专利名称：变焦镜头和包括所述变焦镜头的图像拾取装置的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种具有减小的尺寸和更大的变焦倍率(zoom magnification)的变焦镜头以及一种包括所述变焦镜头的图像拾取装置。
背景技术：
通常，数字相机或摄像机包括诸如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体 (CMOS)的图像传感器。对具有百万像素分辨率的相机模块的需求增加，一些相机具有接近 100百万像素的分辨率和优良的图像质量。诸如使用CCD或CMOS的数字相机或移动电话相 机的图像形成光学装置被设计为尺寸小、重量轻且成本低。此外，对于能够进行广角拍摄以 使使用者可以以更广的角度拍摄对象的相机存在增加的需求。
发明内容
因此，在本领域中存在对具有更短的总长度和更高的变焦倍率的变焦镜头的需要。本发明的实施例提供一种包括具有更短的总长度和更高的变焦倍率的变焦镜头 的图像拾取装置。根据本发明的实施例，提供一种变焦镜头，该变焦镜头自物方起顺序包括第一 透镜组，具有正屈光力；第二透镜组，具有负屈光力；第三透镜组，具有正屈光力；第四透镜 组，具有正屈光力，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组按从物方到像方的 顺序布置，其中，当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时，第一透镜组、第二透镜组、第三 透镜组和第四透镜组均相对于彼此运动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加、 第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小且第三透镜组和第四透镜组之间的距离增加，第 一透镜组包括负透镜和正透镜。变焦镜头可满足下面的表达式1. 9 < ndln < 2. 11. 7 < ndlp < 2. 115 < vdlp-vdln其中，ndln表示第一透镜组中包括的所述负透镜关于d线的折射率，ndlp表示第 一透镜组中包括的所述正透镜关于d线的折射率，vdln表示第一透镜组中包括的负透镜的 阿贝数，vdlp表示第一透镜组中包括的正透镜关于d线的阿贝数。变焦镜头可满足下面的表达式0. 3 < D3t/Lt < 0. 5其中，D3t表示在摄远位置的第一透镜组和第二透镜组之间在光轴上的气隙距离，Lt表示在光轴上从位于摄远位置的第一透镜组的最接近于物方的透镜的顶点到像平面的距离。变焦镜头可满足下面的表达式0. 5 < I f2/fw I < 20. 5 < f3/fw < 3其中，f2表示第二透镜组的焦距，f3表示第三透镜组的焦距，fw表示在广角位置 的总焦距。变焦镜头可满足下面的表达式0. 8 < T1/T3 <1.5其中，Tl表示当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时第一透镜组沿光轴方向运 动的距离，T3表示当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时第三透镜组沿光轴方向运动的 距离。变焦镜头可满足下面的表达式0. 2 < Da/ft < 0. 4其中，Da表示第一透镜组到第四透镜组在光轴上的厚度的总和，ft表示变焦镜头 在摄远位置的总焦距。第一透镜组的所述负透镜和所述正透镜可为双合透镜。第二透镜组可包括负透镜和正透镜。第二透镜组的所述负透镜的两个表面均可以是非球面。第三透镜组可包括正透镜以及由正透镜和负透镜组成的双合透镜。第三透镜组的最接近于物方的正透镜可包括至少一个非球面。第四透镜组可包括正透镜。第四透镜组可包括至少一个非球面透镜。变焦镜头可满足下面的表达式5. 0 < ft/fw < 10. 0其中，ft表示在摄远位置的焦距，fw表示在广角位置的焦距。第三透镜组可垂直于光轴运动，以补偿手的抖动。根据本发明的实施例，提供一种图像拾取装置，该图像拾取装置包括变焦镜头； 成像传感器，用于接收由所述变焦镜头形成的光学图像，其中，所述变焦镜头包括第一透 镜组，具有正屈光力；第二透镜组，具有负屈光力；第三透镜组，具有正屈光力；第四透镜 组，具有正屈光力，第一透镜组到第四透镜组按从物方到像方的顺序布置，其中，当变焦镜 头从广角位置变焦到摄远位置时，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组均相 对于彼此运动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加、第二透镜组和第三透镜组 之间的距离减小且第三透镜组和第四透镜组之间的距离增加，第一透镜组包括负透镜和正 透镜。变焦镜头可满足下面的表达式1. 9 < ndln < 2. 11. 7 < ndlp < 2. 115 < vdlp-vdln
