专利名称：小型变焦透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于使用固态成像设备的光学成像系统并且可制作成小型、轻便、低成本的变焦透镜。
背景技术：
总的来说，用在静态照相机或摄像机中的变焦透镜应该具有极好的光学性能、高变焦比例和小巧的设计。而且，随着例如便携式信息终端等电子设备的广泛使用，例如个人数字助理(PDA)或移动终端，在这样电子设备中越来越多地安装数码相机或数码视频单元。因此，照相机应该更加小巧。用于电子静态照相机或摄像机的固态成像设备，例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)，也应该小巧、轻便且便宜。
图1是图示专利号为6,804,064B2的美国专利申请中公开的一种传统变焦透镜的光学构造的剖面图。参照图1，传统变焦透镜包括具有第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的第一透镜组L1；具有第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7的第二透镜组L2；具有第八透镜8的第三透镜组L3。第二组透镜组L2由具有有正光焦度的第四透镜4、具有正光焦度和朝向物体的弯月形凸面的第六透镜以及具有正光焦度的第七透镜7组成，以上透镜从物体开始依次排列。
传统变焦透镜在变焦过程中从第一透镜组L1到第三透镜组L3移动。当从广角位置向远距位置变焦时，第二透镜组L2移动很大一段距离，从而增加变焦透镜光学系统的尺寸，并且需要一个大的接收空间。同时，因为用于像差校正的第二透镜组L2的双合透镜太厚，所以变焦透镜光学系统的尺寸会进一步变大。
公开号为2003-050352的日本专利申请公开了一种变焦透镜，其中第二透镜组中第一物体侧透镜是塑料非球面透镜。在这种情况下，很难在光学系统的变焦过程中校正球面像差并达到2倍及以上的变焦比例。
发明内容
本发明提供一种能够确保高倍变焦、并且能够制作成小型轻便、具有较低生产成本的变焦透镜。
根据本发明的一方面，提供一种变焦透镜，其包括具有负光焦度的第一透镜组，具有正光焦度的第二透镜组，具有正光焦度的第三透镜组，其中当执行从广角位置向远距位置的变焦时，从物体开始依次排列第一透镜组和第三镜头组，第一透镜组与第二透镜组之间的距离减小，而第二透镜组和第三透镜组之间的距离增加，所述变焦透镜包括至少一个塑料透镜并且满足不等式1≤(G1+G2+G3)fw≤1.8]]>其中G1表示第一透镜组的厚度，G2表示第二透镜组的厚度，G3表示第三透镜组的厚度，fw表示广角位置处的总焦距长度。
根据本发明的另一方面内容，提供一种变焦透镜包括具有负光焦度的第一透镜组，具有正光焦度的第二透镜组；具有正光焦度的第三透镜组，其中从物体开始依次排列第一透镜组到第三透镜组，执行从广角位置到远距位置的变焦，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离减小，而第二透镜组和第三透镜组之间的距离增加，变焦透镜包括至少一个塑料透镜并且满足不等式1≤(G1+G2+G3)fw≤1.9]]>
2.5≤ftfw≤3.2]]>其中G1表示第一透镜组的厚度，G2表示第二透镜组的厚度，G3表示第三透镜组的厚度，fw表示广角位置处的总焦距长度，ft表示远距位置处的总焦距长度。
变焦透镜可以满足不等式2.1≤G1+(D1w-D1t)fw≤3.2]]>其中G1表示第一透镜组的厚度，D1w表示在广角位置处第一透镜组与第二透镜组之间的距离，D1t表示在远距位置处第一透镜组与第二透镜组之间的距离，fw表示广角位置处的总焦距长度。
第一透镜组的第二物体侧透镜可以是塑料非球面镜。
第一透镜组可以有具有负光焦度的塑料非球面镜，第二透镜组中可以有具有正光焦度的塑料非球面镜。
第二透镜组的最后的物体侧透镜可以是塑料非球面镜。
第三透镜组可以有具有正光焦度、高折射率和高Abbe数值的透镜。
第一透镜组可以只有多个凹凸透镜。
通过参照附图详细地描述示意性的实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加清楚，其中图1是图示专利号为6,804,064B2的美国专利申请中公开的传统变焦透镜的光学构造的剖面图。
图2是根据本发明的一个实施例，分别图示在广角位置、中角位置和远距位置处的小型变焦透镜的光学构造的剖面图。
