TWI381188B

TWI381188B - 變焦鏡頭

Info

Publication number: TWI381188B
Application number: TW097117742A
Authority: TW
Inventors: Yu Min Chang
Original assignee: Asia Optical Co Inc
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2013-01-01
Also published as: US20090284842A1; US7796345B2; TW200946952A

Description

變焦鏡頭

本發明是有關於一種變焦鏡頭，尤其係指一種應用於相機之數位式或非數位式之實像(Real Image)取像裝置的變焦鏡頭，具有全長短、小型化、高解像的優點。

近年來，隨著照相、攝影等光學技術與數位電子技術的快速整合，照相手機、小型數位相機及小型家用攝影機等電子裝置皆配備有用以進行攝影的變焦鏡頭。此種變焦鏡頭皆要求符合小型化及輕量化，並要滿足高變焦倍率(Zoom Ratio)及高解像力(High Resolution)之要求。通常，高變焦倍率鏡頭係以多群透鏡組、多枚透鏡，較長的鏡頭長度型式來達成，並加入特殊低色散透鏡及非球面透鏡來達成高解像力之要求。

隨著技術的進步，非球面透鏡己經可以大量地應用於攝影鏡頭中。採用非球面透鏡除可校正球面透鏡產生的球面像差問題外，並可運用一枚非球面透鏡來取代數枚球面透鏡，以達到降低成本與產品輕量化的需求。在變焦鏡頭中，在謀求整個鏡頭系統小型化的同時，為獲得所期望的變焦倍率，得到整個變焦範圍良好的光學特性，還需要適當設定各透鏡組中之透鏡構成。習用的攝影變焦鏡頭大多為採用非球面透鏡的負、正、正三群(組)結構，但是在三群透鏡結構變焦鏡頭中，因為主要變倍系是以其中的二群為主，而二群所需的移動量較大，同時隨變倍率增加，成像特性會變化過大，故目前已發展出四群透鏡結構的變焦鏡頭，藉由增加透鏡之數量，來克服三群結構的缺陷。然而習用的四群結構變焦鏡頭若要透過三群變焦來達到五倍至六倍的變焦倍率以及高解像力的話，則必須要有較長的空間，另一方面，若是要採用四群變焦，則又需要考慮透鏡數量及成本的問題。再者，無論是三群變焦或是四群變焦，習用的四群結構變焦鏡頭中各透鏡群組的外徑通常較大，收納時需要較大的收納空間且收納全長較長。

在變焦鏡頭的設計中，直接而又有效的小型化方式是將變焦時各透鏡組之移動量變小，以縮短整個鏡頭的長度。惟採用此方式通常會提高鏡頭加工的精度與難度，同時亦難以獲得良好的像差修正。因此，對於變焦攝影鏡頭(也包括投影鏡頭)來說，如何做到既滿足高變焦倍率及高解像力的光學性能要求，同時又盡可能地簡化光學系統的構成而達成小型化、輕量化設計，使鏡頭收納後的體積縮小，這確是變焦鏡頭設計領域中令設計者頭痛的一個難題。

本發明即是針對於前述困擾，提出改良，以提供收納全長短、小型化且滿足高變焦倍率及高解像力的五群結構變焦鏡頭。

因此，本發明之目的即在於提供一種變焦鏡頭，其係使用屈光率分別為正、負、正、正、正之五群透鏡組，可滿足高變焦倍率及高解像力的光學性能要求，並可縮短鏡頭全長及縮小鏡頭體積。

依據本發明之目的而提供之變焦鏡頭，從物方側至像方側於光軸上依序包含有正屈光率之第一透鏡組、負屈光率之第二透鏡組、正屈光率之第三透鏡組、正屈光率之第四透鏡組及正屈光率之第五透鏡組。當變焦鏡頭由廣角端(Wide－Angle End)至望遠端(Telephoto End)變焦(Zooming)時，第一透鏡組、第三透鏡組及第四透鏡組向物方側移動，第二透鏡組向像方側移動。此變焦鏡頭滿足以下條件：其中，MG2為第二透鏡組於變焦時從廣角端至望遠端的移動量，Y為成像面的最大對角長，f2為第二透鏡組的焦距。

