变焦透镜光学系统的制作方法

本申请请求享有2014年2月19日提交的题为ZOOM LENS OPTICAL SYSTEM的美国非临时专利申请号No. 14/183,844的权益，该申请通过引用而并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及变焦透镜光学系统，其适用于使用图像拾取装置的移动电话照相机或数字照相机，更具体而言，涉及能够进行高度放大变化的小物理尺寸变焦透镜光学系统。

背景技术：

变焦透镜光学系统用于使用图像拾取装置的电子数字照相机中。此种光学系统将光聚焦在图像拾取装置，诸如电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)上。这些光学系统还可包括折转光学器件(folding optics)，以使光程弯曲，且从而满足由照相机构造施加的封装要求。典型的折转光学器件包括棱镜或折转反射镜。

现代的蜂窝电话包含能够有极高品质图片的很有效的照相机。图像品质为大约8百万像素，且是通过极小的像素大小(通常线性1.5微米)和复杂的衍射限制透镜的组合来实现的。所需的透镜品质为具有至少300循环/mm的良好调制传输响应。这表示透镜速度必须比f/3更快。F/2.4是典型的透镜速度。

许多此类蜂窝电话照相机透镜具有短焦距(相对于图像对角线)，从而导致大约65度的总视场。这允许了多种常规照片，且允许一定量的数字变焦，这遭受立即和逐渐的图像品质损失。8百万像素基本系统上的3X数字变焦将在变焦的图像中产生仅0.9百万像素。

此种蜂窝电话可受益于难以实现的光学变焦定焦透镜的使用。变焦透镜应当首先满足上面公开的光学图像品质参数，其基本上是衍射限制的，其中所有焦距下的速度比f/3快。透镜还需要与现代蜂窝电话的尺寸和形状因素相容的物理尺寸。

很期望将变焦透镜并入到现代蜂窝电话的本体内，这表示了一种(可能折转的)设计，其具有在尺寸方面类似的元件，且当然不显著大于典型蜂窝电话的厚度，例如，大约7mm左右。

在人们考虑当前技术水平的小照相机变焦透镜时，清楚的是，广泛使用的设计形式不会满足上文概括的标准。现代小照相机变焦总是使用通过允许长焦距端变得显著慢于广端处的速度来简化的设计形式。这通过允许孔径光阑在透镜变焦时轴向地移动且有时改变直径来促进。当变焦进行时，透镜f/数通常从f/3.5变为f/5.6。这提出对蜂窝电话变焦的显著的光学机械挑战。但是，更重要的是，在变焦的长端处的该较慢的f/数对于具有极小像素元件的蜂窝电话而言是不允许的。所需的图像品质将由于衍射限制而是不可获得的。

因此，高度期望具有一种变焦透镜设计，其满足现代蜂窝电话的物理(小尺寸限制)和光学(在与很小像素相容的空间频率下接近衍射限制的性能)要求。还很期望具有一种变焦透镜，其将允许变焦透镜完全配合在蜂窝电话本体内，且在变焦时不突出。还很期望具有一种变焦透镜，其物理上可靠，且能够耐受现代蜂窝电话所需的极严格的坠落力要求。

技术实现要素：

一种变焦透镜(8)包括从变焦透镜(8)的物体端(14)延伸至图像端(16)的光程(12)、两个或更多个变焦透镜组(23, 24, 25)，和在光程(12)中的中间真实图像平面(28)。所有变焦透镜组(23, 24, 25)在也称为变焦模块(22)的组合的形式下在中间真实图像平面(28)的图像侧(30)或物体侧(34)上。

变焦透镜(8)可包括在光程(12)中的至少一个光程折转件(20)。变焦透镜(8)可包括场光学器件(100)，该场光学器件(100)在中间真实图像平面(28)附近且与其相。变焦透镜(8)可包括在光程(12)中最接近图像端(16)的固定后光学组(26)、和在固定后光学组(26)中的静止孔径光阑(88)，其中，孔径光阑(88)在变焦期间保持静止。