其中，ndln表示第一透镜组中包括的所述负透镜关于d线的折射率，ndlp表示第 一透镜组中包括的所述正透镜关于d线的折射率，vdln表示第一透镜组中包括的负透镜的 阿贝数，vdlp表示第一透镜组中包括的正透镜关于d线的阿贝数。
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他实施例将会 变得更加清楚，附图中图1示出根据本发明的实施例的变焦镜头的结构布置；图2A是根据本发明的实施例的示出在图1中示出的变焦镜头的广角位置的像差 的曲线图；图2B是示出在图1中示出的变焦镜头的中间位置的像差的曲线图；图2C是示出在图1中示出的变焦镜头的摄远位置的像差的曲线图；图3示出根据本发明的另一实施例的变焦镜头的结构布置；图4A是根据本发明的另一实施例的示出在图3中示出的变焦镜头的广角位置的 像差的曲线图；图4B是示出在图3中示出的变焦镜头的中间位置的像差的曲线图；图4C是示出在图3中示出的变焦镜头的摄远位置的像差的曲线图；图5示出根据本发明的又一实施例的变焦镜头的结构布置；图6A是根据本发明的又一实施例的示出在图5中示出的变焦镜头的广角位置的 像差的曲线图；图6B是示出在图5中示出的变焦镜头的中间位置的像差的曲线图；图6C是示出在图5中示出的变焦镜头的摄远位置的像差的曲线图；图7示出根据本发明的实施例的图像拾取装置。
具体实施例方式现在将通过参照附图解释本发明的示例性实施例来详细描述本发明的实施例。图1示出了根据本发明的实施例的变焦镜头的结构布置。参照图1，变焦镜头可包 括第一透镜组G1，具有正屈光力；第二透镜组G2，具有负屈光力；第三透镜组G3，具有正 屈光力；第四透镜组G4，具有正屈光力，第一透镜组Gl、第二透镜组G2、第三透镜组G3和第 四透镜组G4按自物方0到像方I的顺序依次布置。当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时，第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三 透镜组G3和第四透镜组G4均相对于彼此运动，使得第一透镜组Gl和第二透镜组G2之间 的距离增加、第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的距离减小且第三透镜组G3和第四透镜 组G4之间的距离增加。为了实现具有小尺寸的变焦镜头，当变焦镜头可收缩时，整个镜头系统需要具有 小的厚度。为了使得镜头系统小且薄，需要减少变焦透镜的总数。图1中示出的变焦镜头 总共包括8个透镜，这使得变焦镜头更小。第一透镜组Gl和第三透镜组G3包括双合透镜， 以减小透镜之间的距离，从而使变焦镜头小得多。第一透镜组Gl可包括按从物方0到像方I的顺序布置的第一透镜Lll和第二透镜L12。例如，第一透镜Lll可以是负透镜，第二透镜L12可以是正透镜，该负透镜和正透镜 可组成双合透镜。第二透镜组G2可包括第三透镜L21和第四透镜L22。第三透镜L21可以 是负透镜。第四透镜L22可以是正透镜。第二透镜组G2的负透镜的两个表面均可以是非 球面。第二透镜组G2的入射光的位置可大大地改变，以减小变焦镜头的总长度并增加变焦 倍率。在这点上，第二透镜组G2包括非球面，从而补偿在广角位置的轴外像差(off-axis aberration)。第三透镜组G3可包括第五透镜L31、第六透镜L32和第七透镜L33。第五透镜L31 是正透镜。第六透镜L32是正透镜。第七透镜L33是负透镜。第六透镜L32和第七透镜L33 可组成双合透镜。第三透镜组G3的最接近于物方0的正透镜可具有至少一个非球面，从而 补偿出现在第三透镜组G3中的球面像差和彗形象差，并形成具有高折射率的第三透镜组 G3。因此，可以实现变焦镜头的小型化。第三透镜组G3垂直于光轴运动，从而补偿使用者 的手的抖动。第四透镜组G4可包括第八透镜L41。例如，第八透镜L41可以是正透镜。第 八透镜L41可具有至少一个非球面，从而有效地补偿在第一透镜组Gl到第三透镜组G3中 没有得到补偿的像散。例如，对补偿中间位置的像散是有利的。同时，由于轴外光到光轴的高度在第一透镜组Gl和第二透镜组G2中增加，所以透 镜需要具有相对厚的边缘部，以获得轴外光的光学量。然而，透镜的厚的边缘部容易增加透 镜在光轴上的厚度。