一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置，適于將物側的物體成像于像側的一成像面上，所述變焦裝置從物面到像面依次包括：具有正折射焦度的第一透鏡組G1；具有負折射焦度的第二透鏡組G2；孔徑光闌；具有正折射焦度的第三透鏡組G3；具有正折射焦度的第四透鏡組G4；第一平行平面光學元件PP1；第二平行平面光學元件PP2；其中，第二透鏡組G2和第四透鏡組G4在光軸方向移動。本實用新型提供了一個具有高性能和高可變放大比、小尺寸、低成本并且成像質量優良的變焦鏡頭，同時也是一種包括變焦鏡頭的成像裝置。
【專利說明】
一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬于光學器械領域，特指一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置。
【背景技術】
[0002] -個包括具有正折射焦度(有效焦距，在本專利說明里，折射焦度代表有效焦距） 的第一透鏡組、負折射焦度的第二透鏡組、正折射焦度的第三透鏡組以及正折射焦度的第 四透鏡組的四透鏡組組成的變焦系統應用在上述領域中已有先例。例如：日本審視專利出 版物號、美國專利7227699號和日本審視專利出版物號公開了一 個在變焦過程中第一透鏡組和第三透鏡組固定，第二透鏡組和第四透鏡組移動的四透鏡組 變焦鏡頭。通過第四透鏡組控制焦距的四透鏡組變焦鏡頭是一種后焦點透鏡系統。在上述 已公開專利的變焦系統中，是通過在垂直于光軸方向上移動光學系統的第三透鏡組的一部 分來形成一個模糊的像。
[0003] 近年來，電子成像設備通常是用作成像裝置。電子成像設備由一個成像的透鏡系 統和輸出電信號的成像裝置(如CCD、CMOS等)組成。隨著成像設備的分辨率變高，成像設備 的尺寸變小，變焦鏡頭安裝在電子成像設備需要有高性能、小尺寸和高可變放大比，并強烈 需要進一步降低成本。
[0004] 專利文獻1中整個變焦鏡頭的尺寸很小，但是變焦鏡頭的可變放大比大約是11到 12,不能充分滿足近年來對高可變放大比的需求。專利文獻2中變焦鏡頭的可變放大比約為 20,這是一個較高的可變放大比，但是變焦鏡頭的尺寸并不小。專利文獻3中的變焦鏡頭可 變放大比高，尺寸也很小。然而，由于用于變焦鏡頭的材料成本很高，變焦鏡頭有成本劣勢。
【發明內容】
[0005] 本實用新型的目的是提供一個具有高性能和高可變放大比、小尺寸、低成本并且 成像質量優良的變焦鏡頭，同時也是一種包括變焦鏡頭的成像裝置。
[0006] 本實用新型是通過如下技術方案實現的：
[0007] -種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置，適于將物側的物體成像于像側的一成 像面上，所述變焦裝置從物面到像面依次包括：
[0008] 具有正折射焦度的第一透鏡組Gl;
[0009] 具有負折射焦度的第二透鏡組G2;
[0010] 孔徑光闌；
[0011]具有正折射焦度的第三透鏡組G3;
[0012]具有正折射焦度的第四透鏡組G4;
[0013] 第一平行平面光學元件PPl;
[0014] 第二平行平面光學元件PP2;
[0015] 其中，第二透鏡組G2和第四透鏡組G4在光軸方向移動。
[0016] 第一透鏡組Gl由從物面到像面依次包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透 鏡，所述第二透鏡和第一透鏡形成膠合透鏡;所述第一透鏡具有正折射焦度，第二透鏡具有 負折射焦度，第三透鏡具有正折射焦度，第四透鏡具有正折射焦度。
