦度；
所述第九透镜具有正光焦度，所述第十透镜具有负光焦度，所述第十二透镜具有负光焦度，所述第十三透镜具有正光焦度；
或者，所述第九透镜具有负光焦度，所述第十透镜具有正光焦度，所述第十二透镜具有负光焦度，所述第十三透镜具有正光焦度；
或者，所述第九透镜具有正光焦度，所述第十透镜具有负光焦度，所述第十二透镜具有正光焦度，所述第十三透镜具有负光焦度；
可选的，所述第九透镜和所述第十透镜为塑胶非球面透镜。
可选的，所述第十二透镜和所述第十三透镜为塑胶非球面透镜。
可选的，所述变焦镜头还包括光阑；
所述光阑位于所述变焦透镜群和所述第二固定透镜群之间的光路中。
可选的，所述变焦透镜群沿所述光轴方向的最大可移动距离为D2，所述对焦透镜群沿所述光轴方向的最大可移动距离为D4，其中，2.85mm≤D2/D4≤6.20mm。
可选的，所述第一透镜的折射率为nd1，阿贝数为vd1；所述第二透镜的折射率为nd2，阿贝数为vd2；所述第五透镜的折射率为nd5，阿贝数为vd5；所述第七透镜的折射率为nd7，阿贝数为vd7；所述第八透镜的折射率为nd8，阿贝数为vd8；所述第九透镜的折射率为nd9，阿贝数为vd9；
其中：
1.80≤nd1≤1.95；19.5≤vd1≤25.5；
1.42≤nd2≤1.50；89.0≤vd2≤96.5；
1.48≤nd5≤1.75；50.0≤vd4≤84.5；
1.42≤nd7≤1.62；65.8≤vd7≤96.0；
1.65≤nd8≤1.79；25.0≤vd8≤55.0；
1.50≤nd9≤1.70；19.5≤vd9≤60.2。
可选的，所述变焦镜头在长焦端的焦距为ft，其中，8.0≤ft/fw。
可选的，所述变焦镜头的光学总长为TTL，所述变焦透镜群沿所述光轴方向的最大可移动距离为D2，其中，3.2≤TTL/D2≤3.6。
本发明实施例的技术方案，通过设置四个透镜群，且四个透镜群的焦距采用正-负-正-正的搭配方式，使光线在平滑的通过镜头时能够在很大程度上矫正高级像差，提高成像质量。在此基础上，使用玻璃与塑胶透镜材质的混合搭配，可实现最大光圈数达到1.8，整体焦距范围内畸变在7％以内的变焦镜头，提高了大光圈变焦镜头的成像质量；同时，通过限定四个透镜群的焦距范围并使用玻璃与塑胶透镜材质的混合搭配，使变焦透镜群和对焦透镜群在较小的移动范围内即可实现8倍焦距变化，从而可在小体积下实现大倍率变焦，解决现有变焦镜头的体积和变焦倍率无法兼顾的问题，实现了低成本、小体积、大倍率变焦的大光圈变焦镜头。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种变焦镜头在广角端的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种变焦镜头在长焦端的结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的变焦镜头在广角端的垂轴色差曲线图；
图4为本发明实施例一提供的变焦镜头在长焦端的垂轴色差曲线图；
图5为本发明实施例一提供的变焦镜头在广角端的场曲畸变图；
图6为本发明实施例一提供的变焦镜头在长焦端的场曲畸变图；
图7为本发明实施例二提供的变焦镜头在广角端的结构示意图；
图8为本发明实施例二提供的变焦镜头在长焦端的结构示意图；
图9为本发明实施例二提供的变焦镜头在广角端的垂轴色差曲线图；
图10为本发明实施例二提供的变焦镜头在长焦端的垂轴色差曲线图；
图11为本发明实施例二提供的变焦镜头在广角端的场曲畸变图；
图12为本发明实施例二提供的变焦镜头在长焦端的场曲畸变图；
图13为本发明实施例三提供的变焦镜头在广角端的结构示意图；
图14为本发明实施例三提供的变焦镜头在长焦端的结构示意图；
图15为本发明实施例三提供的变焦镜头在广角端的垂轴色差曲线图；
图16为本发明实施例三提供的变焦镜头在长焦端的垂轴色差曲线图；
图17为本发明实施例三提供的变焦镜头在广角端的场曲畸变图；
图18为本发明实施例三提供的变焦镜头在长焦端的场曲畸变图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本发明实施例提供的一种变焦镜头在广角端的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种变焦镜头在长焦端的结构示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供的变焦镜头包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一固定透镜群10、变焦透镜群20、第二固定透镜群30和对焦透镜群40，第一固定透镜群10和第二固定透镜群30固定设置，变焦透镜群20和对焦透镜群40沿光轴方向移动设置。第一固定透镜群10的焦距为f1，变焦透镜群20的焦距为f2，第二固定透镜群30的焦距为f3，对焦透镜群40的焦距为f4，变焦镜头在广角端的焦距为fw，其中，5.65＜f1/fw＜6.42，-1.42＜f2/fw＜-1.25，2.5＜f3/fw＜3.3，2.9＜f4/fw＜3.32。变焦镜头中包括至少4个塑胶非球面透镜。
