CN1388908A - 变焦镜头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种变焦镜头,从物侧开始依次设有:正折射率的固定的第一透镜组(1),负折射率的因在光轴上可调而具变倍能力的第二透镜组(2),正折射率的固定的第三透镜组(3),以及正折射率的、因在光轴上可调而具变倍或修正随物距变化的像面变动之能力的第四透镜组(4);第三透镜组(3)和第四透镜组(4),均包括正的玻璃球面透镜(L5、L8)和弱折射率的塑料非球面透镜(L6、L7)。由此,可获得变倍比高达20倍而仍可小型化且低成本制造的变焦镜头。

Description

变焦镜头及其制造方法
技术领域
本发明涉及适用于摄像机的高倍、小型且低成本的高性能变焦镜头及其制造方法。
技术背景
人所共知的传统的摄像机用变焦镜头，如同特开平2-55308号公报所公开的，按物侧开始的顺序其结构包括以下各部分：正折射率的固定的第一透镜组，负折射率的变倍用可调的第二透镜组，正折射率的固定的第三透镜组，以及正折射率的通过变焦修正像面变动并用于对焦的可调的第四透镜组。
再有，在特开平4-104114号公报公开的变焦镜头(以下称传统例1)中，主要为了小型化，在如上的四组结构的变焦镜头中的第三与第四透镜组中分别采用了一个玻璃的非球面透镜。但是，玻璃非球面透镜必须在高温下采用模压工艺制作，由于模具价格高而寿命又短，其成本约为玻璃球面透镜的三倍。
并且，在特开平9-311272公报公开的变焦镜头(以下称传统例2)中，为了低成本化而采用了塑料透镜。但是，由于塑料透镜的线膨胀系数大，容易受温度变化的影响，因而其性能难以满足高像素品质的摄像单元的要求。并且，由于其折射率低，也不利于小型化。
并且，在特开平11-194273公报公开的变焦镜头(以下称传统例3)中，将传统例1的第三透镜组的玻璃非球面透镜换成塑料非球面透镜，由此，提出了低成本的变焦透镜制造方法。问题是，跟传统例2的情况相同，镜头容易因温度变化而产生变形。
如上所述，目前存在的问题是，为了摄像机用变焦镜头小型化而采用的玻璃非球面透镜价格昂贵。并且，还有这样的问题：如果用低价的塑料透镜取代高价的玻璃非球面透镜，由于塑料的线膨胀系数约为玻璃的10倍，会因温度变化导致折射率的变动及镜头变形。
发明内容
本发明旨在提供一种高性能、低成本的具有竞争力的变焦镜头，该镜头可在保持20倍左右的高变焦比与F1.6的亮度的同时实现小型化，并不易受温度变化的影响。
为了实现上述目的，本发明具有如下结构。
本发明的变焦镜头，从物侧开始依次包括如下各部分：正折射率的固定的第一透镜组，负折射率的、因光轴上可调而具有变倍能力的第二透镜组，正折射率的固定的第三透镜组，以及正折射率的、因光轴上可调而具有变倍或修正随物距变化的像面改变之能力的第四透镜组；其特征在于，所述第三透镜组与第四透镜组均采用正折射率的玻璃球面镜及塑料非球面镜。
按照这样的结构，在为实现小型化而增加各透镜组的折射率时，可以让玻璃球面透镜一方来承担所必需的折射率。并且，尤其在后两组(第三、第四组)中，用塑料透镜作为修正增大的像差所需的非球面透镜。如此，通过组合使用玻璃球面透镜与塑料非球面透镜，可以减少传统的塑料透镜的易因温度变化造成折射率变动与透镜变形的不利影响，而又利用了塑料透镜的价格低廉的特点，从而能够制成变倍比高达20倍而仍可小型化且制造成本低的高性能变焦镜头。
上述的变焦镜头中，所述第三透镜组的塑料非球面透镜与第四透镜组的塑料非球面透镜，最好满足如下条件：
fw/|f3p|＜0.02
fw/|f4p|＜0.02式中：
fw为整个镜头系统广角端的焦距
f3p为第三透镜组的塑料非球面透镜的焦距
f4p为第四透镜组的塑料非球面透镜的焦距
如此，通过弱化第三透镜组与第四透镜组中所用的塑料非球面透镜的折射率，减少了塑料透镜的因温度变化造成的折射率变动与变形的影响，因此不易受使用环境的影响，从而可以实现小型化且低成本的高性能变焦镜头。
并且，上述的变焦镜头中，所述第三透镜组最好采用(按从物侧开始的顺序)由正玻璃球面透镜和塑料非球面透镜构成分离双透镜(2群2枚)结构。如此，在第三组中，通过将塑料非球面透镜配置在轴上边缘光线接近非聚焦的位置，将折射率的变动与形状变动造成的影响减至最小，从而可以制成小型化、低成本的高性能变焦镜头。
