變焦鏡頭的制作方法

專利名稱：變焦鏡頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種變焦鏡頭，尤其是指一種小型化、高倍率、高分辨率的變焦鏡頭。
背景技術：
近年來隨著照相、攝影等光學技術與數字電子技術的快速整合，照相手機、小型數字相機及小型家用攝影機等新產品層出不窮，并越來越成為現代人工作及生活中不可缺少的用品。作為這些產品關鍵組件之一的光學鏡頭，既要符合小型化及輕量化，亦要滿足高變焦倍率及高解像力的要求。通常，高變焦倍率鏡頭是以多群鏡片組、多枚鏡片，較長的鏡頭長度型式來達成，并加入特殊低色散鏡片及非球面鏡片來達到解像力的要求。
在變焦鏡頭中，在謀求整個鏡頭系統的小型化的同時，為獲得所期望的變焦倍率，得到整個變焦范圍良好的光學特性，需要適當設定各透鏡組中的鏡片構成。在變焦鏡頭中，若加強透鏡組的屈光度，則變焦時各透鏡組的移動量就變小，從而可縮短整個鏡頭的長度。然而增加各透鏡組的屈光度，也會造成像差波動隨著變焦進程變大且難以進行良好的修正的問題。因此，對于小型化變焦鏡頭來說，如何做到既保持高的光學性能，又盡可能地簡化光學系統的構成，這確是變焦鏡頭設計領域中令設計者頭痛的一個難題。
目前已有許多小型變焦鏡頭的設計方案，例如日本美能達(Minolta)公司公告于1993年2月9日的美國專利5,185,678號及與該美國專利相對應的日本特許第3044757號，揭示了一種由五組透鏡組構成的變焦鏡頭，其自物方至成像面依次為正、負、正、正、正屈光度的第一至第五透鏡組，每個透鏡組又分別由若干單鏡片或復合鏡片構成，整個鏡頭包含大約16至20片光學鏡片。而日本佳能(Canon)公司獲準公告于2000年5月9日的美國專利第6,061,186號，也揭示了一種具有正、負、正、正、負屈光度的五透鏡組的變焦鏡頭，通過改變各透鏡組之間的距離而達到遠、近視角拍攝的焦距調整。該變焦鏡頭中各透鏡組是由若干個單鏡片或復合鏡片構成，整個鏡頭包含大約17至19片光學鏡片。由于前述已知變焦鏡頭中所使用的鏡片均超過16片以上，除造成鏡頭成本增加以外，鏡頭重量過大亦是造成困擾的因素之一。
因此，確有必要開發一種光學系統相對簡化、尺寸較小并具有高的光學性能的輕量化光學變焦鏡頭。

發明內容本發明的目的在于提供一種變焦鏡頭，其光學系統相對簡化，鏡片數目較少且結構緊湊，光學成像性能優良，并具有高變焦倍率及高解像力，且鏡頭敏感度集中于特定鏡片群組，可減少鏡頭其它光學群組之調整校驗程序。
本發明目的是通過以下技術方案實現的一種變焦鏡頭，包括第一透鏡組，是固設于鏡頭面向被攝物體一側的最前端用于收光，其具有正的屈光度；第二透鏡組，是以可移動的方式設置在該第一透鏡組后側以提供變焦，其包含一負屈光度的第一透鏡、負屈光度的第二透鏡及正屈光度的第三透鏡，其中第一透鏡為雙凹面透鏡，其面向物方一側的第一表面的曲率半徑大，面形平緩趨近于平面，而其面向成像面一側的第二表面的曲率半徑小，曲面弧度大而呈深凹陷面形，該第二透鏡組中包含有至少一個非球面鏡；第三透鏡組，是固定設置于第二透鏡組后側適當位置處，其具有正的屈光度；第四透鏡組，是以可移動的方式設置于第三透鏡組后方用以提供成像補償，其具有正的屈光度，該第四透鏡組中包含有至少一個非球面鏡；及第五透鏡組，是以可移動的方式設置于第四透鏡組后方以提供鏡頭對焦，其具有正的屈光度；當鏡頭從廣角端狀態至遠攝端狀態變焦時，第二透鏡組向第三透鏡組移動，第四透鏡組亦向第三透鏡組移動。
上述變焦鏡頭，其滿足如下關系式
0.75≤2·fW·fTY·L≤1.35---(a-1)]]>其中，fW是廣角端的焦距，fT是望遠程的焦距，Y為成像面對角最大長度，L為鏡頭總長度，亦即自最靠近物方一側的第一片鏡片的第一面到成像面的長度。
上述變焦鏡頭，其中第四透鏡組與第二透鏡組之間滿足下列關系式2.3≤|f4f2|≤3.9---(a-2)]]>其中，f2是第二透鏡組的焦距，f4是第四透鏡組的焦距。
