專利名稱：反象遠(yuǎn)攝變焦鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種變焦鏡頭，尤其涉及一種適于在小型數(shù)字照相機(jī)中使用的反象遠(yuǎn)攝變焦鏡頭。
目前，在消費(fèi)者中非常流行小型、便宜的照相機(jī)，以及最近的數(shù)字照相機(jī)。在這些照相機(jī)中，一種較希望有的特征是變焦鏡頭。這激勵(lì)著鏡頭和照相機(jī)的設(shè)計(jì)者去開發(fā)更小型的變焦鏡頭，這種更小型的變焦鏡頭在照相機(jī)尺寸和機(jī)械簡單性方面可以兼容，并且仍提供可接受的成像質(zhì)量。數(shù)字照相機(jī)發(fā)出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。諸如CMOS或CCD陣列等一般在數(shù)字照相機(jī)中使用的電子圖像俘獲媒體通常用微型小鏡頭陣列來提高象素對(duì)光的收集，并抑制混迭。但是，為了有效地工作，在理想情況下，將光射向這些陣列的鏡頭系統(tǒng)應(yīng)該是遠(yuǎn)心的，或者幾乎是遠(yuǎn)心的，因?yàn)殛嚵械挠行允侨肷涔馐肷浣堑暮瘮?shù)。遠(yuǎn)心意味著投射到微型小鏡頭陣列上的光基本上平行于光軸，并且以非常淺的入射角射到陣列上。
由三個(gè)移動(dòng)組組成的變焦鏡頭和帶一個(gè)固定正鏡頭組的遠(yuǎn)焦變焦鏡頭能夠提供高度遠(yuǎn)心的機(jī)械變焦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)在眾多元件上的化費(fèi)很大，包括昂貴的非球面元件，而且機(jī)械變焦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，不小型。
歷史上，35mmSLR照相機(jī)使用兩組(負(fù)的，正的)的變焦反遠(yuǎn)距或反象遠(yuǎn)攝鏡頭系統(tǒng)。盡管龐大，但它們提供了較長的后焦距，足以適應(yīng)SLR照相機(jī)設(shè)計(jì)中關(guān)于可移動(dòng)反射鏡的要求。但是，正是這個(gè)龐大的屬性影響了這類鏡頭系統(tǒng)在小型數(shù)字照相機(jī)中的使用。然而，與35mm膠片規(guī)格相比，數(shù)字照相機(jī)CCD相對(duì)較小的規(guī)格使得它能夠在小型數(shù)字照相機(jī)中使用這里所述的經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)的鏡頭系統(tǒng)。另外，反象遠(yuǎn)攝鏡頭系統(tǒng)由于其固有的較長的后焦距以及相應(yīng)的“低”入射角，有利地解決了遠(yuǎn)心的問題。
如上所述，遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)包括一遠(yuǎn)焦變焦鏡頭和一個(gè)固定的、正的后鏡片，后鏡片的前焦點(diǎn)落在光圈擋處。對(duì)于所有變焦位置，這種遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)具有過大的前鏡頂一像平面的距離(FVIP)，致使鏡頭裝置較長且龐大。另外，F(xiàn)VIP和基線長度(即，在所有焦距處，鏡頭的絕對(duì)最短距離)分別是前后鏡頭組之光焦度的函數(shù)。一般地說，當(dāng)在遠(yuǎn)攝和廣角位置之間移動(dòng)時(shí)，這些鏡頭系統(tǒng)中的前變焦組相對(duì)固定的后鏡頭組作拋物線運(yùn)動(dòng)，從而增加了照相機(jī)的機(jī)械復(fù)雜性。同時(shí)，后鏡頭組的光焦度受到限制，以便于進(jìn)行像差校正。使用兩移動(dòng)組(正、負(fù))鏡頭系統(tǒng)的、基于膠片的照相機(jī)通常會(huì)以廣角模式在像平面上產(chǎn)生入射角非常大的光束，對(duì)于數(shù)字照相機(jī)的應(yīng)用，這是不希望有的。
