变焦镜头 【技术领域】
本发明涉及成像技术，尤其涉及一种变焦镜头。
背景技术
随着摄像技术的发展，相机模组在各种用途的摄像装置中得到广泛的应用，相机模组与各种便携式电子装置如手机、摄像机、电脑等的结合，更是得到众多消费者的青睐。为拍摄不同放大倍数的图像，相机通常要求具有变焦功能(请参见Zoom Lens Systems withAspherical Plastic Lens，Consumer Electronics，IEEE Transactions on VolumeCE-33，Issue 3，Aug.1987 Page(s)：256-266)，实现相机的变焦功能有两种方法：数码变焦和光学变焦。
所谓数码变焦实际上是一种图画的电子放大，影像感光器上的图片像素通过相机内部的处理器进行放大，从而达到放大图像的目的。数码变焦后拍摄的景物虽然放大了，但是景物的清晰度会下降，导致画质较差。与数码变焦相比，所谓光学变焦是依靠光学镜头本身结构来实现变焦，即通过驱动装置驱动镜头内的镜片移动或手动旋转镜筒使得镜片移动以使拍摄的景物放大或缩小。变焦倍数越大的相机其镜头体积相对较大，因此其内部的镜片或影像感光器移动空间较大。
便携式电子装置通常要求具有尽可能小的体积，以满足消费者的便携需求，对应地，其分配有限的空间以容纳镜片和影像感光器，此极大地限制了相机模组的光学变焦功能。
有鉴于此，有必要提供一种结构紧凑、体积较小的光学变焦镜头。
【发明内容】
下面将以具体实施例说明一种结构紧凑、体积较小的光学变焦镜头。
一种变焦镜头，其从物侧至像侧依次包括一具有正光焦度的第一透镜组、一具有负光焦度的第二透镜组及一具有正光焦度的第三透镜组，所述第一透镜组的位置固定；所述第二透镜组为变焦透镜组，当变焦镜头由广角端向望远端变焦时该第二透镜组向物侧移动；所述第三透镜组位置固定且用于调节成像面的位置；所述变焦镜头满足关系式：
0.4＜F/F3＜5；
0.2＜FM/F3＜2.5；
0.1＜D/TTL＜0.3；
1＜X＜6，X＝(R1-R2)/(R1+R2)；
其中，F为变焦镜头位于望远端的焦距，F3为第三透镜组的焦距，FM为变焦镜头位于广角端的焦距，D为所述变焦镜头位于望远端时第二透镜组与第三透镜组之间的距离，TTL为变焦镜头的全长，R1及R2分别为所述第三透镜组从物侧至像侧的最后一个透镜的物侧表面的曲率半径以及其像侧表面的曲率半径。
相对于现有技术，本发明所提供的变焦镜头采用正、负、正三个透镜组结构，其通过改变具有负光焦度的第二透镜组的位置达到变焦的效果，且该变焦镜头的第三透镜组满足关系式1＜X＜6，X＝(R1-R2)/(R1+R2)，其可补偿因变焦而产生的成像面移动，所述变焦镜头结构紧凑且在变焦过程中的全长保持不变。
【附图说明】
图1为本发明实施例提供的变焦镜头的结构示意图。
图2 4为本发明第一实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的像散特性曲线图。
图5-7为本发明第一实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的畸变特性曲线图。
图8-10为本发明第一实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的色差特性曲线图。
图11为本发明第一实施例提供的变焦镜头对应于焦距F1的MTF特性曲线图。
图12-14为本发明第二实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的像散特性曲线图。
图15-17为本发明第二实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的畸变特性曲线图。
图18-20为本发明第二实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的色差特性曲线图。
图21-23为本发明第三实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的像散特性曲线图。
图24-26为本发明第三实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的畸变特性曲线图。