如果第一透镜组Gl和第二透镜组G2的透镜的数量增加，则由于入射 光的位置远离物方0，因此经过第一透镜组Gl和第二透镜组G2的轴外光的高度进一步增 加，这增加了透镜在光轴上的厚度。如上所描述的，透镜的数量的增加导致透镜在光轴上的 厚度的增加。因此，透镜的数量的增加导致相应的透镜组的直径的增加或者透镜在光轴上 的厚度的增加，这难以使变焦镜头小型化。例如，第一透镜组Gl和第二透镜组G2均包括两 个透镜，从而实现了变焦镜头的小型化。对变焦操作有很大帮助的第三透镜组G3包括三个透镜，从而补偿了像差并实现 了高性能。第三透镜组G3较少数量的的透镜使得可以实现变焦镜头的小型化。另外，第四 透镜组G4包括单个透镜，从而实现变焦镜头的小型化。在实施例中，第一透镜组Gl到第四透镜组G4均相对于彼此运动，以将变焦功能有 效地分配给各个透镜组，从而防止了变焦期间的像差变化并获得了高变焦倍率。各个透镜 组的运动量减小，从而实现了变焦镜头的小型化。变焦镜头可满足下式，1. 9 < ndln < 2. 1..................(1)其中，ndln表示第一透镜组Gl中包括的负透镜关于d线的折射率。如果包括在 第一透镜组Gl中的负透镜的折射率大于式(1)的上限，则难以商业化或者获得材料，这增 加了制造成本。如果包括在第一透镜组Gl中的负透镜的折射率小于式(1)的下限，则有必 要增加透镜表面的曲率绝对值，以获得期望的屈光力。如果曲率绝对值增加，则难以补偿在 广角位置的像散场曲或畸变像差或者在广角位置和在摄远位置的彗形像差。变焦镜头可满足下式，1. 7 < ndlp < 2. 1..................(2)其中，ndlp表示第一透镜组Gl中包括的正透镜关于d线的折射率。如果第一透 镜组Gl中包括的正透镜的折射率大于式O)的上限，则难以商业化或者获得材料，这增加了制造成本。如果第一透镜组Gl中包括的正透镜的折射率小于式O)的下限，则有必要增 加透镜表面的曲率绝对值，以获得期望的屈光力。如果曲率绝对值增加，则难以补偿在广角 位置的像散场曲或畸变像差或者在广角位置和摄远位置的彗形像差。此外，需要增加透镜 在光轴上的厚度，以获得该透镜的边缘部的厚度，这使得第一透镜Gl难以小型化。变焦镜头可满足下式，15 < vdlp-vdln...............(3)其中，vdln表示第一透镜组Gl中包括的负透镜的阿贝数，vdlp表示第一透镜组 Gl中包括的正透镜关于d线的阿贝数。如果(vdlp-vdln)小于式(3)的下限，则当变焦倍 率增加时，色差和球面像差会大大改变。变焦镜头可满足下式，0. 3 < D3t/Lt < 0. 5...............(4)其中，D3t表示在摄远位置的第一透镜组Gl和第二透镜组G2之间在光轴上的气 隙距离，Lt表示在光轴上从位于摄远位置的第一透镜组Gl的最接近于物方的透镜的顶点 到像平面IM的距离。如果D3t/Lt大于式的上限，则由于变焦镜头的总长度在摄远位 置增加，因此难以沿厚度方向减小镜筒的尺寸。如果D3t/Lt小于式(4)的下限，则由于各 个透镜组的屈光力的增加，因此难以补偿球面像差且难以增加变焦倍率。变焦镜头可满足下式，0. 5 < I f2/fw I < 2...............(5)其中，f2表示第二透镜组G2的焦距，fw表示在广角位置的总焦距。如果|f2/fV 大于式(5)的上限，则由于第二透镜组G2的屈光力太弱，因此变焦镜头的变焦运动的量增 加，从而难以使变焦镜头小型化。如果|f2/fV|小于式(5)的下限，则虽然变焦镜头的总长 度减小，但由于第二透镜组G2的焦距减小，因此难以补偿球面像差，具体地讲，难以补偿畸 变像差。变焦镜头可满足下式，0. 5 < f3/fw < 3...............(6)其中，f3表示第三透镜组G3的焦距。如果f3/fw大于式(6)的上限，则有必要增 加第二透镜组G2或者第四透镜组G4的屈光力，以获得更大的变焦倍率。如果第二透镜组 G2或者第四透镜组G4的屈光力增加，则难以补偿在摄远位置的非球面像差或彗形像差。如 果f3/fw小于式(6)的下限，则由于第三透镜组G3的屈光力增加，因此难以补偿像差。另 外，当变焦镜头沿垂直于光轴的方向运动以补偿使用者的手的抖动时，像差大大改变。变焦镜头可满足下式，0. 8 < T1/T3 <1.5..................(7)其中，Tl表示当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时第一透镜组Gl沿光轴方 向运动的距离，T3表示当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时第三透镜组G3沿光轴方 向运动的距离。