第五透鏡組於對焦(Focusing)時移動，以補償變焦後造成的成像面移動。

本發明變焦鏡頭的第二透鏡組包含有至少一非球面，其從物方至像方於光軸上依序包含一新月形凹透鏡與一複合透鏡，該複合透鏡由一雙凸透鏡與一新月形凹透鏡接合而成。

本發明變焦鏡頭還滿足以下條件：其中，MG1為第一透鏡組於變焦時從廣角端至望遠端的移動量，fW為變焦鏡頭作為一整體於廣角端之焦距，fT為變焦鏡頭作為一整體於望遠端之焦距，Y為成像面的最大對角長。

本發明變焦鏡頭的第一透鏡組從物方至像方於光軸上依序包含一新月形凹透鏡與一新月形凸透鏡。

本發明變焦鏡頭另滿足以下條件：其中，f3為第三透鏡組的焦距，f4為第四透鏡組的焦距，fW為變焦鏡頭作為一整體於廣角端之焦距，fT為變焦鏡頭作為一整體於望遠端之焦距。

本發明變焦鏡頭的第三透鏡組從物方至像方於光軸上依序包含一雙凸透鏡與一新月形凹透鏡，該雙凸透鏡與該新月形凹透鏡係接合成一體。

本發明變焦鏡頭的第四透鏡組為補正系，主要功能為改善球面像差與彗星像差，其從物方至像方於光軸上依序包含一雙凸透鏡與一複合透鏡，其中該雙凸透鏡包含至少一非球面，該複合透鏡由一雙凸透鏡與一雙凹透鏡接合而成。

本發明變焦鏡頭的第五透鏡組於對焦時作動，向物方移動，接近第四透鏡組，使第四透鏡組與第五透鏡組之間的間距變小。第五透鏡組的另一項功能在於亦可兼作補正系使用，與第三透鏡組、第四透鏡組同時移動進行變焦後，其後並可再單獨移動進行對焦。第五透鏡組由一雙凸透鏡構成。

本發明變焦鏡頭的第二透鏡組與第三透鏡組之間更包含有一光闌，其隨第三透鏡組於變焦時移動。

本發明變焦鏡頭採用屈光率分別為正、負、正、正、正之五群透鏡組為架構，變焦時第一透鏡組、第三透鏡組與第四透鏡組向物方移動，第二透鏡組則向像方移動，第五透鏡組則於對焦時移動。本發明變焦鏡頭透過四群透鏡組的變焦以及非球面透鏡的採用可達到五倍至六倍的變焦倍率以及高解像力。於變焦作動時，第二透鏡組的移動量相對較小，可有效縮小第二透鏡組的外徑，增加收納時鏡頭體積小型化的機構設計可能性，有效將鏡頭小型化。本發明變焦鏡頭的架構可同時縮小第二、第三及第四透鏡組的外徑，減少鏡頭收納空間，從而可獲得收納全長短、外徑小的一短小型五倍至六倍廣角變焦鏡頭。再有，本發明變焦鏡頭僅有11枚透鏡構成，因此鏡頭總長較短，生產成本亦較低。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。

本發明之變焦鏡頭可以應用於影像擷取裝置或攝影裝置，用來將目標物成像於一影像感測元件(CCD或CMOS)，其基本結構顯示於第1A圖及第1B圖中，其中編號13代表此變焦鏡頭的光軸，編號12代表成像面，“OBJ”代表物方或物端，“IMA”代表像方或成像端，字母“W”代表廣角端(Wide－Angle End)，“M”代表中間角度端(Medium－Angle End)，“T”則代表望遠端(Telephoto End)。

本發明變焦鏡頭從物方“OBJ”至像方“IMA”於光軸13上依序包含正屈光率的第一透鏡組G1、負屈光率的第二透鏡組G2、光闌及快門ST、正屈光率的第三透鏡組G3、正屈光率的第四透鏡組G4、正屈光率的第五透鏡組G5，以及示意性地代表攝影單元的玻璃蓋和低通濾波器等元件的玻璃件EG。