上述變焦鏡頭，其中非球面的表面形狀可由下列公式表達D=C·H21+1-(1+K)·C2·H2+E4·H4+E6·H6+E8·H8+E10·H10]]>與現有技術相比，本發明變焦鏡頭采用五組透鏡組結構，并使第一透鏡組及第三透鏡組的位置固定不變，通過改變第二透鏡組及第四透鏡組的位置而達到變焦效果，并通過對第五透鏡組位置的調整進行調焦，確保成像清晰。另外，本發明將鏡頭敏感度集中于第二透鏡組，可減少鏡頭其它光學群組的調整校驗程序。因此，本發明的變焦鏡頭可達到高變焦倍率、高解像力的光學效果，并可以有效矯正像差而確保影像質量良好。且整個變焦鏡頭的鏡片數目可減少至12片，結構緊湊，減輕了重量并降低成本。

圖1是本發明變焦鏡頭的光學結構圖。
圖2A至圖2D是本發明依據第一數值實施例實施的變焦鏡頭，處于廣角端時的球面收差、歪曲收差、非點收差及倍率色收差等像差曲線圖。
圖3A至圖3D是本發明依據第一數值實施例實施的變焦鏡頭，處于中間位置狀態時的球面收差、歪曲收差、非點收差及倍率色收差等像差曲線圖。
圖4A至圖4D是本發明依據第一數值實施例實施的變焦鏡頭，處于遠攝端時的球面收差、歪曲收差、非點收差及倍率色收差等像差曲線圖。
圖5A至圖5C是本發明依據第一數值實施例買施的變焦鏡頭，分別處于廣角端狀態、中間位置狀態及遠攝端狀態時的彗差曲線圖。
圖6A至圖6D是本發明依據第二數值實施例實施的變焦鏡頭，處于廣角端時的球面收差、歪曲收差、非點收差及倍率色收差等像差曲線圖。
圖7A至圖7D是本發明依據第二數值實施例實施的變焦鏡頭，處于中間位置狀態時的球面收差、歪曲收差、非點收差及倍率色收差等像差曲線圖。
圖8A至圖8D是本發明依據第二數值實施例實施的變焦鏡頭，處于遠攝端時的球面收差、歪曲收差、非點收差及倍率色收差等像差曲線圖。
圖9A至圖9C是本發明依據第二數值實施例實施的變焦鏡頭，分別處于廣角端狀態、中間位置狀態及遠攝端狀態時的彗差曲線圖。
具體實施方式
請參閱圖1所示本發明變焦鏡頭的光學結構示意圖，該變焦鏡頭從物方到像方依次包括正屈光度的第一透鏡組1、負屈光度的第二透鏡組2、正屈光度的第三透鏡組3、正屈光度的第四透鏡組4及正屈光度的第五透鏡組5。其中，該第一透鏡組1包含由第一鏡片101及第二鏡片102組合而成的復合透鏡10及一單一的第二透鏡11，該第一透鏡組1可采用塑料或玻璃材質模造成型，被固定在鏡頭的最前端用于收光。在具體實施中，該第一透鏡組1中的透鏡10、11面向物方一側的第一表面均是向物方一側凸出，相對另一側的第二表面則是相對于成像面呈凹陷構形，從而使本發明變焦鏡頭在廣角狀態時具有適當大的視角。
第二透鏡組2用于改變鏡頭焦距，其包含一負屈光度的第一透鏡21、負屈光度的第二透鏡22及正屈光度的第三透鏡23，該第二透鏡組2可采用玻璃材質，也可采用塑料材質。其中，第一透鏡21為雙凹面透鏡，其面向物方一側的第一表面的曲率半徑大，其面形平緩趨近于平面，而面向成像面一側的第二表面的曲率半徑小，曲面弧度大而呈深凹陷面形。第二透鏡22面向物方一側的第一表面為向物方凸出的面形，而另一側的第二表面則為較深凹面。第三透鏡23為一單凸面透鏡，其面向物方一側的第一表面朝物方凸出。該第三透鏡23可與第二透鏡22接合為一體而形成一復合式透鏡。另外，該第二透鏡組2的第一、二及三透鏡21、22及23中，至少包含有一個非球面鏡。
本發明將鏡頭敏感度集中于第二透鏡組2，在生產裝配時對該第二透鏡組2作特別精細的調整，這樣可減少鏡頭其它光學群組的調整校驗程序。
第三透鏡組3作為本發明變焦鏡頭中的固定系，是由一凸一凹的兩片透鏡31、32接合而成，且該第三透鏡組3的一側含有光闌構造(未標示)以控制入射光量。
第四透鏡組4作為本發明變焦鏡頭中的補償系，用以補償變焦所造成的成像面6位置的變動，確保成像面6的位置始終固定不變，使變焦后入射光線仍可在位置固定的成像面6上聚焦而獲得清晰影像。該第四透鏡組4自物方至像方依次包含兩個正透鏡41、42及一負透鏡43，其中，第一正透鏡41可采用雙凸面透鏡，第二正透鏡42也采用雙凸面透鏡，而負透鏡43則采用雙凹面透鏡，且該負透鏡43可與第二正透鏡42相接合而形成一復合透鏡。而且，該正透鏡41、42及負透鏡43中包含有至少一非球面鏡，以改善像面彎曲與非點收差，使本發明變焦鏡頭可以獲得良好的解像。例如，作為一較佳之例，第一正透鏡41面向物方一側的第一表面為非球面。