在变焦透镜(8)中，中间真实图像平面(28)取决于其在光程(12)中的位置而可由固定焦距中继镜(27)或由可变焦距中继镜(107)在具有大于0.4的绝对值的平均放大率下再成像到位于光程(12)图像端(16)处的最终真实图像平面(17)中。平均放大率对于固定焦距中继镜(27)而言是实际放大率。平均放大率对于可变焦距中继镜(107)而言是低端与高端之间的算术平均值。

变焦透镜(8)的一个特定实施例包括从变焦透镜(8)的物体端(14)延伸至图像端(16)的光程(12)、在物体端(14)附近的前固定组(21)、包括至少两个变焦透镜组(23, 24, 25)的变焦模块(22)，后面跟着固定正光焦度(positive power)后组(26)、在光程(12)中且在正光焦度后组(26)附近的中间真实图像平面(28)、和位于光程(12)图像端(16)处的最终真实图像平面(17)。固定正光焦度后组(26)包括在变焦期间保持静止的孔径光阑(88)。固定正光焦度后组(26)还包括在中间真实图像(28)附近且与其相关联的场光学器件(100)。固定焦距中继镜(27)位于中间真实图像平面(28)的图像侧(30)上，且设计成在具有大于0.4的绝对值的平均放大率下操作。平均放大率对于固定焦距中继镜(27)而言是实际放大率。包括在物体端(14)与孔径光阑(88)之间的所有光学器件的在本文所述的变焦透镜(8)的实施例的前部可用作用于现有蜂窝电话透镜(86)的近衍射限制无焦点变焦系统(afocal zoom)(94)附接件。该实施例的变焦透镜(8)还可包括在光程(12)中的至少一个光程折转件(19或20)。

变焦透镜(8)的另一个特定实施例包括从变焦透镜(8)的物体端(14)延伸至图像端(16)的光程(12)、前固定组(21)、在光程(12)中且在前组(21)附近的中间真实图像平面(28)、位于中间真实图像平面(28)附近且与其相关的场光学器件(100)、位于真实中间图像(28)的图像侧(30)上且包括至少两个变焦透镜组(23, 24)的变焦模块(22)，后面跟着在光程的图像侧(16)附近且包括静止孔径(88)的固定后组(26)。变焦透镜(8)的该实施例的变焦模块(22)和固定后组(26)形成可变焦距中继镜(107)，以用于在具有大于0.4的绝对值的平均放大率下将中间真实图像平面(28)再成像到图像端(16)附近的最终真实图像平面(17)中。平均放大率对于可变焦距中继镜(107)而言是低端与高端之间的算术平均。前固定组(21)和后固定组(26)二者可包括在光程(12)中的第一光程折转件(19)和第二光程折转件(20)。

变焦透镜(8)可与数字电子装置(50)一起或在其内使用，该装置(50)包括具有配置在壳体(54)内的图像拾取装置(56)的数字照相机(52)。变焦透镜(8)能够操作，以在图像拾取装置(56)上形成最终图像，且可配置在壳体(54)内。

附图说明

在结合附图作出的以下描述中解释本发明的前述方面和其他特征，在附图中：

图1为蜂窝电话(6)的概要例示，该蜂窝电话(6)具有用于位于蜂窝电话(6)的壳体(54)内的数字照相机(52)的变焦透镜(8)的第一示范实施例。

图2为具有变焦透镜(8)的第二示范实施例的图1中的蜂窝电话的概要例示。

图3为在变焦透镜(8)的光程(12)中的中间真实图像平面(28)的物体侧(34)上具有第一、第二、和第三变焦透镜组(23, 24, 25)的变焦透镜(8)的变焦范围的广角端处的图1中例示的变焦透镜(8)的第一实施例的放大概要例示。