[0017] 第二透鏡組G2由從物面到像面依次包括第五透鏡，第六透鏡，第七透鏡和第八透 鏡;第五透鏡為負彎月形，第六透鏡為雙凹透鏡，第七透鏡為雙凸透鏡，第八透鏡具有正折 射焦度。
[0018] 第三透鏡組G3由從物面到像面依次包括一個負透鏡部分G3N和一個正透鏡部分 G3P，所述負透鏡部分G3N從物面到像面依次包括第九透鏡和第十透鏡;正透鏡部分G3P靠近 像面的一側包括一個第十一透鏡;第九透鏡為正透鏡，第十透鏡為負透鏡，第九透鏡和第十 透鏡組成膠合透鏡;第十一透鏡為負彎月透鏡，所述第十一透鏡的凹面朝向像面;正透鏡部 分G3P靠近物面的一側包括至少一個負透鏡。
[0019] 第四透鏡組G4從物面到像面依次包括第十二透鏡，第十三透鏡和第十四透鏡；第 十二透鏡為正透鏡，第十三透鏡為負透鏡，第十四透鏡為正透鏡。
[0020] 有益效果：
[0021] 本實用新型提供了一個具有高性能和高可變放大比、小尺寸、低成本并且成像質 量優良的變焦鏡頭，同時也是一種包括變焦鏡頭的成像裝置。本實用新型的第一透鏡組到 第四透鏡組，在垂直于光軸的方向移動正透鏡部分來校正變焦鏡頭振動時產生的像差效果 非常好。可以實現高績效、高變焦倍數、體積小、成本低并且具有良好的成像質量。系統的總 體尺寸減小、制造成本降低。
【附圖說明】
[0022] 圖1為光學變焦裝置廣角端光路圖。
[0023]圖2為光學變焦裝置中間位置光路圖。
[0024]圖3為光學變焦裝置攝遠端光路圖。
[0025]圖4為本發明空間頻率為1881p/mm，廣角端光學系統的MTF曲線圖。
[0026]圖5為本發明空間頻率為188lp/mm，中間位置光學系統的MTF曲線圖。
[0027]圖6為本發明空間頻率為188 lp/mm，攝遠端光學系統的MTF曲線圖。
[0028] 圖7為光學變焦裝置廣角端縱軸球差、像散以及畸變曲線圖。
[0029] 圖8為光學變焦裝置中間位置縱軸球差、像散以及畸變曲線圖。
[0030] 圖9為光學變焦裝置攝遠端縱軸球差、像散以及畸變曲線圖。
[0031] 圖中，Gl-第一透鏡組，G2-第二透鏡組，G3-第三透鏡組，G3N-負透鏡部分，G3P-正 透鏡部分，G4-第四透鏡組，PPl-第一平行平面光學元件PPl，PP2-第二平行平面光學元件
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖對本實用新型作進一步描述：
[0033] 如圖1~3所示，1. 一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置，適于將物側的物體成 像于像側的一成像面上，其特征在于，所述變焦裝置從物面到像面依次包括：
[0034]具有正折射焦度的第一透鏡組Gl;
[0035]具有負折射焦度的第二透鏡組G2;
[0036] 孔徑光闌；
[0037]具有正折射焦度的第三透鏡組G3;
[0038]具有正折射焦度的第四透鏡組G4;
[0039] 第一平行平面光學元件PPl;
[0040] 第二平行平面光學元件PP2;
[0041] 其中，第二透鏡組G2和第四透鏡組G4在光軸方向移動。
[0042]第一透鏡組Gl由從物面到像面依次包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透 鏡，所述第二透鏡和第一透鏡形成膠合透鏡;所述第一透鏡具有正折射焦度，第二透鏡具有 負折射焦度，第三透鏡具有正折射焦度，第四透鏡具有正折射焦度。
[0043]第二透鏡組G2由從物面到像面依次包括第五透鏡，第六透鏡，第七透鏡和第八透 鏡;第五透鏡為負彎月形，第六透鏡為雙凹透鏡，第七透鏡為雙凸透鏡，第八透鏡具有正折 射焦度。
