一种变焦镜头的制作方法
【专利摘要】本实用新型是变焦透镜领域的一种变焦镜头，包括具有正折射功率的第一透镜单元、具有负折射功率的第二透镜单元、具有正折射功率的第三透镜单元、孔径光阑、具有正折射功率的第四透镜单元、光学模块和像平面。第一透镜单元、第二透镜单元和第三透镜单元均由一个单独的凹透镜和一个单独的凸透镜组成，满足矫正相差的最低要求，第四个透镜单元只有一个单独的凸透镜组成，有较小的可变放大率分享。本实用新型具有总长短、紧凑，有较高的变焦比和分辨率的优点，本实用新型所述变焦透镜适用于利用了固态图像传感器的图像拾取设备，例如摄影机、电子静片摄影机、电视摄影机和监控摄像头等，同时也适用于卤化银胶片相机。
【专利说明】
一种变焦镜头
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及变焦镜头领域，具体涉及一种变焦镜头。
【背景技术】
[0002] 变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距、从而得到不同宽窄的视场角，不同大小 的影象和不同景物范围的照相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变 动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。由于一个变焦镜头可以兼担当起若干 个定焦镜头的作用，外出旅游时不仅减少了携带摄影器材的数量，也节省了更换镜头的时 间。
[0003] 变焦原理:光学变焦就是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦 距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。当改变焦点的位置时，焦 距也会发生变化。例如将焦点向成像面反方向移动，则焦距会变长视角也会变小。这样，视 角范围内的景物在成像面上会变得更大。
[0004] 本实用新型涉及一种与图像传感器装置配备相同的变焦镜头，该变焦镜头被应用 在图像传感装置，这种传感装置使用一种固态图像传感器件，比如摄像机、电子照相机、电 视摄像机、监控摄像头或者应用于卤化银胶片相机。正如一个应用于图像传感器的摄影光 学系统，变焦镜头必须满足以下几点:总长短、紧凑;变焦比要高;分辨率高。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种尺寸小、变焦比高、在整个变 焦范围内有优越的光学性能的变焦透镜。
[0006] 本实用新型的技术方案是：一种变焦镜头，从物方到像方沿光轴方向依次包括折 射率为正的第一透镜组L1、折射率为负的第二透镜组L2、折射率为正的第三透镜组L3、折射 率为正的第四透镜组L4，
[0007] 所述第一透镜组L1包括从物方到像方依次排列的第一凹透镜和第一凸透镜，所述 第一凹透镜的凹面朝向像方，所述第一凸透镜的凸面朝向物方；
[0008] 所述第二透镜组L2包括从物方到像方依次排列的第二凹透镜和第二凸透镜，所述 第二凹透镜的凹面朝向像方，所述第二凸透镜的凸面朝向物方；
[0009] 所述第三透镜组L3包括从物方到像方依次排列的第三凸透镜和第三凹透镜，所述 三凸透镜的凸面朝向物方，所述第三凹透镜的凹面朝向像方；
[0010] 所述第四透镜组L4包括第四凸透镜，所述第四凸透镜的凸面朝向物方；
[0011] 所述第一透镜组L1、第二透镜组L2、第三透镜组L3和第四透镜组L4均作为移动透 镜组，所述变焦镜头符合以下条件：
[0012] 6.0<fl/fw<20.0 1)
[0013] 0.05<|f2|/ft<0.40 2)
[0014] 式中，fw是广角端的透镜总焦距，ft是摄远端的透镜总焦距，n是第一透镜组L1的 焦距，f2是第二透镜组L2的焦距。
