TWI521237B - 變焦鏡頭 - Google Patents

Description

變焦鏡頭

本發明是有關於一種鏡頭，尤其是有關於一種變焦鏡頭。

影像擷取裝置(例如相機)主要係藉由鏡頭及影像感測元件來擷取物側的影像，其中鏡頭可用以將來自物側的光束聚焦於影像感測元件上。鏡頭可分成定焦鏡頭與變焦鏡頭，其中變焦鏡頭由於可調整焦距，因此具有使用上較便利的優點。良好的變焦鏡頭需在各焦段都有良好成像品質，而如何設計出各焦段都具有良好成像品質的變焦鏡頭，實為變焦鏡頭設計者的一大難題。

此外，由於變焦鏡頭的鏡片的物理特性會因溫度的變化而有所改變，以致於影響變焦鏡頭的成像品質。因此，設計者在設計變焦鏡頭時需一併考慮此因素，以避免變焦鏡頭的成像品質因不同的氣候條件而有明顯的差異。

本發明提供一種變焦鏡頭，其不易因溫度變化而影響成像品質。。

本發明一實施例所提供的變焦鏡頭包括具有負 屈光度的第一透鏡群、具有正屈光度的第二透鏡群以及具有正屈光度的第三透鏡群，第二透鏡群設置於第一透鏡群與第三透鏡群之間，其中第二透鏡群包括至少一非球面玻璃透鏡。

在本發明的一實施例中，上述之第一透鏡群包括依序排列之具負屈光度的第一透鏡、具負屈光度的第二透鏡以及具正屈光度的第三透鏡，第二透鏡群包括依序排列之具正屈光度的第四透鏡、具正屈光度的第五透鏡、具負屈光度的第六透鏡以及具正屈光度的第七透鏡，且第三透鏡位於第二透鏡與第四透鏡之間，第三透鏡群包括具正屈光度的第八透鏡。

在本發明的一實施例中，上述之第四透鏡、第五透鏡及第七透鏡為非球面玻璃透鏡。

在本發明的一實施例中，上述之第二透鏡具有第一面與第二面，第一面面對第一透鏡而第二面面對第三透鏡，第一面的焦距(focal length)為f121，第二面的焦距為f122，且1.1≦f121/f122≦1.3。

在本發明的一實施例中，上述之第二透鏡中心的有效厚度(effective thickness)為Teff，且10≦|f121/Teff|≦11。

在本發明的一實施例中，上述之第四透鏡具有第三面，第三面面對第三透鏡，第三面的焦距為f211，第二透鏡群的有效焦距(effective focal length)為FG2，且0.7≦f211/FG2≦0.8。

在本發明的一實施例中，上述之第二透鏡群的第四透鏡至第六透鏡的有效焦距為FL456，且1.06≦FL456/FG2≦1.12。

在本發明的一實施例中，上述之變焦鏡頭更包括孔徑光欄(aperture stop)，設置於第三透鏡與第四透鏡之間。

在本發明的一實施例中，上述之變焦鏡頭由廣角端變焦至望遠端時，第一透鏡群不動，第二透鏡群與第三透鏡群朝彼此遠離的方向移動，且孔徑光欄與第二透鏡群一起移動。當變焦鏡頭由望遠端變焦至廣角端時，第一透鏡群不動，第二透鏡群與第三透鏡群朝彼此接近的方向移動，且孔徑光欄與第二透鏡群一起移動。

在本發明的一實施例中，上述之第二透鏡與第八透鏡為非球面透鏡。

在本發明的一實施例中，上述之第四透鏡至第七透鏡皆為玻璃透鏡。

在本發明的一實施例中，上述之第二透鏡具有分別面向第一透鏡與第三透鏡的二表面以及位於此二表面之間的反射面。

本發明的變焦鏡頭中，第二透鏡群包括至少一非球面玻璃透鏡，由於玻璃材質製成的非球面透鏡其折射率較不易因溫度的變化而有顯著的改變，因此使本發明的變焦鏡頭可適應各種氣候，不易因溫度變化而影響成像品質。

