专利名称：反象远摄变焦镜头的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种变焦镜头，尤其涉及一种适于在小型数字照相机中使用的反象远摄变焦镜头。
目前，在消费者中非常流行小型、便宜的照相机，以及最近的数字照相机。在这些照相机中，一种较希望有的特征是变焦镜头。这激励着镜头和照相机的设计者去开发更小型的变焦镜头，这种更小型的变焦镜头在照相机尺寸和机械简单性方面可以兼容，并且仍提供可接受的成像质量。数字照相机发出了进一步的挑战。诸如CMOS或CCD阵列等一般在数字照相机中使用的电子图像俘获媒体通常用微型小镜头阵列来提高象素对光的收集，并抑制混迭。但是，为了有效地工作，在理想情况下，将光射向这些阵列的镜头系统应该是远心的，或者几乎是远心的，因为阵列的有效性是入射光束入射角的函数。远心意味着投射到微型小镜头阵列上的光基本上平行于光轴，并且以非常浅的入射角射到阵列上。
由三个移动组组成的变焦镜头和带一个固定正镜头组的远焦变焦镜头能够提供高度远心的机械变焦驱动系统，但该系统在众多元件上的化费很大，包括昂贵的非球面元件，而且机械变焦驱动系统复杂，不小型。
历史上，35mmSLR照相机使用两组(负的，正的)的变焦反远距或反象远摄镜头系统。尽管庞大，但它们提供了较长的后焦距，足以适应SLR照相机设计中关于可移动反射镜的要求。但是，正是这个庞大的属性影响了这类镜头系统在小型数字照相机中的使用。然而，与35mm胶片规格相比，数字照相机CCD相对较小的规格使得它能够在小型数字照相机中使用这里所述的经适当设计的镜头系统。另外，反象远摄镜头系统由于其固有的较长的后焦距以及相应的“低”入射角，有利地解决了远心的问题。
如上所述，远心镜头系统包括一远焦变焦镜头和一个固定的、正的后镜片，后镜片的前焦点落在光圈挡处。对于所有变焦位置，这种远心镜头系统具有过大的前镜顶一像平面的距离(FVIP)，致使镜头装置较长且庞大。另外，FVIP和基线长度(即，在所有焦距处，镜头的绝对最短距离)分别是前后镜头组之光焦度的函数。一般地说，当在远摄和广角位置之间移动时，这些镜头系统中的前变焦组相对固定的后镜头组作抛物线运动，从而增加了照相机的机械复杂性。同时，后镜头组的光焦度受到限制，以便于进行像差校正。使用两移动组(正、负)镜头系统的、基于胶片的照相机通常会以广角模式在像平面上产生入射角非常大的光束，对于数字照相机的应用，这是不希望有的。
已知包括第一发散变焦镜头组件和第二会聚变焦镜头组件的变焦镜头。这类变焦镜头的第二镜头组件包括三个或更多个正光焦度的透镜元件，在两个正光焦度透镜元件之间至少夹有一个负光焦度的透镜元件(即，正、负、正的结构)。这类变焦镜头在下述专利中有描述1979年5月22日授予Nakumura的美国专利4,155,629，其发明名称为“广角变焦镜头系统”；1981年11月10日授予Ikemori的美国专利4,299,452，其发明名称为“具有两个可移动镜头组的变焦镜头”；1996年9月3日授予Ono等人的美国专利5,552,937，其发明名称为“广角非球面变焦镜头”；1996年10月8日授予Sato的美国专利5,563,739，其发明名称为“标准变焦镜头”。1996年10月8日授予Aoki等人的美国专利4,999,007揭示一种具有第一发散变焦镜头组件和第二会聚变焦镜头组件的变焦镜头。此变焦镜头的第二镜头组件具有总的正光焦度，但是它只包含一个正光焦度的透镜元件和两个负光焦度的透镜元件。因此，正光焦度透镜元件必须非常强。此特性又是造成光学像差，并且会影响总的像质量。
因此，本发明人已认识到需要一种成本低、机械和光学复杂程度低、更小型，且特别适于在小型数字照相机中使用的变焦镜头，它可以提供极佳的像质量，对环境稳定，并且解决了上述问题。
本发明总体上涉及一种反象远摄变焦镜头，尤其涉及一种提供接近远心性能且特别适于在小型数字照相机中使用的变焦镜头。
依照本发明的一个实施例，一种变焦镜头包括第一镜头组和第二镜头组，其中第一镜头组包括一个比变焦镜头中任何其它透镜元件都靠近物体的第一透镜元件，而第二镜头组包括一个比变焦镜头中任何其它透镜元件都靠近像平面的最后一个透镜元件，所述最后一个透镜元件朝像平面具有一个凹面。在本实施例的一个方面，第一镜头组具有总的负光焦度，而第二镜头组具有总的正光焦度。在另一方面，最后一个透镜具有一个与所述凹面相对的凸面。在本实施例的又一方面，第一镜头组包括一个在相应径向区中具有正的和负的光焦度的透镜。在另一方面，第二镜头组包括一个与所述最后一个透镜相邻的双凸透镜。
