专利名称：紧凑的变焦光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有紧凑结构并且实现高放大倍率的变焦光学系统。
背景技术：
目前，诸如具有成像器件(例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体 (CMOS))的数字相机或摄像机的光学成像装置广泛地普及。需要光学成像装置具有高 性能，例如高放大倍率和高像素数。另外，要求光学成像装置小、轻且价廉。因此，要 求成像光学装置具有高性能(例如，增加的放大倍率和像素数)而且小、轻、价格低廉。 因此，也要求包括光学成像装置的变焦光学系统具有高性能且价格低廉。为了实现高像素大尺寸的成像装置，包括在变焦光学系统中的透镜的数量逐渐 增加，透镜的总长度增加。为了同时实现紧凑的和高清晰度的变焦光学系统，可以使用 玻璃透镜，特别是玻璃非球面透镜。在这种情况下，由于需要高精度和高加工成本来加 工玻璃非球面透镜，所以变焦光学系统的重量和制造成本增加。
发明内容
本发明的实施例提供一种具有以低成本制造、小型化得并具有高放大倍率的结 构的紧凑的变焦光学系统。根据本发明的实施例，提供一种变焦光学系统，包括第一透镜组，包括塑料 非球面透镜并具有负屈光力；第二透镜组，具有正屈光力；第三透镜组，具有正屈光 力，其中，第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组自物方到像方被顺序布置，其中，所 述塑料非球面透镜满足下面的不等式0≤(R21-R22)2≤0.04,其中，R21表示塑料非球面透镜对应于物方的曲率半径，R22表示塑料非球面透 镜对应于像方的曲率半径。所述塑料非球面透镜可满足下面的不等式0≤(T2c-T2e) 2≤0.09,其中，T2c表示塑料非球面透镜的中心厚度，T2e表示塑料非球面透镜的边缘的厚度。第三透镜组可包括至少一个塑料非球面透镜。各个塑料非球面透镜可满足下面的不等式中的至少一个1.5≤n≤1.6,和50≤v≤60,其中，“η”表示塑料非球面透镜的折射率，“V”表示塑料非球面透镜的阿贝数。在从广角位置变焦到摄远位置期间，第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组可 沿着光轴移动。第二透镜组可包括由玻璃材料形成且具有非球面的正透镜；通过将正透镜和 负透镜彼此结合而形成的双合透镜。第一透镜组可包括弯月透镜，所述弯月透镜具有朝物方凸出的表面。所述变焦光学系统还可包括第四透镜组，所述第四透镜组包括设置在第一透 镜组和物方之间的双合透镜并具有正屈光力。所述双合透镜可包括自物方起顺序布置的具有负屈光力的透镜和具有正屈光力 的透镜。在从广角位置变焦到摄远位置期间，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和 第四透镜组沿着光轴移动。所述变焦光学系统满足下面的不等式 4.0<Tw/fw<7.0,其中，Tw表示变焦光学系统在广角位置的总长度，彻表示变焦光学系统在广角 位置的焦距。
通过下面参照附图对示例性实施例进行的详细描述，本发明的上述和其他特点 和优点将会变得更加清楚，其中图1示出根据本发明的实施例的变焦光学系统在广角位置、中间位置和摄远位 置的光学布置；图2A、图2B和图2C分别示出在图1的变焦光学系统的广角位置、中间位置和 摄远位置的纵向球面像差、像散场弯曲和％畸变的示图；图3示出根据本发明的另一实施例的变焦光学系统在广角位置、中间位置和摄 远位置的光学布置；图4A、图4B和图4C分别示出在图3的变焦光学系统的广角位置、中间位置和 摄远位置的纵向球面像差、像散场弯曲和％畸变的示图；图5示出根据本发明的另一实施例的变焦光学系统在广角位置、中间位置和摄 远位置的光学布置；图6A、图6B和图6C分别示出在图5的变焦光学系统的广角位置、中间位置和 摄远位置的纵向球面像差、像散场弯曲和％畸变的示图；图7示出根据本发明另一实施例的变焦光学系统在广角位置、中间位置和摄远 位置的光学布置；图8A、图8B和图8C分别示出在图7的变焦光学系统的广角位置、中间位置和 摄远位置的纵向球面像差、像散场弯曲和％畸变的示图；图9示出根据本发明的另一实施例的变焦光学系统在广角位置、中间位置和摄 远位置的光学布置。图10A、图IOB和图IOC分别示出在图9的变焦光学系统的广角位置、中间位置和摄远位置的纵向球面像差、像散场弯曲和％畸变的示图；图11示出根据本发明的另一实施例的变焦光学系统在广角位置、中间位置和摄 远位置的光学布置；图12A、图12B和图12C分别示出在图11的变焦光学系统的广角位置、中间位 置和摄远位置的纵向球面像差、像散场弯曲和％畸变的示图。