100、100a‧‧‧變焦鏡頭

110、110a‧‧‧第一透鏡群

111‧‧‧第一透鏡

112、112a‧‧‧第二透鏡

113‧‧‧第三透鏡

120‧‧‧第二透鏡群

121‧‧‧第四透鏡

121a‧‧‧第三面

122‧‧‧第五透鏡

123‧‧‧第六透鏡

124‧‧‧第七透鏡

130‧‧‧第三透鏡群

131‧‧‧第八透鏡

140‧‧‧孔徑光欄

150‧‧‧光軸

S1~S17‧‧‧表面

S18‧‧‧成像面

S19‧‧‧反射面

圖1A是本發明一實施例之一種變焦鏡頭在廣角端的示意圖。

圖1B是本發明一實施例之一種變焦鏡頭在中間位置的示意圖。

圖1C是本發明一實施例之一種變焦鏡頭在望遠端的示意圖。

圖2A是本發明一實施例之變焦鏡頭變焦至廣角端時所作的場曲(field curvature)圖。

圖2B是本發明一實施例之變焦鏡頭變焦至廣角端時所作的畸變(distortion)圖。

圖2C是本發明一實施例之變焦鏡頭變焦至廣角端時的縱向像差(longitudinal aberration)圖。

圖3A是本發明一實施例之變焦鏡頭在中間位置時所作的場曲圖。

圖3B是本發明一實施例之變焦鏡頭在中間位置時所作的畸變圖。

圖3C是本發明一實施例之變焦鏡頭在中間位置時的縱向像差圖。

圖4A是本發明一實施例之變焦鏡頭變焦至望遠端時所作的場曲圖。

圖4B是本發明一實施例之變焦鏡頭變焦至望遠端時所作的畸變圖。

圖4C是本發明一實施例之變焦鏡頭變焦至望遠端時的縱向像差圖。

圖5為本發明一實施例之變焦鏡頭在廣角端的示意圖。

圖1A至圖1C是本發明一實施例之一種變焦鏡頭在廣角端、中間位置與望遠端的示意圖。請先參照圖1A，本實施例之變焦鏡頭100包括具有負屈光度的第一透鏡群 110、具有正屈光度的第二透鏡群120以及具有正屈光度的第三透鏡群130。第二透鏡群120設置於第一透鏡群110與第三透鏡群130之間，第一透鏡群110鄰近物側，而第三透鏡群130鄰近像側。本實施例中，第二透鏡群120作為變焦群(variator)，第三透鏡群作為補償群(compensator)，其中第二透鏡群120相對於第一透鏡群110的位置，以及第二透鏡群120的屈光能力(refraction power)影響此變焦鏡頭100的有效焦距(effective focal length)。此外，變焦鏡頭100可更包括孔徑光欄140，設置於第一透鏡群110與第二透鏡群120之間。

請參照圖1A至圖1C，當變焦鏡頭100從廣角端(如圖1A所示)變焦至中間位置(如圖1B所示)或從中間位置變焦至望遠端(如圖1C所示)時，第一透鏡群110不動，第二透鏡群120與第三透鏡群130朝彼此遠離的方向移動，且孔徑光欄140與第二透鏡群120一起移動。當變焦鏡頭110從望遠端(如圖1C所示)變焦至中間位置(如圖1B所示)或從中間位置變焦至廣角端(如圖1A所示)時，第一透鏡群110不動，第二透鏡群120與第三透鏡群130朝彼此接近的方向移動，且孔徑光欄140與第二透鏡群120一起移動。

上述之第一透鏡群110例如包括自物側至像側依序排列之具負屈光度的第一透鏡111、具負屈光度的第二透鏡112以及具正屈光度的第三透鏡113。第二透鏡群120例如包括自物側至像側依序排列之具正屈光度的第四透鏡121、具正屈光度的第五透鏡122、具負屈光度的第六透鏡123以及具正屈光度的第七透鏡124，且第三透鏡113位於第二 透鏡112與第四透鏡121之間。第三透鏡群130包括具正屈光度的第八透鏡131。上述之孔徑光欄140設置於第三透鏡113與第四透鏡121之間，且孔徑光欄140例如鄰近第四透鏡121。

以下內容將舉出變焦鏡頭100之各參數的一實施例。需注意的是，以下各實施例的各表中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定做適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。

在表二中，表面S1、S2為第一透鏡111的兩表面，表面S3、S4為第二透鏡112的兩表面，表面S5、S6為 第三透鏡113的兩表面，表面S7為孔徑光欄140，表面S8、S9為第四透鏡121的兩表面，表面S10、S11為第五透鏡122的兩表面，表面S12、S13為第六透鏡123的兩表面，表面S14、S15為第七透鏡124的兩表面，表面S16、S17為第八透鏡131的兩表面。表一中所指間距為兩相鄰表面於變焦鏡頭100之光軸150上之直線距離。舉例來說，表面S1之間距，即為表面S1與表面S2於光軸150上之直線距離，表面S17之間距為表面S17與成像面S18於光軸150上之直線距離。