图4为在变焦透镜(8)的变焦范围的远摄端处的图1和3中例示的变焦透镜(8)的概要例示。

图5为在变焦透镜(8)的光程(12)中的中间真实图像平面(28)的图像侧(30)上具有第一和第二透镜组(23, 24)的变焦透镜(8)的变焦范围的广角端处的图2中例示的变焦透镜(8)的第二实施例的放大概要例示。

图6为在变焦透镜(8)的变焦范围的远摄端处的图2和5中例示的变焦透镜(8)的概要例示。

具体实施方式

图1中例示了变焦透镜光学系统10的第一实施例，其包括用于数字照相机52的变焦透镜8和位于壳体54内的图像拾取装置56。壳体54可仅是数字照相机的，如，瞄准和拍摄(point and shoot)数字照相机，或如本文中例示的，是在壳体54内包含数字照相机52的蜂窝电话6的。数字照相机在本文中由图像拾取装置56示出，其实例包括电荷耦合装置CCD或互补金属氧化物半导体CMOS。图2中例示了用于位于蜂窝电话6壳体54内的数字照相机52的变焦透镜8的第二实施例。

参看图1和3-4，变焦透镜8的第一实施例包括光程12，且从物体端14延伸至图像端16。变焦透镜8能够操作以形成位于图像端16处的最终真实图像平面17处的最终图像。变焦透镜8包括布置成组的多个光学元件，以形成图像拾取装置56上的最终真实图像平面17处的最终图像。

变焦透镜8以串联关系沿从物体端14到图像端16的方向包括光学元件的第一固定组21、变焦模块22，和光学元件的第二固定组26。第一固定组21包括本文中示为单个光学元件的元件L1。变焦模块22包括本文中分别标为第一、第二第三变焦透镜组23、24、25的三个变焦组。第一变焦透镜组23包括光学元件L2-L4，第二变焦透镜组24包括光学元件L5-L7，且第三变焦透镜组25包括光学元件L8-L9。第三变焦组25后面跟着包括光学元件L10-L20的第二固定组26(也称为后固定光学器件)。

第一固定组21与变焦模块22和第二固定组26的前部103一起z在变焦透镜8的光程12中的中间真实图像平面28处形成中间真实图像。前部103在本文中例示为包括第二固定组26中的光学元件L10-L12。中间真实图像平面28处的中间真实图像通过固定焦距中继镜27再成像成最终图像，中继镜27在本文中例示为包括光学元件L13-L20。孔径光阑88位于固定焦距中继镜27中，且因此其位置在变焦期间保持固定。维持孔径光阑的恒定直径允许透镜的F/数在变焦中恒定。变焦透镜8在所有焦距下具有基本上固定的F/数。大约F/3或更快的固定F/数在(图像拾取装置56中的像素元件的)像素尺寸极小(如通常在蜂窝电话照相机中发现的)的应用中是特别有用的。

变焦模块22和所有的其变焦组(第一、第二、和第三变焦透镜组23、24、25)位于物体端14与变焦透镜8的中间真实图像平面28之间。中间真实图像和中间真实图像平面28具有面朝物体端14的物体侧34和面朝图像端16的图像侧30。图1、3和4中例示的变焦透镜8的第一实施例中的所有变焦透镜组都位于中间真实图像平面28的物体侧34上，这意味着它们在中间真实图像平面28与变焦透镜8的物体端14之间。第一固定组21可为最前固定组，且第二固定组26可为最后固定组。最前固定组为在光程12中最接近物体端14的固定组，且最后固定组为光程12中最接近图像端16的固定组。

本文中例示的变焦透镜8的示范实施例还包括透镜的前部18处的第一光学折转件19、和光学元件L16与L17之间的第二固定组26中的固定焦距中继镜27中的第二光学折转件20。