其中，在本实施例提供的变焦镜头中，可将第一固定透镜群10、变焦透镜群20、第二固定透镜群30和对焦透镜群40设置于一个镜筒(图中未示出)内。第一固定透镜群10和第二固定透镜群30在该镜筒中位置固定，以使第一固定透镜群10和第二固定透镜群30相对像面不动。变焦透镜群20和对焦透镜群40可在镜筒中沿光轴作往复移动，移动变焦透镜群20可以起到变焦作用，移动对焦透镜群40可以起到对焦作用，通过变焦透镜群20和对焦透镜群40的共同运动，可以使变焦镜头的焦距实现从广角到长焦的连续变化。
可以理解的是，变焦镜头在通过改变变焦透镜群20和对焦透镜群40在光轴上的位置实现变焦的过程中，焦距最短时即该变焦镜头位于广角端，而焦距最长时即该变焦镜头位于长焦端，在广角端和长焦端，变焦镜头具有不同的焦距和光焦度。
进一步地，焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。简单的说焦距是焦点到面镜的中心点之间的距离。焦距的绝对值越小，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越弱。焦距为正数时，光线的屈折是汇聚性的；焦距为负数时，光线的屈折是发散性的。焦距可以适用于表征一个透镜的某一个折射面(即透镜的一个表面)，可以适用于表征某一个透镜，也可以适用于表征多个透镜共同形成的系统(即透镜群)。
在本实施例中，第一固定透镜群10的焦距为正可以在广角端将大视场的光线收缩进镜头，同时兼顾在长焦端校正色差。
变焦透镜群20的焦距为负保证了光线能够通过第一固定透镜群10进入后续透镜群中。
第二固定透镜群30和对焦透镜群40的焦距为正有助于降低镜头畸变，改善变焦镜头对焦的成像质量。
进一步地，在上述四个透镜群的焦距配合下，在变焦镜头中设置至少四个透镜为塑胶非球面透镜，其中，非球面透镜能够较好的矫正几何像差，降低镜头畸变；同时，由于塑胶材质的透镜成本远低于玻璃材质的透镜成本，采用至少四个塑胶透镜可大大降低镜头成本，并能够明显降低镜头重量。
需要注意的是，变焦镜头中塑胶透镜的具体数量可根据实际需求进行设置，可以理解的是，塑胶非球面透镜使用的数量越多，变焦镜头的成本越低、重量越轻。
进一步地，在本实施例中，通过设置四个透镜群，且四个透镜群的焦距采用正-负-正-正的搭配方式，使光线在平滑的通过镜头时能够在很大程度上矫正高级像差，提高成像质量。在此基础上，使用玻璃与塑胶透镜材质的混合搭配，可实现最大光圈数达到1.8，整体焦距范围内畸变在7％以内的变焦镜头，提高了大光圈变焦镜头的成像质量；同时，通过限定四个透镜群的焦距范围并使用玻璃与塑胶透镜材质的混合搭配，使变焦透镜群20和对焦透镜群40在较小的移动范围内即可实现8倍焦距变化，从而可在小体积下实现大倍率变焦，解决现有变焦镜头的体积和变焦倍率无法兼顾的问题，实现了低成本、小体积、大倍率变焦的大光圈变焦镜头。
作为一种可行的实施方式，第二固定透镜群30和对焦透镜群40中包括至少2个塑胶非球面透镜。
其中，塑胶非球面透镜的形状变化可以更多，对光线的调整自由度更高，而第二固定透镜群30和对焦透镜群40主要起到对焦作用，通过在第二固定透镜群30和对焦透镜群40中设置至少2个塑胶非球面透镜，在实现低成本、小体积、大倍率变焦的大光圈变焦镜头的基础上，可更有助于更好的矫正几何像差，降低镜头畸变，改善变焦镜头对焦的成像质量。
作为一种可行的实施方式，如图1和图2所示，第一固定透镜群10包括从物面至像面依次排列的第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103。
变焦透镜群20包括从物面至像面依次排列的第四透镜201、第五透镜202和第六透镜203。
第二固定透镜群30包括沿光轴从物方至像方依次排列的第七透镜301、第八透镜302、第九透镜303和第十透镜304。
对焦透镜群40包括沿光轴从物方至像方依次排列的第十一透镜401、第十二透镜402和第十三透镜403。
其中，第一透镜101具有负光焦度，第二透镜102具有正光焦度，第三透镜103具有正光焦度；第四透镜201具有负光焦度，第五透镜202具有负光焦度，第六透镜203具有正光焦度；第七透镜301具有正光焦度，第八透镜302具有负光焦度，所述第十一透镜401具有正光焦度；
所述第九透镜303具有正光焦度，所述第十透镜304具有负光焦度，所述第十二透镜402具有负光焦度，所述第十三透镜403具有正光焦度；
或者，所述第九透镜303具有负光焦度，所述第十透镜304具有正光焦度，所述第十二402透镜具有负光焦度，所述第十三透镜403具有正光焦度；
或者，所述第九透镜303具有正光焦度，所述第十透镜304具有负光焦度，所述第十二透镜402具有正光焦度，所述第十三透镜403具有负光焦度；