[0015] 上述方案中，还包括孔径光阑，所述孔径光阑位于所述第三凹透镜凹面的一侧。
[0016] 上述方案中，还包括光学模块和像平面，所述光学模块和像平面依次位于所述第 四凸透镜离像方近的一侧。
[0017] 进一步的，所述光学模块为光学滤波片、面板或者晶体低通滤波片中的一种。
[0018] 进一步的，所述像平面上安装有固态图像传感设备，所述固态图像传感设备为CCD 传感器或CMOS传感器中的一种。
[0019] 上述方案中，所述变焦镜头符合以下条件：
[0020] 20<vd3p-vd3n<70 3)
[0021] 0?3〈f3p/f3n〈0?9 4)
[0022] 0.2<f4/ft<0.7 5)
[0023] 0.1<(P3t/P3w)/(P2t/P2w)<2.5 6)
[0024] 0.05〈（ml*m2)/(fl*f2)〈0.60 7)
[0025] 1.6<f3/fw<4.0 8)
[0026] 0.1<D2/|m2|<3.0 9)
[0027] 〇.〇5<(D2+D3)/(|m2|+|m3|)<0.90 10)
[0028] 1.8<P2t/P2w<7.0 11)
[0029] 0.35<f3/f4<0.80 12)
[0030] 1.7<Nln<2.6 13)
[0031] 0.005〈D3/Lt〈0.090 14)
[0032] 1.0<(l-P3t)/Mt<2.5 15)
[0033]式3)中，vd3p为第三凸透镜材质的阿贝尔数，vd3n为第三凹透镜的阿贝尔数；
[0034]式4)中，f3p为第三凸透镜的焦距，f3n为第三凹透镜的焦距；
[0035] 式5)中，f4是第四透镜组L4的焦距；
[0036]式6)中，P2t为第二透镜组L2的摄远端横向放大率，为第二透镜组L2的广角端 横向放大率，P3t为第三透镜组L3的摄远端横向放大率，为第三透镜组L3的广角端横向 放大率；
[0037]式7)中，ml为第一透镜组L1从广角端到摄远端变焦时的移动距离，m2为第二透镜 组L2从广角端到摄远端变焦时的移动距离；
[0038] 式8)中，f3是第三透镜组L3的焦距；
[0039]式9)中，m2是第二透镜组L2从广角端到摄远端变焦时的移动距离，D2是第二透镜 组L2在光轴上的厚度；
[0040]式10)中，D2是第二透镜组L2在光轴上的厚度，D3是第三透镜组L3在光轴上的厚 度，m2是第二透镜组L2从广角端到摄远端变焦时的移动距离，m3是第三透镜组L3从广角端 到摄远端变焦时的移动距离；
[0041 ] 式11)中，f32w是第二透镜组L2在广角端横向放大率，f32t是第二透镜组L3在摄远端 横向放大率；
[0042] 式12)中，f3是第三透镜组L3的焦距，f4是第四透镜组L4的焦距；
[0043]式13)中，Nln是第一透镜组L1中负透镜材料的折射率系数；
[0044]式14)中，D3是第三透镜组L3在光轴上的厚度，Lt是透镜在摄远端的总长；
[0045]式15)中，P3t第三透镜组L3的摄远端横向放大率，P4t第四透镜组L4的摄远端横向 放大率。
[0046] 上述方案中，所述第一凹透镜和第一凸透镜为粘合结构。
[0047] 上述方案中，所述第一凹透镜和第一凸透镜为分离结构。
[0048]上述方案中，所述第三凹透镜有弯月形的凸表面，所述弯月形的凸表面和所述第 三凸透镜的凸表面为非球面。
[0049] 上述方案中，所述第四凸透镜凸面为非球面。
[0050] 本实用新型的有益效果是:与现有技术相比，本实用新型第一透镜组L1、第二透镜 组L2和第三透镜组L3均由一个单独的凹透镜和一个单独的凸透镜组成，满足矫正像差的最 低要求，而第四透镜组L4只有一个单独的凸透镜组成，有较小的可变放大率分享。通过给每 个透镜组配置两个或更少的透镜来缩短透镜总长度。本实用新型具有总长短、紧凑，有较高 的变焦比和分辨率的优点，每一位置的镜头都能独立的进行像差矫正，具有非常好的像差， 这种变焦镜头适用于图像传感器装置。