具体实施例方式以下，通过参照附图描述本发明的示例性实施例将详细地描述本发明。附图中 相同的标号表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，夸大了元件的尺寸。图1、图3、图5、图7、图9和图11示出根据本发明的 各实施例的变焦光学系 统在广角位置、中间位置和摄远位置的光学布置。参照图1、图3、图5、图7、图9和图11，变焦光学系统可包括三个透镜组或四 个透镜组。图1、图3和图5的变焦光学系统中的各个系统包括三个透镜组，S卩，从物OBJ 方到像IMG方顺序布置的具有负屈光力的第一透镜组G1、具有正屈光力的第二透镜组 G2以及具有正屈光力的第三透镜组G3。图7、图9和图11的变焦光学系统中的各个变焦光学系统包括四个透镜组。艮口， 除了图1、图3和图5的三个透镜组之外，还包括布置在物OBJ方和第一透镜组Gl之间 的具有正屈光力的第四透镜组G4。因此，图7、图9和图11的变焦光学系统中的各个变 焦光学系统包括具有正屈光力的第四透镜组G4、具有负屈光力的第一透镜组G1、具有正 屈光力的第二透镜组G2以及具有正屈光力的第三透镜组G3，所述透镜组G4、GU G2 和G3从物OBJ方到像IMG方顺序布置。图1、图3、图5、图7、图9和图11的变焦光学系统中的各个变焦光学系统包 括布置在第一透镜组Gl和第二透镜组G2之间的孔径光阑STO，孔径光阑STO关联于第 二透镜组G2移动。在图1、图3和图5的变焦光学系统中，在从广角位置变焦到摄远位 置期间，第一透镜组G1、第二透镜组G2和第三透镜组G3移动。在图7、图9和图11 的变焦光学系统中，除了第四透镜组G4移动之外，第一透镜组G1、第二透镜组G2和第 三透镜组G3也移动。详细地说，第一透镜组Gl和第二透镜组G2之间的距离减小，第 二透镜组G2和第三透镜组G3之间的距离增加。另外，第三透镜组G3根据到物体的距 离调节焦点。图1、图3、图5、图7、图9和图11的变焦光学系统中的各个变焦光学系统在 第一透镜组Gl中使用塑料非球面透镜，以减少制造成本。例如，自物OBJ方起的第一 透镜组Gl的第二透镜可由塑料形成。塑料非球面透镜被配置为满足不等式1 不等式10<(R21-R22)2<0.04,其中，R21表示塑料非球面透镜对应于物OBJ方的曲率半径，R22表示塑料非 球面透镜对应于像IMG方的曲率半径。与玻璃材料相比，塑料材料的屈光力对温度、压强和湿度的变化更敏感，因此 使用塑料材料的光学系统的性能根据温度、压强和湿度改变得更多。为了避免这个问题，图1、图3、图5、图7、图9和图11的变焦光学系统中的各个变焦光学系统的第一 透镜组Gl的塑料非球面透镜满足不等式1。因此，当塑料非球面透镜的折射率大约是1.5 时，塑料非球面透镜的屈光力的改变被限制在士0.1mm1内，这意味着塑料非球面透镜的 屈光力基本没变。塑料非球面透镜被配置为满足不等式2 不等式20<(T2c-T2e) 2<0.09,其中，T2c表示塑料非球面透镜的中心厚度，T2e表示塑料非球面透镜的边缘的 厚度。不等式2表示基本防止由于第一透镜组Gl的塑料非球面透镜的形状而引起的屈 光力改变的条件。虽然通过不等式1消除了沿着径向轴的屈光力的变化，但是塑料非球 面透镜的中心和边缘的曲率半径可以根据塑料非球面透镜的形状而不同，根据环境的改 变，这可能是图1、图3、图5、图7、图9和图11的变焦光学系统中的各个变焦光学系 统的性能劣化的主要原因。通过将在径向轴上的中心厚度与边缘的厚度之间的差限制在 0.3mm内，可以防止塑料非球面透镜的屈光力中的显著改变。除了第一透镜组Gl的非球面透镜之外，图1、图3、图5、图7、图9和图11 的变焦光学系统中的各个变焦光学系统在第三透镜组G3中还使用至少一个塑料非球面透 镜，以减少制造成本。第三透镜组G3的非球面透镜和第一透镜组Gl的非球面透镜被单 独地配置，以满足不等式3和4中的至少一个不等式31.5<n<1.6不等式450<v<60,其中，“η”表示塑料非球面透镜的折射率，“V”表示塑料非球面透镜的阿贝数。