接着，就本发明的变焦镜头的制造方法进行说明。该制造方法的特征在于：在设有(按从物侧开始的顺序)正折射率的固定的第一透镜组、负折射率的因光轴上可调而具有变倍能力的第二透镜组、正折射率的固定的第三透镜组以及正折射率的因光轴上可调而具有变倍或修正随物距变化的像面变动之能力的第四透镜组的任何变焦镜头中，至少利用其一个以上的透镜或镜筒，而将所述第三透镜组与所述第四透镜组均设计成正的玻璃球面透镜与塑料非球面透镜。这种场合，其透镜或镜筒被加以利用的任何变焦镜头，可以是作为如上所述传统技术示例的变焦镜头。例如可以是：第一透镜组及第二透镜组全部由玻璃球面透镜构成的变焦镜头，在第三透镜组及第四透镜组设置正的玻璃球面透镜的变焦镜头，或者在第三透镜组与第四透镜组设置折射率相对较大的塑料透镜的变焦镜头，等等。最好是，在第三透镜组与第四透镜组设置正的玻璃非球面透镜的变焦镜头，而其第一透镜组与第二透镜组全部由玻璃球面透镜构成则更好。
根据如上所述的本发明的制造方法，在上述的本发明的变焦镜头和其他的变焦镜头(例如在第三透镜组与第四透镜组设置正的玻璃非球面透镜的传统的四透镜组结构的变焦镜头)二者一起制造的场合，第三透镜组与第四透镜组以外的部件(透镜与镜筒)的一部分或全部可以共用，因此，可以用较少的模具与设备投入制造小型化、低成本的高性能变焦镜头。例如，由于能够以低成本提供适合摄像单元的像素量的变焦镜头，可以特别有效地适应摄像机的商品构成。
上述制造方法中，所述第三透镜组的塑料非球面透镜与所述第四透镜组的塑料非球面透镜，最好满足下式给出的条件：
fw/|f3p|＜0.02
fw/|f4p|＜0.02式中：
fw为整个镜头系统广角端的焦距
f3p为第三透镜组的塑料非球面透镜的焦距
f4p为第四透镜组的塑料非球面透镜的焦距
通过弱化第三透镜组与第四透镜组中所用的塑料非球面透镜的折射率，可减少因塑料透镜的温度变化引起的折射率变动与形状变动所造成的影响，因此不易受使用环境的影响，可以制成小型化、低成本的高性能变焦镜头。
附图的简单说明
图1为本发明实施例1的变焦镜头的结构图。
图2为本发明实施例1的变焦镜头的广角端的像差示意图。
图3为本发明实施例1的变焦镜头的中间位置的像差示意图。
图4为本发明实施例1的变焦镜头的望远端的像差示意图。
图5为本发明实施例2的变焦镜头的结构图。
图6为本发明实施例2的变焦镜头的广角端的像差示意图。
图7为本发明实施例2的变焦镜头的中间位置的像差示意图。
图8为本发明实施例2的变焦镜头的望远端的像差示意图。
本发明的最佳实施例
(实施例1)
以下，参照图1～图4就本发明的实施例1进行说明。
图1为本发明实施例1的变焦镜头的结构图。如图1所示，从物侧(图面的左侧)开始本实施例的变焦镜头包括第一透镜组1、第二透镜组2、光阑S、第三透镜组3、第四透镜组4以及等价于摄像单元的玻璃盖和低通滤波器等的等价玻璃件EG。第一透镜组1由透镜L1与透镜L2粘合而成，两个透镜的整体折射率为正，它们固定在镜筒(未作图示)上。透镜L1、L2均为正折射率的玻璃球面透镜。第二透镜组2由透镜L3与两片粘合的透镜L4构成，其整体折射率为负，它们可在光轴10上移动，具有改变倍率(变焦)的能力。透镜L3、L4均为玻璃球面透镜。光阑S固定在未作图示的镜筒上。第三透镜组3由透镜L5与透镜L6构成，其整体折射率为正，固定在未作图示的镜筒上。透镜L5为正折射率的玻璃球面透镜，而透镜L6为塑料非球面透镜。第四透镜组4由透镜L7与两片粘合的透镜L8构成，其整体折射率为正，可在光轴10上移动，具有变倍或修正随物距变化产生的像面变动的能力(对焦)。透镜L7为塑料非球面透镜，而透镜L8为正折射率的玻璃球面透镜。图1中，在塑料非球面透镜上加有斜线。
以下，用表1给出实施例1的变焦镜头的具体数值。表中r1、r2、…表示各透镜面的曲率半径(但是，对于带*的非球面，则给出其基准球面的曲率半径)，d1、d2…表示各透镜的厚度或空气间隔，n1、n2…表示各透镜d线处的折射率，v1、v2…表示以d线为基准的阿贝数，后附的数字均代表从物侧开始的顺序编号。并且，f表示整个系统的焦距，F/表示光圈数。
表中，空气间隔d5、d10、d15、d20是可变的，在广角端、中间位置及望远端的各焦距f连同此时的上述可变空气间隔一起给出。
而且，塑料非球面透镜L6(r14、r15)与塑料非球面透镜L7(r16、r17)的各非球面形状由下式表达：
x＝(h2/r)/(1+(1-(K+1)h2/r2)1/2)
    +Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12
式中，x轴代表光轴方向，h表示相对于光轴的距离，r表示基准球面的曲率半径。各面的非球面系数K、A、B、C、D、E在表1中一并给出。
                          表1