图3A到图3C分别图示图2的小型变焦透镜在广角位置处的纵向球面像差、像散场曲率，以及失真。
图4A到图4C分别图示了图2的小型变焦透镜在远距位置处的纵向球面像差、像散场曲率，以及失真。
图5是根据本发明的另一个实施例，分别图示了小型变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置处的光学构造的剖面图。
图6A到图6C分别图示了图5的小型变焦透镜在广角位置处的纵向球面像差、像散场曲率以及失真。
图7A到图7C分别图示了图5的小型变焦透镜在远距位置处的纵向球面像差、像散场曲率以及失真。
图8是根据本发明的另一个实施例，分别图示了小型变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置的光学构造剖面图。
图9A到图9C分别图示了图8的小型变焦透镜在广角位置处的纵向球面像差、像散场曲率以及失真。
图10A到图10C分别图示了图8的小型变焦透镜在远距位置处的纵向球面像差、像散场曲率以及失真。
图11是根据跟发明又一个实施例，分别图示了小型变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置的光学构造剖面图。
图12A到图12C分别图示了图11的小型变焦透镜在广角位置处的纵向球面像差、像散场曲率及失真。
图13A到图13C分别图示了图11的小型变焦透镜在远距位置处的纵向球面像差、像散场曲率以及失真。
具体实施例方式
下面将参照附图更全面地描述本发明，其中表示出了本发明的示意性实施例。
图2是图示根据本发明的一个实施例的小型变焦透镜的光学构造的剖面图。参看图2，小型变焦透镜包括具有负光焦度的第一透镜组10-1，具有正光焦度的第二透镜组20-1，具有正光焦度的第三透镜组30-1，它们是从物体O开始向后依次排列的。从广角位置向远距位置变焦以便第一透镜组10-1和第二透镜组20-1之间的距离减小，而第二透镜组20-1与第三透镜组30-1之间的距离增加。所述变焦透镜包括至少一个塑料透镜头来校正差。因此，有效地减少了制作成本。因为塑料透镜的焦距比整个焦距更长，所以可以最小化根据温度变化的像平面的移动量。
第一透镜组10-1有至少一个塑料透镜。第一透镜组10-1的第二物体侧的透镜可以是塑料非球面透镜。同样，第一透镜组10-1有具有负光焦度的塑料非球面透镜，并且第二透镜组20-1有具有正向光焦度的塑料非球面透镜。当第二透镜组20-1的最后的物体侧的透镜是塑料非球面透镜时，可以用第二透镜组20-1的塑料透镜来分散第二透镜组20-1的第一个透镜中出现的球面像差，以便减少第二透镜组20-1对外界环境的敏感程度。
同时，变焦透镜满足不等式1≤(G1+G2+G3)fw≤1.9...(1)]]>其中G1表示第一透镜组10-1的厚度，G2表示第二透镜组20-1的厚度，G3表示第三透镜组30-1的厚度，fw表示广角位置处的总焦距长度。
当透镜组10-1、20-1、30-1的厚度总和与总焦距长度的比率太大以致超出公式1的上限时，很难把变焦透镜做得小巧。当比率太低以致低于公式1的下限时，很难校正远距位置的像差，而且生产薄的透镜组10-1、20-1、30-1的成本也会增加。
优选的是，变焦透镜满足不等式1≤(G1+G2+G3)fw≤1.8...(2)]]>其中G1表示第一透镜组10-1的厚度，G2表示第二透镜组20-1的厚度，G3表示第三透镜组30-1的厚度，fw示广角位置处的总焦距长度。
满足公式2的变焦透镜头可以做得小巧并且提供高放大率。
同样，变焦透镜的变焦比例满足不等式
2.5≤ftfw≤3.2...(3)]]>其中ft表示远距位置处的总焦距长度，fw表示广角位置处的总焦距长度。当变焦比例超过公式3的上限时，就很难校正远距位置处的球面像差，并且第二透镜组20-1在从广角位置向远距位置变焦的过程中移动很大一段距离。因此很难把变焦透镜做得小巧。当变焦比例低于公式3的下限时，变焦比例相对于透镜组10-1、20-1、30-1的厚度总和与光学系统总焦距长度的比例来说太低了。
