TWI444654B

TWI444654B - 變焦鏡頭

Info

Publication number: TWI444654B
Application number: TW100119682A
Authority: TW
Inventors: Hsiang Ho Chou
Original assignee: Ability Entpr Co Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2014-07-11
Also published as: TW201250286A; US20120307378A1; US9279967B2

Description

變焦鏡頭

本發明係有關一種變焦鏡頭，特別是有關於一種輕薄化、成本低、高放大倍率且成像品質佳的變焦鏡頭。

影像擷取裝置，例如數位相機或數位攝影機，通常藉由鏡頭模組和影像感測器擷取待攝物的影像，其中鏡頭模組使來自待攝物的光束產生折射並聚集在影像感測器上，接著影像感測器將類比的光訊號轉換為數位電子訊號，以便進行後續的影像處理、儲存及傳輸。

影像擷取裝置的鏡頭模組，通常是由三到六個透鏡群(lens group)所組成，且通常透鏡群數愈少，鏡頭模組的成本愈低、尺寸愈小。然而，低透鏡群數的鏡頭模組，可能無法兼顧到高放大倍率的要求。

有鑑於此，有需要提出一種新的變焦鏡頭，可同時滿足低成本、輕薄化、高放大倍率，及高成像品質的要求。

本發明實施例的目的之一在於提出一種變焦鏡頭，在降低製造成本的前提下，同時實現輕薄化、高放大倍率、高成像品質的變焦鏡頭。

根據上述目的，本發明實施例提供一種變焦鏡頭，自物側至像側依序包含一具有負屈光度的第一透鏡群、一具有正屈光度的第二透鏡群，以及一具有正屈光度的第三透鏡群。該第二透鏡群包含複數個透鏡，其中最靠近像側之透鏡的折射率為NDi，最靠近物側之透鏡的折射率為NDo，且NDi與NDo滿足：NDi-NDo>0。藉此，本發明的變焦鏡頭，能在降低成本、輕薄化的條件下，產生比習知變焦鏡頭更高的放大倍率與更優質的影像品質。

以下將詳述本案的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際的尺寸或數量，除非有特別說明。

為達到輕薄化、成本低、高放大倍率、高成像品質的要求，本發明實施例提供一種變焦鏡頭，其自物側至像側依序包含一具有負屈光度的第一透鏡群、一具有正屈光度的第二透鏡群，以及一具有正屈光度的第三透鏡群。每個透鏡群各包含至少一個透鏡，且該第一透鏡群及該第二透鏡群於一光軸上相對移動，以決定該變焦鏡頭的一放大倍率。

此外，該第二透鏡群包含複數個透鏡，其中最靠近像側之透鏡的折射率為NDi，最靠近物側之透鏡的折射率為NDo，且NDi與NDo滿足以下條件：NDi-NDo>0。

此外，較佳地，該第一透鏡群包含複數個透鏡，且最靠近物側之透鏡，其於靠近物側的表面具有負屈光度。

此外，較佳地，該第二透鏡群的複數個透鏡中，最靠近物側之透鏡的阿貝數(Abbe number)為VDo，最靠近像側之透鏡的阿貝數為VDi，且VDo與VDi滿足以下條件：VDo-VDi>29。

此外，該放大倍率具有一最大值ft/fw，其中ft為該變焦鏡頭於望遠端之焦距，fw為該變焦鏡頭於廣角端之焦距fw，且ft/fw滿足下列條件：4.0<ft/fw<7.0；較佳地，該變焦鏡頭更滿足5.0<ft/fw<7.0。

此外，較佳地，該變焦鏡頭還滿足：1.0<|fG1/fG2|，其中，fG1為該第一透鏡群之焦距，fG2為該第二透鏡群之焦距。

此外，當變焦鏡頭需要改變其整體焦距，各透鏡群會沿著光軸移動，以調整放大倍率、改變整體焦距。具體而言，當變焦鏡頭由廣角端至望遠端改變倍率時，第一透鏡群及第二透鏡群均朝物側方向移動，其中第一透鏡群是先朝像側偏移、再朝物側方向移動，而第二透鏡群則是等速地朝物側方向移動。此外，第三透鏡也會沿者光軸微幅移動，以補償焦距偏移(shift)。

此外，每個透鏡群各包含至少一非球面透鏡或一自由曲面透鏡，其材質可以是塑膠或玻璃；其中，塑膠材質可包含，但不限制於，聚碳酸脂(polycarbonate)、環烯烴共聚物，例如是APEL，以及聚酯樹脂，例如OKP4或OKP4HT等。具體而言，玻璃透鏡是以光學級的玻璃為材料，利用研磨拋光或玻璃模造製程(glass molding process，GMP)製成，而塑膠透鏡可以是利用聚合物射出成型製成。此外，每一自由曲面透鏡具有至少一連續光滑曲面，而每一非球面透鏡具有至少一非球面表面，且該非球面表面滿足下列數學式：其中Z為在光軸OA方向的座標值，以光傳輸方向為正方向，A₄ 、A₆ 、A₈ 、A₁₀ 及A₁₂ 為非球面係數，K為二次曲面常數，C=1/R，R為曲率半徑，Y為正交於光軸方向的座標值，以上方為正方向。此外，每一非球面透鏡的非球面數學式的各項參數或係數的值可分別設定，以決定各非球面透鏡的焦距。

