TWI457633B

TWI457633B - 變焦鏡頭

Info

Publication number: TWI457633B
Application number: TW100114039A
Authority: TW
Inventors: Hsiang Ho Chou
Original assignee: Ability Entpr Co Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2014-10-21
Also published as: US8730585B2; US20120268830A1; TW201243424A

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、高變焦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，通常是由複數個透鏡(lens)所組成，為了減少鏡片的成本和重量以提高市場的競爭優勢，通常會盡量利用塑膠透鏡取代玻璃透鏡。然而，塑膠材料具有容易吸收水氣及高光吸收率的缺點；因此，使用塑膠透鏡雖能降低成本，但可能無法兼顧鏡頭模組對於輕薄化、高變焦倍率、高成像品質的要求。

有鑑於此，亟需提出一種新的變焦鏡頭，可降低製造成本，並同時滿足變焦鏡頭的輕薄化、高變焦倍率，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、高變焦倍率、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，其自物側至像側依序包含：一具有正屈光度的第一透鏡群、一具有負屈光度的第二透鏡群、一具有正屈光度的第三透鏡群，一具有正屈光度的第四透鏡群，一具有負屈光度的第五透鏡群，以及一具有正屈光度的第六透鏡群，其中該第二透鏡群、該第四透鏡群及該第五透鏡群沿者一光軸移動，以使該變焦鏡頭於廣角端及望遠端之間對焦。

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。

第一A圖與第一B圖分別顯示本發明較佳實施例的變焦鏡頭ZL在廣角端(wide)及望遠端(tele)時各透鏡的位置。為顯現本實施例的特徵，僅顯示與本實施例有關的結構，其餘結構予以省略。本實施例的變焦鏡頭ZL，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。

如第一A圖及第一B圖所示，在本實施例，變焦鏡頭ZL主要包含六個透鏡群，自物側(object side)至像側(image-forming side)，依序為第一透鏡群G1、第二透鏡群G2、第三透鏡群G3、第四透鏡群G4、第五透鏡群G5、第六透鏡群G6。此六個透鏡群沿著光軸OA設置，且於像側具有成像面I，其中，第一透鏡群G1具有正屈光度，第二透鏡群G2具有負屈光度，第三透鏡群G3具有正屈光度，第四透鏡群G4具有正屈光度，第五透鏡群G5具有負屈光度，第六透鏡群G6具有正屈光度。

為實現輕薄化、低成本、高變焦倍率、高成像品質的需求，變焦鏡頭ZL滿足以下條件：(1)5.0<ft/fw<7.0

(2)2.0<| fG1/fG2 |<4.0

其中，fG1係第一透鏡群G1的焦距，fG2係第二透鏡群G2的焦距，fw係變焦鏡頭ZL於廣角端的焦距，ft係變焦鏡頭ZL於望遠端的焦距。

再者，如第一A圖及第一B圖所示，變焦鏡頭ZL更包含光闌S及濾光片F。光闌S設置於第三透鏡群G3及第四透鏡群G4之間，用以限制通過第三透鏡群G3的光束進入第四透鏡群G4的光通量；濾光片F設置於第五透鏡群G5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可以是一紅外濾光片。此外，成像面I代表一具有光電轉換功能的影像擷取單元，用以接收穿過濾光片F的光束，且在成像面I與濾光片F之間，可增加平板玻璃C作為影像擷取單元的保護玻璃(cover glass)。

於本實施例，當變焦鏡頭ZL需要改變其整體焦距，第一透鏡群G1、第三群透鏡G3及第六透鏡群G6的位置維持固定，而第二透鏡群G2、第四透鏡群G4及第五透鏡群G5沿著光軸OA移動，以改變整體焦距、調整變焦倍率及修正像差。具體而言，當變焦鏡頭ZL由廣角端至望遠端進行變焦時，第二透鏡群G2、第四透鏡群G4及第五透鏡群G5均朝第三群透鏡G3的方向移動。

同時參考第一A圖及第一B圖，變焦鏡頭ZL中至少包含六個非球面透鏡或自由曲面透鏡(free-from surface lens)。具體而言，前述六個透鏡群分別各包含一個非球面透鏡或一個自由曲面透鏡，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APEL)，以及聚酯樹脂(例如OKP4或OKP4HT)等。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，且各非球面表面可滿足下列數學式：

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(3)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。

於本實施例，第一透鏡群G1自物側至像側依序包含第一透鏡L11、第二透鏡L12、第三透鏡L13，其中第一透鏡L11為負雙凹透鏡，第二透鏡L12為凸面朝像側的正凸透鏡，第三透鏡L13為正雙凸透鏡；第二透鏡群G2自物側至像側依序包含第一透鏡L21、第二透鏡L22、第三透鏡L23，其中第一透鏡L21為負雙凹透鏡，第二透鏡L22為負雙凹透鏡，第三透鏡L23為正雙凸透鏡；第三透鏡群G3包含第一透鏡L31，其為凸面朝物測的正凹凸透鏡；第四透鏡群G4自物側至像側依序包含第一透鏡L41、第二透鏡L42、第三透鏡L43，其中第一透鏡L41為正雙凸透鏡，第二透鏡L42為正雙凸透鏡，第三透鏡L43為負雙凹透鏡；第五透鏡群G5包含第一透鏡L51，其為凸面朝物側的負凹凸透鏡；第六透鏡群G6包含第一透鏡L61，其為凸面朝像側的正凹凸透鏡。