同样，从广角位置向远距位置变焦的过程中第一透镜组10-1和第二透镜组20-1之间的距离变化与广角位置处的总焦距长度的比例满足不等式2.1≤G1+(D1w+D1t)fw≤3.2...(4)]]>其中，G1表示第一透镜组10-1的厚度，D1w表示在广角位置处第一透镜组10-1与第二透镜组20-1之间的距离，D1t表示在远距位置处第一透镜组10-1和第二透镜组20-1之间的距离，fw表示在广角位置处的总焦距长度。当从广角位置向远距位置变焦过程中的第一透镜组10-1和第二透镜组20-1之间的距离变化与在广角位置处的总焦距长度的比例太大以致超出公式4的上限时，整个光学系统的尺寸将会增加，并且很难把变焦透镜做得小巧。当所述比例太低以致低于公式4的下限时，很难保证3倍或以上的高变焦比例，但是第一透镜组10-1的厚度减小，由此降低了由于温度变化而引起的性能恶化。
具体来说，第一透镜组10-1只有多个凹凸透镜以便达到薄的光学构造。第一透镜组10-1有第一和第二凸透镜11-1和12-1，其中每个都具有负光焦度，还具有正光焦度的第三凹凸镜13-1，这些透镜是从物体O开始依次排列的。第二凹凸镜12-1是一个塑料非球面透镜以便有效校正失真。在该情况中，通过减小塑料透镜12-1的中心部分和边缘部分的厚度差可以获得更薄的光学系统，由此在任何温度变化的情况下可以稳定操作。
第二透镜组20-1有具有正光焦度并且凸面朝向物体侧的第四凹凸透镜21-1；具有正光焦度的第五透镜22-1；具有负光焦度的第六透镜23-1；以及具有正光焦度、凸面朝向成像侧的第七凹凸透镜24-1。第五透镜22-1和第六透镜23-1形成双合透镜，第七凹凸透镜24-1是一个塑料透镜。
以下内容中，具有正光焦度的透镜和具有负光焦度的透镜分别被称为正透镜和负透镜。
在第一透镜组10-1和第二透镜组20-1之间放置一个孔径光阑ST，与第四透镜21-1是一个非球面透镜的情况相比，离孔径光阑ST最近的第二透镜组20-1的第四透镜21-1是球面透镜以便降低生产成本。第五透镜22-1有相对低的色散值，而第六透镜23-1有相对高的色散值，以便在高放大率变焦时减少像差的产生。第七凹凸透镜24-1是一个塑料非球面镜，用于最小化球面像差。具体地，第一透镜组10-1的塑料透镜12-1是负透镜，第二透镜组20-1的塑料透镜24-1是正透镜。因为负透镜12-1和正透镜24-1有相似的焦距，该焦距比其它透镜的焦距长，可以有效补偿由于温度变化所造成的成像平面的移动。也就是说，因为第一透镜组10-1有负塑料非球面镜12-1，第二透镜组20-1有正塑料非球面镜24-1，所以塑料非球面镜12-1和24-1的有效光焦度分布能够使使由于温度变化而引起的成像平面的移动最小化。
第三透镜组30-1有具有高折射率和高Abbe数的正透镜31-1，用来防止在广角位置处入射到像平面上的光线角度增加以及最小化在校正由于物体O移动而引起的成像平面移动的过程中产生的放大的色差。
按照上述内容构造的变焦透镜光学系统可制作成小型的，且成本低廉。
同时，这里使用的术语“非球面的”是如下定义的当光轴是X轴时，垂直于光轴的方向是Y轴而且光的前进方向被定义为正方向时，变焦透镜的非球面形状满足下面的公式5。
x=cy21+1-(K+1)c2y2+Ay4+By6+Cy8+Dy10...(5)]]>其中x表示光轴中从透镜的顶点到透镜的平面的深度，y表示在垂直于光轴方向上的高度，K表示二次曲线常数，A、B、C和D表示非球面系数，c表示在透镜顶点处曲线的半径R的倒数1/R。
在本发明的各个实施例中，变焦透镜包括满足用于使变焦透镜小型化的最优化条件的透镜。
现在将描述本发明的各个实施例中用于变焦透镜的详细透镜数据。
<实施例1>
以下内容中，f表示整个透镜系统的合成焦距；Fno表示F数；ω表示视角；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Abbe数，St表示孔径光阑；D1、D2和D3表示透镜之间的可变距离。实施例中的元件的附图标记用实施例号来标写。
图2是根据本发明的一个实施例的变焦透镜的剖面图。参看图2，第一透镜组10-1有第一透镜11-1，第二透镜12-1，第三透镜13-1。第二透镜组20-1有第四透镜到第七透镜21-1，22-1，23-1，24-1。第三透镜组30-1有第八透镜31-1。附图标记40-1指的是红外滤波器，附图标记41-1指的是玻璃盖。
f；6.19～10.16～17.34，Fno；2.86～3.66～5.162，ω；63.48～39.44～23.38
表1分别表示图2的变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置处的可变距离D1、D2、D3。
表1
