专利名称：紧凑型变焦镜头的制作方法
技术领域：
本发明涉及紧凑型变焦镜头，尤其是涉及一种减少利用固态图像传感器件的成像光学系统所需透镜数目的变焦镜头，从而提供小型尺寸并减小该光学系统的总体长度，同时提供良好的聚焦远心、高放大率和高成像性能。
背景技术：
照相机与摄影机中使用的变焦镜头通常要求优异的光学性能、高的放大倍率和小型化。而且，随着便携式信息终端(如个人数字助理(PDA))和移动终端等电子设备的广泛使用，在这些电子设备中越来越多地安装了数码相机或数码视频单元。因此，对相机模块的小型化的要求越来越高。在具有电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)等的固态图像传感器件的光学系统(该光学系统用于电子照相机和摄影机)中，由于为了防止图像传感器件的周期结构所引起的波纹现象而使用了晶体滤光器，因此，考虑到晶体滤光器的厚度与位置，需要足够的入射到像面的光线的后焦距与聚焦远心。另外，透镜厚度的总和与总的光学长度必须很短以减小容纳该光学系统的长度。
使用三组变焦技术的常规变焦镜头的一个实例是日本专利2000-111798所公开的变焦镜头。该变焦镜头具有高放大率下的高成像性能。但是，由于第一透镜组包含三个透镜，且光学系统的总长度很长，因此该变焦镜头很难做到既小又薄。
图1示出日本专利2002-277740中所公开的变焦镜头。参看图1，该变焦镜头依次包括具有负屈光力(refractive power)的第一透镜组10、具有正屈光力的第二透镜组20和具有正屈光力的第三透镜组30。第一透镜组10、第二透镜组20和第三透镜组30被移动以将景物放大或缩小，并得到高变焦比。然而，该变焦镜头有一个缺点，要求增加透镜的数目和每个透镜组的厚度。即使透镜的总数减少到6，由于第二透镜组20和第三透镜组30的厚度增加了，难于使该变焦镜头既小又薄。
日本专利2001-272602中公开的变焦镜头包括具有负屈光力的第一透镜组、具有正屈光力的第二透镜组和具有正屈光力的第三透镜组，并通过改变透镜组之间的距离来改变放大倍率。第一透镜组包括一个单负透镜和一个单正透镜。第二透镜组包括一对双合透镜和一个单正透镜。第三透镜组包括至少一个正透镜。尽管该变焦镜头实现了小型化，但未实现高的放大率。
为了实现相机模块和镜头系统的紧凑性，小型化是很重要的。而且，提供很薄的镜头系统最近变得越来越重要。
发明内容
本发明提供一种减少利用固态图像传感装置的成像光学系统所需的透镜数目的变焦镜头，从而提供光学系统的紧凑尺寸，同时提供良好的聚焦远心、高放大倍率和高成像性能。
根据本发明的一个方面，提供一种变焦镜头，包括具有负屈光力的第一透镜组、具有正屈光力的第二透镜组和具有正屈光力的第三透镜组。第一至第三透镜组从物体侧至图像侧(image side)依次排列并从广角端向摄远端移动，且包括在第一透镜组中的至少一个透镜的折射率G1n满足1.90＜G1n＜2.00。
当放大倍率由广角向远摄改变时，第一透镜组和第二透镜组之间的距离可能减小，第二透镜组和第三透镜组之间的距离可能增加，而第三透镜组与位于图像侧的防护玻璃之间的距离可能减小。
第一透镜组可包括两个透镜，其中一个具有正屈光力，第二透镜组可包括三个透镜，其中至少两个透镜被粘合形成双合透镜，第三透镜组可包括具有正屈光力的单透镜。
如果放大倍率从广角端改变到远摄端时第二透镜组移动的距离用L‖表示，变焦镜头光学系统在广角端的焦距用fw表示，而变焦镜头光学系统在远摄端的焦距用ft表示，那么满足0.8<L||ftfw<1.0.]]>如果放大倍率从广角端改变到远摄端时第二透镜组移动的距离用L‖表示，第二透镜组的焦距用f2表示，而第二透镜组中距物体侧最近的透镜元件的折射率用G2n表示，则满足0.45<(L||/f2)G2n<0.6.]]>