【附图说明】
[0051 ]图1为本实用新型一实施例的变焦镜头的结构示意图。
[0052]图2A为本实用新型一实施例的第一变焦位置的镜头图。
[0053]图2B为本实用新型一实施例的第二变焦位置的镜头图。
[0054]图2C为本实用新型一实施例的第三变焦位置的镜头图。
[0055]图2D为本实用新型一实施例的第四变焦位置的镜头图。
[0056]图3A为本实用新型一实施例的变焦镜头在广角端的相差图。
[0057]图3B为本实用新型一实施例的变焦镜头在第一变焦位置的相差图。
[0058]图3C为本实用新型一实施例的变焦镜头在第二变焦位置的相差图。
[0059]图3D为本实用新型一实施例的变焦镜头在摄远端的相差图。
[0060]图中：1、第一凹透镜；2、第一凸透镜；3、第二凹透镜；4、第二凸透镜；5、第三凸透 镜;6、第三凹透镜;7、第四凸透镜;8、孔径光阑;9、光学模块;10、像平面。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保 护范围并不限于此。
[0062] 本实用新型提供的变焦镜头是一个用于图像拾取装置的投影透镜系统，图1所示 为本实用新型所述变焦镜头的一种实施方式，图1中左边是物方，右边是像方，所述变焦镜 头从物方到像方沿光轴方向依次包括折射率为正的第一透镜组L1、折射率为负的第二透镜 组L2、折射率为正的第三透镜组L3、孔径光阑8、折射率为正的第四透镜组L4、光学模块9和 像平面10，其中SP代表了孔径光阑8; G代表了 一种光学模块9，光学模块9为光滤波器;而IP 代表了像平面10,在这个像平面上配备了固态图像传感设备，如CCD传感器或CMOS传感器 等。所述变焦镜头成像在所述固态图像传感设备上。
[0063] 改变透镜组之间的距离，可以实现透镜从广角端向摄远端变焦，本实施例中，在摄 远端的位置第一透镜组L1和第二透镜组L2之间的距离变大，第二透镜组L2和第三透镜组L3 之间的距离减小，第三透镜组L3和第四透镜组L4之间的距离增大。从广角端向摄远端变焦 时:第一透镜组L1先向像方移动，然后向物方移动;第二透镜组L2先向像方移动，然后向物 方移动;第三透镜组L3向物方移动;第四透镜组L4向物方移动。
[0064] 所述第一透镜组L1、第二透镜组L2和第三透镜组L3都是由一个正透镜和一个负透 镜组成的，在透镜组之间进行色差矫正来抑制轴向色差的改变和变焦中的色差放大。由于 第一透镜组L1、第二透镜组L2和第三透镜组L3都是由两个镜头构成，这是实现色差矫正的 最简结构，整个透镜组的厚度和透镜组的焦距都能显著地减小。
[0065] 所述第一透镜组L1包括从物方到像方依次排列的第一凹透镜1和第一凸透镜2,所 述第一凹透镜1的凹面朝向像方，所述第一凸透镜2的凸面朝向物方。第一透镜组L1有两种 形态，可以是正透镜和负透镜粘合在一起的结构，或者是两个分离结构为独立的透镜。如果 第一透镜组L1是两个粘合的透镜，那么第一透镜组L1的厚度将显著减小;若第一透镜组L1 是两个独立的透镜，透镜表面的曲率自由度将变高，将能对像差进行更好的修正。
[0066] 所述第二透镜组L2包括从物方到像方依次排列的第二凹透镜3和第二凸透镜4,所 述第二凹透镜3为凹面朝向像方的负透镜，所述第二凸透镜4凸面朝向物方的正透镜。所述 第二凹透镜3具有高折射率。所述第二凹透镜3和第二凸透镜4中的任一个都能很容易地矫 正场曲或者形变。第二凹透镜3的一个或者更多的表面可能是非球面，这种情况下，变焦过 程中场曲或者像散能得到很好的抑制。当然，这种非球面也可以应用于第二凸透镜4中。 [0067]所述第三透镜组L3包括从物方到像方依次排列的第三凸透镜5和第三凹透镜6,所 述第三凸透镜5为凸面朝向物方的正透镜，所述第三凹透镜6为凹面朝向像方的负透镜。第 三透镜组L3具有高的折射率，第三凹透镜6有弯月形的凸表面，此表面与第三凸透镜5的表 面都为非球面，而非球面能使像差在整个变焦范围内进行很好的矫正，所以整个系统能拥 有比较好的像差。
