专利名称：变焦镜头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变焦镜头，尤其是指一种小型化、高倍率、高分辨率的变焦镜头。
背景技术：
近年来随着照相、摄影等光学技术与数字电子技术的快速整合，照相手机、小型数字相机及小型家用摄影机等新产品层出不穷，并越来越成为现代人工作及生活中不可缺少的用品。作为这些产品关键组件之一的光学镜头，既要符合小型化及轻量化，亦要满足高变焦倍率及高解像力的要求。通常，高变焦倍率镜头是以多群镜片组、多枚镜片，较长的镜头长度型式来达成，并加入特殊低色散镜片及非球面镜片来达到解像力的要求。
在变焦镜头中，在谋求整个镜头系统的小型化的同时，为获得所期望的变焦倍率，得到整个变焦范围良好的光学特性，需要适当设定各透镜组中的镜片构成。在变焦镜头中，若加强透镜组的屈光度，则变焦时各透镜组的移动量就变小，从而可缩短整个镜头的长度。然而增加各透镜组的屈光度，也会造成像差波动随着变焦进程变大且难以进行良好的修正的问题。因此，对于小型化变焦镜头来说，如何做到既保持高的光学性能，又尽可能地简化光学系统的构成，这确是变焦镜头设计领域中令设计者头痛的一个难题。
目前已有许多小型变焦镜头的设计方案，例如日本美能达(Minolta)公司公告于1993年2月9日的美国专利5,185,678号及与该美国专利相对应的日本特许第3044757号，揭示了一种由五组透镜组构成的变焦镜头，其自物方至成像面依次为正、负、正、正、正屈光度的第一至第五透镜组，每个透镜组又分别由若干单镜片或复合镜片构成，整个镜头包含大约16至20片光学镜片。而日本佳能(Canon)公司获准公告于2000年5月9日的美国专利第6,061,186号，也揭示了一种具有正、负、正、正、负屈光度的五透镜组的变焦镜头，通过改变各透镜组之间的距离而达到远、近视角拍摄的焦距调整。该变焦镜头中各透镜组是由若干个单镜片或复合镜片构成，整个镜头包含大约17至19片光学镜片。由于前述已知变焦镜头中所使用的镜片均超过16片以上，除造成镜头成本增加以外，镜头重量过大亦是造成困扰的因素之一。
因此，确有必要开发一种光学系统相对简化、尺寸较小并具有高的光学性能的轻量化光学变焦镜头。
发明内容本发明的目的在于提供一种变焦镜头，其光学系统相对简化，镜片数目较少且结构紧凑，光学成像性能优良，并具有高变焦倍率及高解像力，且镜头敏感度集中于特定镜片群组，可减少镜头其它光学群组之调整校验程序。
本发明目的是通过以下技术方案实现的一种变焦镜头，包括第一透镜组，是固设于镜头面向被摄物体一侧的最前端用于收光，其具有正的屈光度；第二透镜组，是以可移动的方式设置在该第一透镜组后侧以提供变焦，其包含一负屈光度的第一透镜、负屈光度的第二透镜及正屈光度的第三透镜，其中第一透镜为双凹面透镜，其面向物方一侧的第一表面的曲率半径大，面形平缓趋近于平面，而其面向成像面一侧的第二表面的曲率半径小，曲面弧度大而呈深凹陷面形，该第二透镜组中包含有至少一个非球面镜；第三透镜组，是固定设置于第二透镜组后侧适当位置处，其具有正的屈光度；第四透镜组，是以可移动的方式设置于第三透镜组后方用以提供成像补偿，其具有正的屈光度，该第四透镜组中包含有至少一个非球面镜；及第五透镜组，是以可移动的方式设置于第四透镜组后方以提供镜头对焦，其具有正的屈光度；当镜头从广角端状态至远摄端状态变焦时，第二透镜组向第三透镜组移动，第四透镜组亦向第三透镜组移动。
上述变焦镜头，其满足如下关系式
0.75≤2·fW·fTY·L≤1.35---(a-1)]]>其中，fW是广角端的焦距，fT是望远程的焦距，Y为成像面对角最大长度，L为镜头总长度，亦即自最靠近物方一侧的第一片镜片的第一面到成像面的长度。
上述变焦镜头，其中第四透镜组与第二透镜组之间满足下列关系式2.3≤|f4f2|≤3.9---(a-2)]]>其中，f2是第二透镜组的焦距，f4是第四透镜组的焦距。