如果T1/T3大于式(7)的上限，则由于第一透镜组Gl运动的距离增加且在 摄远位置第一透镜组Gl和第二透镜组G2之间的距离增加，因此变焦镜头的总长度增加，这 难以使变焦镜头小型化。此外，由于变焦镜头在广角位置的总长度和变焦镜头在摄远位置 的总长度之间的差增加，因此用于驱动变焦镜头的凸轮的厚度增加，从而在变焦镜头收缩 时变焦镜头的总尺寸增加。如果T1/T3小于式(7)的下限，则由于第三透镜组G3的运动距离增加，因此在广角位置入射光到最接近于物方的透镜的距离增加，使得变焦镜头的全径 (overall diameter)增加，从而难以使变焦镜头小型化。变焦镜头可满足下式，0. 2 < Da/ft < 0. 4..................(8)其中，Da表示第一透镜组Gl到第四透镜组G4在光轴上的厚度的总和，ft表示变 焦镜头在摄远位置的总焦距。如果Da/ft大于式(8)的上限，则由于第一透镜组Gl到第四 透镜组G4的厚度的总和增加，因此难以在变焦镜头收缩时使变焦镜头小型化。如果Da/ft 小于式(8)的下限，则由于第一透镜组Gl到第四透镜组G4中的各个透镜组的屈光力增加， 因此难以补偿像差。变焦镜头可满足下式，5. 0 < ft/fw < 10. 0..................(9)如果ft/fw大于式(9)的上限，则难以获得变焦镜头的满意的光学性能或者难以 使变焦镜头小型化。如果ft/fw小于式(9)的下限，则由于变焦镜头的变焦倍率减小，因此 难以提供具有高变焦倍率的变焦镜头。同时，根据实施例的变焦镜头的非球面形状可以由下式限定。变焦镜头的非球面的下垂度(sag)z在光的行进方向为正时被限定，其中，ζ表示 沿光轴的方向到透镜的顶点的距离，h表示在垂直于光轴的方向的距离，c表示曲率，k为圆 锥曲线常数，A、B、C和D是非球面系数。Z =——,ch+ Ah4 + Bhb + Chi + Dhw(10)l + -Jl-(l + k)c2h2以下，现在将描述本发明的各种实施例。在图1、图3和图5中，在最右侧的直线表示像平面的位置，成像器件的红外(IR) 截止滤光器Pl或盖玻璃P2布置在像平面的物方0。图1示出了根据本发明的实施例的变焦镜头的结构布置。图2A到图2C是根据本 发明的实施例的示出在图1中示出的变焦镜头的广角位置、中间位置和摄远位置的像差的 曲线图。以下，将提供根据本发明的实施例的透镜数据、非球面数据、拍摄距离⑴、焦距f、F 数而0、视角2 ω、变焦镜头的总长度L以及透镜之间的可变距离D3、D7、D12和D14。透镜表面曲率厚度折射率阿贝数Sl21. 2140. 602.0006925. 5S212.3202. 551. 8042046. 5S3768.900D3S4-26.4271. 001. 8047040. 9
权利要求
1. 一种变焦镜头，该变焦镜头自物方起依次包括第一透镜组，具有正屈光力；第二透 镜组，具有负屈光力；第三透镜组，具有正屈光力；第四透镜组，具有正屈光力，其中，所述变焦镜头被配置为当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时，第一透镜 组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组均相对于彼此运动，使得第一透镜组和第二透镜 组之间的距离增加、第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小且第三透镜组和第四透镜组 之间的距离增加，其中，第一透镜组包括负透镜和正透镜， 其中，所述变焦镜头满足下面的表达式 1. 9 < ndln < 2. 1.1.7 < ndlp < 2. 1 15 < vdlp-vdln其中，ndln表示第一透镜组的所述负透镜关于d线的折射率，ndlp表示第一透镜组中 包括的所述正透镜的关于d线的折射率，vdln表示第一透镜组的负透镜的阿贝数，vdlp表 示第一透镜组的正透镜关于d线的阿贝数。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中该变焦镜头满足下面的表达式 0. 3 < D3t/Lt < 0. 5其中，D3t表示在摄远位置处第一透镜组Gl和第二透镜组G2之间在光轴上的气隙距 离，Lt表示在光轴上从位于摄远位置的第一透镜组的最接近于物方的透镜的顶点到像平面 的距离。
