TWI420138B - 變焦鏡頭 - Google Patents

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TWI420138B
TWI420138B TW099125124A TW99125124A TWI420138B TW I420138 B TWI420138 B TW I420138B TW 099125124 A TW099125124 A TW 099125124A TW 99125124 A TW99125124 A TW 99125124A TW I420138 B TWI420138 B TW I420138B
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Description

變焦鏡頭
本發明是有關於一種鏡頭，且特別是有關於一種變焦鏡頭(zoom lens)。
隨著現代視訊技術的進步，近年來對於高畫素、高品質之數位攝影機(digital video camera,DVC)及數位相機(digital camera,DC)的鏡頭需求有逐漸增加的趨勢，並且朝向小型化、大光圈與廣視角發展。如何在微小空間達到大光圈與廣視角，鏡頭的設計架構就顯得相當重要。
然而，目前變焦鏡頭的設計，因加工較為困難且受限於較嚴謹的公差，故較難以同時達到高解析特性、大光圈之優勢及廣視角。另外，小光圈應用在夜間使用數位攝影機時，易面臨光通量不足、雜訊較多以及曝光不足的窘境。舉例而言，美國專利第7242529號與第7110186號所揭露之光圈的F數值(F-number)都在3.5以上，故易面臨光通量不足的問題。
另外，美國專利第7286299所提出的變焦鏡頭不僅未滿足大光圈的需求，且視場角(filed of view,FOV)(2ω)只有31.9度，故會導致拍攝範圍變小及光通量不足之缺點，進而無法滿使用者需求。另一方面，美國專利第7177100號所揭露的變焦鏡頭雖然具有三倍變焦功能、廣視角及大光圈之優勢，卻無法使變焦功能在機身內部完 成，進而無法將鏡頭模組縮小化。
除此之外，美國專利第7623297號亦揭露一種變焦鏡頭。變焦鏡頭包括五個透鏡群，且五個透鏡群之其一為一稜鏡。美國公開專利第20080088943號揭露一種包括四個透鏡群的變焦鏡頭。
本發明之目的是提供一種變焦鏡頭，其具有變焦功能與小體積的優點。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提出一種變焦鏡頭。變焦鏡頭配置於一物側(object side)與一像側(image side)之間，且包括一第一透鏡群、一第二透鏡群、一第三透鏡群以及一第四透鏡群。第一透鏡群具有負屈光度，且包括由物側至像側依序排列的一第一透鏡以及一稜鏡。第一透鏡為一非球面透鏡，其中第一透鏡到稜鏡的距離為L，變焦鏡頭在一廣角端時的有效焦距(effective focal length,EFL)為fw ，且1.58<L/fw <1.88。第二透鏡群具有正屈光度，並位於第一透鏡群與像側之間，且第二透鏡群包括一第一雙膠合透鏡。第三透鏡群具有負屈光度，並位於第二透鏡群與像側之間，且第三透鏡群包括一第二雙膠合透鏡。第四透鏡群具有正屈光度，並位於第三透鏡群與像側之間。
基於上述，本發明之實施例包括以下優點或功效之至少其中之一。本發明之實施例採用第一透鏡群至第四透鏡群的屈光度為負、正、負、正的組合來消除像差(aberration)，並且搭配非球面透鏡、雙膠合透鏡與稜鏡來達到小型化之效果。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1A至圖1C是本發明一實施例之變焦鏡頭在不同變焦倍率下的結構示意圖，其中圖1A繪示變焦鏡頭處於廣角端(wide-end)時之結構，圖1B繪示變焦鏡頭處於中間位置(middle)時之結構，而圖1C繪示變焦鏡頭處於望遠端(tele-end)時之結構。請參照圖1A至圖1C，本實施例之變焦鏡頭100配置於一物側與一像側之間，且適於將位於物側的景物成像至像側，其中像側可配置例如電荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)、互補性氧化金屬半導體(complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)或底片等之感光元件。
如圖1A所示，變焦鏡頭100包括由物側至像側依序排列的一第一透鏡群110、一第二透鏡群120、一第三透鏡群130以及一第四透鏡群140。第一透鏡群110、第二透鏡群120、第三透鏡群130及第四透鏡群140的屈光度分別為負、正、負、正。第二透鏡群120適於在第一透鏡群110與第三透鏡群130之間移動。第三透鏡群130適於在第二透鏡群120與第四透鏡群140之間移動。