具體而言，變焦鏡頭可再包含一光反射元件，其用以改變入射光束方向，例如，使入射光束的路徑轉90度。於本實施例中，光反射元件以是採用一稜鏡P，其設置於第一透鏡群G1之第一透鏡L11與第二透鏡L12之間，用以同時改變入射光束的路徑並縮短變焦鏡頭ZL的整體長度，但也可設置於其他位置。此外，光反射元件亦可以是一反射鏡(mirror)，但不用以限定本發明。再者，於本實施例中，變焦鏡頭ZL還滿足以下條件：(4)1.5<PL/fw<2.2

其中，PL係入射光束在稜鏡P內的光程。在較佳實施例中，條件(3)更可以是1.75<PL/fw<2.0。

需注意的是，於本發明實施例中，可以省略光反射元件。實作上，第一透鏡群G1之第三透鏡L13、第二透鏡群G2之第一透鏡L21、第三透鏡群G3之第一透鏡L31、第四透鏡群G4之第一透鏡L41、第五透鏡群G5之第一透鏡L51，以及第六透鏡群G6之第一透鏡L61可採用兩表面均為非球面的非球面透鏡，其餘透鏡可採用兩面均為球面的硝材透鏡。於本較佳實施例中，六個非球面透鏡除第一透鏡L41為硝材透鏡，其餘為塑膠透鏡，且各非球面透鏡亦可以自由曲面透鏡取代。再者，第二透鏡群G2的第二透鏡L22與第三透鏡L23可利用一黏膠形成一膠合透鏡，第四透鏡群G4的第二透鏡L42與第三透鏡L43亦可以是膠合透鏡，但本發明不限於此。

具體而言，硝材透鏡是由玻璃所製成，特別是光學級的玻璃材料，利用研磨拋光或玻璃模造製程(glass molding process，GMP)製成，而塑膠透鏡是以聚合物為材料，利用射出成型製成。

表一列出根據本發明如第一A圖變焦鏡頭之一實例的詳細資料，其包含各透鏡的曲率半徑、厚度、折射率、色散係數等。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」代表稜鏡P朝物側的表面、「S」代表光闌表面、「S27」及「S28」分別代表濾光片F的物側表面及像側表面等等。

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」「D4」「D5」，表示兩表面的距離依照廣角端(wide)與望遠端(tele)而有所不同，其距離如表二所示。

另外，表三列示本發明上述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，上述實例中的第三透鏡L13、第一透鏡L21、第一透鏡L31、第一透鏡L41、第一透鏡L51、第一透鏡L61的兩表面，亦即表面代號為「S7」「S8」「S9」「S10」「S15」「S16」「S17」「S18」「S23」「S24」「S25」及「S26」者，其非球面數學式(3)中的各項係數如表四所示。

第二A圖至第二B圖分別顯示本發明一實施例之變焦鏡頭ZL在廣角端與望遠端的球面像差(longitudinal spherical aberration)曲線圖。圖中顯示於廣角端時，具有波長為436與587nm的光束其球面像差皆控制於±0.025mm範圍內；於望遠端時，具有波長為436與587nm的光束其球面像差分別小於0.10mm及-0.025mm。

第三A圖至第三B圖分別顯示本發明一實施例之變焦鏡頭ZL在廣角端與望遠端的場曲(field curvature)曲線圖。其中，曲線T、S分別顯示變焦鏡頭ZL對於正切光束(Tangential Rays)與弧矢光束(Sagittal Rays)的像差。圖中顯示於廣角端時，波長為587nm的光束其正切場曲值與弧矢場曲值均控制在(-0.1mm,0.01mm)範圍內；於望遠端時，正切場曲值與弧矢場曲值均控制在(-0.05mm,0.20mm)範圍內。

第四A圖與第四B圖分別顯示本發明一實施例之變焦鏡頭ZL在廣角端與望遠端的畸變(distortion)曲線圖。圖中顯示於廣角端時，波長為587nm的光束其畸變率控制在(-15%,0%)範圍內；於望遠端時，畸變率控制在(0%,2.5%)範圍內。

由第二A圖至第四B圖可知，本發明實施例的變焦鏡頭ZL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ZL，能在降低成本、小型化的條件下，產生高變焦倍率與高圖像品質的影像。

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

G4‧‧‧第四透鏡群

G5‧‧‧第五透鏡群

G6‧‧‧第六透鏡群

OA‧‧‧光軸

S‧‧‧光闌

F‧‧‧濾光片

I‧‧‧成像面

C‧‧‧平板玻璃

P‧‧‧稜鏡

L11‧‧‧第一透鏡

L12‧‧‧第二透鏡

L13‧‧‧第三透鏡

L21‧‧‧第一透鏡

L22‧‧‧第二透鏡

L23‧‧‧第三透鏡

L31‧‧‧第一透鏡

L41‧‧‧第一透鏡

L42‧‧‧第二透鏡

L43‧‧‧第三透鏡

L51‧‧‧第一透鏡

L61‧‧‧第一透鏡

第一A圖與第一B圖分別顯示本發明較佳實施例之變焦鏡頭在廣角端及望遠端時各透鏡的位置。

第二A圖至第二B圖分別顯示本發明一實施例之變焦鏡頭在廣角端與望遠端的球面像差特性曲線。

第三A圖與第三B圖分別顯示本發明一實施例之變焦鏡頭在廣角端與望遠端的場曲特性曲線。

第四A圖與第四B圖分別顯示本發明一實施例之變焦鏡頭在廣角端與望遠端的畸變特性曲線。