其中，光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，其数值为焦距的倒数，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。光焦度可以适用于表征一个透镜的某一个折射面(即透镜的一个表面)，可以适用于表征某一个透镜，也可以适用于表征多个透镜共同形成的系统(即透镜群)。
在本实施例中，变焦镜头具有四个透镜群，且四个透镜群的焦距采用正-负-正-正的搭配方式，通过合理搭配各透镜群中的透镜数量以及各透镜的光焦度，使光线在平滑的通过镜头时能够在很大程度上矫正高级像差，提高成像质量。
在此基础上，各透镜的光焦度搭配，配合使用玻璃与塑胶透镜材质的混合搭配，更有助于在小体积下实现大倍率变焦和大光圈的有益效果，同时可使光线在平滑的通过镜头时能够在更大程度上矫正高级像差，提高成像质量。
作为一种可行的实施方式，第九透镜303和第十透镜304为塑胶非球面透镜。
其中，第九透镜303和第十透镜304位于第二固定透镜群30中，通过设置第九透镜303和第十透镜304为塑胶非球面透镜，在实现低成本、小体积、大倍率变焦的大光圈变焦镜头的基础上，有助于更好的矫正几何像差，降低镜头畸变，改善变焦镜头对焦的成像质量；同时，第九透镜303和第十透镜304采用塑胶非球面透镜还可提高成像画面边缘区域的成像质量。
作为一种可行的实施方式，第十二透镜402和第十三透镜403为塑胶非球面透镜。
其中，第十二透镜402和第十三透镜403位于对焦透镜群40中，通过设置第十二透镜402和第十三透镜403为塑胶非球面透镜，在实现低成本、小体积、大倍率变焦的大光圈变焦镜头的基础上，有助于更好的矫正几何像差，降低镜头畸变，改善变焦镜头对焦的成像质量；同时，第十二透镜402和第十三透镜403采用塑胶非球面透镜还可提高成像画面边缘区域的成像质量。
作为一种可行的实施方式，如图1和图2所示，变焦镜头还包括光阑50，光阑50位于变焦透镜群20和第二固定透镜群30之间的光路中。
其中，通过将光阑50放置在变焦透镜群20和第二固定透镜群30之间的光路中，可在变焦透镜群20进行移动变焦时使变焦镜头的光圈数变化平稳。
作为一种可行的实施方式，变焦透镜群20沿光轴方向的最大可移动距离为D2，对焦透镜群40沿光轴方向的最大可移动距离为D4，其中，2.85mm≤D2/D4≤6.20mm。
在本实施例中，通过对变焦透镜群20在光轴方向上的最大可移动距离D2和对焦透镜群40在光轴方向上的最大可移动距离D4进行控制，保证变焦镜头在变焦时焦距变化稳定的同时，可实现快速对焦，同时还可以在最大程度上减小对焦透镜群40的体积，很大程度上减小变焦镜头的体积。
作为一种可行的实施方式，第一透镜101的折射率为nd1，阿贝数为vd1；第二透镜102的折射率为nd2，阿贝数为vd2；第五透镜202的折射率为nd5，阿贝数为vd5；第七透镜301的折射率为nd7，阿贝数为vd7；第八透镜302的折射率为nd8，阿贝数为vd8；第九透镜303的折射率为nd9，阿贝数为vd9；其中：
1.80≤nd1≤1.95；19.5≤vd1≤25.5；1.42≤nd2≤1.50；89.0≤vd2≤96.5；
1.48≤nd5≤1.75；50.0≤vd4≤84.5；1.42≤nd7≤1.62；65.8≤vd7≤96.0；
1.65≤nd8≤1.79；25.0≤vd8≤55.0；1.50≤nd9≤1.70；19.5≤vd9≤60.2。
其中，折射率是光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，主要用来描述材料对光的折射能力，不同的材料的折射率不同，且材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。阿贝数是用以表示透明介质色散能力的指数，介质色散越严重，阿贝数越小；反之，介质的色散越轻微，阿贝数越大。
在本实施例中，通过控制第一透镜101和第二透镜102的折射率和阿贝数，能够控制变焦镜头在长焦端的色差和短焦的光线偏折方向，从而较好的校正短焦的大视场像差和长焦的色差。
可选的，通过控制第五透镜202的折射率和阿贝数可以使光线在光阑50前有一个较大的入射口径，从而有助于矫正高级像差，并增大像高。
可选的，通过控制第二固定透镜群30中第七透镜301、第八透镜302和第九透镜303的折射率和阿贝数，能够控制变焦镜头在不同焦距时通过光阑50的最大口径光线，从而能够很好的校正变焦镜头在各个焦距的大孔径像差。
作为一种可行的实施方式，变焦镜头在长焦端的焦距为ft，其中，8.0≤ft/fw。
其中，如前所述，fw表示变焦镜头在广角端的焦距。
在本实施例中，通过控制变焦镜头在广角端和长焦端的焦距比，在保证变倍倍率和大靶面的条件下能够控制畸变在一个合理的小范围内，从而满足变焦镜头的小畸变需求。