[0068] 孔径光阑8SP在第三透镜组L3最右边，变焦时它随第三透镜组L3的移动而移动。SP 的这种放置能有效地缩短第三透镜组L3和第四透镜组L4之间的距离，有助于缩短整个透镜 尺寸。若光阑SP放在第三透镜组L3的靠物方那边，将不利于减小前一个透镜的有效直径。 [0069] 所述第四透镜组L4包括第四凸透镜7,所述第四凸透镜7为凸面朝向物方的正透 镜。第四透镜组L4由一个正透镜组成使整体透镜长度减短。所述第四凸透镜7采用的是非球 面，场曲和像差都能很好地抑制。要想在像面上聚焦就必须改变第四透镜组L4的放大倍数 并在光轴上聚焦，当第四透镜组L4向物方移动时，整个透镜长度减小。从无穷远处的物体向 在摄远端的近距离的物体聚焦时，第四透镜组L4向物方移动。
[0070] 整个透镜组在广角端和摄远端的焦距由fw和ft决定，L1、L2的焦距分别为fl、f2， 它们满足以下条件：
[0071] 6.0<fl/fw<20.0 1)
[0072] 0.05<|f2|/ft<0.40 2)
[0073] 式1)体现了透镜组L1的折射能力，如果最大值高于式1)的限制就会在广角端产生 各种像差、场曲和像散，在摄远端产生球面像差和轴向色差。因此，该变焦透镜很难有比较 高的变焦比。如果最小值低于式1)的限制，透镜组L1的焦距变长，这时如果透镜组的折射能 力很弱，变焦时就必须增加第一透镜组L1的移动量使透镜组L2有足够的可变放大比率，此 时，透镜总长就增加了。
[0074] 式2)体现了透镜组L2的折射能力。如果最小值低于式2)的限制，透镜组L2的焦距 就会变小，这时如果透镜组的折射能力很强，透镜组L2的像差和场曲就会很大，并且很难用 其它的透镜组来修正这些畸变。如果最大值高于式2)的限制，透镜组L2的焦距就会变大，这 时如果透镜组的折射能力很弱，变焦时就必须增加第二透镜组L2的移动量以保证需要的变 焦比，此时，透镜总长也就增加了。
[0075] 在本实施方式中 fl=41.64，f2 = -8.85，fw = 5.13，ft = 49.41j!jfl/fw = 8.117，| f2|/ft = 0.179〇
[0076] 为得到更好的成像效果所述变焦镜头需要满足以下条件：
[0077] 20<vd3p-vd3n<70 3)
[0078]式3)中，vd3p为第三凸透镜5材质的阿贝尔数，vd3n为第三凹透镜6的阿贝尔数；
[0079] 0.3<f3p/f3n<0.9 4)
[0080] 式4)中，f3p为第三凸透镜5的焦距，f3n为第三凹透镜6的焦距；
[0081 ] 0.2<f4/ft<0.7 5)
[0082]式5)中，f4是第四透镜组的焦距；
[0083] 0.1<(P3t/P3w)/(P2t/P2w)<2.5 6)
[0084]式6)中，02t为第二透镜组的摄远端横向放大率，02w为第二透镜组的广角端横向 放大率，03t为第三透镜组的摄远端横向放大率，为第三透镜组的广角端横向放大率； [0085] 0.05〈（ml*m2)/(fl*f2)〈0.60 7)
[0086]式7)中，ml为第一透镜组从广角端到摄远端变焦时的移动距离，m2为第二透镜组 从广角端到摄远端变焦时的移动距离；
[0087] 1.6<f3/fw<4.0 8)
[0088]式8)中，f3是第三透镜组的焦距；
[0089] 0.1<D2/|m2|<3.0 9)
[0090] 式9)中，m2是第二透镜组从广角端到摄远端变焦时的移动距离，D2是第二透镜组 在光轴上的厚度；
[0091] 0.05<(D2+D3)/(|m2|+|m3|)<0.90 10)
[0092]式10)中，D2是第二透镜组在光轴上的厚度，D3是第三透镜组在光轴上的厚度，m2 是第二透镜组从广角端到摄远端变焦时的移动距离，m3是第三透镜组从广角端到摄远端变 焦时的移动距离；