第一透鏡組G1從物方“OBJ”至像方“IMA”於光軸13上依序包含一負屈光率的新月形凹透鏡L1與一正屈光率的新月形凸透鏡L2。第二透鏡組G2 包含有至少一非球面，其從物方“OBJ”至像方“IMA”於光軸13上依序包含一負屈光率的新月形凹透鏡L3與一複合透鏡，該複合透鏡由一正屈光率的雙凸透鏡L4與一負屈光率的新月形凹透鏡L5接合而成。第三透鏡組G3從物方“OBJ”至像方“IMA”於光軸13上依序包含一雙凸透鏡L6與一新月形凹透鏡L7，該雙凸透鏡L6與該新月形凹透鏡L7係接合成一體。第四透鏡組G4為補正系，主要功能為改善球面像差與彗星像差，其從物方“OBJ”至像方“IMA”於光軸13上依序包含一正屈光率的雙凸透鏡L8與一複合透鏡，其中該雙凸透鏡L8包含有至少一非球面，該複合透鏡由一正屈光率的雙凸透鏡L9與一負屈光率的雙凹透鏡L10接合而成。第五透鏡組G5係由一枚正屈光率的雙凸透鏡L11構成。本發明變焦鏡頭的各組成透鏡可皆由玻璃製成，部分透鏡如非球面透鏡L3、L8亦可由塑膠製成。

當本發明變焦鏡頭由廣角端“W”至望遠端“T”變焦(Zooming)時，如第1A圖及第1B圖所示，第一透鏡組G1、第三透鏡組G3與第四透鏡組G4向物方“OBJ”移動，第二透鏡組G2則向像方“IMA”移動，使第一透鏡組G1與第二透鏡組G2之間的間距D4增大，第二透鏡組G2與第三透鏡組G3之間的間距D9縮小，而第四透鏡組G4與第五透鏡組G5之間的間距D18增大。焦點距離變化時，光闌ST隨第三透鏡組G3一起移動。

而於近距離對焦(Focusing)時，本發明變焦鏡頭的第五透鏡組G5進行作動，向物方“OBJ”移動，接近第四透鏡組L4，使第四透鏡組G4與第五透鏡組G5之間的間距D18縮小。第五透鏡組G5於對焦時的作動，可補償變焦後造成的成像面移動。第五透鏡組G5的另一項功能在於亦可兼作補正系使用，與第三透鏡組G3、第四透鏡組G4同時移動進行變焦後，其後並可再單獨移動進行對焦。

本發明變焦鏡頭的第一透鏡組G1於變焦時的移動量為MG1，其滿足以下條件式(1)：其中，MG1為第一透鏡組G1於變焦時從廣角端“W”至望遠端“T”的移動量，fW為變焦鏡頭作為一整體於廣角端“W”之焦距，fT為變焦鏡頭作為一整體於望遠端“T”之焦距，Y為成像面12的最大對角長。

本發明變焦鏡頭的第二透鏡組G2於變焦時的移動量MG2相對較小，其滿足以下條件式(2)：其中，MG2為第二透鏡組G2於變焦時從廣角端“W”至望遠端“T”的移動量，Y為成像面12的最大對角長，f2為第二透鏡組G2的焦距。

本發明變焦鏡頭另滿足以下條件式(3)：其中，f3為第三透鏡組G3的焦距，f4為第四透鏡組G4的焦距，fW及fT定義如前，分別為此變焦鏡頭作為一整體於廣角端“W”及望遠端“T”之焦距。

本發明變焦鏡頭的5群透鏡組共包含11枚透鏡，其中至少2枚為非球面透鏡，用以使本發明變焦鏡頭具有較佳的像差矯正。具體而言，在一較佳的實施例中，第二透鏡組G2的新月形凹透鏡L3與L5，以及第四透鏡組G4的雙凸透鏡L8皆為非球面透鏡，每一非球面透鏡皆包含有至少一非球面，該等非球面之形狀可以下式表達：其中DD代表非球面透鏡在離透鏡中心軸的相對高度H時的矢(Sag)量，C表示頂點曲率，H表示非球面透鏡在離透鏡中心軸的相對高度，K表示非球面