已知包括第一發(fā)散變焦鏡頭組件和第二會(huì)聚變焦鏡頭組件的變焦鏡頭。這類變焦鏡頭的第二鏡頭組件包括三個(gè)或更多個(gè)正光焦度的透鏡元件，在兩個(gè)正光焦度透鏡元件之間至少夾有一個(gè)負(fù)光焦度的透鏡元件(即，正、負(fù)、正的結(jié)構(gòu))。這類變焦鏡頭在下述專利中有描述1979年5月22日授予Nakumura的美國專利4,155,629，其發(fā)明名稱為“廣角變焦鏡頭系統(tǒng)”；1981年11月10日授予Ikemori的美國專利4,299,452，其發(fā)明名稱為“具有兩個(gè)可移動(dòng)鏡頭組的變焦鏡頭”；1996年9月3日授予Ono等人的美國專利5,552,937，其發(fā)明名稱為“廣角非球面變焦鏡頭”；1996年10月8日授予Sato的美國專利5,563,739，其發(fā)明名稱為“標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭”。1996年10月8日授予Aoki等人的美國專利4,999,007揭示一種具有第一發(fā)散變焦鏡頭組件和第二會(huì)聚變焦鏡頭組件的變焦鏡頭。此變焦鏡頭的第二鏡頭組件具有總的正光焦度，但是它只包含一個(gè)正光焦度的透鏡元件和兩個(gè)負(fù)光焦度的透鏡元件。因此，正光焦度透鏡元件必須非常強(qiáng)。此特性又是造成光學(xué)像差，并且會(huì)影響總的像質(zhì)量。
因此，本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到需要一種成本低、機(jī)械和光學(xué)復(fù)雜程度低、更小型，且特別適于在小型數(shù)字照相機(jī)中使用的變焦鏡頭，它可以提供極佳的像質(zhì)量，對(duì)環(huán)境穩(wěn)定，并且解決了上述問題。
本發(fā)明總體上涉及一種反象遠(yuǎn)攝變焦鏡頭，尤其涉及一種提供接近遠(yuǎn)心性能且特別適于在小型數(shù)字照相機(jī)中使用的變焦鏡頭。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種變焦鏡頭包括第一鏡頭組和第二鏡頭組，其中第一鏡頭組包括一個(gè)比變焦鏡頭中任何其它透鏡元件都靠近物體的第一透鏡元件，而第二鏡頭組包括一個(gè)比變焦鏡頭中任何其它透鏡元件都靠近像平面的最后一個(gè)透鏡元件，所述最后一個(gè)透鏡元件朝像平面具有一個(gè)凹面。在本實(shí)施例的一個(gè)方面，第一鏡頭組具有總的負(fù)光焦度，而第二鏡頭組具有總的正光焦度。在另一方面，最后一個(gè)透鏡具有一個(gè)與所述凹面相對(duì)的凸面。在本實(shí)施例的又一方面，第一鏡頭組包括一個(gè)在相應(yīng)徑向區(qū)中具有正的和負(fù)的光焦度的透鏡。在另一方面，第二鏡頭組包括一個(gè)與所述最后一個(gè)透鏡相鄰的雙凸透鏡。
在另一實(shí)施例中，一種變焦鏡頭包括第一鏡頭組和第二鏡頭組，其中第一鏡頭組包括一個(gè)比任何其它透鏡元件都靠近物體的第一透鏡元件，而第二鏡頭組包括一個(gè)比任何其它透鏡元件都靠近像平面的最后一個(gè)透鏡元件，第一鏡頭組包括一個(gè)在相應(yīng)徑向區(qū)具有正的和負(fù)的光焦度的透鏡元件。在本實(shí)施例的一個(gè)方面，所述最后一個(gè)透鏡元件朝像平面具有一個(gè)凹面。