通过参考附图详细说明其优选实施例，本发明的上述及其它特征与优点将更为显而易见，其中图1示出日本专利2002-277740中公开的一种常规变焦镜头；图2示出本发明的变焦镜头系统处于广角位置、中角(medium-angle)位置和远摄位置；图3示出根据本发明第一实施例的变焦镜头；图4A示出根据本发明第一实施例的变焦镜头在广角位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变；图4B示出根据本发明第一实施例的变焦镜头在中角位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变；图4C示出根据本发明第一实施例的变焦镜头在远摄位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变；图5示出根据本发明第二实施例的变焦镜头；图6A示出根据本发明第二实施例的变焦镜头在广角位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变；图6B示出根据本发明第二实施例的变焦镜头在中角位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变；图6C示出根据本发明第二实施例的变焦镜头在远摄位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变；图7示出根据本发明第三实施例的变焦镜头；
图8A示出根据本发明第三实施例的变焦镜头在广角位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变；图8B示出根据本发明第三实施例的变焦镜头在中角位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变；和图8C示出根据本发明第三实施例的变焦镜头在远摄位置时的纵向球面像差、场曲率和畸变。
具体实施例方式
图2示出本发明的透镜系统在(a)广角位置，(b)中角位置，和(c)远摄位置时的透镜组位置。参看图2，该变焦镜头从物体侧O至图像侧I包括具有负屈光力的第一透镜组100，具有正屈光力的第二透镜组110，和具有正屈光力的第三透镜组120。当放大倍率从广角放大倍率向远摄放大倍率改变时，第一、第二和第三透镜组100、110和120移动。通过移动第二透镜组110来改变放大倍率，通过移动第一和第三透镜组100和120来补偿在改变过程中发生的像面位移，从而得到高放大倍率。当放大倍率从广角倍率向远摄倍率改变时，第一透镜组100与第二透镜组110之间的距离减小，第二透镜组110与第三透镜组120之间的距离变大，而第三透镜组120与位于图像侧I的固定元件，如滤光片或保护玻璃130之间的距离减小。
在上述系统中，由于第一透镜组100具有负屈光力，第二透镜组110具有正屈光力，因此在广角位置，在至少60度的视场角下可以得到满意的成像性能。另外，如果第一透镜组100是使用具有高色散(variance)的透镜制成，则满足高分辨率所需的较小放大色差的条件。第二透镜组中距物体侧O最近的第一透镜元件是使用具有高折射率的材料制成，因此减小了变焦过程中第二透镜组110需要移动的距离。结果，减小了光学系统的总长度。
同时，第三透镜组120包括具有正屈光力的凸透镜，因此，可获得满意的长后焦距。为了达到聚焦远心，即，使来自周围物体的光通量的主光束能以正确的角度入射到图像传感装置上，需要让出射光瞳位于距离该图像传感装置尽可能远的地方。这一点可以通过提供长焦距来满足。
在本发明的一个实施例中，由于变焦期间第二透镜组110的单调移动所引起的像面位移通过非线性移动第一透镜组100和第三透镜组120来补偿。根据物体位置补偿焦点位置，即，聚焦，由第三透镜组120执行。聚焦时，第一和第二透镜组也可能会稍稍移动。结果，根据本发明的调焦镜头在使系统小型化方面具有优势。
第一透镜组100包括两个透镜元件，其中之一具有正屈光力。第二透镜组110包括三个透镜元件，其中至少有两个粘合在一起。第三透镜组120包括具有正屈光力的单透镜元件。