透鏡的圓錐常數(Conic Constant)，而E₄ 、E₆ 、E₈ 、E₁₀ 、E₁₂ 及E₁₄ 分別為四階、六階、八階、十階、十二階及十四階的非球面修正係數。

以下將以一具體數值實施例來對本發明之變焦鏡頭進行進一步詳細說明：請同時參閱第2A圖至第2C圖、第3A圖至第3C圖、第4A圖至第4C圖、第5A圖至第5C圖及第6A圖至第6I圖，其中第2A圖至第2C圖所示為本發明具體數值實施例之變焦鏡頭分別位於廣角端“W”、中間角度端“M”及望遠端“T”之場曲(Field Curvature)；第3A圖至第3C圖所示為相應之歪曲像差(Distortion)；第4A圖至第4C圖所示為相應之倍率色像差或橫向色差(Lateral Color)；第5A圖至第5C圖所示為相應之縱向球差(Longitudinal Spherical Aberration)；而第6A圖至第6I圖所示則為相應之慧星像差(Coma Aberration)或垂軸像差(Transverse Ray Fan Plot)。由該些像差表現圖可知，本發明變焦鏡頭的透鏡結構可有效修正像差而獲得較佳的光學品質。

表一中列出了本發明具體數值實施例之變焦鏡頭各光學元件的具體數值。其中，R代表曲率半徑，D表示厚度或相鄰元件間的空氣間隔，Nd表示d線處的折射率，Vd表示以d線為基準的亞伯數。各光學元件的表面序號係從物方“OBJ”開始順序編號(請配合第1A圖及第1B圖中所示之光學元件)。

表二所示為本發明具體數值實施例之變焦鏡頭的非球面表面的相關參數。在表二中，如前述，K為非球面透鏡的圓錐常數，而E4、E6、E8、E10及E12則分別為四階、六階、八階、十階及十二階的非球面修正係數。由表二可知，本發明具體數值實施例之變焦鏡頭共包含三個非球面。詳細而言，第二透鏡組G2的新月形凹透鏡L3的物方表面S5為非球面，第二透鏡組G2的新月形凹透鏡L5的像方表面S9為非球面，以及第四透鏡組G4的雙凸透鏡L8的物方表面S14亦為非球面。

表三所示為本發明具體數值實施例之變焦鏡頭分別位於廣角端“W”、中間角度端“M”和望遠端“T”時，第一透鏡組G1與第二透鏡組G2之間的距離(D4)、第二透鏡組G2與第三透鏡組G3之間的距離(D9)、第三透鏡組G3與第四透鏡組G4之間的距離(D13)、第四透鏡組G4與第五透鏡組G5之間的距離(D18)，以及玻璃件EG與成像面12之間的距離(D22)，其中D4是定義為自第一透鏡組G1最靠近成像面12的表面S4至第二透鏡組G2最靠近物體側的表面S5之間的沿光軸13方向的距離；D9定義為自第二透鏡組G2最靠近成像面12的表面S9至第三透鏡組G3最靠近物體側的表面S10之間的沿光軸13方向的距離；D13定義為自第三透鏡組G3最靠近成像面12的表面S13至第四透鏡組G4最靠近物體側的表面S14之間的沿光軸13方向的距離；D18定義為自第四透鏡組G4最靠近成像面12的表面S18至與第五透鏡組G5最靠近物體側的表面S19之間的沿光軸13方向的距離；D22定義為自玻璃件EG最靠近成像面12的表面S22至成像面12之間的沿光軸13方向的距離；Y為成像面12的最大對角長；f代表本發明變焦鏡頭分別位於廣角端“W”、中間角度端“M”及望遠端“T”時的焦距。