依照本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種變焦鏡頭從物方開始按順序包括具有發(fā)散折光能力的第一變焦鏡頭組件和具有會(huì)聚折光能力的第二變焦鏡頭組件(即，一個(gè)負(fù)、正鏡頭系統(tǒng))。第一變焦鏡頭組件包括具有負(fù)光焦度的第一透鏡元件、第二透鏡元件和具有正光焦度的第三透鏡元件。在這些透鏡元件中至少有一個(gè)透鏡元件具有一個(gè)非球面。第二變焦鏡頭組件按順序包括具有正光焦度的第四透鏡元件、具有正光焦度的第五透鏡元件以及具有負(fù)光焦度且朝系統(tǒng)成像方具有一凹面的第六透鏡元件。通過改變第一鏡頭組件和第二鏡頭組件之間的距離進(jìn)行變焦。


圖1是一截面圖，示出了依照本發(fā)明一實(shí)施例的處于遠(yuǎn)攝位置的變焦鏡頭；圖2是一截面圖，示出了處于中間變焦位置的變焦鏡頭；圖3是一截面圖，示出了處于廣角位置的變焦鏡頭；圖4示出了圖1—3中變焦鏡頭的一個(gè)透鏡元件，它具有正的和負(fù)的光焦度；圖5A-5C是圖1變焦鏡頭(處于遠(yuǎn)攝位置時(shí))之象差在各種視場(chǎng)區(qū)域的曲線表示；圖6A-6C是圖2變焦鏡頭(處于中間變焦位置時(shí))之象差在各種視場(chǎng)區(qū)域的曲線表示；圖7A-7C是圖3變焦鏡頭(處于廣角位置時(shí))之象差在各種視場(chǎng)區(qū)域的曲線表示；圖8A-8C分別是圖1-3所示變焦鏡頭處于遠(yuǎn)攝、中間變焦和廣角位置時(shí)其畸變、像散和橫向色的曲線表示；以及圖9A-9C分別是處于遠(yuǎn)攝、中間變焦和廣角位置的變焦鏡頭在各種視場(chǎng)區(qū)的MTF曲線。
本發(fā)明總體上涉及一種反象遠(yuǎn)攝的、由兩個(gè)鏡頭組組成的變焦鏡頭系統(tǒng)，尤其涉及一種能夠提供接近遠(yuǎn)心特性的且特別適于在小型數(shù)字照相機(jī)中使用的變焦鏡頭。
本發(fā)明說明書將特別描述構(gòu)成本發(fā)明設(shè)備一部分的元件，或者更直接地與本發(fā)明設(shè)備協(xié)同工作的元件。應(yīng)該理解，未明確圖示或描述的元件可以采用本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所公知的各種形式。
圖1-3分別示出了處于遠(yuǎn)攝、中間聚焦和廣角位置的較佳變焦透鏡10。變焦透鏡10包括前鏡頭組12和和后鏡頭組14，它們分別被布置成可以沿光軸13移動(dòng)。在變焦期間，兩個(gè)鏡頭組12和14沿光軸13作相對(duì)移動(dòng)。最好，當(dāng)兩個(gè)鏡頭組從遠(yuǎn)攝位置移動(dòng)到廣角位置時(shí)，一旦變焦組件被移出照相機(jī)裝置的停放位置時(shí)，這種移動(dòng)就不可逆了。反之亦然。
變焦透鏡10的一個(gè)例示實(shí)施例包括一個(gè)負(fù)光焦度的前鏡頭組12和一個(gè)正光焦度的后鏡頭組14。變焦鏡頭最好提供2×的變焦比，但是如本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所能理解的，也可以使用更大的變焦比。前鏡頭組12包括三個(gè)透鏡元件101、102和103。每個(gè)透鏡表面都按順序從左到右表示為(a)和(b)，因此透鏡元件101具有透鏡表面101a和101b。(面向物體的)第一透鏡元件101是一個(gè)負(fù)光焦度的彎月形透鏡，它具有面向物方的凸面101a和面向像平面15的凹面101b。第二透鏡元件102在圖4中示意地畫出。這是一個(gè)在透鏡不同區(qū)域具有正、負(fù)光焦度兩者的透鏡元件。具體地說，透鏡元件102是一個(gè)非球面透鏡，它在邊緣區(qū)401(即，在通光孔徑邊緣或附近)具有正的折光能力，而在中心區(qū)402具有負(fù)的折光能力，其中中心區(qū)的中心大約在透鏡中心處。