[0044]第三透鏡組G3由從物面到像面依次包括一個負透鏡部分G3N和一個正透鏡部分 G3P，所述負透鏡部分G3N從物面到像面依次包括第九透鏡和第十透鏡;正透鏡部分G3P靠近 像面的一側包括一個第十一透鏡;第九透鏡為正透鏡，第十透鏡為負透鏡，第九透鏡和第十 透鏡組成膠合透鏡;第十一透鏡為負彎月透鏡，所述第十一透鏡的凹面朝向像面;正透鏡部 分G3P靠近物面的一側包括至少一個負透鏡。
[0045]第四透鏡組G4從物面到像面依次包括第十二透鏡，第十三透鏡和第十四透鏡;第 十二透鏡為正透鏡，第十三透鏡為負透鏡，第十四透鏡為正透鏡。
[0046]本專利的第一透鏡組到第四透鏡組，在垂直于光軸的方向移動正透鏡部分來校正 變焦鏡頭振動時產生的像差效果非常好。
[0047] 在這里，"透鏡組"并不一定表示一個透鏡組由多個鏡頭組成，也可以表示一個透 鏡組只由一個鏡頭組成。此外，鏡頭如果沒有供電裝置，光學元件(如光闌），封面玻璃及成 像設備，鏡頭法蘭，透鏡鏡筒，成像裝置，一些機制（比如握手模糊校正機制），還有其他沒有 列出的元素，那么它不是一個鏡頭。
[0048] 本專利的變焦鏡頭，當透鏡有非球面時，鏡頭表面形狀的標志和折射焦度的標志 是在近軸區域考慮的。
[0049] 本專利的成像裝置是一種光學變焦裝置包括：
[0050] 本專利的第一透鏡組到第四透鏡組，光學圖像成像裝置和輸出電信號裝置。
[0051] 本專利的變焦鏡頭包括從物面到像面的依次順序是:第一個具有正折射焦度的透 鏡組Gl，第二個具有負折射焦度的透鏡組G2,第三個具有正折射焦度的透鏡組G3,第四個具 有正折射焦度的透鏡組G4。當系統的有效焦距變化時，第二透鏡組G2和第四透鏡組G4在光 軸方向移動。在變焦鏡頭中，第一透鏡組Gl鏡頭的結構是適當設置的。第三透鏡組G3由一個 包含膠合透鏡的負透鏡部分G3N和具有正折射焦度的正透鏡部分G3P組成，在正透鏡部分 G3P中最靠近像面的透鏡結構也是適當設置的。因此，可以實現高績效、高變焦倍數、體積 小、成本低并且具有良好的成像質量。
[0052]參見圖1，左邊是一個物面，右邊是一個像面，根據本專利的變焦鏡頭中，第一透鏡 組Gl具有正折射焦度，第二透鏡組G2具有負折射焦度，第三透鏡組G3具有正折射焦度，第四 透鏡組G4具有正折射焦度，它們從物面開始順序排列，共同組成一個變焦鏡頭。當改變系統 的有效焦距自廣角端到攝遠端時，第一透鏡組Gl和第三透鏡組G3相對于像面和光軸方向是 固定的，第二透鏡組G2沿著光軸向像面移動，第四透鏡組G4也沿著光軸移動。
[0053]圖1中，第一平行平面光學元件PPl，第二平行平面光學元件PP2置于第四透鏡組G4 和像面之間。近年來，一些成像設備采用3CXD方法，它使用一個CCD接受一個顏色來提高像 的質量。在鏡頭系統與像面之間插入一個顏色分離光學系統(例如分色棱鏡)來應用3CCD方 法。此外，當變焦鏡頭應用于成像裝置時，覆蓋玻璃，各種過濾器(比如紅外過濾器），低通濾 波器等被置于光學系統和像面之間基于鏡頭已經安裝好的相機結構。
[0054] 在圖1中，孔徑光闌放置在第二透鏡組G2和第三透鏡組G3之間。
[0055] 第一透鏡組Gl由從物面到像面依次包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透 鏡，所述第二透鏡和第一透鏡形成膠合透鏡;所述第一透鏡具有正折射焦度，第二透鏡具有 負折射焦度，第三透鏡具有正折射焦度，第四透鏡具有正折射焦度。當變焦鏡頭具有高性能 和高變焦倍數時，第一透鏡組Gl可能需多個單透鏡組成，其中包括三個或者更多的正折射 焦度的透鏡。當第一透鏡組Gl的結構由三組四透鏡（上述的第一到第四透鏡）構成時，鏡片 的數量最小化并可以實現高性能和高變焦倍數，同時使系統的總體尺寸減小、制造成本降 低。
