專利名稱：變焦透鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及變焦透鏡。更具體地，本發(fā)明涉及適于小型攝像機或數(shù)碼相機的小型變焦透鏡。
背景技術：
用于具有高變焦比的相機的傳統(tǒng)變焦透鏡在本領域中是公知的。這種透鏡包括固定且具有正折射能力的第一透鏡組、具有負折射能力并且沿著光軸可移動以進行變焦的第二透鏡組、固定且具有正折射能力的第三透鏡組、以及具有正折射能力并且沿著光軸可移動以實現(xiàn)焦點矯正的第四透鏡組。第一至第四透鏡組從變焦透鏡的物側到像面依次排列。變焦比是指廣角位置中的焦距(fw)與遠攝位置中的焦距(ft)之間的比值，即，fw/ft。變焦透鏡在廣角位置中具有最大焦距，并且在遠攝位置中具有最小焦距。
最新設計的小型相機的特征在于小型變焦透鏡和小型相機機身。提高變焦透鏡的每個透鏡組的折射能力，以便最小化變焦透鏡的總長度。然而，如果每個透鏡組的折射能力增加，Petzval和可能增加。結果，不僅變焦透鏡的光學性能惡化，而且在將變焦透鏡組裝到相機中時，偏心率可能嚴重增加。因此，這種變焦透鏡不適于高像素相機。
如本領域公知的那樣，可以在變焦透鏡中排列反射鏡和棱鏡，以便減小變焦透鏡的總長。反射鏡或棱鏡通過使變焦透鏡的光軸以直角彎曲，實現(xiàn)該目的。例如，日本專利未審查申請No.8-248318公開了這樣一種變焦透鏡，其中在變焦透鏡的第一透鏡組中安裝了直角棱鏡，以便彎曲變焦透鏡的光軸。然而，日本專利未審查申請No.8-248318中公開的變焦透鏡不足以實現(xiàn)變焦透鏡的小型化，因為相對于物體排列在第一透鏡組的正面部分的第一透鏡的直徑和尺寸必須加大，并且形成變焦透鏡的透鏡數(shù)目必須增加。
雖然對于適合于小型攝像機或數(shù)碼相機的小型變焦透鏡的需求逐漸增加，但是傳統(tǒng)的變焦透鏡不能滿足這種需求。
因此，需要具有適于小型攝像機或數(shù)碼相機的高性能的小型變焦透鏡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術的上述缺點，并且本發(fā)明在一個方面中提供了一種小型變焦透鏡，其具有適于小型攝像機或數(shù)碼相機的高性能。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種變焦透鏡，包括具有負折射能力的第一透鏡組；第二透鏡組，其具有正折射能力，并且比第一透鏡組更靠近像面；以及第三透鏡組，比第二透鏡組更靠近像面，其中當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，第一和第二透鏡組之間的距離縮短，并且第二和第三透鏡組之間的距離加長。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種變焦透鏡，包括具有負折射能力的第一透鏡組；第二透鏡組，其具有正折射能力，并且比第一透鏡組更靠近像面；以及第三透鏡組，其包括用于彎曲光軸的反射表面，并且比第二透鏡組更靠近像面。
優(yōu)選地，變焦透鏡滿足如下公式0.6≤d1pwd1iw≤0.8,]]>其中dlpw表示沿著光軸從第一透鏡組的物側正面到反射表面的距離，并且dliw表示沿著光軸從第一透鏡組的物側正面到像面的距離。


從下面結合附圖的詳細描述中，本發(fā)明的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將更加清楚，其中圖1至3是圖示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的變焦透鏡的側視圖；圖4A、4B、4C是圖示了圖1所示的變焦透鏡的廣角位置中像差曲線的曲線圖；圖5A、5B、5C是圖示了圖3所示的變焦透鏡的遠攝位置中像差曲線的曲線圖；圖6至8是圖示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的變焦透鏡的圖；圖9A、9B、9C是圖示了圖6所示的變焦透鏡的廣角位置中像差曲線的曲線圖；以及圖10A、10B、10C是圖示了圖8所示的變焦透鏡的遠攝位置中像差曲線的曲線圖。
具體實施例方式
在下面的討論中，為了表述清楚，省略了對于這里所結合的已知功能和配置的詳細描述。
在解釋本發(fā)明的實施例之前，描述本發(fā)明的操作和效果。