邊緣區(qū)401是透鏡元件102中用半徑r限定的區(qū)域，例如(0.722D/2)≤r≤D/2，其中D是透鏡元件102通光孔徑的直徑。透鏡元件中心區(qū)402的負(fù)折光能力由前后表面的鏡頂曲率半徑所定義。因此，透鏡元件102是雙非球面透鏡元件；即它具有兩個(gè)非球面102a和102b。透鏡元件102在中心區(qū)和邊緣區(qū)都具有較弱的折光能力，致使|φ2|＜10φw，其中φw是變焦透鏡10在廣角位置處的光焦度，而φ2是第二透鏡元件102的光焦度。光焦度φ2可以在邊緣區(qū)量得，或者由鏡頂曲率半徑限定，并且由此根據(jù)透鏡的測(cè)量區(qū)有兩個(gè)光焦度。此透鏡元件的形狀和光焦度分布大大改善了對(duì)變焦鏡頭10的象差控制，并由此提高了變焦鏡頭系統(tǒng)的性能。透鏡元件102最好用塑料鑄模，非熱的則更好。如這里所指的，非熱屬性是指，透鏡具有較長的焦距，或者換句話說，透鏡具有較低的光焦度，這樣在操作期間照相機(jī)的性能基本上不會(huì)隨溫度而變化。第三透鏡元件103是正光焦度的透鏡元件，并具有較高的色散，該透鏡元件用于校正色差。最好，第三透鏡元件103的阿貝V值小于30。第一和第三透鏡元件101和103最好用玻璃制成。透鏡元件101和103的折射率最好大于1.75。
后鏡頭組14包括如圖1-3所示的光圈擋16和三個(gè)透鏡元件104、105和106。透鏡元件104、105和106被布置成非典型的正、正、負(fù)結(jié)構(gòu)。具體地說，透鏡元件104和105具有正光焦度，而透鏡元件106具有負(fù)光焦度。透鏡元件104和105是雙凸透鏡元件。透鏡元件104是雙非球面。透鏡元件105是對(duì)稱的；也就是說，它具有兩個(gè)相同的表面105a和105b，這為變焦透鏡10帶來了成本和裝配上的優(yōu)處。透鏡元件105的折射率小于1.6，并且具有較低的色散(阿貝V值＞50)。后透鏡元件106是負(fù)光焦度的彎月形透鏡元件，它具有一個(gè)前凸面106a(物方表面)和一個(gè)后凹面106b(像方表面)。第六透鏡元件106的折射率最好大于1.75，并且阿貝V值小于30，以便提供較大的色散。此等折射率和V值的分配有助于用少量的透鏡元件來獲得高質(zhì)量的像。
變焦鏡頭10在位于光敏電子傳感器17之后表面17b上的像平面15上形成一高質(zhì)量的像，例如光敏電子傳感器可以是CCD陣列。兩個(gè)平面平行板18和20位于變焦鏡頭10的后面(即，在像平面的一側(cè))和傳感器17的前面，每塊板的折光能力都為零。板18最好是一塊石英板，起反混疊濾光器的作用。變焦鏡頭10具有較高的MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))值。圖9A-9C分別例示了變焦鏡頭10在廣角、中間聚焦和遠(yuǎn)攝位置時(shí)在各種視場(chǎng)值情況下的MTF性能。當(dāng)頻率大于傳感器17的Nyquist頻率時(shí)，石英板18會(huì)減小MTF值。對(duì)于任何給定的傳感器，Nyquist頻率定義為N＝1/2P，單位為周/毫米，其中P是傳感器的象素間距。板20是傳感器17的蓋玻璃。變焦鏡頭與板18和20結(jié)合后的性能示于圖5A-5C、6A-6C、7A-7C、8A-8C和9A-9C中。這些圖包括了在廣角(W)、中間變焦(M)和遠(yuǎn)攝(T)位置處各種視場(chǎng)位置的光線軌跡，以及場(chǎng)曲和場(chǎng)畸變。具體地說，圖5A-5C分別給出了當(dāng)變焦鏡頭10工作在遠(yuǎn)攝位置，且視場(chǎng)值為0、0.7以及全視場(chǎng)時(shí)的光線交點(diǎn)曲線(ray intercept plot)。圖6A-6C分別給出了當(dāng)變焦鏡頭10工作在中間變焦位置，且視場(chǎng)值為0、0.7以及全視場(chǎng)時(shí)的光線交點(diǎn)曲線。圖7A-7C分別給出了當(dāng)變焦鏡頭10工作在廣角位置時(shí)的光線交點(diǎn)曲線。圖8A-8C分別示出了當(dāng)變焦鏡頭工作在遠(yuǎn)攝位置、中間變焦位置和廣角位置時(shí)的像散值和畸變值。