作为一种可行的实施方式，变焦镜头的光学总长为TTL，变焦透镜群20沿光轴方向的最大可移动距离为D2，其中，3.2≤TTL/D2≤3.6。
其中，第一透镜101的物侧面的光轴中心至像面的距离为变焦镜头的光学总长TTL。
在本实施例中，通过设置变焦镜头的光学总长TTL和变焦透镜群20的移动距离D2满足3.2≤TTL/D2≤3.6，能够压缩透镜空间，保证在变焦镜头体积小的条件下满足较高的成像质量和较大的变倍范围。
作为一种可行的实施方式，如图1和图2所示，变焦镜头还包括平板玻璃60，平板玻璃60位于第十三透镜403的像侧面一侧。
其中，通过在第十三透镜403的像侧面一侧设置平板玻璃60可对成像传感器起到保护作用。
下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的变焦镜头的具体实施例。
实施例一
继续参考图1和图2，本发明实施例一提供的变焦镜头包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一固定透镜群10、变焦透镜群20、第二固定透镜群30和对焦透镜群40，第一固定透镜群10和第二固定透镜群30固定设置，变焦透镜群20和对焦透镜群40沿光轴方向移动设置。第一固定透镜群10包括从物面至像面依次排列的第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103。变焦透镜群20包括从物面至像面依次排列的第四透镜201、第五透镜202和第六透镜203。第二固定透镜群30包括沿光轴从物方至像方依次排列的第七透镜301、第八透镜302、第九透镜303和第十透镜304。对焦透镜群40包括沿光轴从物方至像方依次排列的第十一透镜401、第十二透镜402和第十三透镜403。光阑50位于变焦透镜群20和第二固定透镜群30之间的光路中。平板玻璃60位于第十三透镜403的像侧面一侧。
表1以一种可行的实施方式，详细说明了本发明实施例一提供的变焦镜头中各个透镜的具体光学物理参数，表1中的变焦镜头对应图1和图2所示的变焦镜头。
表1变焦镜头的光学物理参数的设计值
面序号 表面类型 曲率半径 厚度 材料(nd) 材料(vd) 半口径
1 球面 32.8174 1.0000 1.92 20.9 13.357
2 球面 23.0842 5.4807 1.44 95.0 12.404
3 球面 -189.5550 0.0700 12.330
4 球面 20.5279 3.3523 1.62 63.4 10.650
5 球面 59.8494 变焦间隔1 7.931
6 球面 70.9608 0.7000 1.77 49.6 6.939
7 球面 6.0726 3.3809 5.003
8 球面 -24.4379 0.7000 1.73 51.5 4.947
9 球面 21.5708 0.1000 4.872
10 球面 11.8815 1.9229 1.95 17.9 4.850
11 球面 30.7828 变焦间隔2 4.739
12 STO Infinity 0.1532 4.290
13 球面 7.1404 2.9879 1.44 95.1 4.523
14 球面 -35.9687 0.7000 1.67 32.2 4.352
15 球面 211.5608 0.1245 4.234
16 非球面 17.2947 1.5536 1.54 55.7 4.112
17 非球面 -49.7331 0.7601 3.811
18 非球面 7.5776 1.1262 1.64 23.5 3.554
19 非球面 4.6952 变焦间隔3 3.244
20 球面 6.5493 2.8820 1.44 95.1 4.244
21 球面 27.1074 1.0088 4.020
22 非球面 -5.4320 1.0081 1.66 20.3 3.910
23 非球面 -8.8506 0.0683 3.784
24 非球面 4.1757 1.3770 1.55 55.7 3.807
25 非球面 5.3243 变焦间隔4 3.740
26 球面 Infinity 0.7000 1.52 64.2 3.609
27 球面 Infinity 0.1000
其中，表1中的面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，例如，面序号“1”代表第一透镜101的物侧面，面序号“2”代表第一透镜101的像侧面，依次类推；“STO”代表变焦镜头的光阑；曲率半径代表透镜表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，其中“Infinity”表示该表面为平面，曲率半径为无穷大；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)；材料(nd)代表折射率，即当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力，空格代表当前位置为空气，折射率为1；材料(vd)代表阿贝数(也称色散系数)，即当前表面到下一表面之间的材料对光线的色散特性，空格代表当前位置为空气；半口径代表各个透镜的表面上对应的光线半高度。