本發(fā)明的變焦透鏡包括具有負折射能力并且可移動地排列在最靠近物側的第一透鏡組、具有正折射能力并且可移動地排列在相對于第一透鏡組更加靠近像面處的第二透鏡組、以及具有負折射能力并且固定排列在最靠近像面處的第三透鏡組。第一和第二透鏡組每一個優(yōu)選地是被設計為作為一個單元來移動的光學系統(tǒng)。
當變焦透鏡執(zhí)行變焦動作時，第一和第二透鏡組沿著光軸移動，以實現(xiàn)焦點矯正。具體地說，第一和第二透鏡組按照如下方式來移動可以同時實現(xiàn)變焦透鏡的變焦動作和焦點矯正。優(yōu)選地，因為從廣角位置到遠攝位置，變焦透鏡的放大能力逐漸增加，所以縮短第一和第二透鏡組之間的距離，并且相應加長第二和第三透鏡組之間的距離。因為僅通過移動第一和第二透鏡組，就可以實現(xiàn)變焦透鏡的變焦動作和焦點矯正，所以不必額外提供可移動的透鏡組用于焦點矯正。因此，可以制造小型化的變焦透鏡。另外，因為從變焦透鏡的物側開始依次放置了具有負折射能力的第一透鏡組和具有正折射能力的第二透鏡組，所以可以在廣角位置中提供大于60°的廣闊視角，同時確保足量的光。
優(yōu)選地，第二透鏡組包括光闌，其可以是排列在第二透鏡組的物側正面的光學表面，或者是單獨安裝在第二透鏡組的物側正面的器件。因為第二透鏡組包括光闌，所以可以減小安裝在第一透鏡組的物側正面的第一透鏡的直徑。光學表面包括曲面，例如透鏡表面、反射表面、棱鏡表面或者IR(紅外)截止濾鏡的表面。光學表面還包括能夠改變光路的預定反射表面和預定折射表面。這里將平坦表面認為具有無窮大的曲率半徑。
第三透鏡組優(yōu)選地包括反射表面，用于彎曲光軸。可以以棱鏡或反射鏡的形式提供反射表面。因為第三透鏡組彎曲光軸，所以可以在第一透鏡和反射表面之間而不是在第一透鏡和像面之間的范圍中建立變焦透鏡的總長。另外，因為不必額外提供用于焦點矯正的可移動透鏡組，所以可以縮短反射表面和像面之間的距離，從而可以制造小尺寸的變焦透鏡。
在優(yōu)選實施例中，第一透鏡組包括至少一個具有負折射能力的透鏡和至少一個具有正折射能力的透鏡。進一步優(yōu)選地，具有負折射能力的透鏡由具有低阿貝數(shù)的材料制成，并且具有正折射能力的透鏡由具有高阿貝數(shù)的材料制成。利用這種構造，可以矯正第一透鏡組的放大的色差。第一透鏡組有利地可以包括至少一個非球面透鏡，以便最小化畸變，并獲得適于高像素相機的卓越成像性能。在這種情形中，具有負折射能力和正折射能力的透鏡中至少一個是以一側為非球面透鏡或者兩側都為非球面透鏡的形式制造的。
優(yōu)選地，第二透鏡組包括至少一個具有正折射能力的透鏡和至少一個具有負折射能力的透鏡。具有負折射能力的透鏡優(yōu)選地由具有低阿貝數(shù)的材料制成，并且具有正折射能力的透鏡優(yōu)選地由具有高阿貝數(shù)的材料制成。因此，可以矯正第二透鏡組的放大的色差。
優(yōu)選地，變焦透鏡滿足公式1。
公式10.6≤d1pwd1iw≤0.8]]>在公式1中，d1pw表示沿著光軸從第一透鏡組的物側正面到反射表面的距離，并且d1iw表示沿著光軸從第一透鏡組的物側正面到像面的距離。
如果變焦透鏡滿足公式1，則可以在第一透鏡和反射表面之間而不是第一透鏡和像面之間的范圍中建立變焦透鏡的總長。特別地，如果 的值超過0.8，則難以確保后焦距并獲得小型化變焦透鏡。另一方面，如果 的值小于0.6，則難以確保變焦長度并獲得所希望的變焦比。
優(yōu)選地，變焦透鏡同樣滿足公式2。
公式22.8≤fwft]]>在公式2中，fw表示廣角位置中的總焦距，并且ft表示遠攝位置中的總焦距。公式2實際上規(guī)定變焦透鏡的變焦比高于2.8。
實施例1圖1至3是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的變焦透鏡的圖，它們是說明性的而非限制性的示例。圖1至3分別示出了根據(jù)變焦透鏡的變焦動作位于廣角位置、中間位置和遠攝位置中的變焦透鏡。為了有助于解釋，假設相對于光軸X具有不同角度的五組光入射到圖1至3所示的變焦透鏡。
變焦透鏡包括沿著光軸X可移動的第一和第二透鏡組G1、G2、以及固定排列的第三透鏡組G3。從變焦透鏡的物側到像面I依次排列第一至第三透鏡組G1至G3。
第一透鏡組G1由第一和第二透鏡L1、L2組成，它們從變焦透鏡的物側到像面I依次排列。第一和第二透鏡是具有負折射能力的雙面非球面透鏡。
第二透鏡組G2由第三和第四透鏡L3、L4組成，它們從變焦透鏡的物側到像面I依次排列。第三透鏡L3是雙面凸球面透鏡，并且透鏡L4是雙面非球面透鏡。第三和第四透鏡L3、L4具有正折射能力。第三透鏡L3的第五光學表面充當變焦透鏡的光闌。