詳細來說，第一透鏡群110包括由物側至像側依序排列的一第一透鏡112以及一稜鏡114，且第一透鏡112為一非球面透鏡。第二透鏡群120位於第一透鏡群110與像側之間，且第二透鏡群120包括一第一雙膠合透鏡X1。第三透鏡群130位於第二透鏡群120與像側之間，且第三透鏡群130包括一第二雙膠合透鏡X2。第四透鏡群140位於第三透鏡群130與像側之間。
除此之外，本實施例之變焦鏡頭100可符合下列條件：1.58<L/fw <1.88 (1)
其中L為第一透鏡112到稜鏡114的距離，fw 為變焦鏡頭100在廣角端時的有效焦距(effective focal length,EFL)。須特別說明的是，以本實施之變焦鏡頭的架構而言，距離L指的是光軸距離L’與光軸距離L”的距離長度之總和。
當L/fw >1.88時，會使第一透鏡群110的長度過長，故無法達到鏡頭小型化之目的。另一方面，當L/fw <1.58時，會使得第一透鏡群110的屈光度過大，造成第一透鏡 群110的第一透鏡112的外徑變大。如此一來，將會導致製作成本增加，且無法達到鏡頭小型化之目的。另外，當第一透鏡群110的屈光度較大時，亦較難消除變焦鏡頭100的畸變(distortion)與像差(aberration)。
另外，本實施例之變焦鏡頭100還可符合下列條件：1.45<D1 /fw <1.8 (2)
其中D1 為第一透鏡112的外徑尺寸。當D1 /fw >1.8時，表示第一透鏡群110中的第一透鏡112外徑D1 較大，故導致變焦鏡頭100的體積增加，而無法達到小型化之目的。另一方面，當D1 /fw <1.45時，表示第一透鏡112的外徑較小，故可藉由增加第一透鏡群110的屈光度才能達到相同的視場角。然而，上述作法將會導致第一透鏡群110在像差之修正上較為困難，故可藉由增加鏡片數目以改善像差，如此便增加了鏡頭成本。
除此之外，本實施例之變焦鏡頭100還可滿足以下條件：2.6<fG4 /fw <3.9 (3)
其中fG4 為第四透鏡群140的有效焦距。當fG4 /fw >3.9時，光軸O上之邊緣光線(marginal ray)入射到像平面之光路徑與光軸O的夾角變小，亦即鏡頭數值孔徑(numerical aperture,NA)變小，進而無法得到大光圈之特性。另一方面，當fG4 /fw <2.6時，會使得鏡頭背焦距(back focal length,BFL)過短，造成組裝感光元件的困難增加，亦會增加消除鏡頭之像差的難度。
另一方面，本實施例之變焦鏡頭100還可滿足以下條 件：Ndp >1.69 (4)
其中Ndp 為稜鏡114的折射率。在本實施例中，由於Ndp >1.69，故可減少稜鏡114的外徑尺寸及厚度，進而達到鏡頭小型化之功效。
下文將舉例說明變焦鏡頭100之各透鏡群的組成，但其並非用以限定本發明。
請繼續參照圖1A，在本實施例中，第一透鏡112的屈光度為負，且為一雙凹透鏡。除此之外，本實施例之第二透鏡群120更包括一第二透鏡122、一第三透鏡124、一第四透鏡126以及一第五透鏡128，其中第三透鏡124與第四透鏡126構成第一雙膠合透鏡X1。第二透鏡122與第五透鏡128的屈光度皆為正，且第二透鏡122與第五透鏡128皆為雙凸透鏡。第三透鏡124與第四透鏡126的屈光度彼此相反。在本實施例中，第三透鏡124的屈光度為正，且第四透鏡126的屈光度為負。另外，第三透鏡124為一雙凸透鏡，且第四透鏡126為一雙凹透鏡。
另一方面，第二雙膠合透鏡X2由一第六透鏡132與一第七透鏡134所組成，且第六透鏡132與第七透鏡134的屈光度彼此相反。在本實施例中，第六透鏡132的屈光度為正，且第七透鏡134的屈光度為負。另外，第六透鏡132為一雙凸透鏡，且第七透鏡134為一雙凹透鏡。第四透鏡群140包括一第八透鏡142，且第八透鏡142可為非球面透鏡或球面透鏡。第八透鏡142的屈光度為正，且為 一雙凸透鏡。
由於本實施例之變焦鏡頭100之四個透鏡群110、120、130、140的屈光度採用上述負、正、負、正的組合，因此像差的程度可被有效地縮小。此外，變焦鏡頭100可具有三倍變焦之功能。如圖1A至圖1C所示，當變焦鏡頭100之倍率由廣角端、中間位置逐漸變成望遠端時，第二透鏡群120與第三透鏡群130是朝第一透鏡群110的方向移動。
須特別說明的是，本實施例之倍率指的是變焦鏡頭100之有效焦距範圍，亦即變焦鏡頭100中最大有效焦距長與最小有效焦距長之比率。換句話說，當第二透鏡群120與第三透鏡群130於第一透鏡群110及第四透鏡群140之間移動時，變焦鏡頭100的有效焦距會於一定的範圍內改變，而其中最大有效焦距長與最小有效焦距長之比率定義為變焦鏡頭100之倍率。