表2表示表1中变焦镜头在广角端和长焦端的变焦间隔的数值。
表2变焦镜头的变焦间隔的设计值
广角端 长焦端
变焦间隔1 0.7760 18.8870
变焦间隔2 18.6113 0.5003
变焦间隔3 5.1490 5.3100
变焦间隔4 4.007 3.846
其中，表2中的变焦间隔为变焦镜头在广角端和长焦端不同的间隔值。
在本实施例中，变焦镜头的非球面透镜可满足以下公式：
其中，Z为沿光轴方向，垂直于光轴高度为r的位置处的曲面到该面顶点的轴向距离；c表示非球面顶点处的曲率；a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16、a18和a20为对应非球面的四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶、十八阶、二十阶的高阶非球面系数，airi组合成为对应非球面的高次项。
示例性的，表3以一种可行的实施方式详细说明了本实施例一中各透镜的非球面系数。
表3变焦镜头中各透镜非球面系数的设计值
本实施例一的变焦镜头实现了如下的技术指标：
表4变焦镜头的技术指标
进一步地，图3为本发明实施例一提供的变焦镜头在广角端的垂轴色差曲线图，图4为本发明实施例一提供的变焦镜头在长焦端的垂轴色差曲线图，其中，垂直方向表示视场的归一化，0表示在光轴上；主波长使用546.8nm，水平方向表示相对主波长的偏移量，单位为微米(μm)。如图3和图4所示，不同波长的垂轴色差均控制在较好范围内，说明该变焦镜头在广角端和长焦端的垂轴色差均得到较好的控制，可以满足宽光谱应用需求。
图5为本发明实施例一提供的变焦镜头在广角端的场曲畸变图，图6为本发明实施例一提供的变焦镜头在长焦端的场曲畸变图，图中左侧坐标系中，水平坐标表示变焦镜头场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，无单位；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧失；由图5和图6可以看出，本实施例提供的变焦镜头主波长为587.6nm时，畸变得到较好地矫正，成像畸变较小。
实施例二
图7为本发明实施例二提供的变焦镜头在广角端的结构示意图，图8为本发明实施例二提供的变焦镜头在长焦端的结构示意图，如图7和图8所示，本发明实施例二提供的变焦镜头包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一固定透镜群10、变焦透镜群20、第二固定透镜群30和对焦透镜群40，第一固定透镜群10和第二固定透镜群30固定设置，变焦透镜群20和对焦透镜群40沿光轴方向移动设置。第一固定透镜群10包括从物面至像面依次排列的第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103。变焦透镜群20包括从物面至像面依次排列的第四透镜201、第五透镜202和第六透镜203。第二固定透镜群30包括沿光轴从物方至像方依次排列的第七透镜301、第八透镜302、第九透镜303和第十透镜304。对焦透镜群40包括沿光轴从物方至像方依次排列的第十一透镜401、第十二透镜402和第十三透镜403。光阑50位于变焦透镜群20和第二固定透镜群30之间的光路中。平板玻璃60位于第十三透镜403的像侧面一侧。
示例性的，表5以一种可行的实施方式，详细说明了本发明实施例二提供的变焦镜头中各个透镜的具体光学物理参数。
表5变焦镜头的光学物理参数的设计值
其中，表5中的面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，例如，面序号“1”代表第一透镜101的物侧面，面序号“2”代表第一透镜101的像侧面，依次类推；“STO”代表变焦镜头的光阑；曲率半径代表透镜表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，其中“Infinity”表示该表面为平面，曲率半径为无穷大；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)；材料(nd)代表折射率，即当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力，空格代表当前位置为空气，折射率为1；材料(vd)代表阿贝数(也称色散系数)，即当前表面到下一表面之间的材料对光线的色散特性，空格代表当前位置为空气；半口径代表各个透镜的表面上对应的光线半高度。