第三透鏡組G3由直角棱鏡P和紅外(IR)濾鏡組成，它們從變焦透鏡的物側到像面I依次排列。直角棱鏡P以直角彎曲光軸X，并且具有第九至第十一光學表面，它們從變焦透鏡的物側到像面I依次排列。在圖1至3所示的示例性實施例中，第九和第十一光學表面是非球面，并且第十光學表面是平坦反射面。IR濾鏡具有遮蔽紅外線的功能，并且其兩面都是平坦的。第三透鏡組G3可以具有正或負的折射能力。
當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，第一和第二透鏡組G1、G2之間的距離縮短，并且第二和第三透鏡組G2、G3之間的距離加長。更具體地，當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，第二透鏡組G2從像面I向物側移動，并且第一透鏡組G1在其略微移向像面I之后向著物側移動。同時，第三透鏡組G3保持固定。
參考圖2，在從廣角位置向該位置與遠攝位置之間的中間位置轉變時，第一透鏡組G1移向像面I，并且第二透鏡組G2移向物側。
參考圖3，在從中間位置向遠攝位置轉變時，第一和第二透鏡組G1、G2可能移向物側。
簡而言之，在變焦透鏡的變焦動作并同時執(zhí)行焦點矯正期間，第一透鏡組G1與第二透鏡組G2一起移動。
表1包含廣角位置中變焦透鏡的多個數(shù)據(jù)特性。參考表1，ri是第i個光學表面的曲率半徑，di是第i個光學表面的厚度或空氣隙(或者，第i個光學表面與第(i+1)個光學表面之間的距離)，ndi是在第i個光學表面的d線處的折射率，并且vi是第i個光學表面的阿貝數(shù)。第i個光學表面的曲率半徑和厚度以毫米來表示，單位是“mm”。符號“i”表示沿著從物側到像面I的方向，依次分配給各個光學表面的號碼。該規(guī)則同樣適用于實施例2。
根據(jù)本發(fā)明的實施例1，當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，總焦距f從5變?yōu)?4，F(xiàn)數(shù)從3.2變?yōu)?.7，并且視角ω從35.75°變?yōu)?4.42°。于是，總視角2ω從71.5°變?yōu)?8.84°。
表1

(注意*I表示非球面)非球面可以根據(jù)公式3來定義。
公式3x=c2y21+1-(K+1)c2y2+Ay4+By6+Cy8+Dy10+Ey12]]>在公式3中，x表示光學表面的頂點與光軸之間的距離，y是距離光軸的垂直距離，c是光學表面頂點處的曲率(曲率半徑的倒數(shù))，K是二次曲線系數(shù)，并且A至E是非球面系數(shù)。
表2中示出了非球面的非球面系數(shù)。
表2

當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，焦距從5.0變?yōu)?4，第一和第二透鏡組G1、G2之間的空氣隙(d4)從7.199變?yōu)?.500，并且第二和第三透鏡組G2、G3之間的空氣隙(d8)從0.500變?yōu)?.990。
圖4A、4B、4C示出了變焦透鏡的廣角位置中的像差曲線。圖4A表示縱向球面像差曲線，圖4B表示像散像差曲線，并且圖4C表示畸變像差曲線。圖4A中的實線軌跡表示d線(587.5618nm)，虛線表示c線(656.2725nm)，并且點劃線表示f線(486.1327nm)。像散像差曲線和畸變像差曲線是相對于d線表示的。
圖5A、5B、5C示出了變焦透鏡的遠攝位置中的像差曲線。圖5A表示縱向球面像差曲線，圖5B表示像散像差曲線，并且圖5C表示畸變像差曲線。圖5A中的實線軌跡表示d線，虛線表示c線，并且點劃線表示f線。像散像差曲線和畸變像差曲線是相對于d線表示的。
實施例2圖6至8示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的各個變焦透鏡配置。根據(jù)變焦透鏡的變焦動作，變焦透鏡分別位于廣角位置、中間位置和遠攝位置中。為了簡化解釋，假設相對于光軸X具有不同角度的五組光入射到圖6至8所示的變焦透鏡。
變焦透鏡包括沿著光軸X可移動的第一和第二透鏡組G1、G2、以及固定排列的第三透鏡組G3。從變焦透鏡的物側到像面I依次排列第一至第三透鏡組G1至G3。
第一透鏡組G1由第一和第二透鏡L1、L2組成，它們從變焦透鏡的物側到像面I依次排列。第一和第二透鏡是具有負折射能力的雙面非球面透鏡。
第二透鏡組G2由第三和第四透鏡L3、L4組成，它們從變焦透鏡的物側到像面I依次排列。第三透鏡L3是雙面凸球面透鏡，并且透鏡L4是雙面非球面透鏡。第三和第四透鏡L3、L4具有正折射能力。第三透鏡L3的第五光學表面充當變焦透鏡的光闌。
