TWI491919B - 變焦鏡頭 - Google Patents

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TWI491919B
TWI491919B TW101145587A TW101145587A TWI491919B TW I491919 B TWI491919 B TW I491919B TW 101145587 A TW101145587 A TW 101145587A TW 101145587 A TW101145587 A TW 101145587A TW I491919 B TWI491919 B TW I491919B
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Ming Chung Chen
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Sintai Optical Shenzhen Co Ltd
Asia Optical Co Inc
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Description

變焦鏡頭
本發明係有關於一種鏡頭，特別是有關於一種變焦鏡頭。
變焦鏡頭之焦距，可在一定的範圍內由使用者任意調整，有別於定焦鏡頭無法改變焦距。當變焦鏡頭變焦至望遠端時，可以將遠處的物體拉近放大，當變焦鏡頭變焦至廣角端時，可以將視野擴大以容納更大範圍的影像，這是定焦鏡頭所無法達到的功能，所以目前的數位相機與數位攝影機大都配備變焦鏡頭。
另外，隨著人們對影像品質的要求愈來愈高以及各種不同應用場合之需求，變焦鏡頭逐漸走向高變焦倍率(Zoom Ratio)、小光圈值(F-number)以及高解析性能，惟，在要求高變焦倍率情況下又需具備小光圈值與高解析性能是不容易達到的。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種變焦鏡頭，其具有中變焦倍率，但是仍具有較小光圈值與高解 析性能。
本發明之變焦鏡頭沿著光軸從物側至像側依序包括一第一透鏡群、一第二透鏡群、一第三透鏡群以及一第四透鏡群。第一透鏡群，具有正屈光力，第一透鏡群沿著光軸從物側至像側依序包括一第一透鏡以及一第二透鏡，第一透鏡具有負屈光力，第二透鏡具有正屈光力。第二透鏡群具有負屈光力。第三透鏡群具有正屈光力，第三透鏡群沿著光軸從物側至像側依序包括一第三透鏡前群以及一第三透鏡後群，第三透鏡前群具有正屈光力，第三透鏡後群具有正屈光力。第四透鏡群具有正屈光力。
其中第一透鏡群、第二透鏡群、第三透鏡群以及第四透鏡群於變焦鏡頭變焦時皆能沿著光軸移動。
其中變焦鏡頭由廣角端變焦至望遠端時，第一透鏡群與第二透鏡群之間隔變大，第二透鏡群與第三透鏡群之間隔變小，第三透鏡群與第四透鏡群之間隔改變。
其中第三透鏡群滿足以下條件：
其中，f3為第三透鏡群之有效焦距，f3a為第三透鏡前群之有效焦距，dg3為第三透鏡前群與第三透鏡後 群之間距，fw為變焦鏡頭於廣角端之有效焦距。
其中第二透鏡群以及第三透鏡群滿足以下條件：0.32<(β2t/β2w)/(β3t/β3w)<0.7
其中，β2t為第二透鏡群於望遠端之橫向放大率，β2w為第二透鏡群於廣角端之橫向放大率，β3t為第三透鏡群於望遠端之橫向放大率，β3w為第三透鏡群於廣角端之橫向放大率。
其中第三透鏡前群包括一第六透鏡，第六透鏡具有正屈光力。
其中第六透鏡至少一面為非球面表面。
其中第三透鏡後群，沿著光軸從物側至像側依序包括一第七透鏡、一第八透鏡以及一第九透鏡，第七透鏡具有正屈光力，第八透鏡具有正屈光力，第九透鏡具有負屈光力。
其中第七透鏡至少一面為非球面表面。
其中第八透鏡至少一面為非球面表面。
其中第九透鏡至少一面為非球面表面。
其中第四透鏡群包括一第十透鏡，第十透鏡具有正屈光力。
其中第十透鏡係由塑膠材質所製成。
其中第十透鏡至少一面為非球面表面。
本發明之變焦鏡頭可更包括一光圈，設置於第二透鏡 群與第三透鏡群之間，光圈與第三透鏡群之間距固定不變。
本發明之變焦鏡頭可更包括一濾光片，設置於第四透鏡群與成像面之間。
為使本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。
請參閱第1圖、第2圖以及第3圖，第1圖係依據本發明之變焦鏡頭之一實施例處於廣角端的透鏡配置與光路示意圖，第2圖係依據本發明之變焦鏡頭之一實施例處於中間端的透鏡配置與光路示意圖，第3圖係依據本發明之變焦鏡頭之一實施例處於望遠端的透鏡配置與光路示意圖。變焦鏡頭1沿著光軸OA從物側至像側依序包括一第一透鏡群G1、一第二透鏡群G2、一光圈ST、一第三透鏡群G3、一第四透鏡群G4以及一濾光片OF。變焦鏡頭1由廣角端變焦至望遠端時，第一透鏡群G1與第二透鏡群G2之間距D34 變大，第二透鏡群G2與第三透鏡群G3之間距D911 變小，第三透鏡群與第四透鏡群之間距D1718 改變，第四透鏡群與濾光片OF之物側面S20的間距D1920 改變，上述間距隨著變焦鏡頭1由廣角端變焦至望遠端而變動之情形，可以由第1圖、第2圖以及第3圖中明顯看出。變焦鏡頭 1變焦時各透鏡群皆能沿著光軸OA移動，使得各透鏡群的移動量變小，可縮短變焦時間。