表6表示表5中变焦镜头在广角端和长焦端的变焦间隔的数值。
表6变焦镜头的变焦间隔的设计值
其中，表6中的变焦间隔为变焦镜头在广角端和长焦端不同的间隔值。
在本实施例中，变焦镜头的非球面透镜可满足以下公式：
其中，Z为沿光轴方向，垂直于光轴高度为r的位置处的曲面到该面顶点的轴向距离；c表示非球面顶点处的曲率；a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16、a18和a20为对应非球面的四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶、十八阶、二十阶的高阶非球面系数，airi组合成为对应非球面的高次项。
示例性的，表7以一种可行的实施方式详细说明了本实施例二中各透镜的非球面系数。
表7变焦镜头中各透镜非球面系数的设计值
本实施例二的变焦镜头实现了如下的技术指标：
表8变焦镜头的技术指标
进一步地，图9为本发明实施例二提供的变焦镜头在广角端的垂轴色差曲线图，图10为本发明实施例二提供的变焦镜头在长焦端的垂轴色差曲线图，其中，垂直方向表示视场的归一化，0表示在光轴上；主波长使用587.562nm，水平方向表示相对主波长的偏移量，单位为微米(μm)。如图9和图10所示，不同波长的垂轴色差均控制在较好范围内，说明该变焦镜头在广角端和长焦端的垂轴色差均得到较好的控制，可以满足宽光谱应用需求。
图11为本发明实施例二提供的变焦镜头在广角端的场曲畸变图，图12为本发明实施例二提供的变焦镜头在长焦端的场曲畸变图，图中左侧坐标系中，水平坐标表示变焦镜头场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，无单位；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧失；由图11和图12可以看出，本实施例提供的变焦镜头主波长为587.6nm时，畸变得到较好地矫正，成像畸变较小。
实施例三
图13为本发明实施例三提供的变焦镜头在广角端的结构示意图，图14为本发明实施例三提供的变焦镜头在长焦端的结构示意图，如图13和图14所示，本发明实施例三提供的变焦镜头包括沿光轴从物面至像面依次排列的第一固定透镜群10、变焦透镜群20、第二固定透镜群30和对焦透镜群40，第一固定透镜群10和第二固定透镜群30固定设置，变焦透镜群20和对焦透镜群40沿光轴方向移动设置。第一固定透镜群10包括从物面至像面依次排列的第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103。变焦透镜群20包括从物面至像面依次排列的第四透镜201、第五透镜202和第六透镜203。第二固定透镜群30包括沿光轴从物方至像方依次排列的第七透镜301、第八透镜302、第九透镜303和第十透镜304。对焦透镜群40包括沿光轴从物方至像方依次排列的第十一透镜401、第十二透镜402和第十三透镜403。光阑50位于变焦透镜群20和第二固定透镜群30之间的光路中。平板玻璃60位于第十三透镜403的像侧面一侧。
示例性的，表9以一种可行的实施方式，详细说明了本发明实施例三提供的变焦镜头中各个透镜的具体光学物理参数。
表9变焦镜头的光学物理参数的设计值
面序号 表面类型 曲率半径 厚度 材料(nd) 材料(vd) 半口径
1 球面 31.9361 1.0000 1.850 23.80 13.599
2 球面 23.1380 6.1699 1.440 95.10 12.663
3 球面 -305.0080 0.0700 12.800
4 球面 21.1203 3.2969 1.620 63.40 11.100
5 球面 53.9844 变焦间隔1 7.919
6 球面 49.9663 0.7000 1.750 51.00 7.277
7 球面 5.8700 3.8142 5.196
8 球面 -21.8699 0.7000 1.500 66.10 5.120
9 球面 7.7209 1.9788 2.000 29.10 4.967
10 球面 18.9033 变焦间隔2 4.844
11 STO Infinity 0.1532 4.286
12 球面 6.4871 3.4132 1.440 95.10 4.685
13 球面 -17.9865 0.7000 1.690 53.30 4.685
14 球面 -23.0243 0.0996 4.365
15 非球面 14.6475 0.9893 1.535 55.70 4.044
16 非球面 27.8882 0.6545 3.762
17 非球面 8.0396 0.9976 1.660 20.40 3.515
18 非球面 4.7119 变焦间隔3 3.233
19 球面 8.8877 2.1394 1.590 68.60 3.836
20 球面 -317.4931 0.3188 3.750