進一步而言，第二透鏡群120為變焦群，第三透鏡群130為聚焦補償群，且第二透鏡群120與第三透鏡群130適於在第一透鏡群110與第四透鏡群140間相對移動。當倍率小時，第二透鏡群120及第三透鏡群130會遠離第一透鏡群110，即為廣角端。當倍率大時，第二透鏡群120及第三透鏡群130會接近第一透鏡群110，即為望遠端。換句話說，本實施例之變焦鏡頭100可移動第二透鏡群120及第三透鏡群130即可具有三倍變焦的功效。然而，在其他實施例中，亦可依據實際需求將變焦鏡頭100的變焦範 圍(zoom ratio)設計為例如大於1且小於等於3.3。
除此之外，如圖1A所示，第一透鏡群110更包括一個90度的稜鏡114。稜鏡114可將變焦鏡頭100的光路進行轉折，使得光學變焦的方式是在機身內部完成，故此機構可達到小型化的目的。舉例而言。由於變焦鏡頭100的變焦功能在機身內部完成，故變焦鏡頭100可放置在手機內以改善手機鏡頭於數位變焦後之畫質不良問題，或亦可應用於小型數位攝影(digital video,DV)產品。
另一方面，由於本實施例之第四透鏡群140的屈光度為正，故可使變焦鏡頭100的光軸O上之邊緣光線入射到像平面之光路徑與光軸O的夾角變大。如此一來，便可提升變焦鏡頭100之數值孔徑(numerical aperture,NA)與降低光圈之F數值(F-number)，進而達到大光圈之特性。
在本實施例中，第一透鏡群110中的第一透鏡112與第五透鏡128為非球面透鏡，第八透鏡142可為非球面透鏡或球面透鏡，而變焦鏡頭100中的其餘五片透鏡皆為球面透鏡。藉由非球面透鏡與球面透鏡的搭配，變焦鏡頭100可實現三倍變焦之功效及具有高解析度優點。舉例來說，變焦鏡頭100的解析度例如可介於500萬畫素至800萬畫素間。
為了使變焦鏡頭100具有更佳的光學品質，變焦鏡頭100可更包括一孔徑光欄150，位於第二透鏡群120中。更詳細地說，孔徑光欄150配置於第四透鏡126與第五透鏡128之間，以控制入射光量。此外，變焦鏡頭100亦可更 包括一截止濾鏡(cut filter)160與一玻璃蓋170。截止濾鏡160配置於第四透鏡群140與像側之間，且例如為紅外光截止濾鏡(IR cut filter)。玻璃蓋170配置於截止濾鏡160與像側之間。
以下內容將舉出變焦鏡頭100之一實施例。需注意的是，下述之表一中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。
在表一中，曲率半徑是指每一表面之曲率半徑，間距是指兩相鄰表面間於光軸O上之直線距離。舉例來說，表面S1之間距，即表面S1至表面S2間於光軸O上之直線距離。備註欄中各透鏡與各光學元件所對應之厚度、折射率與阿貝數請參照同列中各間距、厚度與阿貝數對應之數值。
此外，在表一中，表面S1、S2為第一透鏡112的兩表面。表面S3、S4、S5為稜鏡114的三表面。表面S6、S7為第二透鏡122的兩表面，表面S8為第三透鏡124朝向物側的表面，表面S9為第三透鏡124與第四透鏡126之相連表面，S10為第四透鏡126朝向像側的表面。表面S11為孔徑光欄150的表面。表面S12、S13為第五透鏡128的兩表面。表面S14為第六透鏡132面向物側的表面，表面S15為第六透鏡132與第七透鏡134之相連表面，表面 S16為第七透鏡134朝向像側的表面。表面S17、S18為第八透鏡142的兩表面。表面S19、S20為截止濾鏡160的兩表面。表面S21、S22為玻璃蓋170的兩表面。
上述之表面S1、S2、S12、S13為非球面，而非球面公式如下：
式中，Z為光軸方向之偏移量(sag)，c是密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸O處的曲率半徑(如表格內S1、S2的曲率半徑)的倒數。K是二次曲面係數(conic constant)，y是非球面上距光軸O的垂直高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度，而A1 ~A5 為非球面係數(aspheric coefficient)，其中係數A1 為0。表二所列出的是表面S1、S2、S12、S13的參數值。
(表三)
表三分別列出變焦鏡頭100於廣角端、中間位置及望遠端時的一些重要參數值，包括有效焦距及表面S5、S13、S16的可變動距離。另外，本實施例之變焦鏡頭100之有效焦距的範圍例如為4.77至13.6毫米(mm)，F數值(F-number)的範圍例如為3至5.9，且視場角(field of view,FOV)(2ω )的範圍例如為23.4度至64.1度。除此之外，表一所對應之變焦鏡頭100的參數值L/fw 為1.69、D1 /fw 為1.53，且fG4 /fw 為3.08。亦即，表一所對應之變焦鏡頭100滿足前述之條件(1)~(3)。