上述变焦镜头，其中非球面的表面形状可由下列公式表达D=C·H21+1-(1+K)·C2·H2+E4·H4+E6·H6+E8·H8+E10·H10]]>与现有技术相比，本发明变焦镜头采用五组透镜组结构，并使第一透镜组及第三透镜组的位置固定不变，通过改变第二透镜组及第四透镜组的位置而达到变焦效果，并通过对第五透镜组位置的调整进行调焦，确保成像清晰。另外，本发明将镜头敏感度集中于第二透镜组，可减少镜头其它光学群组的调整校验程序。因此，本发明的变焦镜头可达到高变焦倍率、高解像力的光学效果，并可以有效矫正像差而确保影像质量良好。且整个变焦镜头的镜片数目可减少至12片，结构紧凑，减轻了重量并降低成本。
图1是本发明变焦镜头的光学结构图。
图2A至图2D是本发明依据第一数值实施例实施的变焦镜头，处于广角端时的球面收差、歪曲收差、非点收差及倍率色收差等像差曲线图。
图3A至图3D是本发明依据第一数值实施例实施的变焦镜头，处于中间位置状态时的球面收差、歪曲收差、非点收差及倍率色收差等像差曲线图。
图4A至图4D是本发明依据第一数值实施例实施的变焦镜头，处于远摄端时的球面收差、歪曲收差、非点收差及倍率色收差等像差曲线图。
图5A至图5C是本发明依据第一数值实施例买施的变焦镜头，分别处于广角端状态、中间位置状态及远摄端状态时的彗差曲线图。
图6A至图6D是本发明依据第二数值实施例实施的变焦镜头，处于广角端时的球面收差、歪曲收差、非点收差及倍率色收差等像差曲线图。
图7A至图7D是本发明依据第二数值实施例实施的变焦镜头，处于中间位置状态时的球面收差、歪曲收差、非点收差及倍率色收差等像差曲线图。
图8A至图8D是本发明依据第二数值实施例实施的变焦镜头，处于远摄端时的球面收差、歪曲收差、非点收差及倍率色收差等像差曲线图。
图9A至图9C是本发明依据第二数值实施例实施的变焦镜头，分别处于广角端状态、中间位置状态及远摄端状态时的彗差曲线图。
具体实施方式
请参阅图1所示本发明变焦镜头的光学结构示意图，该变焦镜头从物方到像方依次包括正屈光度的第一透镜组1、负屈光度的第二透镜组2、正屈光度的第三透镜组3、正屈光度的第四透镜组4及正屈光度的第五透镜组5。其中，该第一透镜组1包含由第一镜片101及第二镜片102组合而成的复合透镜10及一单一的第二透镜11，该第一透镜组1可采用塑料或玻璃材质模造成型，被固定在镜头的最前端用于收光。在具体实施中，该第一透镜组1中的透镜10、11面向物方一侧的第一表面均是向物方一侧凸出，相对另一侧的第二表面则是相对于成像面呈凹陷构形，从而使本发明变焦镜头在广角状态时具有适当大的视角。
第二透镜组2用于改变镜头焦距，其包含一负屈光度的第一透镜21、负屈光度的第二透镜22及正屈光度的第三透镜23，该第二透镜组2可采用玻璃材质，也可采用塑料材质。其中，第一透镜21为双凹面透镜，其面向物方一侧的第一表面的曲率半径大，其面形平缓趋近于平面，而面向成像面一侧的第二表面的曲率半径小，曲面弧度大而呈深凹陷面形。第二透镜22面向物方一侧的第一表面为向物方凸出的面形，而另一侧的第二表面则为较深凹面。第三透镜23为一单凸面透镜，其面向物方一侧的第一表面朝物方凸出。该第三透镜23可与第二透镜22接合为一体而形成一复合式透镜。另外，该第二透镜组2的第一、二及三透镜21、22及23中，至少包含有一个非球面镜。
本发明将镜头敏感度集中于第二透镜组2，在生产装配时对该第二透镜组2作特别精细的调整，这样可减少镜头其它光学群组的调整校验程序。
第三透镜组3作为本发明变焦镜头中的固定系，是由一凸一凹的两片透镜31、32接合而成，且该第三透镜组3的一侧含有光阑构造(未标示)以控制入射光量。
第四透镜组4作为本发明变焦镜头中的补偿系，用以补偿变焦所造成的成像面6位置的变动，确保成像面6的位置始终固定不变，使变焦后入射光线仍可在位置固定的成像面6上聚焦而获得清晰影像。该第四透镜组4自物方至像方依次包含两个正透镜41、42及一负透镜43，其中，第一正透镜41可采用双凸面透镜，第二正透镜42也采用双凸面透镜，而负透镜43则采用双凹面透镜，且该负透镜43可与第二正透镜42相接合而形成一复合透镜。而且，该正透镜41、42及负透镜43中包含有至少一非球面镜，以改善像面弯曲与非点收差，使本发明变焦镜头可以获得良好的解像。例如，作为一较佳之例，第一正透镜41面向物方一侧的第一表面为非球面。