第五透鏡組5是一正屈光度的凸透鏡，當變焦鏡頭對焦作動(focusing)時，該第五透鏡組5向物體一側方面移動，接近第四透鏡組，使第四、五透鏡組4、5之間的距離減少。該第五透鏡組5也可兼作補正系使用，與第二、四透鏡組2、4同時移動完成變焦后，再單獨對焦移動。
本發明通過改變第二透鏡組2及第四透鏡組4與第三透鏡組3之間的距離而進行變焦，具體地說，當鏡頭從廣角端狀態至遠攝端狀態變焦時，第二透鏡組2向第三透鏡組3移動，第一透鏡組1與第二透鏡組2之間距增大，而第四透鏡組4也向第三透鏡組3移動，第三透鏡組3與第四透鏡組4之間的距離減小。變焦完成后調整第五透鏡組5的位置進行對焦。
本發明變焦鏡頭雖然包含5組透鏡組，但所使用的鏡片數目相對少且結構緊湊，采用內部變焦方式，其總體長度保持不變。為此，本發明變焦鏡頭滿足如下關系式0.75≤2·fW·fTY·L≤1.35---(a-1)]]>上述式a-1中，fW是廣角端的焦距，fT是望遠程的焦距，Y為成像面對角最大長度，L為鏡頭總長度，亦即自最靠近物方一側的第一片鏡片的第一面至成像面的長度。
另外，本發明變焦鏡頭的第四透鏡組4與第二透鏡組2之間滿足下列關系式2.3≤|f4f2|≤3.9---(a-2)]]>式a-2中，f2是第二透鏡組的焦距，f4是第四透鏡組的焦距。
本發明變焦鏡頭的第二透鏡組2及第四透鏡組4中分別包含至少一面非球面，使變焦鏡頭具有較佳的像差矯正。若采用球面鏡片，則需要有足夠長的空間來設置復合透鏡以矯正變焦時的像差。非球面可用下列公式表示D=C·H21+1-(1+K)·C2·H2+E4·H4+E6·H6+E8·H8+E10·H10]]>其中，D為沿光軸方向在高度為H的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值；K為錐度常量；C＝1/R，R表示傍軸曲率半徑；E4、E6、E8、E10為高階非球面系數。
依據前述本發明的技術內容，可依照下列數值實施例具體實施第一數值實施例
其中非球面的各項數值
依據上述第一數值實施例所實施的本發明變焦鏡頭，第二透鏡組2中第一透鏡21為單面非球面鏡片，其面向物方一側的第一表面為非球面，第三透鏡23也是單面非球面鏡片，其面向成像面一側的第二面為非球面，第四透鏡組4中的正透鏡41亦為單面非球面鏡片。如圖2A至圖5C所示本發明依據第一數值實施例獲得的變焦鏡頭在變焦倍率為10X時，不同狀態下的像差曲線。
本發明變焦鏡頭還可依據以下第二數值實施例具體實施第二數值實施例
其中非球面的各項數值
依據上述第二數值實施例所實施的本發明變焦鏡頭，第二透鏡組2中第一透鏡21為單面非球面鏡片，其面向物方一側的第一表面為非球面，第三透鏡23亦為單面非球面鏡片，其面向成像面一側的第二面為非球面，第四透鏡組4中的正透鏡41亦為單面非球面鏡片。如圖6A至圖9C所示本發明依據第一數值實施例獲得的變焦鏡頭在變焦倍率為6X時，不同狀態下的像差曲線。
權利要求
1.一種變焦鏡頭，其特征在于，其包括第一透鏡組，是固設于鏡頭面向被攝物體一側的最前端用于收光，其具有正的屈光度；第二透鏡組，是以可移動的方式設置于所述第一透鏡組后側以提供變焦，其包含一負屈光度的第一透鏡、負屈光度的第二透鏡及正屈光度的第三透鏡，其中所述第一透鏡為雙凹面透鏡，其面向物方一側的第一表面的曲率半徑大，面形平緩趨近于平面，而其面向成像面一側的第二表面的曲率半徑小，曲面弧度大而呈深凹陷面形，所述第二透鏡組中包含有至少一個非球面鏡；第三透鏡組，是固定設置于所述第二透鏡組后側適當位置處，其具有正的屈光度；第四透鏡組，是以可移動的方式設置于所述第三透鏡組后方用以提供成像補償，其具有正的屈光度，所述第四透鏡組中包含有至少一個非球面鏡；第五透鏡組，是以可移動的方式設置于所述第四透鏡組后方以提供鏡頭對焦，其具有正的屈光度；當鏡頭從廣角端狀態至遠攝端狀態變焦時，第二透鏡組向第三透鏡組移動，第一透鏡組與第二透鏡組之間的距離增大，而第四透鏡組亦向第三透鏡組移動，第三透鏡組與第四透鏡組之間的距離減小。
2.如權利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第一透鏡組包含由第一鏡片及第二鏡片組合而成的復合透鏡及一單一的第二透鏡。