在本實施例中，第一透鏡群G1具有正屈光力，第二透鏡群G2具有負屈光力，第三透鏡群G3具有正屈光力，第四透鏡群G4具有正屈光力，其中第三透鏡群G3係由具有正屈光力的第三透鏡前群G31與具有正屈光力的第三透鏡後群G32組合而成。
第一透鏡群G1沿著光軸OA從物側至像側依序包括一第一透鏡L1以及一第二透鏡L2。第一透鏡L1為玻璃材質所製成具有負屈光力。第二透鏡L2為玻璃材質所製成具有正屈光力。第一透鏡L1之像側面S2與第二透鏡L2之物側面S2兩者膠合成面S2。
第二透鏡群G2沿著光軸OA從物側至像側依序包括一第三透鏡L3、一第四透鏡L4以及一第五透鏡L5。第三透鏡L3為玻璃材質所製成，其物側面S4與像側面S5皆為非球面表面。第四透鏡L4為玻璃材質所製成。第五透鏡L5為玻璃材質所製成。
第三透鏡群G3沿著光軸OA從物側至像側依序包括一第三透鏡前群G31以及一第三透鏡後群G32。第三透鏡前群G31包括一第六透鏡L6。第三透鏡後群G32沿著光軸OA從物側至像側依序包括一第七透鏡L7、一第八透鏡L8以及一第九透鏡L9。第六透鏡L6為塑 膠材質所製成具有正屈光力，其物側面S11與像側面S12皆為非球面表面。第七透鏡L7為玻璃材質所製成具有正屈光力，其像側面S14為非球面表面。第八透鏡L8為玻璃材質所製成具有正屈光力。第九透鏡L9為玻璃材質所製成具有負屈光力。第八透鏡L8之像側面S16與第九透鏡L9之物側面S16兩者膠合成面S16。
第四透鏡群G4包括一第十透鏡L10，第十透鏡L10為塑膠材質所製成具有正屈光力，其物側面S18為非球面表面。
光圈ST與第三透鏡群之間距D1011 固定不變。濾光片OF係由平板玻璃製成，濾光片OF包含一物側面S20以及一像側面S21，物側面S20與像側面S21兩者皆為平面。
另外，為使本實施例之變焦鏡頭1能保持良好的光學性能，變焦鏡頭1需滿足底下三條件：
0.32<(β2t/β2w)/(β3t/β3w)<0.7 (3)
其中，f3為第三透鏡群之有效焦距，f3a為第三透鏡前群之有效焦距，dg3為第三透鏡前群與第三透鏡後群之間距，fw為變焦鏡頭於廣角端之有效焦距，β2w為 第二透鏡群於廣角端之橫向放大率，β2t為第二透鏡群於望遠端之橫向放大率，β3w為第三透鏡群於廣角端之橫向放大率，β3t為第三透鏡群於望遠端之橫向放大率。
利用上述透鏡與光圈ST之設計，使得變焦鏡頭1在中變焦倍率下，仍具有較小光圈值與高解析性能。
表一為第1圖、第2圖以及第3圖之變焦鏡頭1分別處於廣角端、中間端以及望遠端時各透鏡之相關參數表，表一資料顯示本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端時之焦距等於6.50483 mm、光圈值等於2.0，處於中間端時之焦距等於16.81973 mm、光圈值等於2.5，處於望遠端時之焦距等於24.44355 mm、光圈值等於3.0，變焦鏡頭1之變焦倍率大約為3.8倍。
表一中各個透鏡之非球面表面凹陷度z由下列公式所得到：
其中： c：曲率；h：透鏡表面任一點至光軸之垂直距離；k：圓錐係數；A~D：非球面係數。
表二為表一中各個透鏡之非球面表面之相關參數表，其中k為圓錐係數(Conic Constant)、A~D為非球面係數。
本實施例之變焦鏡頭1，其第三透鏡群之有效焦距f3=16.20522779、第三透鏡前群之有效焦距f3a=56.93731832、第三透鏡前群與第三透鏡後群之間隔dg3=3.91、變焦鏡頭1於廣角端之有效焦距fw=6.504837689、第二透鏡群於望遠端之橫向放大率β2t=-0.381、第二透鏡群於廣角端之橫向放大率β2w=-0.242、第三透鏡群於望遠端之橫向放大率β3t=-2.13、第三透鏡群於廣角端之橫向放大率 β3w=-0.846，由上述資料可得到、、(β2t/β2w)/(β3t/β3w)=0.625，皆能滿足上述條件(1)至條件(3)之要求。
另外，本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端、中間端以及望遠端時其光學性能也可達到要求，這可從第4A至第4G圖、第5A至第5G圖以及第6A至第6G圖看出。第4A圖、第5A圖以及第6A圖所示的，是本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端、中間端以及望遠端時的縱向像差(Longitudinal Aberration)圖。第4B圖、第5B圖以及第6B圖所示的，是本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端、中間端以及望遠端時的場曲(Field Curvature)圖。第4C圖、第5C圖以及第6C圖所示的，是本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端、中間端以及望遠端時的畸變(Distortion)圖。第4D圖至第4F圖、第5D圖至第5F圖以及第6D圖至第6F圖所示的，是本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端、中間端以及望遠端時的橫向光扇(Transverse Ray Fan)圖。第4G圖、第5G圖以及第6G圖所示的，是本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端、中間端以及望遠端時的橫向色差(Lateral Color)圖。