图27-29为本发明第三实施例提供的变焦镜头对应于三个不同焦距的色差特性曲线图。
具体实施例
请参阅图1，本发明实施例提供的一种变焦镜头100，其从物侧至像侧依次包括：具有正光焦度的一个第一透镜组G1、具有负光焦度的一个第二透镜组G2，以及具有正光焦度的一个第三透镜组G3。
所述第一透镜组G1的位置固定不变，其包括至少一个具有正光焦度的透镜。在本实施例中，第一透镜组G1具体包括两个具有正光焦度的第一透镜12、14，且该两个第一透镜12、14中至少一者包含有至少一个非球面。
所述第二透镜组G2用以改变变焦镜头100的焦距。该第二透镜组G2包括至少一个具有负光焦度的透镜。在本实施例中，第二透镜组G2具体包括一个第二透镜20，且该第二透镜20包含至少一个非球面。
所述第三透镜组G3用以调节成像面的位置。该第三透镜组G2包括至少一个具有正光焦度的透镜。在本实施例中，第三透镜组G3包括一个具有正光焦度的第三透镜30，且该第三透镜30从物侧至像侧包括一个物侧表面300及一个像侧表面302。该物侧表面300及像侧表面302中至少一者为非球面。
成像时，光线自物侧入射至变焦镜头100，并依次经第一透镜组G1、第二透镜组G2及第三透镜组G3后汇聚(成像)于成像面99。可以理解的是，可通过设置影像感测器，如CCD或CMOS的感测面(图未示)于成像面99处以组成一个成像系统。
所述变焦镜头100满足以下关系式：
(1)0.4＜F/F3＜5；
(2)0.2＜FM/F3＜2.5；
(3)0.1＜D/TTL＜0.3；
(4)1＜X＜6，X＝(R1-R2)/(R1+R2)；
其中，F为变焦镜头100位于望远端的焦距，F3为第三透镜组G3的焦距，FM为变焦镜头100位于广角端的焦距，D为所述变焦镜头100位于望远端时第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的距离，TTL为变焦镜头100的全长(Total track length)，R1为第三透镜30物侧表面300的曲率半径，R2为第三透镜30像侧表面302的曲率半径。
所述变焦镜头100采用正、负、正三个透镜组G1、G2、G3的结构，其中，所述第一透镜组G1、第三透镜组G3与成像面99之间的位置分别固定不变，该变焦镜头100通过改变具有负光焦度的第二透镜组G2的位置来达到变焦的效果，例如，当变焦镜头100由远景拍摄状态向变换至广角拍摄状态的变焦过程中，所述第一透镜组G1及第三透镜组G3的位置保持不变，所述第二透镜组G2则由靠近第一透镜组G1的位置向靠近第三透镜组G3的位置移动。所述第三透镜组G3满足关系式1＜X＜6，X＝(R1-R2)/(R1+R2)，其可补偿因变焦而产生的成像面移动，同时有效缩短变焦镜头100的后焦距(Back Focal Length，BFL)，即变焦镜头100光轴M上由第三透镜30的成像表面302至成像面99的距离。所述变焦镜头100在变焦过程中的全长TTL保持不变，其具有结构紧凑、体积较小的优点。
所述第一、第二及第三透镜组G1、G2、G3中的透镜的材料可分别选自塑料、聚合物、玻璃、陶瓷、液态物质及液晶中任意一者。优选地，为节约成本，本实施例的第一、第二及第三透镜组G1、G2、G3中每个透镜均采用塑料制成。
在变焦镜头100与成像面99之间还可设置一个玻璃片98以保护位于成像面99上的影像感测器，以防止灰尘落在影像感测器上而影响成像品质。进一步地，在该玻璃片98的靠近变焦镜头100的一侧可设置一个滤光片97，以选择性地对部分光进行过滤，从而优化成像效果。例如，所述滤光片97可为一个红外截止滤光片(IR-Cut Filter)，以将人眼无法检测的红外光滤除。
所述变焦镜头100可运用在便携式电子装置，例如手机中，且优选地，该变焦镜头100的全长TTL可小至5～10毫米。
本实施例中，所述第一、第二、第三透镜组G1、G2、G3的每个透镜的两个表面都为非球面。具体的，以每个透镜表面上的中心为原点，光轴为Z轴，透镜表面的非球面面型表达式为：
Z=ch21+1-(k+1)c2h2+ΣAihi]]> 其中，c为透镜表面中心的曲率，k是二次曲面系数，
h=Y2+X2]]>为从光轴到透镜组表面的高度，∑Aihi表示对Aihi累加，i为自然数，Ai为第i阶的非球面面型系数。