21 非球面 -11.7308 1.0823 1.540 56.00 3.740
22 非球面 -9.8734 0.0499 3.667
23 非球面 -39.0479 0.9999 1.640 23.50 3.667
24 非球面 121.6859 变焦间隔4 3.718
25 球面 Infinity 0.7000 1.52 64.2 3.448
26 球面 Infinity 0.1000 3.470
其中，表9中的面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，例如，面序号“1”代表第一透镜101的物侧面，面序号“2”代表第一透镜101的像侧面，依次类推；“STO”代表变焦镜头的光阑；曲率半径代表透镜表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，其中“Infinity”表示该表面为平面，曲率半径为无穷大；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)；材料(nd)代表折射率，即当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力，空格代表当前位置为空气，折射率为1；材料(vd)代表阿贝数(也称色散系数)，即当前表面到下一表面之间的材料对光线的色散特性，空格代表当前位置为空气；半口径代表各个透镜的表面上对应的光线半高度。
表10表示表9中变焦镜头在广角端和长焦端的变焦间隔的数值。
表10变焦镜头的变焦间隔的设计值
广角端 长焦端
变焦间隔1 0.4501 19.3919
变焦间隔2 19.9418 1
变焦间隔3 4.6269 5.3017
变焦间隔4 4.6739 3.9991
其中，表10中的变焦间隔为变焦镜头在广角端和长焦端不同的间隔值。
在本实施例中，变焦镜头的非球面透镜可满足以下公式：
其中，Z为沿光轴方向，垂直于光轴高度为r的位置处的曲面到该面顶点的轴向距离；c表示非球面顶点处的曲率；a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16、a18和a20为对应非球面的四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶、十八阶、二十阶的高阶非球面系数，airi组合成为对应非球面的高次项。
示例性的，表11以一种可行的实施方式详细说明了本实施例三中各透镜的非球面系数。
表11变焦镜头中各透镜非球面系数的设计值
本实施例三的变焦镜头实现了如下的技术指标：
表12变焦镜头的技术指标
进一步地，图15为本发明实施例三提供的变焦镜头在广角端的垂轴色差曲线图，图16为本发明实施例三提供的变焦镜头在长焦端的垂轴色差曲线图，其中，垂直方向表示视场的归一化，0表示在光轴上；主波长使用546nm，水平方向表示相对主波长的偏移量，单位为微米(μm)。如图15和图16所示，不同波长的垂轴色差均控制在较好范围内，说明该变焦镜头在广角端和长焦端的垂轴色差均得到较好的控制，可以满足宽光谱应用需求。
图17为本发明实施例三提供的变焦镜头在广角端的场曲畸变图，图18为本发明实施例三提供的变焦镜头在长焦端的场曲畸变图，图中左侧坐标系中，水平坐标表示变焦镜头场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，无单位；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧失；由图17和图18可以看出，本实施例提供的变焦镜头主波长为546.8nm时，畸变得到较好地矫正，成像畸变较小。
为了更加清楚的对上述实施例进行说明，表13详细说明了本发明实施例一至三提供的变焦镜头中各个透镜的具体光学物理参数。
表13变焦镜头的光学物理参数的设计值
实施例1 实施例2 实施例3
F1/FW 5.73 5.725 6.347
F2/FW -1.242 -1.247 -1.390
F3/FW 2.583 3.209 2.583
F4/FW 3.225 2.943 3.197
D2/D4 4.70 3.437 5.345
Nd1 1.920 1.850 1.850
Nd2 1.440 1.460 1.440
Nd5 1.730 1.500 1.500
Nd7 1.440 1.590 1.440
Nd8 1.670 1.770 1.690
Nd9 1.540 1.660 1.530
Vd1 23.8 20.9 23.8
Vd2 90.3 95.0 95.1
vd5 81.6 51.5 66.1
Vd7 68.3 95.1 95.1
Vd8 29.7 32.2 53.3
Vd9 20.4 55.7 55.7
FT/FW 8.04 8.0 8.13
TTL/D2 3.315 3.499 3.158