表二中，表面S6、S15、S17為可變動間距，其具體數值如表四所示。

在本實施例中，第二透鏡群120的材質例如皆為玻璃，且包括至少一非球面玻璃透鏡。具體而言，第四透鏡至第七透鏡例如皆為玻璃透鏡，其中第四透鏡121、第五透鏡122及第七透鏡124例如皆為非球面玻璃透鏡，但本發明並不限定第二透鏡群120所包含之非球面玻璃透鏡的數量。由於常用塑膠材料的線性熱膨脹係數(Coefficient of Linear Thermal Expansion)為玻璃材料的數倍，因此隨著溫度變化，塑膠材料的透鏡的曲率半徑變化會是玻璃材料的數倍，除此之外使用玻璃材質製成的非球面透鏡其折射率較不易因溫度的變化而有顯著的改變，且作為變焦群的第二透鏡群120對於成像位置的影響較大，所以在第二透鏡群120的第四透鏡121至第七透鏡124皆使用玻璃透鏡可以有效降低此變焦鏡頭100的成像位置受溫度變化影響的程度。因此，本實施例之變焦鏡頭100可適應各種氣候，不易因溫度變化而影響成像品質。

本實施例之變焦鏡頭100的第二透鏡112的表面S3與表面S4為第二透鏡112的第一面與第二面，其中表面S3面對第一透鏡111，而表面S4面對第三透鏡113。表面S3的焦距為f121，而表面S4的焦距為f122。為了使第二透鏡112的形狀和屈光能力能符合需求，可進一步限限制1.1≦f121/f122≦1.3。另外，第二透鏡112中心的有效厚度為Teff，而為了規範此變焦鏡頭100的整體厚度不致於過厚或過薄，可進一步限制10≦|f121/Teff|≦11。

本實施例之第四透鏡121的表面S8面對第三透鏡113，此表面S8的焦距為f211，第二透鏡群的有效焦距為FG2。為了使第四透鏡121的屈光能力能符合需求，可進一步限定0.7≦f211/FG2≦0.8。第二透鏡群120的第四透鏡121至第六透鏡123的有效焦距為FL456，而為了使第二透鏡群120的各透鏡的屈光能力有較佳的設計組合，可以進一步限制1.06≦FL456/FG2≦1.12。

另外，除了上述之第四透鏡121、第五透鏡122及第七透鏡124為非球面透鏡之外，在本實施例中，第一透 鏡群110與第三透鏡群130例如亦分別包括一片非球面透鏡。如表五所示，本實施例之第二透鏡112、及第八透鏡131例如為非球面透鏡，其材質可為玻璃或塑膠。第二透鏡112的表面S3、S4、第四透鏡121的表面S8、S9、第五透鏡122的表面S10、S11、第七透鏡124的表面S14、S15及第八透鏡的表面S16、S17的形狀符合下列非球面公式：

式中，Z(h)為光軸150方向之偏移量(sag)，r是接近光軸150處的曲率半徑(如表二所示)。k是二次曲面常數(conic constant)，h是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。C₂、C₄、C₆、C₈、C₁₀...等為非球面係數(aspheric coefficient)，詳細數值如表五所示。

以下將列舉變焦鏡頭100變焦至廣角端、中間位置及望遠端時所作的光學模擬結果。

圖2A至圖2C是本發明一實施例之變焦鏡頭變焦至廣角端時的場曲圖、畸變圖與縱向像差圖。圖3A至圖3C是本發明一實施例之變焦鏡頭在中間位置時的場曲圖、畸變圖與縱向像差圖。圖4A至4C是本發明一實施例之變焦鏡頭變焦至望遠端時的場曲圖、畸變圖與縱向像差圖。圖2A至圖4C所顯示出的圖型均在標準的範圍內，因此本實施例之變焦鏡頭100能維持良好成像品質。

圖5為本發明一實施例之變焦鏡頭在廣角端的示意圖。請參照圖5，本實施例之變焦鏡頭100a可作為潛望式變焦鏡頭，其架構與優點大致與上述之變焦鏡頭100相似，以下僅針對主要差異處進行說明。本實施例之變焦鏡頭100a中，第一透鏡群110a的第二透鏡112a除了具有分別面向第一透鏡111與第三透鏡113的表面S3及S4之外，更具有位於表面S3、S4之間的反射面S19。此反射面S19用以轉折光路徑，以使變焦鏡頭100a作為潛望式變焦鏡頭。此反射面S19與通過第一透鏡111的光軸150之間的夾角例如是45度，以使光軸150經反射面S19轉折90度。然而，反射面S19與通過第一透鏡111的光軸150之間的夾角可依需求調整，本發明並不加以限制。此外，上列表一至表五所列的數據亦可適用於本實施例之變焦鏡頭100a，其中表一所列的表面S3與表面S4之間的距離即為表面S3與反射面S19於光軸150上之直線距離加上反射面S19與表面S4於光軸150上之直線距離。