[0093] 1.8<P2t/P2w<7.0 11)
[0094]式11)中，是第二透镜组在广角端横向放大率，P2t是第二透镜组在摄远端横向 放大率；
[0095] 0.35<f3/f4<0.80 12)
[0096] 式12)中，f3是第三透镜组的焦距，f4是第四透镜组的焦距；
[0097] 1.7<Nln<2.6 13)
[0098] 式13)中，Nln是第一透镜组中负透镜材料的折射率系数；
[0099] 0.005〈D3/Lt〈0.090 14)
[0100]式14)中，D3是第三透镜组在光轴上的厚度，Lt是透镜在摄远端的总长；
[0101] 1.0<(l-P3t)/Mt<2.5 15)
[0102]式15)中，P3t第三透镜组的摄远端横向放大率，Mt第四透镜组的摄远端横向放大 率。
[0103]所述变焦镜头满足表一、表二、表三、表四的条件，表一中，曲率半径指每一表面的 曲率半径，间距指两相邻表面间于主轴上的直线距离，例如，表面S1的间距，即表面S1至表 面S2间于主轴上的直线距离。
[0104]表一镜头数据
[0106] 表二表面非球面面型参数
[0113] 所述变焦镜头具有良好的成像质量，下面通过上述表中的光学仿真数据输入 codev软件进行验证。
[0114] 对以上表格的数据进行一般优化等步骤，然后得到图2A、图2B、图2C和图2D四张图 所示的四个变焦位置的镜头图。
[0115] 图3A、图3B、图3C和图3D分别为所述变焦镜头在广角端、第一个变焦位置、第二个 变焦位置和摄远端的像差图，其中由左自右依次为纵向球差、像散场曲及畸变的图形，可看 出，这个由四组透镜组组成的透镜组在四个变焦位置的都能将物理想的成在像平面上，并 且所成像的各类畸变非常小，像的质量高。
[0116] 所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方 式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见 的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种变焦镜头，其特征在于，从物方到像方沿光轴方向依次包括折射率为正的第一 透镜组LU折射率为负的第二透镜组L2、折射率为正的第三透镜组L3、折射率为正的第四透 镜组L4， 所述第一透镜组Ll包括从物方到像方依次排列的第一凹透镜（1)和第一凸透镜(2 )，所 述第一凹透镜(1)的凹面朝向像方，所述第一凸透镜(2)的凸面朝向物方； 所述第二透镜组L2包括从物方到像方依次排列的第二凹透镜(3)和第二凸透镜(4 )，所 述第二凹透镜(3)的凹面朝向像方，所述第二凸透镜(4)的凸面朝向物方； 所述第三透镜组L3包括从物方到像方依次排列的第三凸透镜(5)和第三凹透镜(6)，所 述三凸透镜(5)的凸面朝向物方，所述第三凹透镜(6)的凹面朝向像方； 所述第四透镜组L4包括第四凸透镜(7)，所述第四凸透镜(7)的凸面朝向物方； 所述第一透镜组LU第二透镜组L2、第三透镜组L3和第四透镜组L4均作为移动透镜组， 所述变焦镜头符合以下条件： 6.0<fl/fw<20.0 1) 0.05<|f2|/ft<0.40 2) 式中，fw是广角端的透镜总焦距，ft是摄远端的透镜总焦距，Π 是第一透镜组LI的焦 距，f 2是第二透镜组L2的焦距。2. 根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，还包括孔径光阑（8)，所述孔径光阑 (8)位于所述第三凹透镜(6)凹面的一侧。3. 根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，还包括光学模块(9)和像平面（10)，所 述光学模块(9)和像平面(10)依次位于所述第四凸透镜(7)离像方近的一侧。