第三透鏡組G3由直角棱鏡P、第五透鏡L5和紅外(IR)濾鏡組成，它們從變焦透鏡的物側到像面I依次排列。直角棱鏡P以直角彎曲光軸X，并且具有第九至第十一光學表面，它們從變焦透鏡的物側到像面I依次排列。在所圖示的實施例中，第九和第十一光學表面是平坦表面，并且第十光學表面是平坦反射面。第五透鏡L5是上面非球面透鏡。IR濾鏡具有遮蔽紅外線的功能，并且其兩面都是平坦的。第三透鏡組G3可以具有正或負的折射能力。
當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，第一和第二透鏡組G1、G2之間的距離縮短，并且第二和第三透鏡組G2、G3之間的距離加長。更具體地，當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，第二透鏡組G2從像面I向物側移動，并且第一透鏡組G1在其略微移向像面I之后向著物側移動。
參考圖7，第一透鏡組G1移向像面I，并且第二透鏡組G2移向物側。
參考圖8，第一和第二透鏡組G1、G2可能移向物側。
實際上，在變焦透鏡的變焦動作并同時執(zhí)行焦點矯正期間，第一透鏡組G1與第二透鏡組G2一起移動。
表3包含廣角位置中變焦透鏡的多個數(shù)據(jù)特性。根據(jù)實施例2，當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，總焦距f從5變?yōu)?4，F(xiàn)數(shù)從3.1變?yōu)?.5，并且視角ω從35.75°變?yōu)?4.42°。
表3

(注意*I表示非球面)如上所述，非球面可以根據(jù)公式3來定義。
表4中示出了非球面的非球面系數(shù)。
表4

當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，焦距從5.0變?yōu)?4，第一和第二透鏡組G1、G2之間的空氣隙(d4)從7.5變?yōu)?.500，并且第二和第三透鏡組G2、G3之間的空氣隙(d8)從0.500變?yōu)?.585。
圖9A、9B、9C示出了變焦透鏡的廣角位置中的像差曲線。圖9A表示縱向球面像差曲線，圖9B表示像散像差曲線，并且圖9C表示畸變像差曲線。圖9A中的實線軌跡表示d線，虛線表示c線，并且點劃線表示f線。像散像差曲線和畸變像差曲線是相對于d線表示的。
圖10A、10B、10C示出了變焦透鏡的遠攝位置中的像差曲線。圖10A表示縱向球面像差曲線，圖10B表示像散像差曲線，并且圖10C表示畸變像差曲線。圖10A中的實線軌跡表示d線，虛線表示c線，并且點劃線表示f線。像散像差曲線和畸變像差曲線是相對于d線表示的。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的變焦透鏡可以小型化制造，并且可以提供大于2.8的變焦比。具體地說，當本發(fā)明的變焦透鏡用于大于70°的廣角位置中時，變焦透鏡具有卓越的分辨率特性。
雖然以及參考本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例圖示并描述了本發(fā)明，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以做出各種形式和細節(jié)的變化和改變。
權利要求
1.一種變焦透鏡，被配置為創(chuàng)建像面，所述變焦透鏡包括具有負折射能力的第一透鏡組；第二透鏡組，其具有正折射能力，并且比所述第一透鏡組更靠近所述像面；以及第三透鏡組，比所述第二透鏡組更靠近所述像面，其中當所述變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，所述第一和第二透鏡組之間的距離縮短，并且所述第二和第三透鏡組之間的距離加長。
2.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，其中所述第二透鏡組包括光闌。
3.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，其中所述第一透鏡組包括至少一個具有負折射能力的透鏡以及至少一個具有正折射能力的透鏡。
4.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，其中所述第二透鏡組包括至少一個具有正折射能力的透鏡以及至少一個具有負折射能力的透鏡。