[0056] 第二透鏡組G2由從物面到像面依次包括第五透鏡，第六透鏡，第七透鏡和第八透 鏡;第五透鏡為負彎月形，第六透鏡為雙凹透鏡，第七透鏡為雙凸透鏡，第八透鏡具有正折 射焦度。當系統的有效焦距變化時起主要作用的第二透鏡組G2,具有上述的三組四透鏡結 構，容易實現高性能和高變焦倍數，同時尺寸減小。
[0057] 第三透鏡組G3由從物面開始順序排列的一個負透鏡部分G3N(包括一個膠合透鏡） 和一個正透鏡部分G3P組成。正透鏡部分G3P可能垂直于光軸Z移動，用作減振透鏡組。
[0058] 在具有高變焦倍數的光學系統和本發明的變焦鏡頭中，因為手輕微的振動會導致 圖像發生較大的變化。因此，變焦鏡頭需要有光學防抖功能。鏡頭振動時，變焦鏡頭的正透 鏡部分G3P垂直于光軸Z移動來正確移動圖像。當減振透鏡組通過在垂直于光軸Z方向的移 動來實現光學防抖。
[0059] 在透鏡系統3CCD方法中使用三個成像設備，并需要插入一個長后焦點光學系統用 作顏色分離，而透鏡系統Iccd方法只使用一個成像設備。一般來說，在本專利的光學變焦系 統中，第三透鏡組G3的有效焦距減小，同時垂直于光軸方向的反常敏感性變小，可以獲得長 后焦點。如果第三透鏡組G3在垂直于光軸方向反常移動進行減振，第三透鏡組G3的運動范 圍變得很大，鏡頭的有效孔徑也會變得很大，鏡頭系統和設備就會變得很大。
[0060] 因此，第三透鏡組G3分離為負透鏡部分G3N和正折射焦度透鏡部分G3P。在垂直于 光軸的方向只移動具有較強的正折射焦度的正透鏡部分G3P來實現減振，這樣可以減小由 于正透鏡部分G3P的運動范圍及鏡頭系統所要求的總體尺寸。進一步，如果適當設置負透鏡 部分G3N的負折射焦度，還可以抵消一部分正透鏡部分G3P的正折射焦度，這樣就可以獲得 一個長后焦點。
[0061 ]此外，在第三透鏡組G3從物面開始依次是負透鏡部分G3N和正透鏡部分G3P也對獲 得長后焦點有一定作用，因為負透鏡部分G3N可以立即引導從負透鏡組G2透射光的方向遠 離光軸。
[0062] 如果使用正透鏡部分G3P作為減振鏡頭組，那么需要驅動正透鏡部分G3P的驅動裝 置的空間。因此正透鏡部分G3P放在遠離孔徑光闌的位置。將孔徑光闌置于第三透鏡組G3物 面一側，正透鏡部分G3P位于第三透鏡組G3的像面一側。第三透鏡組G3的上述安排也出于這 個原因。
[0063]第三鏡頭組的負透鏡部分G3N是包含一個正透鏡和一個負透鏡的膠合透鏡，這將 使平衡矯正色差非常好并使尺寸減小。如圖1所示，所述負透鏡部分G3N從物面到像面依次 包括第九透鏡和第十透鏡;第九透鏡為正透鏡，第十透鏡為負透鏡，第九透鏡和第十透鏡組 成膠合透鏡。這種方式可以使鏡頭數量最小化并減小尺寸和成本。
[0064]第九透鏡是平凸透鏡或雙凸透鏡。第十透鏡是雙凹透鏡，滿足負透鏡部分G3N對負 折射焦度的需要。
[0065]正透鏡部分G3P最靠近像面部分的透鏡是一個負彎月透鏡并有一個凹面指向圖 像。在具有正折射焦度的正透鏡部分G3P最靠近像面的位置放置一個負彎月透鏡有利于校 正橫向色差，并可以獲得高分辨率。此外，處于校正畸變的目的，負彎月透鏡也可以是一個 非膠合透鏡的簡單透鏡。
[0066] 正透鏡部分G3P包含至少一個負透鏡。正透鏡部分鏡頭組有一個負透鏡或負鏡頭 組，可以減少正透鏡部分單獨產生的畸變。因此，當正透鏡部分G3P用作減振，透鏡組在垂直 于光軸Z方向反常移動，可以校正反常移動產生的各種畸變。
[0067]第四透鏡組G4是由兩個正透鏡和一個負透鏡組成的三元結構。如圖1所示，第四透 鏡組G4從物面到像面依次包括第十二透鏡，第十三透鏡和第十四透鏡;第十二透鏡為正透 鏡，第十三透鏡為負透鏡，第十四透鏡為正透鏡。
[0068]根據本專利化身的變焦鏡頭可以實現一個尺寸小、成本低、高性能和高變焦倍數 (例如15倍)的變焦鏡頭并且具有良好的成像質量。