因此，根据本发明的各实施例的变焦光学系统中的各个变焦光学系统的塑料非 球面透镜可具有对控制塑料非球面透镜的像散和改善塑料非球面透镜的性能最有效的折 射率和阿贝数。另外，根据本发明的实施例的变焦光学系统中的各个变焦光学系统满足不等式 5 不等式54.0<Tw/fw<7.0,其中，Tw表示变焦光学系统在广角位置的总长度，彻表示变焦光学系统在广角 位置的焦距。不等式5根据变焦光学系统的焦距控制变焦光学系统的总长度。在不等式5中， 当Tw/fw等于最小值时，与焦距相比，总长度相对短，因此难以设计变焦光学系统。当 Tw/fw具有最大值时，与焦距相比，总长度相对长。现在将更详细地描述第一透镜组Gl到第四透镜组G4的构造。第一透镜组Gl被配置为具有负屈光力，并包括自物OBJ方起顺序布置的第一透镜10-1、第二透镜20-1和第三透镜30-1。第一透镜10-1是负透镜。第二透镜20_1被 配置为满足不等式1和2，并且是几乎不具有屈光力的塑料非球面透镜。第三透镜30-1 是正透镜。 第一透镜10-1和第三透镜30-1由折射率等于或大于1.85的材料形成，以较大地 折射光束并减小变焦光学系统的孔径。另外，第二透镜20-1 (即，塑料非球面透镜)被 布置在第一透镜10-1和第三透镜30-1之间，以补偿球面像差、彗差、像散像差等。如 果另一透镜组(即，第四透镜组G4)没有布置在第一透镜组Gl的前方，则第一透镜组Gl 的第一透镜10-1可以是朝物OBJ方凸出的弯月透镜。考虑对像差的控制、变焦光学系统的小型化和变焦光学系统的倍率而配置第一 透镜组G1，在第一透镜组Gl中使用塑料透镜，从而减小变焦光学系统的制造成本。第二透镜组G2可负责变焦光学系统的放大倍率并且可包括三个透镜。第二透 镜组G2包括，例如，具有正屈光力的第四透镜40-1、具有正屈光力的第五透镜50-1以 及具有负屈光力的第六透镜60-1，第二透镜组G2可被配置为易于控制像差。第二透镜 组G2包括至少一个双合透镜。例如，第五透镜50-1和第六透镜60-1可组成双合透镜。 第二透镜组G2中包括的至少一个透镜可包括非球面。例如，具有至少一个非球面的非球 面透镜可用作第四透镜40-1 (即，从物OBJ方起的第二透镜组G2的第一透镜)来控制球 面像差。第二透镜组G2可被配置为沿与光轴垂直的方向移动，以补偿由于手抖引起的图 像抖动。第三透镜组G3可根据到物体的距离负责聚焦，并且可包括例如具有正屈光力的 第七透镜70-1。第七透镜70-1可以是塑料透镜，以减少制造成本。第三透镜组G3调 节聚焦，因此第三透镜组G3可抵消由于环境温度、压强和湿度而引起的塑料透镜的特性 的改变。另外，可将塑料非球面透镜用作第七透镜70-1，以补偿像散场弯曲和畸变。除了第一透镜组Gl、第二透镜组G2和第三透镜组G3之外，图7、图9和图11 的变焦光学系统中的各个变焦光学系统还可包括包括具有两个透镜且具有正屈光力、布 置在物OBJ方与第一透镜组Gl之间的第四透镜组G4。第四透镜组G4可包括例如具有 负屈光力的第八透镜80-1和具有正屈光力的第九透镜90-1。第八透镜80-1和第九透镜 90-1可组成双合透镜。为了在从广角位置变焦到摄远位置期间实现高放大倍率，第四透 镜组G4以这种方式折射光束，使得在同时补偿色差和球面像差时所述光束入射到具有负 屈光力的第一透镜组Gl上。以下，将描述根据本发明的实施例的详细的透镜数据。可将非球面表面限定如 下。这里，χ表示沿光轴方向到透镜顶点的距离，y表示沿垂直于光轴的方向的距 离。K表示圆锥曲线常数(conic constant)，A、B、C和D表示非球面系数，C，表示透 镜的顶点的曲率半径的倒数(1/R)。以下，f表示整个变焦镜头的焦距，Fno表示F数，2ω表示视角。RDY表示透 镜的曲率半径，THI表示透镜的厚度或透镜之间的距离，GLA表示与折射率和阿贝数对 应的值。STO表示孔径光阑的表面。标志“*”意味着表面是非球面。在各个实施例 中，透镜之间的可变距离是Dl、D2、D3和D4。组件的标号与指示第一到第六实施例 的数字匹配。
<第一实施例>图1示出根据本发明的实施例的变焦光学系统。第一透镜组Gl包括第一透镜 10-1、第二透镜20-1和第三透镜30-1。第二透镜组G2包括第四透镜40-1、第五透镜 50-1和第六透镜60-1。第三透镜组G3包括第七透镜70-1。红外线滤色器和玻璃盖可 设置在第七透镜70-1和像IMG表面之间。下面是第一实施例的透镜数据。
权利要求