圖2A至圖2B為對應表一與圖1A之變焦鏡頭100廣角端的成像光學模擬數據圖，圖2C至圖2D為對應表一與圖1C之變焦鏡頭100望遠端的成像光學模擬數據圖。在此分別以波長為656nm的紅光、波長588nm的綠光以及波長486nm的藍光作為參考波段進行模擬。圖2A與圖2C是橫向光線扇形圖(transverse ray fan plot)，而圖2B與圖2D中的每一張圖由左而右依序為場曲(field curvature)及畸變(distortion)的圖形。由於圖2A至圖2C所顯示出 的圖形均在標準的範圍內，因此本實施例之變焦鏡頭100具有良好的成像品質。
以下內容舉出變焦鏡頭100之另一實施例，其中表四所對應的第八透鏡142為非球面透鏡。應注意的是，下述之表四中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。
有關於表四中各參數之定義與各表面所對應的透鏡可參照前述之說明，在此不再重述。另外，表四之表面S1、S2、S12、S13、S17、S18為非球面，而非球面公式可參照前述，在此亦不加贅述。以下將於表五列出表面S1、S2、S12、S13、S17、S18的參數值。
表六分別列出變焦鏡頭100於廣角端、中間位置及望遠端時的一些重要參數值，包括有效焦距及表面S5、S13、S16的可變動距離。另外，表六之變焦鏡頭100所對應之有效焦距的範圍例如為4.55至12.52毫米，F數值(F-number)的範圍例如為2.88至5.5，且視場角(2ω )的範圍例如為25.05度至66.8度。除此之外，表四所對應之變焦鏡頭100的參數值L/fw 為1.77、D1 /fw 為1.65，且fG4 /fw 為2.94。亦即，表四對應之變焦鏡頭100滿足前述之條件(1)~(3)。
圖3A至圖3B為對應表四與圖1A之變焦鏡頭100廣角端的成像光學模擬數據圖，圖3C至圖3D為對應表四與圖1C之變焦鏡頭100望遠端的成像光學模擬數據圖。在此分別以波長為656nm的紅光、波長588nm的綠光以及波長486nm的藍光作為參考波段進行模擬。圖3A與圖3C是橫向光線扇形圖，而圖3B與圖3D中的每一張圖由左而右依序為場曲及畸變的圖形。由於圖3A至圖3C所顯示出的圖形均在標準的範圍內，因此本實施例之變焦鏡頭100具有良好的成像品質。
綜上所述，本發明之實施例包括以下優點或功效之至少其中之一。本實施例之四個透鏡群的屈光度採用負、正、負、正的組合來有效地消除像差，並且搭配非球面透鏡、雙膠合透鏡與稜鏡來達到大光圈、大視場角與小型化之效果。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
100‧‧‧變焦鏡頭
110‧‧‧第一透鏡群
112‧‧‧第一透鏡
114‧‧‧稜鏡
120‧‧‧第二透鏡群
122‧‧‧第二透鏡
124‧‧‧第三透鏡
126‧‧‧第四透鏡
128‧‧‧第五透鏡
130‧‧‧第三透鏡群
132‧‧‧第六透鏡
134‧‧‧第七透鏡
140‧‧‧第四透鏡群
142‧‧‧第八透鏡
150‧‧‧孔徑光欄
160‧‧‧截止濾鏡
170‧‧‧玻璃蓋
L、L’、L”‧‧‧距離
O‧‧‧光軸
S1~S22‧‧‧表面
X1‧‧‧第一雙膠合透鏡
X2‧‧‧第二雙膠合透鏡
圖1A至圖1C是本發明一實施例之變焦鏡頭在不同變焦倍率下的結構示意圖。
圖2A至圖2B為對應圖1A之變焦鏡頭廣角端的成像光學模擬數據圖。
圖2C至圖2D對應圖1C之變焦鏡頭望遠端的成像光學模擬數據圖。
圖3A至圖3B為對應圖1A之變焦鏡頭廣角端的成像光學模擬數據圖。
圖3C至圖3D為對應圖1C之變焦鏡頭望遠端的成像光學模擬數據圖。
100‧‧‧變焦鏡頭
110‧‧‧第一透鏡群
112‧‧‧第一透鏡
114‧‧‧稜鏡
120‧‧‧第二透鏡群
122‧‧‧第二透鏡
124‧‧‧第三透鏡
126‧‧‧第四透鏡
128‧‧‧第五透鏡
130‧‧‧第三透鏡群
132‧‧‧第六透鏡
134‧‧‧第七透鏡
140‧‧‧第四透鏡群
142‧‧‧第八透鏡
150‧‧‧孔徑光欄
160‧‧‧截止濾鏡
170‧‧‧玻璃蓋
L、L’、L”‧‧‧距離
O‧‧‧光軸
S1~S22‧‧‧表面
X1‧‧‧第一雙膠合透鏡
X2‧‧‧第二雙膠合透鏡

Claims (23)