           f＝3.76～73.9         F/1.63～F/3.26r1    46.666         d1      1.000     n1     1.84666    v1     23.8r2    23.849         d2      5.450     n2     1.60311    v2     60.6r3    -131.8300      d3      0.150r4    20.159         d4      3.000     n3     1.62041    v3     60.3r5    53.828         d5      可变r6    43.600         d6      0.700     n4     1.80610    v4     40.8r7    6.300          d7      2.529r8    -8.332         d8      0.700     n5     1.72916    v5     54.7r9    6.609          d9      2.400     n6     1.80518    v6     25.4r10   -23125.990     d10     可变r11   光阑           d11     0.85r12   7.738          d12     2.900     n7     1.48749    v7     70.2r13   24.598         d13     0.511r14*   15.888       d14     1.500    n8      1.49176    v8      56.7r15*   15.830       d15     可变r16*   30.888       d16     1.500    n9      1.49176    v9      56.7r17*   29.841       d17     0.100r18    10.967       d18     0.700    n10     1.84666    v10     23.8r19    5.498        d19     3.100    n11     1.69680    v11     55.6r20    -35.300      d20     可变r21    ∞           d21     4.000    n12     1.51633    v12     64.2r22    ∞可变间隔
f          d5           d10          d15          d20
3.76       0.698        20.883       8.803        4.000
28.2       16.462       5.118        3.297        9.506
73.9       20.567       1.014        10.003       2.800第14面非球面系数K        -6.710A        -3.26041×10-3B        1.09851×10-4C        7.77231×10-6D        -2.88541×10-7E        3.83953×10-9第15面非球面系数K        5.287A        2.88796×10-3B        3.23289×10-4C        2.08666×10-7D        2.89656×10-7E        -6.82847×10-9第16面非球面系数K        -7.144A        0.0B        0.0C        0.0D        0.0E        0.0第17面非球面系数K        -4.300A        8.96200×10-3B        1.93390×10-6C        2.16390×10-6D        1.35340×10-8E        -7.60800×10-10
还有，本实施例中，塑料非球面透镜的折射率，如下式规定：
fw/|f3p|＝0.003
fw/|f4p|＝0.001
式中：fw为整个镜头系统广角端的焦距，f3p为第三透镜组3的塑料非球面透镜L6的焦距，f4p为第四透镜组4的塑料非球面透镜L7的焦距。
图2至图4示出了本变焦镜头在广角端、中间、望远端的像差图。在图2至图4中，以f表示整个镜头系统的焦距，F/表示光圈数，以2ω表示视场角。在图2至图4的球面像差图中，F表示F线，C表示C线。并且，在像散图中，S表示弧矢像面，M表示子午像面。
从该像差图可知，通过本实施例这样的玻璃球面透镜与塑料非球面透镜的组合，可以减小像差，获得良好的光学性能。