在另一实施例中，一种变焦镜头包括第一镜头组和第二镜头组，其中第一镜头组包括一个比任何其它透镜元件都靠近物体的第一透镜元件，而第二镜头组包括一个比任何其它透镜元件都靠近像平面的最后一个透镜元件，第一镜头组包括一个在相应径向区具有正的和负的光焦度的透镜元件。在本实施例的一个方面，所述最后一个透镜元件朝像平面具有一个凹面。
依照本发明的另一实施例，一种变焦镜头从物方开始按顺序包括具有发散折光能力的第一变焦镜头组件和具有会聚折光能力的第二变焦镜头组件(即，一个负、正镜头系统)。第一变焦镜头组件包括具有负光焦度的第一透镜元件、第二透镜元件和具有正光焦度的第三透镜元件。在这些透镜元件中至少有一个透镜元件具有一个非球面。第二变焦镜头组件按顺序包括具有正光焦度的第四透镜元件、具有正光焦度的第五透镜元件以及具有负光焦度且朝系统成像方具有一凹面的第六透镜元件。通过改变第一镜头组件和第二镜头组件之间的距离进行变焦。
图1是一截面图，示出了依照本发明一实施例的处于远摄位置的变焦镜头；图2是一截面图，示出了处于中间变焦位置的变焦镜头；图3是一截面图，示出了处于广角位置的变焦镜头；图4示出了图1—3中变焦镜头的一个透镜元件，它具有正的和负的光焦度；图5A-5C是图1变焦镜头(处于远摄位置时)之象差在各种视场区域的曲线表示；图6A-6C是图2变焦镜头(处于中间变焦位置时)之象差在各种视场区域的曲线表示；图7A-7C是图3变焦镜头(处于广角位置时)之象差在各种视场区域的曲线表示；图8A-8C分别是图1-3所示变焦镜头处于远摄、中间变焦和广角位置时其畸变、像散和横向色的曲线表示；以及图9A-9C分别是处于远摄、中间变焦和广角位置的变焦镜头在各种视场区的MTF曲线。
本发明总体上涉及一种反象远摄的、由两个镜头组组成的变焦镜头系统，尤其涉及一种能够提供接近远心特性的且特别适于在小型数字照相机中使用的变焦镜头。
本发明说明书将特别描述构成本发明设备一部分的元件，或者更直接地与本发明设备协同工作的元件。应该理解，未明确图示或描述的元件可以采用本领域熟练技术人员所公知的各种形式。
图1-3分别示出了处于远摄、中间聚焦和广角位置的较佳变焦透镜10。变焦透镜10包括前镜头组12和和后镜头组14，它们分别被布置成可以沿光轴13移动。在变焦期间，两个镜头组12和14沿光轴13作相对移动。最好，当两个镜头组从远摄位置移动到广角位置时，一旦变焦组件被移出照相机装置的停放位置时，这种移动就不可逆了。反之亦然。
变焦透镜10的一个例示实施例包括一个负光焦度的前镜头组12和一个正光焦度的后镜头组14。变焦镜头最好提供2×的变焦比，但是如本领域熟练技术人员所能理解的，也可以使用更大的变焦比。前镜头组12包括三个透镜元件101、102和103。每个透镜表面都按顺序从左到右表示为(a)和(b)，因此透镜元件101具有透镜表面101a和101b。(面向物体的)第一透镜元件101是一个负光焦度的弯月形透镜，它具有面向物方的凸面101a和面向像平面15的凹面101b。第二透镜元件102在图4中示意地画出。这是一个在透镜不同区域具有正、负光焦度两者的透镜元件。具体地说，透镜元件102是一个非球面透镜，它在边缘区401(即，在通光孔径边缘或附近)具有正的折光能力，而在中心区402具有负的折光能力，其中中心区的中心大约在透镜中心处。边缘区401是透镜元件102中用半径r限定的区域，例如(0.722D/2)≤r≤D/2，其中D是透镜元件102通光孔径的直径。透镜元件中心区402的负折光能力由前后表面的镜顶曲率半径所定义。因此，透镜元件102是双非球面透镜元件；即它具有两个非球面102a和102b。透镜元件102在中心区和边缘区都具有较弱的折光能力，致使|φ2|＜10φw，其中φw是变焦透镜10在广角位置处的光焦度，而φ2是第二透镜元件102的光焦度。光焦度φ2可以在边缘区量得，或者由镜顶曲率半径限定，并且由此根据透镜的测量区有两个光焦度。此透镜元件的形状和光焦度分布大大改善了对变焦镜头10的象差控制，并由此提高了变焦镜头系统的性能。透镜元件102最好用塑料铸模，非热的则更好。如这里所指的，非热属性是指，透镜具有较长的焦距，或者换句话说，透镜具有较低的光焦度，这样在操作期间照相机的性能基本上不会随温度而变化。第三透镜元件103是正光焦度的透镜元件，并具有较高的色散，该透镜元件用于校正色差。最好，第三透镜元件103的阿贝V值小于30。第一和第三透镜元件101和103最好用玻璃制成。透镜元件101和103的折射率最好大于1.75。