4. 根据权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于，所述光学模块(9)为光学滤波片、面板 或者晶体低通滤波片中的一种。5. 根据权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于，所述像平面（10)上安装有固态图像传 感设备，所述固态图像传感设备为CCD传感器或CMOS传感器中的一种。6. 根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头符合以下条件： 20<vd3p-vd3n<70 3) 0.3<f3p/f3n<0.9 4) 0.2<f4/ft<0.7 5) 0.I<(03t/e3w)/(e2t/e2w)<2.5 6) 0.05〈（ml*m2)/(n*f2)〈0.60 7) 1.6<f3/fw<4.0 8) 0.1<D2/|m2|<3.0 9) 0.05<(D2+D3)/(|m2|+|m3|)<0.90 10) 1.8<02t/02w<7.〇 11) 0.35<f3/f4<0.80 12) 1.7<Nln<2.6 13) 0.005〈D3/Lt〈0.090 14) l.O〈（l-03t)/Mt〈2.5 15) 式3)中，vd3p为第三凸透镜(5)材质的阿贝尔数，vd3n为第三凹透镜(6)的阿贝尔数； 式4)中，f3p为第三凸透镜(5)的焦距，f3n为第三凹透镜(6)的焦距； 式5)中，f4是第四透镜组L4的焦距； 式6)中，i32t为第二透镜组L2的摄远端横向放大率，β2?为第二透镜组L2的广角端横向 放大率，03t为第三透镜组L3的摄远端横向放大率，β3?为第三透镜组L3的广角端横向放大 率； 式7)中，ml为第一透镜组Ll从广角端到摄远端变焦时的移动距离，m2为第二透镜组L2 从广角端到摄远端变焦时的移动距离； 式8)中，f 3是第三透镜组L3的焦距； 式9)中，m2是第二透镜组L2从广角端到摄远端变焦时的移动距离，D2是第二透镜组L2 在光轴上的厚度； 式10)中，D2是第二透镜组L2在光轴上的厚度，D3是第三透镜组L3在光轴上的厚度，m2 是第二透镜组L2从广角端到摄远端变焦时的移动距离，m3是第三透镜组L3从广角端到摄远 端变焦时的移动距离； 式11)中，Kw是第二透镜组L2在广角端横向放大率，是第二透镜组L3在摄远端横向 放大率； 式12)中，f3是第三透镜组L3的焦距，f4是第四透镜组L4的焦距； 式13)中，Nln是第一透镜组Ll中负透镜材料的折射率系数； 式14)中，D3是第三透镜组L3在光轴上的厚度，Lt是透镜在摄远端的总长； 式15)中，第三透镜组L3的摄远端横向放大率，i34t第四透镜组L4的摄远端横向放大 率。7. 根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一凹透镜（1)和第一凸透镜(2) 为粘合结构。8. 根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一凹透镜（1)和第一凸透镜(2) 为分离结构。9. 根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第三凹透镜(6)有弯月形的凸表 面，所述弯月形的凸表面和所述第三凸透镜(5)的凸表面为非球面。10. 根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第四凸透镜(7)凸面为非球面。
【文档编号】G02B15/14GK205507202SQ201620142880
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月25日
【发明人】黄婷
【申请人】江苏大学