第五透镜组5是一正屈光度的凸透镜，当变焦镜头对焦作动(focusing)时，该第五透镜组5向物体一侧方面移动，接近第四透镜组，使第四、五透镜组4、5之间的距离减少。该第五透镜组5也可兼作补正系使用，与第二、四透镜组2、4同时移动完成变焦后，再单独对焦移动。
本发明通过改变第二透镜组2及第四透镜组4与第三透镜组3之间的距离而进行变焦，具体地说，当镜头从广角端状态至远摄端状态变焦时，第二透镜组2向第三透镜组3移动，第一透镜组1与第二透镜组2之间距增大，而第四透镜组4也向第三透镜组3移动，第三透镜组3与第四透镜组4之间的距离减小。变焦完成后调整第五透镜组5的位置进行对焦。
本发明变焦镜头虽然包含5组透镜组，但所使用的镜片数目相对少且结构紧凑，采用内部变焦方式，其总体长度保持不变。为此，本发明变焦镜头满足如下关系式0.75≤2·fW·fTY·L≤1.35---(a-1)]]>上述式a-1中，fW是广角端的焦距，fT是望远程的焦距，Y为成像面对角最大长度，L为镜头总长度，亦即自最靠近物方一侧的第一片镜片的第一面至成像面的长度。
另外，本发明变焦镜头的第四透镜组4与第二透镜组2之间满足下列关系式2.3≤|f4f2|≤3.9---(a-2)]]>式a-2中，f2是第二透镜组的焦距，f4是第四透镜组的焦距。
本发明变焦镜头的第二透镜组2及第四透镜组4中分别包含至少一面非球面，使变焦镜头具有较佳的像差矫正。若采用球面镜片，则需要有足够长的空间来设置复合透镜以矫正变焦时的像差。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为沿光轴方向在高度为H的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；K为锥度常量；C＝1/R，R表示傍轴曲率半径；E4、E6、E8、E10为高阶非球面系数。
依据前述本发明的技术内容，可依照下列数值实施例具体实施第一数值实施例
其中非球面的各项数值
依据上述第一数值实施例所实施的本发明变焦镜头，第二透镜组2中第一透镜21为单面非球面镜片，其面向物方一侧的第一表面为非球面，第三透镜23也是单面非球面镜片，其面向成像面一侧的第二面为非球面，第四透镜组4中的正透镜41亦为单面非球面镜片。如图2A至图5C所示本发明依据第一数值实施例获得的变焦镜头在变焦倍率为10X时，不同状态下的像差曲线。
本发明变焦镜头还可依据以下第二数值实施例具体实施第二数值实施例
其中非球面的各项数值
依据上述第二数值实施例所实施的本发明变焦镜头，第二透镜组2中第一透镜21为单面非球面镜片，其面向物方一侧的第一表面为非球面，第三透镜23亦为单面非球面镜片，其面向成像面一侧的第二面为非球面，第四透镜组4中的正透镜41亦为单面非球面镜片。如图6A至图9C所示本发明依据第一数值实施例获得的变焦镜头在变焦倍率为6X时，不同状态下的像差曲线。
权利要求
1.一种变焦镜头，其特征在于，其包括第一透镜组，是固设于镜头面向被摄物体一侧的最前端用于收光，其具有正的屈光度；第二透镜组，是以可移动的方式设置于所述第一透镜组后侧以提供变焦，其包含一负屈光度的第一透镜、负屈光度的第二透镜及正屈光度的第三透镜，其中所述第一透镜为双凹面透镜，其面向物方一侧的第一表面的曲率半径大，面形平缓趋近于平面，而其面向成像面一侧的第二表面的曲率半径小，曲面弧度大而呈深凹陷面形，所述第二透镜组中包含有至少一个非球面镜；第三透镜组，是固定设置于所述第二透镜组后侧适当位置处，其具有正的屈光度；第四透镜组，是以可移动的方式设置于所述第三透镜组后方用以提供成像补偿，其具有正的屈光度，所述第四透镜组中包含有至少一个非球面镜；第五透镜组，是以可移动的方式设置于所述第四透镜组后方以提供镜头对焦，其具有正的屈光度；当镜头从广角端状态至远摄端状态变焦时，第二透镜组向第三透镜组移动，第一透镜组与第二透镜组之间的距离增大，而第四透镜组亦向第三透镜组移动，第三透镜组与第四透镜组之间的距离减小。