最后的四个元件L17、L20和孔径光阑88表示设置在第二光程折转件20与最终真实图像平面17之间的衍射限制蜂窝电话透镜。透镜的前部(光学元件L1-L16)作为前近衍射限制无焦点变焦系统94，该无焦点变焦系统94可与定焦蜂窝电话透镜工作，因为在此情形中，将不需要像差平衡(aberration-balancing)和/或光瞳匹配。因此，变焦透镜8的一个实施例可通过还包括如下前近衍射限制无焦点变焦系统94来用作对现有蜂窝电话透镜86的变焦附接件，该前近衍射限制无焦点变焦系统94包括物体端14与孔径光阑88之间的所有光学元件L1-L16。

图2和5-6中例示的变焦透镜8的第二实施例包括光程12，且从物体端14延伸至图像端16。变焦透镜8以串联关系从物体端14到图像端16包括光学元件的第一固定组21、变焦模块22、和光学元件的第二固定组26。第一固定组21包括光学元件L1-L7。光学元件L2和L15分别为第一和第二光学折转件19、20，且在本文中例示为折转直角棱镜或反射镜。变焦模块22包括本文中由第一和第二变焦透镜组23、24表示的两个变焦组。第一变焦透镜组23包括光学元件L8-L11，且第二变焦透镜组24包括光学元件L12-L14。第二固定组26包括光学元件L15-L18。光学元件L15为在本文中例示为折转直角棱镜的第二光学折转件20。

第一固定组21在变焦透镜8中的光程12中的第一固定组21附近的中间真实图像平面28处形成中间真实图像。可变焦距中继镜107将中间真实图像再成像成图像端16处的最终真实图像平面17处的最终图像。可变焦距中继镜107在本文中例示为光学元件L8-L18，且包括变焦模块22(第一和第二变焦组23、24)和第二固定组26。孔径光阑88配置在变焦模块22与第二固定组26之间。

中间真实图像和中间真实图像平面28具有面朝物体端14的物体侧34和面朝图像端16的图像侧30。变焦透镜8第二实施例中的变焦模块22和所有的其变焦透镜组(第一和第二变焦透镜组23、24)位于中间真实图像平面28的图像侧30上，这意味着它们在中间真实图像平面28与变焦透镜8的图像端16之间。孔径光阑88固定，且因此在变焦期间保持固定。变焦透镜8在所有焦距下具有基本上固定的F/数。大约F/3或更快的固定F/数在诸如在蜂窝电话和其他薄的装置中发现的照相机的应用中是特别有用的。

实施例1和2二者具有定位在第二固定组26内的孔径光阑88，这意味着孔径光阑88在变焦期间保持静止。紧邻中间真实图像平面28的透镜元件中的一些形成场光学器件100。场光学器件100在中间真实图像平面28附近且与其相关。在第一实施例中，场光学器件100包括元件L11-L13，而在第二实施例中，场光学器件100包括元件L5-L7。场光学器件允许控制接近变焦透镜8的前部18的透镜的进入光瞳的位置，从而将第一固定组21的尺寸保持到最小，甚至是在覆盖宽视场时。

孔径光阑88通过静止而允许变焦透镜8在变焦中保持恒定的f数(f-number)。因此，其可为简单的圆形开口，正如固定焦距蜂窝电话透镜的情况一样。

图像拾取装置56具有通常小于6mm的传感器对角线，且其还略小于图1和2中例示的蜂窝电话壳体54的厚度。变焦透镜8中透镜的透镜直径小于传感器对角线的两倍。作为例子，用于本文中例示的变焦透镜8的实施例1和2二者的传感器具有5.5 mm的对角线，且最大透镜孔径为大约8mm。为了实现本文所述的变焦透镜8中的光学元件的最小直径DM，期望具有在具有大于0.4的绝对值的平均放大率下操作的固定焦距中继镜27或可变焦距中继镜107，且优选地，且对于光学元件的最小直径，在将真实中间图像平面28再成像到最终真实图像平面17中时，平均放大率大于0.6。注意，贯穿本申请，平均放大率限定为固定焦距中继镜(27)的实际放大率、以及可变焦距中继镜(107)的低端与高端之间的算术平均。