根据本发明的一个实施例，第一透镜组100包括第一透镜元件101和第二透镜元件102。第二透镜组110包括第三透镜元件111，第四透镜元件112，和第五透镜元件113。第三透镜组120包括第六透镜元件121。
在第一透镜组100中，第一和第二透镜元件101和102中的至少一个的折射率G1n位于方程(1)的值域中。
1.90＜G1n＜2.00...(1)第一透镜组100包括折射率位于方程(1)的值域之中的透镜，因此，即使在变焦比大约为3时，放大色差也能得到令人满意的补偿。在第一透镜组100所包括的透镜中，第二透镜元件102的折射率可位于方程(1)的值域之中，并具有正屈光力。此外，第一透镜组100包括至少一个非球面形的透镜元件。该非球面形透镜元件使畸变最小，并提供适合于高像素计数图像传感装置的成像性能。
第二透镜组110包括双合透镜和正第五透镜元件113，在双合透镜中正第三透镜元件111被粘合到负第四透镜元件112上，因此屈光力被分散以相对于物体侧O的整个图像获得满意的光学性能，并提供适合于高像素计数图像传感装置的成像性能。
同时，如果放大倍率从广角改变到远摄时第二透镜组110移动的距离用L‖表示，变焦镜头光学系统在广角位置的焦距用fw表示，变焦镜头光学系统在远摄位置的焦距用ft表示，则满足方程(2)。
0.8<L||ftfw<1.0---(2)]]>方程(2)限定了第二透镜组110的移动距离与广角位置和远摄位置之间组合焦距的比。如果该比值超出最大极限，则第二透镜组110的屈光力减小，第二透镜组110从广角位置改变到远摄端移动的距离增加，因此，难以将变焦镜头做得很薄。如果该比值小于最小极限，第二透镜组110的屈光力变大，因此在广角端很难得到所需的后焦距，并且远摄位置的球形像差、慧形像差和像散很难补偿。
另外，如果放大倍率从广角改变到远摄时第二透镜组110移动的距离用L‖表示，第二透镜组110的焦距用f2表示，而第二透镜组110中距物体侧O最近的透镜元件的折射率用G2n表示，则满足方程(3)。
0.45<(L||/f2)G2n<0.6---(3)]]>方程(3)限定了(L‖/f2)与第二透镜组110中距物体侧O最近的透镜元件的折射率之间的比。如果限定的比值超出最大极限，则第二透镜组110的移动距离增加，因此，难以使变焦镜头紧凑。另一方面，第二透镜组110中距物体侧O最近的透镜元件的折射率G2n减小，并影响第二透镜组在物体侧O的正透镜的曲率半径，因此，难以最小化球形像差与慧形像差。如果限定的比值小于最小极限，则由于第二透镜组110的移动距离减小，难以得到高放大倍率。在另外一种情形下，第二透镜组110中距物体侧O最近的透镜元件的折射率G2n增加并超出优选范围，这种情形在下文说明。
如果变焦镜头系统在广角位置的总长度用Dw表示，第一透镜组100的焦距用f1表示，则方程满足(4)。
2.0<Dw|f1|<2.5,(f1<0)---(4)]]>方程(4)限定了变焦镜头光学系统在广角位置时的总体长度与第一透镜组100的焦距之比。方程(4)限定的比值超出最大极限时，由于变焦镜头光学系统在广角位置时的总长度增加，难以使光学系统紧凑。在该比值小于最小极限时，由于第一透镜组100的焦距增加，因此畸变和像散很难得到补偿。
同时，如果第一透镜组100的总焦距用f1表示，第二透镜组110的总焦距用f2表示，则满足方程(5)。
1.3<|f1|f2<1.5,(f1<0)---(5)]]>方程(5)限定了第一透镜组100的焦距与第二透镜组110焦距的比。该比值超出最大极限时，第二透镜组110的焦距减小，因此，球面像差与慧形像差很难补偿。在该比值小于最小极限时，光学系统的总长度增加，因此，该光学系统很难做到既小又薄。
同时，第二透镜组110中距物体侧O最近的透镜元件的折射率G2n在方程(6)的值域中。