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变焦镜头，其特征在于，
由沿光轴从物面至像面依次排列的第一固定透镜群、变焦透镜群、第二固定透镜群和对焦透镜群组成；
所述第一固定透镜群和所述第二固定透镜群固定设置，所述变焦透镜群和所述对焦透镜群沿所述光轴方向移动设置；
所述第一固定透镜群的焦距为f1，所述变焦透镜群的焦距为f2，所述第二固定透镜群的焦距为f3，所述对焦透镜群的焦距为f4，所述变焦镜头在广角端的焦距为fw，其中：
5.65＜f1/fw＜6.42，-1.42＜f2/fw＜-1.25，或者f2/fw＝-1.242，或者f2/fw＝-1.247，2.5＜f3/fw＜3.3，2.9＜f4/fw＜3.32；
所述第一固定透镜群由从物面至像面依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜组成；
所述变焦透镜群由从物面至像面依次排列的第四透镜、第五透镜和第六透镜组成；
所述第二固定透镜群由沿光轴从物方至像方依次排列的第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜组成；
所述对焦透镜群由沿光轴从物方至像方依次排列的第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜组成；
所述第一透镜具有负光焦度，所述第二透镜具有正光焦度，所述第三透镜具有正光焦度；所述第四透镜具有负光焦度，所述第五透镜具有负光焦度，所述第六透镜具有正光焦度；所述第七透镜具有正光焦度，所述第八透镜具有负光焦度，所述第十一透镜具有正光焦度；
所述第九透镜具有正光焦度，所述第十透镜具有负光焦度，所述第十二透镜具有负光焦度，所述第十三透镜具有正光焦度；
或者，所述第九透镜具有负光焦度，所述第十透镜具有正光焦度，所述第十二透镜具有负光焦度，所述第十三透镜具有正光焦度；
或者，所述第九透镜具有正光焦度，所述第十透镜具有负光焦度，所述第十二透镜具有正光焦度，所述第十三透镜具有负光焦度；
所述变焦镜头中包括至少4个塑胶非球面透镜。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述第二固定透镜群和所述对焦透镜群中包括至少2个塑胶非球面透镜。
3.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述第九透镜和所述第十透镜为塑胶非球面透镜。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述第十二透镜和所述第十三透镜为塑胶非球面透镜。
5.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述变焦镜头还包括光阑；
所述光阑位于所述变焦透镜群和所述第二固定透镜群之间的光路中。
6.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述变焦透镜群沿所述光轴方向的最大可移动距离为D2，所述对焦透镜群沿所述光轴方向的最大可移动距离为D4，其中，2.85mm≤D2/D4≤6.20mm。
7.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述第一透镜的折射率为nd1，阿贝数为vd1；所述第二透镜的折射率为nd2，阿贝数为vd2；所述第五透镜的折射率为nd5，阿贝数为vd5；所述第七透镜的折射率为nd7，阿贝数为vd7；所述第八透镜的折射率为nd8，阿贝数为vd8；所述第九透镜的折射率为nd9，阿贝数为vd9；其中：
1.80≤nd1≤1.95；19.5≤vd1≤25.5；
1.42≤nd2≤1.50；89.0≤vd2≤96.5；
1.48≤nd5≤1.75；50.0≤vd4≤84.5；
1.42≤nd7≤1.62；65.8≤vd7≤96.0；
1.65≤nd8≤1.79；25.0≤vd8≤55.0；
1.50≤nd9≤1.70；19.5≤vd9≤60.2。
8.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述变焦镜头在长焦端的焦距为ft，其中，8.0≤ft/fw。
9.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，
所述变焦镜头的光学总长为TTL，所述变焦透镜群沿所述光轴方向的最大可移动距离为D2，其中，3.2≤TTL/D2≤3.6。
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JPH07128619A (ja) * 1993-11-04 1995-05-19 Canon Inc 防振機能を有した変倍光学系
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