本發明實施例的變焦鏡頭，可應用於具有影像投影或擷取功能的一裝置上，例如，數位相機、數位攝影機、手機，或投影機。

以下以三個實施例說明本發明的變焦鏡頭。

第一圖顯示本發明第一實施例的變焦鏡頭ZL在望遠端(tele)及廣角端(wide)時各透鏡的位置。在本實施例中，變焦鏡頭ZL主要包含，自物側至像側，具有負屈光度的第一透鏡群G1、具有正屈光度的第二透鏡群G2、具有正屈光度的第三透鏡群G3。此三個透鏡群沿著光軸OA設置，且於像側具有成像面I。此外，變焦鏡頭ZL可包含光闌S及濾光片F。光闌S設置於第一透鏡群G1及第二透鏡群G2之間，用以限制通過第一透鏡群G1的光束進入第二透鏡群G2的光通量；濾光片F設置於第三透鏡群G3及成像面I之間，用以濾除光束中的不可見光，其中濾光片F可以是一紅外線濾光片。此外，成像面I上可以設置一具有光電轉換功能的影像擷取單元，以接收穿透過濾光片F的光束。

於本實施例，依序自物側至像側，第一透鏡群G1包含具有負屈光度的第一透鏡L11、具有正屈光度的第二透鏡L12；第二透鏡群G2包含具有正屈光度的第一透鏡L21、具有正屈光度的第三透鏡L23、具有負屈光度的第二透鏡L22；第三透鏡群G3包含具有正屈光度的第一透鏡L31。本發明的變焦鏡頭ZL不限定於上述結構。

另外，第一透鏡群G1之第二透鏡L12、第二透鏡群G2之第一透鏡L21與第二透鏡L22，以及第三透鏡群G3之第一透鏡L31，可採用兩表面均為非球面的非球面透鏡或兩表面均為自由曲面的自由曲面透鏡，或一表面為非球面另一表面為自由曲面的透鏡，其餘透鏡可採用兩面均為球面的玻璃透鏡或塑膠透鏡。於本實施例，第二透鏡L12、第二透鏡L22、第一透鏡L31為塑膠透鏡，而其餘透鏡均為玻璃透鏡，且實作上，第一透鏡L21係以模造製程所成型的玻璃透鏡。

表一列出根據第一實施例變焦鏡頭的詳細資料，其包含各透鏡的曲率半徑、厚度、折射率、阿貝數等。其中鏡片的表面代號是從物側至像側依序編排，例如：「S1」代表第一透鏡L11朝物側的表面，「S2」代表第一透鏡L11朝像側的表面、「S3」代表第二透鏡L12朝物側的表面、「S」代表光闌表面等等。

另外，「厚度」代表該表面與相鄰於像側一表面的距離，例如，表面S1的「厚度」為表面S1與表面S2的距離，表面S2的「厚度」為表面S2與表面S3的距離。若厚度值標示為「D1」「D2」「D3」，表示兩表面的距離依照廣角端與望遠端而有所不同，其距離如表二所示。

另外，表三列示如表一實例分別於廣角端及望遠端的焦距f、光圈值FNO、視角半角ω(half angle view)、像高Y及總鏡頭長度TL。

另外，於表一中，表面代號「S3」「S4」「S5」「S6」「S09」「S10」「S11」「S12」的表面為非球面，其非球面數學式中的各項係數如表四所示。

表四

第二A圖至第二B圖分別顯示如表一實例之變焦鏡頭，以波長587nm光束測試於廣角端與望遠端的球面像差(longitudinal spherical aberration)曲線、場曲(field curvature)曲線、畸變(distortion)曲線。其中，曲線T、S分別是變焦鏡頭對於正切光束(Tangential Rays)與弧矢光束(Sagittal Rays)的場曲值。

圖中顯示於廣角端的球面像差小於0.2mm，望遠端的球面像差小於0.2mm；廣角端的正切場曲值與弧矢場曲值均控制在(-0.2mm,0.2mm)範圍內，望遠端的正切場曲值與弧矢場曲值均控制在(-0.2mm,0.2mm)範圍內；廣角端的畸變率控制在(-20%,0%)範圍內，望遠端的畸變率控制在(-2%,2%)範圍內。

第三圖顯示本發明第二實施例的變焦鏡頭ZL在望遠端及廣角端時各透鏡的位置。如圖，本實施例與第一實施例的變焦鏡頭ZL具有大致相同的結構，不同處僅在於，本實施例的第二透鏡群G2省略了第三透鏡L23，而同樣能達到優質的光學效果，以及輕薄化、成本低、高放大倍率且成像品質佳的變焦鏡頭ZL；為求簡潔，與第一實施例相同處不再贅述。