由第4A圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光 線所產生的縱向像差值介於-0.02 mm至0.04 mm之間。由第4B圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線，所產生的子午(Tangential)方向與弧矢(Sagittal)方向場曲介於-0.04 mm至0.04 mm之間。由第4C圖(圖中的3條線幾乎重合，以致於看起來只有一條線)可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線，所產生的畸變小於正負7.5%。由第4D圖、第4E圖、第4F圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線於不同影像高度所產生的橫向像差值小於正負30 μm。由第4G圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端時，以波長0.587560 μm為參考波長，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線於不同視場高度所產生的橫向色差值介於-3 μm至8 μm之間。顯見本實施例之變焦鏡頭1處於廣角端時之縱向像差、場曲、畸變、橫向像差以及橫向色差都能被有效修正，從而得到較佳的光學性能。
由第5A圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於中間端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線所產生的縱向像差值介於-0.02 mm至0.04 mm之間。由第5B圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於中間端 時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線，所產生的子午(Tangential)方向與弧矢(Sagittal)方向場曲介於-0.02 mm至0.08 mm之間。由第5C圖(圖中的3條線幾乎重合，以致於看起來只有一條線)可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於中間端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線，所產生的畸變小於正負3%。由第5D圖、第5E圖、第5F圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於中間端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線於不同影像高度所產生的橫向像差值小於正負24 μm。由第5G圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於中間端時，以波長0.587560 μm為參考波長，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線於不同視場高度所產生的橫向色差值介於-1 μm至7 μm之間。顯見本實施例之變焦鏡頭1處於中間端時之縱向像差、場曲、畸變、橫向像差以及橫向色差都能被有效修正，從而得到較佳的光學性能。
由第6A圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於望遠端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線所產生的縱向像差值介於-0.02 mm至0.08 mm之間。由第6B圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於望遠端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線，所產生的子午(Tangential)方向與弧矢(Sagittal)方向場 曲介於-0.04 mm至0.12 mm之間。由第6C圖(圖中的3條線幾乎重合，以致於看起來只有一條線)可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於望遠端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線，所產生的畸變小於正負3%。