表四所示為本發明具體數值實施例之變焦鏡頭各參數的數值，其中各參數的定義如前，即fW為本發明變焦鏡頭作為一整體於廣角端“W”之焦距，fT為本發明變焦鏡頭作為一整體於望遠端“T”之焦距，f1為第一透鏡組G1的焦距，f2為第二透鏡組G2的焦距，f3為第三透鏡組G3的焦距，f4為第四透鏡組G4的焦距，f5為第五透鏡組G5的焦距，MG1為第一透鏡組G1於變焦時從廣角端“W”至望遠端“T”的移動量，MG2為第二透鏡組G2於變焦時從廣角端“W”至望遠端“T”的移動量，Y為成像面12的最大對角長。由表四可得，本發明具體數值實施例中，條件式(1)的數值為0.667，條件式(2)的數值為0.034，條件式(3)的數值為2.436，皆在各條件式所要求之數值範圍內。

綜上所述，本發明變焦鏡頭採用正、負、正、正、正之五群透鏡組為架構，變焦時第一透鏡組、第三透鏡組與第四透鏡組向物方移動，第二透鏡組則向像方移動，第五透鏡組則於對焦時移動。本發明變焦鏡頭透過四群透鏡組的變焦以及非球面透鏡的採用可達到五倍至六倍的變焦倍率以及高解像力。於變焦作動時，第二透鏡組的移動量相對較小，可有效縮小第二透鏡組的外徑，增加收納時鏡頭體積小型化的機構設計可能性，有效將鏡頭小型化。本發明變焦鏡頭的架構可同時縮小第二、第三及第四透鏡組的外徑，減少鏡頭收納空間，從而可獲得收納全長短、外徑小的一短小型五倍至六倍廣角變焦鏡頭。再有，本發明變焦鏡頭僅有11枚透鏡構成，因此鏡頭總長較短，生產成本亦較低。

惟以上所述者，僅為本發明之具體實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

G1‧‧‧第一透鏡組

G2‧‧‧第二透鏡組

G3‧‧‧第三透鏡組

G4‧‧‧第四透鏡組

G5‧‧‧第五透鏡組

L1‧‧‧新月形凹透鏡

L2‧‧‧新月形凸透鏡

L3‧‧‧新月形凹透鏡

L4‧‧‧雙凸透鏡

L5‧‧‧新月形凹透鏡

L6‧‧‧雙凸透鏡

L7‧‧‧新月形凹透鏡

L8‧‧‧雙凸透鏡

L9‧‧‧雙凸透鏡

L10‧‧‧雙凹透鏡

L11‧‧‧雙凸透鏡

EG‧‧‧玻璃件

13‧‧‧光軸

ST‧‧‧光闌

12‧‧‧成像面

S1~S22‧‧‧透鏡表面

OBJ‧‧‧物方

IMA‧‧‧像方

W‧‧‧廣角端

M‧‧‧中間角度端

T‧‧‧望遠端

第1A圖及第1B圖是本發明變焦鏡頭之結構示意圖，分別顯示出本發明變焦鏡頭位於廣角端(W)及望遠端(T)時的透鏡組間的位置關係，其中的箭號代表本發明變焦鏡頭自廣角端移動至望遠端時，各透鏡組的移動方向。

第2A圖至第2C圖係本發明具體數值實施例之變焦鏡頭分別位於廣角端、中間角度端及望遠端之場曲示意圖。

第3A圖至第3C圖係本發明具體數值實施例之變焦鏡頭分別位於廣角端、中間角度端及望遠端之歪曲像差示意圖。

第4A圖至第4C圖係本發明具體數值實施例之變焦鏡頭分別位於廣角端、中間角度端及望遠端之倍率色像差示意圖。

第5A圖至第5C圖係本發明具體數值實施例之變焦鏡頭分別位於廣角端、中間角度端及望遠端之縱向球差示意圖。

第6A圖至第6C圖係本發明具體數值實施例之變焦鏡頭位於廣角端之慧星像差示意圖。

第6D圖至第6F圖係本發明具體數值實施例之變焦鏡頭位於中間角度端之慧星像差示意圖。

第6G圖至第6I圖係本發明具體數值實施例之變焦鏡頭位於望遠端之慧星像差示意圖。