后镜头组14包括如图1-3所示的光圈挡16和三个透镜元件104、105和106。透镜元件104、105和106被布置成非典型的正、正、负结构。具体地说，透镜元件104和105具有正光焦度，而透镜元件106具有负光焦度。透镜元件104和105是双凸透镜元件。透镜元件104是双非球面。透镜元件105是对称的；也就是说，它具有两个相同的表面105a和105b，这为变焦透镜10带来了成本和装配上的优处。透镜元件105的折射率小于1.6，并且具有较低的色散(阿贝V值＞50)。后透镜元件106是负光焦度的弯月形透镜元件，它具有一个前凸面106a(物方表面)和一个后凹面106b(像方表面)。第六透镜元件106的折射率最好大于1.75，并且阿贝V值小于30，以便提供较大的色散。此等折射率和V值的分配有助于用少量的透镜元件来获得高质量的像。
变焦镜头10在位于光敏电子传感器17之后表面17b上的像平面15上形成一高质量的像，例如光敏电子传感器可以是CCD阵列。两个平面平行板18和20位于变焦镜头10的后面(即，在像平面的一侧)和传感器17的前面，每块板的折光能力都为零。板18最好是一块石英板，起反混叠滤光器的作用。变焦镜头10具有较高的MTF(调制传递函数)值。图9A-9C分别例示了变焦镜头10在广角、中间聚焦和远摄位置时在各种视场值情况下的MTF性能。当频率大于传感器17的Nyquist频率时，石英板18会减小MTF值。对于任何给定的传感器，Nyquist频率定义为N＝1/2P，单位为周/毫米，其中P是传感器的象素间距。板20是传感器17的盖玻璃。变焦镜头与板18和20结合后的性能示于图5A-5C、6A-6C、7A-7C、8A-8C和9A-9C中。这些图包括了在广角(W)、中间变焦(M)和远摄(T)位置处各种视场位置的光线轨迹，以及场曲和场畸变。具体地说，图5A-5C分别给出了当变焦镜头10工作在远摄位置，且视场值为0、0.7以及全视场时的光线交点曲线(ray intercept plot)。图6A-6C分别给出了当变焦镜头10工作在中间变焦位置，且视场值为0、0.7以及全视场时的光线交点曲线。图7A-7C分别给出了当变焦镜头10工作在广角位置时的光线交点曲线。图8A-8C分别示出了当变焦镜头工作在远摄位置、中间变焦位置和广角位置时的像散值和畸变值。
表1A-1D例示了变焦镜头的数值数据。在这些表中，Ri表示第i个表面的镜顶曲率半径，Ne表示在波长λe＝546.1nm处的折射率，而v表示折射材料的阿贝V值。表中所给的透镜元件的厚度和间距都以毫米为单位。以下各值适用于例示的变焦镜头系统有效焦距(EFL)6.39mm-12.04mm，半视场18.15°-32.70°，F/#3.9-4.7。
表1A表面 半径00 厚度(T) Nev101a 22.936 1.5 1.80135.0101b 6.509 3.558*102a 非球面 1.2 1.59 30.9*102b 非球面 0.3103a 14.962 2.028 1.84723.8103b 34.445 S2＝变量光圈挡 0.7*104a 非球面 2.008 1.51764.2*104b 非球面 0.657105a 10.122 2.237 1.51764.2105b -10.1220.372106a 11.318 0.8 1.84723.8106b 3.902 S5＝变量平的 1.661.460平的 0.5平的 0.7 1.498平的*非球面波长(微米)λ1λ2λ30.5461 0.4861 0.6563
表1B变焦间距数据变焦位置# AB BFL EFL1(广角)17.7446.6079.36 6.392 13.1597.2349.99 7.483 9.221 7.97610.73 8.774 5.868 8.85011.60 10.275(远摄)3.000 9.87912.62 12.04BFL是在没有板18和20情况下的后焦距，而EFL是变焦镜头10的焦距。
表1C光圈挡直径变焦位置# 直径1(广角) 3.882 3.883 3.884 3.885(远摄) 4.05变焦镜头10具有四个非球面102a、102b、104a、104b。表示这些非球面的非球面等式为X=CY21+1-(k+1)XC2Y2+ADY4+AEY6+AFY8+AGY10]]>其中X是沿光轴OA的距离；Y是离开光轴的高度；C是弯曲透镜表面之镜顶曲率半径的倒数；