3.如權利要求2所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第一透鏡組中的透鏡面向物方一側的第一表面均是向物方一側凸出，相對另一側的第二表面則是相對于成像面呈凹陷形。
4.如權利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第二透鏡組中的第二透鏡為雙凹面透鏡，其面向物方一側的第一表面為面形平緩的淺凹面，而另一側的第二表面則為較深凹面。
5.如權利要求4所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第二透鏡組中的第三透鏡為一單凸面透鏡，其面向物方一側的第一表面朝物方凸出。
6.如權利要求5所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第二透鏡組中的第三透鏡是與第二透鏡接合為一體而形成一復合式透鏡。
7.如權利要求6所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第二透鏡組中的第一透鏡為單面非球面鏡，其面向物方一側的第一表面為非球面。
8.如權利要求7所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第二透鏡組中的第三透鏡為單面非球面鏡，其面向成像面一側的第二面為非球面。
9.如權利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第三透鏡組是由一凸一凹的兩片透鏡接合而成的復合透鏡。
10.如權利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第四透鏡組自物方至成像面方向依次包含第一正透鏡、第二正透鏡及一負透鏡。
11.如權利要求10所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第四透鏡組中的第一正透鏡為雙凸面透鏡，第二正透鏡為雙凸面透鏡，負透鏡為雙凹面透鏡。
12.如權利要求11所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第四透鏡組中的負透鏡是與第二正透鏡相接合而形成一復合透鏡。
13.如權利要求12所述的變焦鏡頭，其特征在于所述第四透鏡組中的第一正透鏡為單面非球面鏡，其面向物方一側的第一表面為非球面。
14.如權利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于其滿足如下關系式0.75≤2·fW·fTY·L≤1.35]]>其中，fW是廣角端的焦距，fT是望遠程的焦距，Y為成像面對角最大長度，L為鏡頭總長度，亦即自最靠近物方一側的第一片鏡片的第一面至成像面的長度。
15.如權利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于第四透鏡組與第二透鏡組之間滿足下列關系式2.3≤|f4f2|≤3.9]]>其中，f2是第二透鏡組的焦距，f4是第四透鏡組的焦距。
全文摘要
本發明公開了一種微型化的變焦鏡頭，其從物方到像方依次包括正屈光度的第一透鏡組、負屈光度的第二透鏡組、正屈光度的第三透鏡組、正屈光度的第四透鏡組及正屈光度的第五透鏡組，其中作為收光群組的第一透鏡組及作為固定群組的第三透鏡組位置固定，用于變焦的第二透鏡組、提供像差補償的第四透鏡組及用于對焦的第五透鏡組的位置可移動，當鏡頭從廣角端狀態至遠攝端狀態變焦時，第二透鏡組向第三透鏡組移動，第四透鏡組亦向第三透鏡組移動。本發明將鏡頭敏感度集中于第二透鏡組，可減少鏡頭其它光學群組的調整校驗程序。
文檔編號G02B9/60GK1885082SQ200510078499
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月20日 優先權日2005年6月20日
發明者張裕民 申請人:亞洲光學股份有限公司