以下的表1和4提供了第一和第二实施例的规定，分别是图1和3-4和图2和5-6中例示的变焦透镜8的实施例1和2。表1和4包括透镜元件的半径、厚度、空间和玻璃材料。表示为“a”的透镜元件的一些表面是非球面的。

用于智能电话的折转变焦-实例1

表1

表2

均匀多项式非球面和圆锥常数

表 3

用于智能电话的折转变焦 – 实例2

表4

表5

均匀多项式非球面

表6

一阶和变焦数据

此种表面的垂度(sag)z由以下方程描述：

其中，z为离系统的光学轴线的距离y处的表面垂度；c是光学轴线处的曲率，表面半径的倒数；k是圆锥常数，其除规定表中指出的位置外为零；且D、E、F、G、H和I分别是在表2和5中阐述的非球面系数。

分别对变焦透镜8的第一和第二实施例在表3和6中提供指示变焦组的运动的可变空间以及对应的图像距离、半视场、焦距和透镜的F/数。注意，焦距为负数，从而指出最终图像定向与物体的定向相同。

图3和4中例示的示范变焦透镜8可由以上表1-3限定。图5和6中例示的示范变焦透镜8可由以上表4-6限定。表1和4示出了适用于根据分别在图3和5中例示的变焦透镜8的第一和第二示范实施例的变焦透镜8的特定数值。限定参数的光学要素包括：表示从物体侧开始的第i个表面的“s”、“ri”从物体侧开始的第i个曲率半径、“di”从物体侧开始的第i个表面与第(i+1)个表面之间的轴向距离、“ni”在具有从物体侧开始的第i个表面的介质的d线处的折射指数、“.nu.i”具有从物体侧开始的第i个表面的介质的Abbe数、“INFINITY”平面表面、和“ASP”非球面表面。表2和5示出了适用于根据分别在图3和5中例示的变焦透镜8的第一和第二示范实施例的变焦透镜8的广角端状态(图4)、广角端状态与远摄端状态之间的中间焦距位置、和远摄端状态下的轴向距离(空气间隙)、f数(FNO)、半角.omega.。在表2中，f表示整个透镜系统的焦距。

表2和4示出了分别在图3和5中例示的变焦透镜8的第一和第二示范实施例中的表面的第4、第6、第8、第10、第12和第14个的圆锥常数和非球面系数D、E、F、G、H、I。

表3和6示出了适用于根据分别在图3和5中例示的变焦透镜8的第一和第二示范实施例的变焦透镜8的贯穿变焦范围的各种焦距下的变焦空间、f数(FNO)、通过半角(omega)给出的对应视场。

变焦透镜光学系统10和变焦透镜8的实施例可与数字电子装置50一起或在其内使用，装置50包括数字照相机52，该数字照相机52具有配置在数字电子装置50或照相机52的壳体54内的图像拾取装置56。变焦透镜8能够操作以在图像拾取装置56上形成最终图像。变焦透镜8能够操作以贯穿其整个范围变焦，同时完全容纳或配置在壳体54内。变焦透镜光学系统10和变焦透镜8的实施例在诸如在蜂窝电话或其他薄的数字电子装置中发现的照相机的应用中是特别有用的。如在本文中例示的，壳体54可仅为数字照相机，诸如瞄准和拍摄数字照相机的一部分，或者是在壳体54内包含数字照相机52的蜂窝电话6的一部分。

已经以例示的方式描述了本发明。应理解的是，已使用的技术旨在在性质上为描述而非限制的语言。尽管已在本文中描述了认为是本发明的优选和示范实施例的内容，但根据本文中的教导，本发明的其他改型对本领域的技术人员应是显而易见的，且因此期望在所附权利要求中保护落入本发明的真实精神和范围内的所有此类改型。

因此，期望由美国专利证书保护的是如在以下权利要求中限定和区分的发明。