由第6D圖、第6E圖、第6F圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於望遠端時，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線於不同影像高度所產生的橫向像差值小於正負22 μm。由第6G圖可看出，本實施例之變焦鏡頭1處於望遠端時，以波長0.587560 μm為參考波長，對波長範圍介於0.436 μm至0.656 μm之光線於不同視場高度所產生的橫向色差值介於-1 μm至7 μm之間。顯見本實施例之變焦鏡頭1處於望遠端時之縱向像差、場曲、畸變、橫向像差以及橫向色差都能被有效修正，從而得到較佳的光學性能。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，仍可作些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧變焦鏡頭
G1‧‧‧第一透鏡群
G2‧‧‧第二透鏡群
G3‧‧‧第三透鏡群
G31‧‧‧第三透鏡前群
G32‧‧‧第三透鏡後群
G4‧‧‧第四透鏡群
L1‧‧‧第一透鏡
L2‧‧‧第二透鏡
L3‧‧‧第三透鏡
L4‧‧‧第四透鏡
L5‧‧‧第五透鏡
L6‧‧‧第六透鏡
L7‧‧‧第七透鏡
L8‧‧‧第八透鏡
L9‧‧‧第九透鏡
L10‧‧‧第十透鏡
ST‧‧‧光圈
OF‧‧‧濾光片
IMA‧‧‧成像面
OA‧‧‧光軸
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7‧‧‧面
S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14‧‧‧面
S15、S16、S17、S18、S19、S20、S21‧‧‧面
D34 、D910 、D911 、D1011 、D1718 、D1920 ‧‧‧間距
第1圖係依據本發明之變焦鏡頭之一實施例處於 廣角端的透鏡配置與光路示意圖。
第2圖係依據本發明之變焦鏡頭之一實施例處於中間端的透鏡配置與光路示意圖。
第3圖係依據本發明之變焦鏡頭之一實施例處於望遠端的透鏡配置與光路示意圖。
第4A圖係第1圖之變焦鏡頭之縱向像差圖。
第4B圖係第1圖之變焦鏡頭之場曲圖。
第4C圖係第1圖之變焦鏡頭之畸變圖。
第4D圖係第1圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第4E圖係第1圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第4F圖係第1圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第4G圖係第1圖之變焦鏡頭之橫向色差圖。
第5A圖係第2圖之變焦鏡頭之縱向像差圖。
第5B圖係第2圖之變焦鏡頭之場曲圖。
第5C圖係第2圖之變焦鏡頭之畸變圖。
第5D圖係第2圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第5E圖係第2圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第5F圖係第2圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第5G圖係第2圖之變焦鏡頭之橫向色差圖。
第6A圖係第3圖之變焦鏡頭之縱向像差圖。
第6B圖係第3圖之變焦鏡頭之場曲圖。
第6C圖係第3圖之變焦鏡頭之畸變圖。
第6D圖係第3圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第6E圖係第3圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第6F圖係第3圖之變焦鏡頭之橫向光扇圖。
第6G圖係第3圖之變焦鏡頭之橫向色差圖。
1‧‧‧變焦鏡頭
G1‧‧‧第一透鏡群
G2‧‧‧第二透鏡群
G3‧‧‧第三透鏡群
G31‧‧‧第三透鏡前群
G32‧‧‧第三透鏡後群
G4‧‧‧第四透鏡群
L1‧‧‧第一透鏡
L2‧‧‧第二透鏡
L3‧‧‧第三透鏡
L4‧‧‧第四透鏡
L5‧‧‧第五透鏡
L6‧‧‧第六透鏡
L7‧‧‧第七透鏡
L8‧‧‧第八透鏡
L9‧‧‧第九透鏡
L10‧‧‧第十透鏡
ST‧‧‧光圈
OF‧‧‧濾光片
IMA‧‧‧成像面
OA‧‧‧光軸
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7‧‧‧面
S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14‧‧‧面
S15、S16、S17、S18、S19、S20、S21‧‧‧面
D34 、D910 、D911 、D1011 、D1718 、D1920 ‧‧‧間距