1.69＜G2n＜1.95 ...(6)方程(6)是用来在变焦的过程中使第二透镜组110移动很小距离，从而提供小型变焦镜头光学系统。在折射率超出最大极限时，透镜具有高折射率，这就使透镜的制造成本昂贵，难于制造。在折射率小于最小极限时，第二透镜组110的移动距离增加，因此很难使变焦镜头光学系统小型化。
在根据本发明的变焦镜头的放大倍率从广角位置向远摄位置改变时，满足方程(7)。
2.7<ftfw<3.0,---(7)]]>其中，fw是广角位置的焦距，ft是远摄位置的焦距。方程(7)限定了远摄位置的焦距与广角位置的焦距之比。在该比值超出最大极限时，难以使变焦镜头小型化。在该比值小于最小极限时，很难得到高放大倍率。
下文说明在本发明的实施例中用到的非球面形的定义。
根据本发明实施例的变焦镜头的非球面透镜元件的非球面形，可由方程(8)表示，将光轴设为x轴，垂直于光轴的线设为y轴，光束的前进方向定义为正方向。
x=cy21+1-(k+1)c2y2+Ay4+By6+Cy8+Dy10,---(8)]]>其中，“x”是透镜顶点在x轴方向上的坐标，“y”是透镜顶点在y轴方向上的坐标，K是圆锥常数。A，B，C和D是非球面系数，c是透镜顶点处的曲率半径的倒数1/R。
在本发明的各实施例中，变焦镜头包括满足变焦镜头小型化优化条件的透镜。本发明各实施例中的变焦镜头用到的详细透镜数据在下文说明。
在下文中，“f”表示整个镜头系统的组合焦距，Fno表示光圈值，ω表示视场角，R表示曲率半径，“Dn”表示透镜中心的厚度或透镜之间的距离，ND表示折射率，VD表示阿贝数，ST表示光圈或孔径光阑，D1，D2和D3表示透镜之间的可变距离。
<第一实施例>
图3示出根据本发明第一实施例的变焦镜头。第一透镜组100包括第一透镜元件101和第二透镜元件102。第二透镜组110包括第三透镜元件111，第四透镜元件112和第五透镜元件113。第三透镜组120包括第六透镜元件121。参考号140表示保护玻璃。
f5.9～9.82～16.65 Fno2.88～4.10～5.08 ω64.07～40.94～24.20R Dn ND VDS1 841.689 1.30 1.8050 40.7K 2.000000A0.107142E-02 B-0.429018E-04C0.961437E-06D-0.853179E-08S2 5.85741 1.36K-4.055000A0.359485E-02 B-0.860710E-04 C0.111085E-05D0.222441E-07S37.343 1.55 1.9229 20.9S4 13.139 D1ST4.300 2.00 1.8050 40.7K 1.026000A-0.220142E-02B-0.237598E-03 C0.152701E-04 D-0.450708E-05S6-8.2090.501.7282 28.3S7 3.4860.48S810.4131.001.6204 60.3S9 -22.639D2S10 15.0191.311.8830 40.8S11 89.589D3S12 无穷大 1.001.5168 64.2S13 无穷大 0.97IMG 无穷大表1示出在根据本发明第一实施例的变焦镜头中，在广角位置、中角位置和远摄位置的可变距离D1、D2和D3的示例。
表1
图4A至4C示出根据本发明第一实施例的变焦镜头在广角位置、中角位置和远摄位置的纵向球面像差、场曲率和畸变。
<第二实施例>
图5示出根据本发明第二实施例的变焦镜头。第一透镜组100包括第一透镜元件103和第二透镜元件104。第二透镜组110包括第三透镜元件114，第四透镜元件115和第五透镜元件116。第三透镜组120包括第六透镜元件122。