於本實施例，第一透鏡群G1之第二透鏡L12、第二透鏡群G2之第一透鏡L21與第二透鏡L22，以及第三透鏡群G3之第一透鏡L31，可採用兩表面均為非球面的非球面透鏡或兩表面均為自由曲面的自由曲面透鏡，或一表面為非球面另一表面為自由曲面的透鏡，其餘透鏡可採用兩面均為球面的玻璃或塑膠透鏡。於本實施例，第二透鏡L12、第二透鏡L22、第一透鏡L31為塑膠透鏡，其餘透鏡均為玻璃透鏡，且實作上，第一透鏡L21係以模造製程所成型的玻璃透鏡。

表五列出根據第二實施例變焦鏡頭的詳細資料。其中表面代號的編排方式與表一相同。

另外，「厚度」代表該表面與相鄰於像側一表面的距離。若厚度值標示為「D1」「D2」「D3」，表示兩表面的距離依照廣角端與望遠端而有所不同，其距離如表六所示。

另外，表七列示如表五實例分別於廣角端及望遠端的焦距f、光圈值FNO、視角半角ω、像高Y及總鏡頭長度TL。

表七

另外，於表五中，表面代號「S3」「S4」「S5」「S6」「S07」「S08」「S09」「S10」的表面為非球面，其非球面數學式中的各項係數如表八所示。

第四A圖至第四B圖分別顯示如表五實例之變焦鏡頭，以波長587nm光束測試於廣角端與望遠端的球面像差曲線、場曲曲線、畸變曲線。其中，曲線T、S分別是變焦鏡頭對於正切光束與弧矢光束的場曲值。

圖中顯示於廣角端的球面像差小於0.2mm，望遠端的球面像差小於0.2mm；廣角端的正切場曲值與弧矢場曲值均控制在(-0.2mm,0.2mm)範圍內，望遠端的正切場曲值與弧矢場曲值均控制在(-0.2mm,0.2mm)範圍內；廣角端的畸變率控制在(-20%,0%)範圍內，望遠端的畸變率控制在(-1%,1%)範圍內。

本發明第三實施例的變焦鏡頭的結構，與第三圖所示的第二實施例相同，而差異處在於構成鏡片的特性不同；以下以實例說明不同處，相同處不再贅述。

表九列出根據第三實施例變焦鏡頭的詳細資料。其中表面代號的編排方式與表一相同。

另外，「厚度」代表該表面與相鄰於像側一表面的距離。若厚度值標示為「D1」「D2」「D3」，表示兩表面的距離依照廣角端(wide)與望遠端(tele)而有所不同，其距離如表十所示。

另外，表十一列示如表九實例分別於廣角端及望遠端的焦距f、光圈值FNO、視角半角ω、像高Y及總鏡頭長度TL。

另外，於表九中，表面代號「S3」「S4」「S5」「S6」「S07」「S08」「S09」「S10」的表面為非球面，其非球面數學式中的各項係數如表十二所示。

第五A圖至第五B圖分別顯示如表九實例之變焦鏡頭，以波長587nm光束測試於廣角端與望遠端的球面像差曲線、場曲曲線、畸變曲線。其中，曲線T、S分別是變焦鏡頭對於正切光束與弧矢光束的場曲值。

圖中顯示於廣角端的球面像差小於0.2mm，望遠端的球面像差小於0.2mm；廣角端的正切場曲值與弧矢場曲值均控制在(-0.2mm,0.2mm)範圍內，望遠端的正切場曲值與弧矢場曲值均控制在±0.2範圍內；廣角端的畸變率控制在(-20%,0%)範圍內，望遠端的畸變率控制在(-1%,1%)範圍內。

以上，本發明實施例的變焦鏡頭在廣角端與望遠端的球面像差、場曲及畸變均能獲得良好校正。並且，利用本發明實施例的變焦鏡頭，能在降低成本、小型化的條件下，產生高放大倍率與高成像品質的影像。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

ZL‧‧‧變焦鏡頭

G1‧‧‧第一透鏡群

G2‧‧‧第二透鏡群

G3‧‧‧第三透鏡群

OA‧‧‧光軸

S‧‧‧光闌

F‧‧‧濾光片

I‧‧‧成像面

L11‧‧‧第一透鏡

L12‧‧‧第二透鏡

L21‧‧‧第一透鏡

L22‧‧‧第二透鏡

L23‧‧‧第三透鏡

L31‧‧‧第一透鏡

第一圖顯示本發明第一實施例的變焦鏡頭ZL在望遠端及廣角端時各透鏡的位置。

第二A圖至第二B圖分別顯示第一實施例的變焦鏡頭，以波長587nm光束測試於廣角端與望遠端的球面像差曲線、場曲曲線、畸變曲線。

第三圖顯示本發明第二與第三實施例的變焦鏡頭ZL在望遠端及廣角端時各透鏡的位置。

第四A圖至第四B圖分別顯示第二實施例的變焦鏡頭，以波長587nm光束測試於廣角端與望遠端的球面像差曲線、場曲曲線、畸變曲線。

第五A圖至第五B圖分別顯示第三實施例的變焦鏡頭，以波長587nm光束測試於廣角端與望遠端的球面像差曲線、場曲曲線、畸變曲線。