5.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，其中所述第三透鏡組包括用于彎曲光軸的反射表面。
6.根據(jù)權利要求5所述的變焦透鏡，其中所述變焦透鏡滿足如下公式0.6≤dlpwdliw≤0.8,]]>其中dlpw表示沿著光軸從所述第一透鏡組的物側正面到所述反射表面的距離，并且dliw表示沿著光軸從所述正面到所述像面的距離。
7.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，其中所述變焦透鏡具有廣角位置和遠攝位置，并且滿足如下公式2.8≤fwft,]]>其中fw表示所述廣角位置中的總焦距，并且ft表示所述遠攝位置中的總焦距。
8.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，被配置為所述第一透鏡組作為一個單元可移動，并且所述第二透鏡組作為一個單元可移動。
9.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，其中所述第三透鏡組保持固定。
10.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，被配置為沿著所述光軸移動所述第一和第二透鏡組，以同時實現(xiàn)所述變焦和焦點矯正，而不需要第一和第二透鏡組之外的可移動透鏡用于焦點矯正。
11.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡，具有廣角位置和遠攝位置之間的中間位置，所述變焦透鏡被配置為在所述廣角位置和所述中間位置之間轉變時向著所述第三透鏡組移動所述第一透鏡組。
12.根據(jù)權利要求11所述的變焦透鏡，還被配置為在所述轉變中，移動所述第二透鏡組遠離所述第三透鏡組。
13.一種變焦透鏡，被配置為創(chuàng)建像面，所述變焦透鏡包括具有負折射能力的第一透鏡組；第二透鏡組，其具有正折射能力，并且比所述第一透鏡組更靠近所述像面；以及第三透鏡組，其包括用于彎曲光軸的反射表面，并且比所述第二透鏡組更靠近所述像面。
14.根據(jù)權利要求13所述的變焦透鏡，其中所述第二透鏡組包括光闌。
15.根據(jù)權利要求13所述的變焦透鏡，其中所述第一透鏡組包括至少一個具有負折射能力的透鏡以及至少一個具有正折射能力的透鏡。
16.根據(jù)權利要求13所述的變焦透鏡，其中所述第二透鏡組包括至少一個具有正折射能力的透鏡以及至少一個具有負折射能力的透鏡。
17.根據(jù)權利要求13所述的變焦透鏡，其中所述變焦透鏡滿足如下公式0.6≤dlpwdliw≤0.8,]]>其中dlpw表示沿著光軸從所述第一透鏡組的物側正面到所述反射表面的距離，并且dliw表示沿著光軸從所述正面到所述像面的距離。
18.根據(jù)權利要求13所述的變焦透鏡，其中所述變焦透鏡具有廣角位置和遠攝位置，并且滿足如下公式2.8≤fwft,]]>其中fw表示所述廣角位置中的總焦距，并且ft表示所述遠攝位置中的總焦距。
19.一種變焦透鏡，被配置為創(chuàng)建像面，所述變焦透鏡包括具有負折射能力的第一光學系統(tǒng)；第二光學系統(tǒng)，其具有正折射能力，并且比所述第一光學系統(tǒng)更靠近所述像面；以及第三光學系統(tǒng)，比所述第二光系統(tǒng)更靠近所述像面，其中當所述變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，所述第一和第二光學系統(tǒng)之間的距離縮短，并且所述第二和第三光學系統(tǒng)之間的距離加長。
20.根據(jù)權利要求19所述的變焦透鏡，被配置為所述第一光學系統(tǒng)作為一個單元移動，并且所述第二光學系統(tǒng)作為一個單元移動。
全文摘要
一種變焦透鏡包括具有負折射能力的第一透鏡組、具有正折射能力并且比第一透鏡組更靠近像面的第二透鏡組、以及比第二透鏡組更靠近像面的第三透鏡組。當變焦透鏡執(zhí)行從廣角位置向遠攝位置的變焦動作時，第一和第二透鏡組之間的距離縮短，并且第二和第三透鏡組之間的距離加長。
文檔編號G02B15/14GK1837885SQ20061006739
公開日2006年9月27日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權日2005年3月25日
發(fā)明者辛正佶, 姜秉權, 張東薰 申請人:三星電子株式會社