表1A-1D例示了變焦鏡頭的數(shù)值數(shù)據(jù)。在這些表中，Ri表示第i個(gè)表面的鏡頂曲率半徑，Ne表示在波長λe＝546.1nm處的折射率，而v表示折射材料的阿貝V值。表中所給的透鏡元件的厚度和間距都以毫米為單位。以下各值適用于例示的變焦鏡頭系統(tǒng)有效焦距(EFL)6.39mm-12.04mm，半視場(chǎng)18.15°-32.70°，F(xiàn)/#3.9-4.7。
表1A表面 半徑00 厚度(T) Nev101a 22.936 1.5 1.80135.0101b 6.509 3.558*102a 非球面 1.2 1.59 30.9*102b 非球面 0.3103a 14.962 2.028 1.84723.8103b 34.445 S2＝變量光圈擋 0.7*104a 非球面 2.008 1.51764.2*104b 非球面 0.657105a 10.122 2.237 1.51764.2105b -10.1220.372106a 11.318 0.8 1.84723.8106b 3.902 S5＝變量平的 1.661.460平的 0.5平的 0.7 1.498平的*非球面波長(微米)λ1λ2λ30.5461 0.4861 0.6563
表1B變焦間距數(shù)據(jù)變焦位置# AB BFL EFL1(廣角)17.7446.6079.36 6.392 13.1597.2349.99 7.483 9.221 7.97610.73 8.774 5.868 8.85011.60 10.275(遠(yuǎn)攝)3.000 9.87912.62 12.04BFL是在沒有板18和20情況下的后焦距，而EFL是變焦鏡頭10的焦距。
表1C光圈擋直徑變焦位置# 直徑1(廣角) 3.882 3.883 3.884 3.885(遠(yuǎn)攝) 4.05變焦鏡頭10具有四個(gè)非球面102a、102b、104a、104b。表示這些非球面的非球面等式為X=CY21+1-(k+1)XC2Y2+ADY4+AEY6+AFY8+AGY10]]>其中X是沿光軸OA的距離；Y是離開光軸的高度；C是彎曲透鏡表面之鏡頂曲率半徑的倒數(shù)；
k是圓錐常數(shù)；以及AD至AG是第4階、第6階、第8階和第10階的非球面系數(shù)。
表1D給出了該鏡頭實(shí)施例中各非球面透鏡表面的非球面系數(shù)值。
表1D表面3C＝-0.0401524D＝0.5285504E-03 F＝0.1138240E-06K＝0.0000000 E＝-0.2563260E-06 G＝-0.4252920E-08表面4C＝-0.0217244D＝0.3424730E-03 F＝0.1433360E-06K＝0.0000000 E＝-0.3617580E-05 G＝-0.7587230E-08表面7C＝0.1155535 D＝-0.1063610E-02 F＝0.7952570E-05K＝0.0000000 E＝0.1598850E-04 G＝-0.2043640E-05表面8C＝-0.0494805D＝0.3645190E-03 F＝0.3821190E-04K＝0.0000000 E＝-0.1320710E-03 G＝-0.3804370E-05本發(fā)明的變焦透鏡提供了上述所有優(yōu)點(diǎn)，尤其給予了接近遠(yuǎn)心的性能，并具有機(jī)械簡單性。