图3A图示了图2的变焦透镜广角位置处相对于波长为486.1300nm、587.5600nm和656.2700nm的光的纵向球面像差。图3B图示了像散场曲率，也就是正切场曲率T和弧矢(sagittal)场曲率S。图3C图示了失真百分比。同样，图4A到图4C分别图示了图2的变焦透镜在远距位置的纵向球面像差，像散场曲率和失真。
<实施例2>
图5是根据本发明的另一个实施例，分别图示了变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置的光学构造的剖面图。参看图5，第一透镜组10-2有第一到第三透镜11-2、12-2和13-2。第二透镜组20-2有第四到第七透镜是21-2、22-2、23-2、24-2。第三透镜组30-2有第八透镜31-2。附图标记40-2指的是红外滤波器，附图标记41-2指的是玻璃盖。
f；6.60～10.82～19.81，Fno；3.19～4.01～6.02，2ω；59.82～37.18～20.43
表2表示图5的变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置的可变距离D1、D2、D3。
表2
图6A到图6C分别图示了图5的变焦透镜在广角位置的纵向球面像差、像散场曲率和失真。图7A到图7C分别图示了图5的变焦透镜在远距位置的纵向球面像差、像散场曲率和失真。
<实施例3>
图8是根据本发明的另一个实施例，图示了变焦透镜分别在广角位置、中角位置、远距位置的光学构造的剖面图。参看图8，第一透镜组10-3有第一到第三透镜是11-3、12-3和13-3。第二透镜组20-3有第四到第七透镜21-3、22-3、23-3和24-3。第三透镜组30-3有第八透镜31-3。附图标记40-3指的是红外滤波器，附图标记41-3指的是玻璃盖。
f；6.50～10.66～19.50 Fno；2.90～3.57～5.05 2ω；59.38～37.22～20.70
表3分别表示图8的变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置的可变距离D1、D2、D3。
表3
图9A到图9C分别图示了图8的变焦透镜图8在广角位置的纵向球面像差、像散场曲率和失真。图10A到图10C分别图示了图8的变焦透镜图8在远距位置的纵向球面像差、像散场曲率和失真。
<实施例4>
图11是根据本发明的又一个实施例，分别图示了变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置的光学构造的剖面图。参看图11，第一透镜组10-4有第一到第三透镜11-4、12-4、13-4。第二透镜组20-4有第四到第七透镜21-4、22-4、23-4、24-4。第三透镜组30-4有第八透镜31-4。附图标记40-4指的是红外滤波器，附图标记41-4指的是玻璃盖。
f；5.81～9.53～17.44 Fno；2.93～3.84～5.62 2ω；66.27～41.42～23.30
表4分别表示图11的变焦透镜在广角位置、中角位置、远距位置的可变距离D1、D2、D3的例子。
表4
图12A到图12C分别图解了图11的变焦透镜在广角位置的纵向球面像差、像散场曲率和失真。图13A到图13C分别图示了图11的变焦透镜在远距位置的纵向球面像差、像散场曲率和失真。
表5表示图2、5、8和11中图示的每个实施例中的公式1到5的值，所述实施例在表中分别被称为实施例1、2、3和4。
表5
满足以上公式的变焦透镜可以制作成小型的，能够提供优良的光学性能并且保证高变焦率。
如上所述，根据本发明的变焦透镜可以保证高变焦率，制作得轻便且小巧，还可以通过调整透镜组的厚度总和与广角位置的总焦距长度的比例以及采用塑料透镜来降低生产成本。
尽管本发明已经参照示意性的实施例进行表示和描述，但是本领域的普通技术人员能理解，在不偏离由后面的权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种改变。
权利要求
1.一种变焦透镜，包括具有负光焦度的第一透镜组；具有正光焦度的第二透镜组；以及具有正光焦度的第三透镜组，其中，从物体开始依次排列第一透镜组到第三透镜组，并且当执行从广角位置向远距位置的变焦时，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，且变焦透镜包括至少一个塑料透镜并且满足不等式1≤(G1+G2+G3)fw≤1.8]]>其中G1表示第一透镜组的厚度，G2表示第二透镜组的厚度，G3表示第三透镜组的厚度，fw表示在广角位置处的总焦距长度。