f；5.97～9.82～16.65Fno；2.87～3.64～5.17ω；64.07～40.86～24.23R DnNDVDS1 -187.757 1.30 1.8504940.21K 0.000000A0.114234E-02B-0.392949E-04 C0.747895E-06D-0.547134E-08S25.937 1.28K -4.4676A0.374402E-02B-0.806182E-04 C0.601392E-06D0.290910E-07S37.505 1.63 1.9229 20.9S4 15.585 D1ST 无穷大 0.00S6 4.48500 2.03 1.8050 40.7K 0.729240A-0.173636E-02 B-0.859352E-04C-0.452989E-05D-0.740483E-06S7 -7.637 0.50 1.7282 28.3S8 3.739 0.45S9 14.991 1.00 1.6204 60.3S10-15.485 D2S11 15.413 1.31 1.8830 40.8S12107.400 D3S13无穷大 1.00 1.5168 64.2
S14 无穷大0.96IMG 无穷大表2示出根据在本发明第二实施例的变焦镜头中，在广角位置、中角位置和远摄位置的可变距离D1、D2和D3的示例。
表2
<第三实施例>
图7示出根据本发明第三实施例的变焦镜头。第一透镜组100包括第一透镜元件105和第二透镜元件106。第二透镜组110包括第三透镜元件117和第四透镜元件118。第三透镜组120包括第六透镜元件123。
F6.48～12.66～18.15Fno2.85～4.02～5.13 ω61.78～32.89～23.05RDnND VDS1 44.17793 1.60 1.8050 40.7K 7.510259A-0.207876E-04 B0.107619E-05C0.210487E-07D-0.354918E-09S25.224761.84K -1.187246A0.577828E-03 B0.498138E-05C0.243998E-06 D-0.353499E-09S38.544 1.971.9229 20.9S4 16.473 D1ST 4.516142.361.69384 52.1K -0.437483A0.564446E-03 B0.322114E-04C-0.139507E-05 D0.267105E-07S6 -15.541 0.16S7 -23.65359 1.504 1.83917 24.8S8 7.872 D2K8.040132A0.141617E-02B-0.156292E-04 C0.313984E-04D-0.574786E-05S9 16.0781.68 1.74857735.6S10 -3172.14200D3S11 无穷大 1.00 1.5168 64.2S12 无穷大 1.00IMG 无穷大表3示出根据本发明第三实施例的变焦镜头中在广角位置、中角位置和远摄位置的可变距离D1、D2和D3的示例。
表3
根据第一至第三实施例的变焦镜头满足方程(1)至方程(7)所表述的条件，在表4中概括如下表4
如果根据本发明制造出满足上述方程的变焦镜头，则该变焦镜头可以小型化并且具有优良的聚焦远心和高放大倍率。
如上所述，本发明提供一种变焦镜头，具有使用固态图像传感装置的成像光学系统所需的小数目透镜，因此可以做到既小又薄，并且具有优良的聚焦远心、高发大倍率、容纳光学系统的微长度和高成像性能。
本申请要求韩国专利申请10-2005-0036536的优先权，该专利于2005年4月30日在韩国知识产权局申请，其公开以参考的方式全部包括于此。
权利要求
1.一种变焦镜头，其包括具有负屈光力的第一透镜组；具有正屈光力的第二透镜组；和具有正屈光力的第三透镜组，其中，第一至第三透镜组从物体侧朝向图像侧依次排列，当放大倍率在广角与远摄之间变化时，第一、第二和第三透镜组移动，和第一透镜组的至少一个透镜元件的折射率G1n满足1.90＜G1n＜2.00。
2.根据权利要求1的变焦镜头，其中，放大倍率从广角向远摄改变时，第一透镜组与第二透镜组之间的距离减小，第二透镜组与第三透镜组之间的距离增加，并且第三透镜组与位于图像侧的保护玻璃之间的距离减小。