綜上所述，本發明之變焦鏡頭採用三組透鏡群的架構，變焦時第一透鏡群不動，第二透鏡群與第三透鏡群分別朝彼此遠離或彼此接近的方向移動，且孔徑光欄與第二 透鏡群一起移動。由於第二透鏡群包括至少一非球面玻璃透鏡，可使鏡頭適應各種氣候，不易因溫度變化而影響玻璃透鏡的折射率，以維持良好成像品質。

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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。

100‧‧‧變焦鏡頭

110‧‧‧第一透鏡群

111‧‧‧第一透鏡

112‧‧‧第二透鏡

113‧‧‧第三透鏡

120‧‧‧第二透鏡群

121‧‧‧第四透鏡

122‧‧‧第五透鏡

123‧‧‧第六透鏡

124‧‧‧第七透鏡

130‧‧‧第三透鏡群

131‧‧‧第八透鏡

140‧‧‧孔徑光欄

150‧‧‧光軸

S1~S17‧‧‧表面

S18‧‧‧成像面

Claims (12)

1. 一種變焦鏡頭，包括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，該第二透鏡群設置於該第一透鏡群與該第三透鏡群之間，其中該第二透鏡群包括至少一非球面玻璃透鏡，其中該第一透鏡群包括依序排列之一具負屈光度的第一透鏡、一具負屈光度的第二透鏡以及一具正屈光度的第三透鏡，該第二透鏡群包括依序排列之一具正屈光度的第四透鏡、一具正屈光度的第五透鏡、一具負屈光度的第六透鏡以及一具正屈光度的第七透鏡，且該第三透鏡位於該第二透鏡與該第四透鏡之間，該第三透鏡鄰近該第四透鏡，該第三透鏡群包括一具正屈光度的第八透鏡，其中該第二透鏡具有一第一面與一第二面，該第一面面對該第一透鏡而該第二面面對該第三透鏡，該第一面的焦距為f121，該第二面的焦距為f122，且1.1≦f121/f122≦1.3。
2. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡、該第五透鏡及該第七透鏡為非球面玻璃透鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡中心的有效厚度為Teff，且10≦|f121/Teff|≦11。
4. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡具有一第三面，該第三面面對該第三透鏡，該第三面的焦距為f211，該第二透鏡群的有效焦距為FG2，且0.7≦f211/FG2 ≦0.8。
5. 如申請專利範圍第4項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡群的該第四透鏡至第六透鏡的有效焦距為FL456，且1.06≦FL456/FG2≦1.12。
6. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，更包括一孔徑光欄，設置於該第三透鏡與該第四透鏡之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之變焦鏡頭，其中當該變焦鏡頭由一廣角端變焦至一望遠端時，該第一透鏡群不動，該第二透鏡群與該第三透鏡群朝彼此遠離的方向移動，且該孔徑光欄與該第二透鏡群一起移動，當該變焦鏡頭由該望遠端變焦至該廣角端時，該第一透鏡群不動，該第二透鏡群與該第三透鏡群朝彼此接近的方向移動，且該孔徑光欄與該第二透鏡群一起移動。
8. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡與該第八透鏡為非球面透鏡。
9. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡至該第七透鏡皆為玻璃透鏡。
10. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡具有分別面向該第一透鏡與該第三透鏡的二表面以及位於該二表面之間的一反射面。
11. 一種變焦鏡頭，包括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，該第二透鏡群設置於該第一透鏡群與該第三透鏡群之間，其中該第二透鏡群包括至少一非球面玻璃透鏡，其中該第一透鏡群包括依序排列之一具負屈光度的第一透鏡、一具負屈光度的第二透鏡以及一具正屈光度的第三透鏡，該第二透鏡群包括依序排列之一具正屈光度的第四透鏡、一具正屈光度的第五透鏡、一具負屈光度的第六透鏡以及一具正屈光度的第七透鏡，且該第三透鏡位於該第二透鏡與該第四透鏡之間，該第三透鏡鄰近該第四透鏡，該第三透鏡群包括一具正屈光度的第八透鏡，其中該第四透鏡具有一第三面，該第三面面對該第三透鏡，該第三面的焦距為f211，該第二透鏡群的有效焦距為FG2，且0.7≦f211/FG2≦0.8。
12. 如申請專利範圍第11項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡群的該第四透鏡至第六透鏡的有效焦距為FL456，且1.06≦FL456/FG2≦1.12。