2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于所述第一透镜组包含由第一镜片及第二镜片组合而成的复合透镜及一单一的第二透镜。
3.如权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于所述第一透镜组中的透镜面向物方一侧的第一表面均是向物方一侧凸出，相对另一侧的第二表面则是相对于成像面呈凹陷形。
4.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于所述第二透镜组中的第二透镜为双凹面透镜，其面向物方一侧的第一表面为面形平缓的浅凹面，而另一侧的第二表面则为较深凹面。
5.如权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于所述第二透镜组中的第三透镜为一单凸面透镜，其面向物方一侧的第一表面朝物方凸出。
6.如权利要求5所述的变焦镜头，其特征在于所述第二透镜组中的第三透镜是与第二透镜接合为一体而形成一复合式透镜。
7.如权利要求6所述的变焦镜头，其特征在于所述第二透镜组中的第一透镜为单面非球面镜，其面向物方一侧的第一表面为非球面。
8.如权利要求7所述的变焦镜头，其特征在于所述第二透镜组中的第三透镜为单面非球面镜，其面向成像面一侧的第二面为非球面。
9.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于所述第三透镜组是由一凸一凹的两片透镜接合而成的复合透镜。
10.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于所述第四透镜组自物方至成像面方向依次包含第一正透镜、第二正透镜及一负透镜。
11.如权利要求10所述的变焦镜头，其特征在于所述第四透镜组中的第一正透镜为双凸面透镜，第二正透镜为双凸面透镜，负透镜为双凹面透镜。
12.如权利要求11所述的变焦镜头，其特征在于所述第四透镜组中的负透镜是与第二正透镜相接合而形成一复合透镜。
13.如权利要求12所述的变焦镜头，其特征在于所述第四透镜组中的第一正透镜为单面非球面镜，其面向物方一侧的第一表面为非球面。
14.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于其满足如下关系式0.75≤2·fW·fTY·L≤1.35]]>其中，fW是广角端的焦距，fT是望远程的焦距，Y为成像面对角最大长度，L为镜头总长度，亦即自最靠近物方一侧的第一片镜片的第一面至成像面的长度。
15.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于第四透镜组与第二透镜组之间满足下列关系式2.3≤|f4f2|≤3.9]]>其中，f2是第二透镜组的焦距，f4是第四透镜组的焦距。
全文摘要
本发明公开了一种微型化的变焦镜头，其从物方到像方依次包括正屈光度的第一透镜组、负屈光度的第二透镜组、正屈光度的第三透镜组、正屈光度的第四透镜组及正屈光度的第五透镜组，其中作为收光群组的第一透镜组及作为固定群组的第三透镜组位置固定，用于变焦的第二透镜组、提供像差补偿的第四透镜组及用于对焦的第五透镜组的位置可移动，当镜头从广角端状态至远摄端状态变焦时，第二透镜组向第三透镜组移动，第四透镜组亦向第三透镜组移动。本发明将镜头敏感度集中于第二透镜组，可减少镜头其它光学群组的调整校验程序。
文档编号G02B9/60GK1885082SQ200510078499
公开日2006年12月27日 申请日期2005年6月20日 优先权日2005年6月20日
发明者张裕民 申请人:亚洲光学股份有限公司