3.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，该变焦镜头满足下面的表达式 0. 5 < I f2/fw I < 20. 5 < f3/fw < 3其中，f2表示第二透镜组的焦距，f3表示第三透镜组的焦距，fw表示在广角位置的总 焦距。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述变焦镜头满足下面的表达式 0. 8 < T1/T3 < 1. 5其中，Tl表示当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时第一透镜组沿光轴方向运动 的距离，T3表示当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时第三透镜组沿光轴方向运动的距离。
5.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，所述变焦镜头满足下面的表达式 0. 2 < Da/ft < 0. 4其中，Da表示第一透镜组到第四透镜组在光轴上的厚度的总和，ft表示变焦镜头在摄 远位置的总焦距。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的变焦镜头，其中，第一透镜组的所述负透镜和所 述正透镜组成双合透镜。
7.根据权利要求1到5中任一项所述的变焦镜头，其中，第二透镜组包括负透镜和正透镜。
8.根据权利要求7所述的变焦镜头，其中，第二透镜组的所述负透镜的两个表面均是 非球面。
9.根据权利要求1到5中任一项所述的变焦镜头，其中，第三透镜组包括正透镜和双合 透镜，所述双合透镜包括正透镜和负透镜。
10.根据权利要求9所述的变焦镜头，其中，第三透镜组的最接近于物方的正透镜包括 至少一个非球面。
11.根据权利要求1到5中任一项所述的变焦镜头，其中，第四透镜组包括正透镜。
12.根据权利要求1到5中任一项所述的变焦镜头，其中，第四透镜组包括至少一个非 球面透镜。
13.根据权利要求1到5中任一项所述的变焦镜头，其中，所述变焦镜头满足下面的表 达式5. 0 < ft/fw < 10. 0其中，ft表示在摄远位置的焦距，fw表示在广角位置的焦距。
14.根据权利要求1到5中任一项所述的变焦镜头，其中，第三透镜组垂直于光轴而运 动，以补偿手的抖动。
15.一种图像拾取装置，包括 变焦镜头；成像传感器，用于接收由所述变焦镜头形成的光学图像，其中，所述变焦镜头自物方起依次包括第一透镜组，具有正屈光力；第二透镜组，具 有负屈光力；第三透镜组，具有正屈光力；第四透镜组，具有正屈光力，其中，该变焦镜头被配置为当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时，第一透镜组、 第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组均相对于彼此运动，使得第一透镜组和第二透镜组 之间的距离增加、第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小且第三透镜组和第四透镜组之 间的距离增加，其中，第一透镜组包括负透镜和正透镜， 其中，所述变焦镜头满足下面的表达式 1. 9 < ndln < 2. 1 1. 7 < ndlp < 2. 1 15 < vdlp-vdln其中，ndln表示第一透镜组中包括的所述负透镜关于d线的折射率，ndlp表示第一透 镜组的正透镜关于d线的折射率，vdln表示第一透镜组的负透镜的阿贝数，vdlp表示第一 透镜组的正透镜关于d线的阿贝数。
全文摘要
本发明公开了一种变焦镜头和包括所述变焦镜头的图像拾取装置。所述变焦镜头从物方起依次包括第一透镜组，具有正屈光力；第二透镜组，具有负屈光力；第三透镜组，具有正屈光力；第四透镜组，具有正屈光力，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组按自物方到像方的顺序布置，其中，当变焦镜头从广角位置变焦到摄远位置时，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组均相对于彼此移动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加、第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小且第三透镜组和第四透镜组之间的距离增加。
文档编号H04N5/225GK102053346SQ20101052843
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者柿本刚 申请人:三星电子株式会社