  1. 一種變焦鏡頭，配置於一物側與一像側之間，由該物側至該像側依序排列包括：一第一透鏡群，具有負屈光度，該第一透鏡群包括由該物側至該像側依序排列的一第一透鏡以及一稜鏡，且該第一透鏡為一非球面透鏡，其中該第一透鏡到該稜鏡的距離為L，該變焦鏡頭在一廣角端時的有效焦距為fw ，且1.58<L/fw <1.88；一第二透鏡群，具有正屈光度，並位於該第一透鏡群與該像側之間，且該第二透鏡群包括一第一雙膠合透鏡；一第三透鏡群，具有負屈光度，並位於該第二透鏡群與該像側之間，且該第三透鏡群包括一第二雙膠合透鏡；以及一第四透鏡群，具有正屈光度，並位於該第三透鏡群與該像側之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第一透鏡的外徑尺寸為D1 ，且1.45<D1 /fw <1.8。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡群的有效焦距為fG4 ，且2.6<fG4 /fw <3.9。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該稜鏡的折射率為Ndp ，且Ndp >1.69。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第一透鏡的屈光度為負。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第 一透鏡為一雙凹透鏡。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡群更包括一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡，且該第三透鏡與該第四透鏡構成該第一雙膠合透鏡。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡與該第五透鏡的屈光度皆為正。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡與該第五透鏡皆為雙凸透鏡。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之變焦鏡頭，其中該第三透鏡與該第四透鏡的屈光度彼此相反。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之變焦鏡頭，其中該第三透鏡為一雙凸透鏡，且該第四透鏡為一雙凹透鏡。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之變焦鏡頭，其中該第五透鏡為一非球面透鏡。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第二雙膠合透鏡由一第六透鏡與一第七透鏡所組成，且該第六透鏡與該第七透鏡的屈光度彼此相反。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之變焦鏡頭，其中該第六透鏡為一雙凸透鏡，且該第七透鏡為一雙凹透鏡。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡群包括一第八透鏡，且該第八透鏡為一非球面透鏡。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之變焦鏡頭，其中該 第八透鏡的屈光度為正。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之變焦鏡頭，其中該第八透鏡為一雙凸透鏡。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第四透鏡群包括一第八透鏡，且該第八透鏡為一球面透鏡。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之變焦鏡頭，其中該第八透鏡的屈光度為正。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之變焦鏡頭，其中該第八透鏡為一雙凸透鏡。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第二透鏡群適於在該第一透鏡群與該第三透鏡群之間移動。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，其中該第三透鏡群適於在該第二透鏡群與該第四透鏡群之間移動。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之變焦鏡頭，更包括一孔徑光欄，位於第二透鏡群中。
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