[0069]在圖1所示的例子中第一平行平面光學元件PPl、第二平行平面光學元件PP2排列 在透鏡系統和圖像之間形成平面，而不是放置各種濾光片，如濾光片，可以濾掉特定波長。 另外，涂層應用于鏡頭的透鏡表面也有類似各種濾光片的作用。
[0070]圖4~9為本實用新型裝置效果數據圖。
[0071]描述本發明變焦鏡頭的具體實施例，
[0072]表1說明了變焦鏡頭的基本鏡頭數據
[0073]表2說明了變焦的數據
[0074]表3說明了非球面表面的非球面系數
[0075]基本鏡頭數據表1，第一列顯示的是表面編號丨（丨=1，2,3...)，第2列顯示的是第1 個表面的曲率半徑，第3列顯示的是第i個表面與第i + Ι表面的距離。曲率半徑的符號是正 時，表面形狀對于像方是凸面，符號為負時，表面形狀對于像方是凹面。第4列顯示第i個表 面于第i+Ι個表面之間的折射率及阿貝數。
[0076] 變焦數據表2,說明了攝遠端，中間位置和廣角端的變焦透鏡組位置、有效焦距以 及視場角等參數。
[0077] 非球面表面的非球面系數表3,說明了非球面表面的i(i = l，2,3...)階系數。
[0078]表1基本鏡頭數據
【主權項】
1. 一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置，適于將物側的物體成像于像側的一成像 面上，其特征在于，所述變焦裝置從物面到像面依次包括： 具有正折射焦度的第一透鏡組G1; 具有負折射焦度的第二透鏡組G2; 孔徑光闌； 具有正折射焦度的第三透鏡組G3; 具有正折射焦度的第四透鏡組G4; 第一平行平面光學元件PP1; 第二平行平面光學元件PP2; 其中，第二透鏡組G2和第四透鏡組G4在光軸方向移動。2. 根據權利要求1所述的一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置，其特征在于，第一 透鏡組G1由從物面到像面依次包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡，所述第二透 鏡和第一透鏡形成膠合透鏡;所述第一透鏡具有正折射焦度，第二透鏡具有負折射焦度，第 三透鏡具有正折射焦度，第四透鏡具有正折射焦度。3. 根據權利要求1所述的一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置，其特征在于，第二 透鏡組G2由從物面到像面依次包括第五透鏡，第六透鏡，第七透鏡和第八透鏡;第五透鏡為 負彎月形，第六透鏡為雙凹透鏡，第七透鏡為雙凸透鏡，第八透鏡具有正折射焦度。4. 根據權利要求1所述的一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置，其特征在于，第三 透鏡組G3由從物面到像面依次包括一個負透鏡部分G3N和一個正透鏡部分G3P，所述負透鏡 部分G3N從物面到像面依次包括第九透鏡和第十透鏡;正透鏡部分G3P靠近像面的一側包括 一個第十一透鏡;第九透鏡為正透鏡，第十透鏡為負透鏡，第九透鏡和第十透鏡組成膠合透 鏡;第十一透鏡為負彎月透鏡，所述第十一透鏡的凹面朝向像面;正透鏡部分G3P靠近物面 的一側包括至少一個負透鏡。5. 根據權利要求1所述的一種小尺寸、高變焦倍數的光學變焦裝置，其特征在于，第四 透鏡組G4從物面到像面依次包括第十二透鏡，第十三透鏡和第十四透鏡;第十二透鏡為正 透鏡，第十三透鏡為負透鏡，第十四透鏡為正透鏡。
【文檔編號】G02B15/173GK205581388SQ201620186068
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月10日
【發明人】湯濟民, 張丁月, 徐聰
【申請人】江蘇大學