3.根据权利要求1的变焦镜头，其中，第一透镜组包括两个透镜元件，其中一个透镜元件具有正屈光力。
4.根据权利要求1至3中任一项的变焦镜头，其中，第二透镜组包括三个透镜元件，其中至少两个透镜元件粘合形成双合透镜，且第三透镜组包括单透镜。
5.根据权利要求1至3中任一项的变焦镜头，其中，第二透镜组包括三个透镜元件，其中至少两个透镜元件粘合形成双合透镜，且第三透镜组包括单透镜元件。
6.根据权利要求1的变焦镜头，其中，第一透镜组中距物体侧最近的透镜元件具有折射率G1n。
7.根据权利要求6的变焦镜头，其中，距物体侧最近的第二位置上的透镜元件具有正屈光力。
8.根据权利要求1的变焦镜头，其中，第一透镜组包括至少一个具有非球面表面的透镜元件。
9.根据权利要求1至3中任一项的变焦镜头，其中，当放大倍率从广角位置改变到远摄位置时所述第二透镜组移动的距离用L‖表示，所述变焦镜头光学系统在广角位置的焦距用fw表示，且所述变焦镜头光学系统在远摄位置的焦距用ft表示时，满足0.8<L||ftfw<1.0.]]>
10.根据权利要求1至3中任一项的变焦镜头，其中，当放大倍率从广角位置改变到远摄位置时所述第二透镜组移动的距离用L‖表示，所述第二透镜组的焦距用f2表示，所述第二透镜组中距物体侧最近的透镜元件的折射率用G2n表示时，满足0.45<(L||/f2)G2n<0.6.]]>
11.根据权利要求1至3中任一项的变焦镜头，其中，当所述变焦镜头处于广角端的总长度用Dw表示，且所述第一透镜组的焦距用f1表示时，满足2.0<Dw|f1|<2.5,]]>其中，f1＜0。
12.根据权利要求1至3中任一项的变焦镜头，其中，当所述第一透镜组的总焦距用f1表示，所述第二透镜组的总焦距用f2表示时，满足1.3<f1f2<1.5,]]>其中，f1＜0。
13.根据权利要求1至3中任一项的变焦镜头，其中，如果所述第二透镜组中距物体侧最近的透镜元件的折射率用G2n表示，则满足1.69＜G2n＜1.95。
14.根据权利要求1至3中任一项的变焦镜头，其中，放大倍率从广角位置向远摄位置改变时，满足2.7<ftfw<3.0,]]>其中，fw为在所述广角位置时的焦距，ft为在所述远摄位置时的焦距。
15.一种变焦镜头，其包括具有负屈光力的第一透镜组；具有正屈光力的第二透镜组；和具有正屈光力的第三透镜组，其中，放大倍率从广角位置向远摄位置变化时，所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的距离减小，所述第二透镜组与所述第三透镜组之间的距离增加，且包括在第一透镜组中的至少一个透镜元件的折射率G1n满足1.90＜G1n＜2.00。
16.一种数字成像设备，其包括光学变焦镜头系统和数字图像传感器，其中，所述光学变焦镜头系统包括具有负屈光力的第一透镜组；具有正屈光力的第二透镜组；和具有正屈光力的第三透镜组，其中，从物体侧到图像侧分别排列第一、第二和第三透镜组，当放大倍率在广角与远摄之间变化时，第一、第二和第三透镜组移动，和第一透镜组中的至少一个透镜元件的折射率G1n满足1.90＜G1n＜2.00。
17.一种拍照手机，其包括根据权利要求16的数字成像设备的相机模块。
全文摘要
本申请提供一种适用于使用固态图像传感装置的成像光学系统的紧凑型变焦镜头。该变焦镜头包括具有负屈光力的第一透镜组，具有正屈光力的第二透镜组和具有正屈光力的第三透镜组。从物体侧向图像侧依次排列第一至第三透镜组。当放大倍率从广角位置向远摄位置改变时，第一、第二和第三透镜组移动，且包括在第一透镜组中的至少一个透镜元件的折射率G1n满足1.90＜G1n＜2.00。
文档编号G02B9/12GK1854790SQ200510116069
公开日2006年11月1日 申请日期2005年10月28日 优先权日2005年4月30日
发明者李起雨 申请人:三星Techwin株式会社