2.如权利要求1所述的变焦透镜，满足不等式2.1≤G1+(D1w-D1t)fw≤3.2]]>其中G1表示第一透镜组的厚度，D1w表示在广角位置处第一透镜组与第二透镜组之间的距离，D1t表示在远距位置处第一透镜组和第二透镜组之间的距离，fw表示在广角位置总焦距长度。
3.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第一透镜组有至少一个塑料透镜。
4.如权利要求3所述的变焦透镜，其中第一透镜组的第二物体侧透镜是塑料非球面镜。
5.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第一透镜组有具有负光焦度的塑料非球面镜，第二透镜组有具有正光焦度的塑料非球面镜。
6.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第二透镜组具有双合透镜。
7.如权利要求6所述的变焦透镜，其中所述双合透镜由具有相对低的色散值的透镜和具有相对高的色散值的透镜片组成。
8.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第二透镜组的最后的物体侧的透镜是塑料非球面镜。
9.如权利要求1所述的变焦透镜，其中通过从第一透镜组向第三透镜组移动来执行变焦。
10.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第三透镜组有具有正光焦度、高折射率和高Abbe值的透镜。
11.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第一透镜组由多个凹凸透镜组成。
12.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第一透镜组包括两个其凸面朝向物体的负凹凸透镜，和正凹凸透镜，这些透镜从物体开始依次排列。
13.一种变焦透镜，包括具有负光焦度的第一透镜组；具有正光焦度的第二透镜组；以及具有正光焦度的第三透镜组，其中从物体开始依次排列第一透镜组到第三透镜组，并且当执行从广角位置向远距位置的变焦时，第一透镜组与第二透镜组组之间的距离减小，第二透镜组组与第三透镜组之间的距离增加，所述变焦透镜包括至少一个塑料透镜并且满足不等式1≤(G1+G2+G3)fw≤1.9]]>2.5≤ftfw≤3.2]]>其中G1表示第一透镜组的厚度，G2表示第二透镜组的厚度，G3表示第三透镜组的厚度，fw表示在广角位置处的总焦距长度，ft表示远距位置处的总焦距长度。
14.如权利要求13所述的变焦透镜，满足不等式2.1≤G1+(D1w-D1t)fw≤3.2]]>其中G1表示第一组透镜组的厚度，D1w表示在广角位置处的第一透镜组和第二透镜组之间的距离，D1t表示在远距位置处的第一透镜组与第二透镜组之间的距离，fw表示在广角位置处的总焦距长度。
15.如权利要求13所述的变焦透镜，其中第一透镜组有至少一个塑料透镜。
16.如权利要求15所述的变焦透镜，其中第一透镜组的第二物体侧透镜是塑料非球面镜。
17.如权利要求15所述的变焦透镜，其中第一透镜组有具有负光焦度的塑料非球面镜，第二透镜组有具有正光焦度的塑料非球面镜。
18.如权利要求15所述变焦透镜，其中第二透镜组有双合透镜。
19.如权利要求18所述的变焦透镜，其中第二透镜组的最后的物体侧的透镜是塑料非球面镜。
20.如权利要求18所述的变焦透镜，其中通过从第一透镜组向第三透镜组移动来进行变焦。
全文摘要
一种小型变焦透镜包括具有负光焦度的第一透镜组；具有正光焦度的第二透镜组；具有正光焦度的第三透镜组，其中从物体开始依次排列第一透镜组到第三透镜组，当执行从广角位置向远距位置的变焦时，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，所述透镜包括至少一个塑料透镜并满足不等式，其中G1表示第一透镜组的厚度，G2表示第二透镜组的厚度，G3表示第三透镜组的厚度，f
文档编号G02B13/18GK1982937SQ20061010199
公开日2007年6月20日 申请日期2006年7月18日 优先权日2005年12月15日
发明者金东佑 申请人:三星Techwin株式会社