k是圆锥常数；以及AD至AG是第4阶、第6阶、第8阶和第10阶的非球面系数。
表1D给出了该镜头实施例中各非球面透镜表面的非球面系数值。
表1D表面3C＝-0.0401524D＝0.5285504E-03 F＝0.1138240E-06K＝0.0000000 E＝-0.2563260E-06 G＝-0.4252920E-08表面4C＝-0.0217244D＝0.3424730E-03 F＝0.1433360E-06K＝0.0000000 E＝-0.3617580E-05 G＝-0.7587230E-08表面7C＝0.1155535 D＝-0.1063610E-02 F＝0.7952570E-05K＝0.0000000 E＝0.1598850E-04 G＝-0.2043640E-05表面8C＝-0.0494805D＝0.3645190E-03 F＝0.3821190E-04K＝0.0000000 E＝-0.1320710E-03 G＝-0.3804370E-05本发明的变焦透镜提供了上述所有优点，尤其给予了接近远心的性能，并具有机械简单性。
权利要求
1.一种变焦镜头，它从物方开始按顺序包括具有发散折光能力的第一变焦镜头组件(12)和具有会聚折光能力的第二变焦镜头组件(14)，其特征在于，所述第一变焦镜头组件包括具有负光焦度的第一透镜元件(101)、第二透镜元件(102)和具有正光焦度的第三透镜元件(103)，在所述透镜元件(101、102、103)中至少有一个透镜元件具有一个非球面；并且所述第二变焦镜头组件按顺序包括具有正光焦度的第四透镜元件(104)、具有正光焦度的第五透镜元件(105)以及具有负光焦度且朝像方凹入的第六透镜元件(106)，其中通过改变所述第一镜头组件(12)和所述第二镜头组件(14)之间的距离进行变焦。
2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦透镜满足以下条件φ2/φw＜0.1，其中φ2是所述第二透镜元件的光焦度，而φw是所述变焦镜头在广角位置的光焦度。
3.如权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜元件是塑料的，并至少具有一个非球面。
4.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述透镜元件中有一个透镜具有正的和负的光焦度，所述正/负透镜元件在边缘区具有正的折光能力，而在中心区具有负的折光能力。
5.如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜元件由其镜顶曲率半径定义为弯月形透镜元件。
6.如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于，所述第四和所述第五透镜元件是双凸的，并且所述第二透镜元件由其镜顶曲率半径定义为弯月形透镜元件。
7.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述透镜元件中有一个透镜元件具有正的和负的光焦度，并且所述透镜元件在边缘区具有带一种符号的折光能力，而在中心区具有相反符号的折光能力。
8.如权利要求7所述的变焦镜头，其特征在于，具有正和负光焦度的所述透镜元件是一个塑料的透镜元件。
9.如权利要求7所述的变焦镜头，其特征在于，具有正和负光焦度的所述透镜元件是所述第二透镜元件。
10.如权利要求或7所述的变焦镜头，其特征在于，所述第四和所述第五透镜元件是双凸的，所述第六透镜元件是弯月形透镜元件。
全文摘要
一种特别适于在小型数字照相机内使用的反象远摄变焦镜头,它最好具有两个移动的镜头组,在这两个镜头组中,或者第一镜头组有一个透镜元件在其相应的径向区具有正的和负的光焦度,或者第二镜头组中有一个透镜元件比其它任何透镜元件更靠近像平面,而且该透镜元件朝像平面具有一凹面,或者同时具备上述两种情况。此变焦镜头提供了接近远心的性能,并且当任何一个镜头组在远摄位置和广角位置之间移动时都是不可逆的,反之亦然。
文档编号G02B15/177GK1332384SQ0110175
公开日2002年1月23日 申请日期2001年1月20日 优先权日2000年1月20日
发明者小W·T·古斯 申请人:伊士曼柯达公司