1.一种变焦光学系统，包括第一透镜组，包括塑料非球面透镜并具有负屈光力； 第二透镜组，具有正屈光力； 第三透镜组，具有正屈光力，其中，第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组自物方到像方被顺序布置，其中，所 述塑料非球面透镜满足不等式1 不等式10<(R21-R22)2<0.04,其中，R21表示所述塑料非球面透镜对应于物方的曲率半径，R22表示所述塑料非球 面透镜对应于像方的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其中，所述塑料非球面透镜满足不等式2 不等式20<(T2c-T2e)2<0.09,其中，T2c表示所述塑料非球面透镜的中心厚度，T2e表示所述塑料非球面透镜的边缘的厚度。
3.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其中，第三透镜组包括至少一个塑料非球面 透镜。
4.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其中，所述塑料非球面透镜满足不等式3和 不等式4中的至少一个不等式3 1.5<n<1.6 不等式4 50<v<60,其中，“η”表示塑料非球面透镜的折射率，“V”表示塑料非球面透镜的阿贝数。
5.根据权利要求3所述的变焦光学系统，其中，各个塑料非球面透镜满足不等式3和 不等式4中的至少一个不等式3 1.5<η<1.6 不等式4 50<ν<60,其中，“η”表示塑料非球面透镜的折射率，“V”表示塑料非球面透镜的阿贝数。
6.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其中，在从广角位置变焦到摄远位置期间， 第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组沿着光轴移动。
7.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其中，第二透镜组包括由玻璃材料形成 且具有非球面的正透镜；通过将正透镜和负透镜彼此结合而形成的双合透镜。
8.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其中，第一透镜组包括弯月透镜，所述弯月 透镜具有朝物方凸出的表面。
9.根据权利要求1所述的变焦光学系统，所述变焦光学系统还包括第四透镜组， 所述第四透镜组包括设置在第一透镜组和物方之间的双合透镜并具有正屈光力。
10.根据权利要求9所述的变焦光学系统，其中，所述双合透镜包括自物方起顺序布 置的具有负屈光力的透镜和具有正屈光力的透镜。
11.根据权利要求9所述的变焦光学系统，其中，在从广角位置变焦到摄远位置期 间，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组沿着光轴移动。
12.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其中，所述变焦光学系统满足不等式5 不等式5-4.0<Tw/fw<7.0,其中，Tw表示变焦光学系统在广角位置的总长度，彻表示变焦光学系统在广角位置 的焦距。
13.根据权利要求9所述的变焦光学系统，其中，所述变焦光学系统满足不等式5 不等式5-4.0<Tw/fw<7.0,其中，Tw表示变焦光学系统在广角位置的总长度，彻表示变焦光学系统在广角位置 的焦距。
全文摘要
本发明公开了一种紧凑的变焦光学系统，所述变焦光学系统包括第一透镜组，包括塑料非球面透镜并具有负屈光力；第二透镜组，具有正屈光力；第三透镜组，具有正屈光力；其中，第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组自物方到像方顺序布置，其中，所述塑料非球面透镜满足下面的不等式0≤(R21-R22)2≤0.04，其中，R21表示塑料非球面透镜对应于物方的曲率半径，R22表示塑料非球面透镜对应于像方的曲率半径。
文档编号G02B1/00GK102023374SQ201010281489
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月13日 优先权日2009年9月11日
发明者刘长勋, 姜锡奉 申请人:三星电子株式会社