本实施例的变焦镜头，例如可以共用上述的传统的四透镜组结构的玻璃变焦镜头中的第一与第二透镜组与镜筒，而只将第三与第四透镜组换成本实施例的结构，因此可以用同样的制造设备来制造两种以上的变焦镜头，有可能实现低成本化。并且，由于可以容易地根据摄像机的摄像单元的像素量等的变化，适当选择组合的变焦镜头，就能够以较少的设备投入实现多品种的商品构成。
(实施例2)
图5为本发明实施例2的变焦镜头的结构图。本实施例的变焦镜头与实施例1的变焦镜头的不同之处在于：第四透镜组4的塑料非球面透镜L7被设置在玻璃球面粘合透镜L8的像面侧。其他结构跟实施例1的相同，因与图1中功能相同的构件均采用相同的符号，说明从略。
以下，实施例2的变焦镜头的具体数值在表2中给出。表2中使用的各种符号的意义同表1。
                          表2
           f＝3.76～73.4        F/1.66～F/3.24r1    45.883       d1      1.000      n1      1.84666      v1    23.8r2    23.833       d2      5.450      n2      1.60311      v2    60.6r3    -135.640     d3      0.150r4    20.326       d4      3.000      n3      1.62041      v3    60.3r5    53.370       d5      可变r6     31.633    d6      0.700    n4      1.80610    v4     40.8r7     6.307     d7      2.529r8     -8.099    d8      0.70     n5      1.72916    v5     54.7r9     6.455     d9      2.40     n6      1.80518    v6     25.4r10    193.733   d10     可变r11    光阑      d11     0.85r12    8.287     d12     2.900    n7      1.48749    v7     70.2r13    34.473    d13     0.548r14*   17.477    d14     1.50     n8      1.49176    v8     56.7r15*   17.412    d15     可变r16    10.207    d16     0.700    n9      1.84666    v9     23.8r17    5.407     d17     3.10     n10     1.69680    v10    55.6r18    -56.378   d18     0.100r19*   -30.888   d19     1.50     n11     1.49176    v11    56.7r20*   -29.841   d20     可变r21    ∞        d21     4.00     n12     1.51633    v12    64.2r22    ∞可变间隔
f           d5           D10         d15          d20
3.76        0.700        20.881      8.809        4.000
28.2        16.335       5.246       3.242        9.567
73.4        20.558       1.023       10.009       2.800第14面非球面系数K      -7.366A      -4.36433×10-3B      -9.69352×10-5C      4.60273×10-6D      1.55699×10-7E      2.08018×10-9第15面非球面系数K      3.300A      6.08972×10-3B      4.14075×10-5C      3.19769×10-5D      -7.90882×10-7E      7.77467×10-9第19面非球面系数K      5.019A      0.0B      0.0C      0.0D      0.0E      0.0第20面非球面系数K      -10.054A      1.19933×10-2B      1.24795×10-3C      -2.47896×10-4D      1.63710×10-5E      -3.76317×10-7