Claims (21)

  1. 一種變焦鏡頭，沿著光軸從物側至像側依序包括：一第一透鏡群，具有正屈光力，該第一透鏡群沿著該光軸從該物側至該像側依序包括一第一透鏡以及一第二透鏡，該第一透鏡具有負屈光力，該第二透鏡具有正屈光力；一第二透鏡群，具有負屈光力；一第三透鏡群，具有正屈光力，該第三透鏡群沿著該光軸從該物側至該像側依序包括一第三透鏡前群以及一第三透鏡後群，該第三透鏡前群具有正屈光力，該第三透鏡後群具有正屈光力；以及一第四透鏡群，該第四透鏡群具有正屈光力；其中該第三透鏡群滿足以下條件： 其中，f3為該第三透鏡群之焦距，f3a為該第三透鏡前群之焦距。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第一透鏡群、該第二透鏡群、該第三透鏡群以及該第四透鏡群於該變焦鏡頭變焦時皆能沿著該光軸移動。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之變焦鏡頭，該變焦 鏡頭由廣角端變焦至望遠端時，該第一透鏡群與該第二透鏡群間隔變大，該第二透鏡群與該第三透鏡群間隔變小，該第三透鏡群與該第四透鏡群間隔改變。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第三透鏡群滿足以下條件： 其中，dg3為該第三透鏡前群與該第三透鏡後群之間隔，fw為該變焦鏡頭於廣角端之焦距。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡群以及該第三透鏡群滿足以下條件：0.32<(β2t/β2w)/(β3t/β3w)<0.7其中，β2w為該第二透鏡群於廣角端之橫向放大率，β2t為該第二透鏡群於望遠端之橫向放大率，β3w為該第三透鏡群於廣角端之橫向放大率，β3t為該第三透鏡群於望遠端之橫向放大率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第三透鏡前群包括一第六透鏡，該第六透鏡具有正屈光力。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之變焦鏡頭，其中該第六透鏡至少一面為非球面表面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之變焦鏡頭，其中該 第六透鏡之兩個面皆為非球面表面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第三透鏡後群，沿著該光軸從該物側至該像側依序包括一第七透鏡、一第八透鏡以及一第九透鏡，該第七透鏡具有正屈光力，該第八透鏡具有正屈光力，該第九透鏡具有負屈光力。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之變焦鏡頭，其中該第七透鏡至少一面為非球面表面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之變焦鏡頭，其中該第七透鏡之兩個面皆為非球面表面。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之變焦鏡頭，其中該第八透鏡至少一面為非球面表面。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之變焦鏡頭，其中該第八透鏡之兩個面皆為非球面表面。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之變焦鏡頭，其中該第九透鏡至少一面為非球面表面。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之變焦鏡頭，其中該第九透鏡之兩個面皆為非球面表面。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡群包括一第十透鏡，該第十透鏡具有正屈光力。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之變焦鏡頭，其中 該第十透鏡的材質為塑膠。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之變焦鏡頭，其中該第十透鏡至少一面為非球面表面。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之變焦鏡頭，其中該第十透鏡之兩個面皆為非球面表面。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其更包括一光圈，設置於該第二透鏡群與該第三透鏡群之間，該光圈與該第三透鏡群之間距固定不變。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其更包括一濾光片，設置於該第四透鏡群與成像面之間。
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