權(quán)利要求
1.一種變焦鏡頭，它從物方開始按順序包括具有發(fā)散折光能力的第一變焦鏡頭組件(12)和具有會(huì)聚折光能力的第二變焦鏡頭組件(14)，其特征在于，所述第一變焦鏡頭組件包括具有負(fù)光焦度的第一透鏡元件(101)、第二透鏡元件(102)和具有正光焦度的第三透鏡元件(103)，在所述透鏡元件(101、102、103)中至少有一個(gè)透鏡元件具有一個(gè)非球面；并且所述第二變焦鏡頭組件按順序包括具有正光焦度的第四透鏡元件(104)、具有正光焦度的第五透鏡元件(105)以及具有負(fù)光焦度且朝像方凹入的第六透鏡元件(106)，其中通過改變所述第一鏡頭組件(12)和所述第二鏡頭組件(14)之間的距離進(jìn)行變焦。
2.如權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于，所述變焦透鏡滿足以下條件φ2/φw＜0.1，其中φ2是所述第二透鏡元件的光焦度，而φw是所述變焦鏡頭在廣角位置的光焦度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的變焦鏡頭，其特征在于，所述第二透鏡元件是塑料的，并至少具有一個(gè)非球面。
4.如權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于，所述透鏡元件中有一個(gè)透鏡具有正的和負(fù)的光焦度，所述正/負(fù)透鏡元件在邊緣區(qū)具有正的折光能力，而在中心區(qū)具有負(fù)的折光能力。
5.如權(quán)利要求3所述的變焦鏡頭，其特征在于，所述第二透鏡元件由其鏡頂曲率半徑定義為彎月形透鏡元件。
6.如權(quán)利要求3所述的變焦鏡頭，其特征在于，所述第四和所述第五透鏡元件是雙凸的，并且所述第二透鏡元件由其鏡頂曲率半徑定義為彎月形透鏡元件。
7.如權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭，其特征在于，所述透鏡元件中有一個(gè)透鏡元件具有正的和負(fù)的光焦度，并且所述透鏡元件在邊緣區(qū)具有帶一種符號(hào)的折光能力，而在中心區(qū)具有相反符號(hào)的折光能力。
8.如權(quán)利要求7所述的變焦鏡頭，其特征在于，具有正和負(fù)光焦度的所述透鏡元件是一個(gè)塑料的透鏡元件。
9.如權(quán)利要求7所述的變焦鏡頭，其特征在于，具有正和負(fù)光焦度的所述透鏡元件是所述第二透鏡元件。
10.如權(quán)利要求或7所述的變焦鏡頭，其特征在于，所述第四和所述第五透鏡元件是雙凸的，所述第六透鏡元件是彎月形透鏡元件。
全文摘要
一種特別適于在小型數(shù)字照相機(jī)內(nèi)使用的反象遠(yuǎn)攝變焦鏡頭,它最好具有兩個(gè)移動(dòng)的鏡頭組,在這兩個(gè)鏡頭組中,或者第一鏡頭組有一個(gè)透鏡元件在其相應(yīng)的徑向區(qū)具有正的和負(fù)的光焦度,或者第二鏡頭組中有一個(gè)透鏡元件比其它任何透鏡元件更靠近像平面,而且該透鏡元件朝像平面具有一凹面,或者同時(shí)具備上述兩種情況。此變焦鏡頭提供了接近遠(yuǎn)心的性能,并且當(dāng)任何一個(gè)鏡頭組在遠(yuǎn)攝位置和廣角位置之間移動(dòng)時(shí)都是不可逆的,反之亦然。
文檔編號(hào)G02B15/177GK1332384SQ0110175
公開日2002年1月23日 申請(qǐng)日期2001年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月20日
發(fā)明者小W·T·古斯 申請(qǐng)人:伊士曼柯達(dá)公司