还有，本实施例中，塑料非球面透镜的折射率，由下式规定：
fw/|f3p|＝0.003
fw/|f4p|＝0.001
图6至图8示出了本变焦镜头在广角端、中间、望远端的像差图。图中所用符号的意义跟图2至图4中的相同。
跟实施例1一样，采用本实施例的变焦镜头可以减小像差，获得良好的光学性能。
并且，跟实施例1一样，本实施例的变焦镜头，例如可以共用上述的传统的四透镜组结构的玻璃变焦镜头的构件，因此可以共用制造设备，实现低成本化及多品种的商品构成。
以上给出的实施例均只是为了阐明本发明的技术内容，对本发明的理解并不受上述实施例的限制。例如，在实施例中，就塑料透镜的材料而言，就可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(例如三菱人造丝株式会社制造的“クアリペツト”、住友化学工业株式会社制造的“スミペツクス”)，此外还可用聚碳酸酯树脂(PC)(例如帝人化成株式会社制造的“パンライト”、三菱工程塑料株式会社制造的“ユ-ピロン”)，环烯烃聚合物(例如日本ゼオン株式会社制造的“ZEONEX”、JSR株式会社制造的“ARTON”、三井化学株式会社制造的“アペル”)，苯乙烯类树脂(例如新日铁化学株式会社制造的“エスチレンMS”)，聚苯乙烯树脂(PS)(例如大日本油墨化学工业株式会社制造的“デイツクスチレン”)，以及低吸湿丙烯酸类树脂(例如日立化成工业株式会社制造的“OPTOREZ”、三菱人造丝株式会社制造的“アクリペツトWF100”等。
例如，采用聚碳酸酯树脂(PC)，与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)相比，就可以改善因耐热性与吸湿性导致的形状改变。
例如，采用环烯烃聚合物，便可不使色散恶化地大幅度改善耐热性和因吸湿造成的变形。
例如，采用苯乙烯类树脂与聚苯乙烯树脂(PS)，就可降低制造成本。
例如，采用低吸湿丙烯酸类树脂，就可以改善因吸湿性导致的形状改变。
并且，采用聚碳酸酯树脂的场合，为了改善镜头窗口附近的应力变形，最好使透镜的外径充分地大于透镜的有效直径。
当然，对于第三透镜组的塑料透镜与第四透镜组的塑料透镜，采用同样的材料或不同的材料均可。
又，文中的说明以在第一透镜组与第二透镜组中采用玻璃球面透镜为例，但是在第一透镜组与/或第二透镜组中也可以采用非球面透镜。在第一透镜组与/或第二透镜组中采用非球面透镜，可取得修正畸变像差等效果。
如上，在本发明的精神与权利要求的范围内，可以对本发明作各种各样的变更，对于本发明应该从广义上理解。变焦镜头。

Claims (5)

1.一种变焦镜头，从物侧开始依次设有：
正折射率的固定的第一透镜组；
负折射率的因光轴上可调而具变倍能力的第二透镜组；
正折射率的固定的第三透镜组；以及
正折射率的因光轴上可调而具变倍或修正随物距变化的像面变动之能力的第四透镜组；
其特征在于：所述第三透镜组和所述第四透镜组，均包括正的玻璃球面透镜和塑料非球面透镜。
2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于所述第三透镜组的塑料非球面透镜和第四透镜组的塑料非球面透镜，均满足如下条件式：
fw/|f3p|＜0.02
fw/|f4p|＜0.02式中，
fw为整个镜头系统广角端的焦距，
f3p为第三透镜组的塑料非球面透镜的焦距，
f4p为第四透镜组的塑料非球面透镜的焦距。
3.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜组具有从物侧开始依次由正的玻璃球面透镜和塑料非球面透镜构成的分离双透镜(2群2枚)结构。
4.一种变焦镜头的制造方法，其特征在于：在从物侧开始依次设有正折射率的固定的第一透镜组、负折射率的因光轴上可调而具变倍能力的第二透镜组、正折射率的固定的第三透镜组以及正折射率的因光轴上可调而具变倍或修正随物距变化的像面变动之能力的第四透镜组的变焦镜头中，至少利用其一个以上的透镜或镜筒；而所述第三透镜组与所述第四透镜组均由正的玻璃球面透镜与塑料非球面透镜构成。
5.如权利要求4所述的变焦镜头的制造方法，其特征在于：所述第三透镜组的塑料非球面透镜和第四透镜组的塑料非球面透镜，均满足如下条件式：
fw/|f3p|＜0.02
fw/|f4p|＜0.02式中，
fw为整个镜头系统广角端的焦距，
f3p为第三透镜组的塑料非球面透镜的焦距，
f4p为第四透镜组的塑料非球面透镜的焦距。
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