另外，设定FNo为变焦镜头100的光圈数，2ω为变焦镜头100的视场角(field angle)，R为对应表面的曲率半径，D为对应表面到后一个表面(像侧)的轴上距离(两个表面截得光轴的长度)，Nd为对应透镜对光线的折射率，vd为光线在对应透镜的阿贝数。
第一实施例
本发明第一实施例中，变焦镜头100满足表1及表2所列的条件。其中，FNo＝2.8，2ω＝40度。需要指明的是，第二透镜组G2沿光轴M所在的方向移动以调节变焦镜头100的焦距时，其具有三个不同的位置①、②、③，变焦镜头100对应于三个不同位置①、②、③具有三个焦距值，即F1＝3.846618mm，F2＝3.845022mm，F3＝3.804752mm。
表1
表2
表1中对应于第二透镜组G2的三个不同位置①、②、③，第一透镜14像侧表面及第二透镜20像侧表面分别具有三个不同的D值。
图2-4分别为变焦镜头100对应于三个焦距值F1、F2、F3的像散(Astigmatism)特性曲线图，曲线t及s分别为子午像散特性曲线及弧矢像散特性曲线(下同)。可见，子午面像散值及弧矢面像散值被控制在0.5mm~0.5mm之间。
图5-7中分别为变焦镜头100对应于三个焦距值F1、F2、F3的畸变(Distortion)特性曲线图(下同)。可见，畸变量被控制在-2％~2％间。
图8-10中分别为变焦镜头100对应于三个焦距值F1、F2、F3的色差(lateral color)特性曲线图，曲线p及s分别为初级色差(primary color aberration)特性曲线及次级色差(secondary color aberration)特性曲线(下同)。可见，初级色差量及次级色差量被控制在-0.001mm~0.001mm之间。
因此，尽管变焦镜头100尺寸较小，其产生的像散、畸变及色差仍被控制或修正在较小的范围内。
图11示出焦距值为F1时，变焦镜头100的调制传输函数(Modulation TransferFunction，MTF)特性图，其中，a线为理想的MTF线，c为在轴(on-axis)MTF线，b和d为视场角为28度时的MTF线，e、f为视场角为40度时的MTF线，由图11可看出，变焦镜头的在轴MTF线靠近于离轴(off-axis)MTF线(包括b、d、e、f线)，且在轴MTF线与离轴MTF线同时靠近理想MTF线a，因此，所述变焦镜头100在满足表1及表2所列的条件时具有良好的成像质量。
当焦距值为F2及F3时，变焦镜头100的MTF特性图具有与焦距值为F1时相类似的性质，即在轴MTF线与离轴MTF线同时靠近理想MTF线。
需要指明的是，在第一实施例中，第三透镜30的弯曲度较大，使得边缘光线可经该第三透镜30光学引导(如折射)后在影像感测器上进行成像，以保证变焦镜头100在具有小尺寸的同时仍可获得较大的成像范围，且所述变焦镜头100可对物距最小达100mm的物体进行成像。
第二实施例
本实施例中的变焦镜头100满足表3及表4所列的条件，其中，FNo＝2.8，2ω＝40°。与第二实施例相类似，第二透镜组G2沿光轴M所在的方向移动以调节变焦镜头100的焦距时，其具有三个不同的位置①、②、③，变焦镜头100对应于三个不同位置①、②、③具有三个焦距值，即F1＝3.844828mm，F2＝3.843228mm，F3＝3.802954mm。
表3
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一透镜12物侧表面 3.125 0.796 1.63200 23.00000
第一透镜12像侧表面 5.230 0.461 -- --
第一透镜14物侧表面 2.334 0.719 1.49000 55.30000
第一透镜14像侧表面 -2.878 ①0.784 -- --
第一透镜14像侧表面 -2.878 ②0.817 -- --
第一透镜14像侧表面 -2.878 ③1.150 -- --
第二透镜20物侧表面 -7.721 0.500 1.58600 29.90000
第二透镜20像侧表面 20.398 ①1.326 -- --
第二透镜20像侧表面 20.398 ②1.293 -- --
第二透镜20像侧表面 20.398 ③0.960 -- --
第三透镜30物侧表面 3.840 0.789 1.49000 55.30000
第三透镜30像侧表面 -2.300 2.830 -- --
滤光片97物侧表面 无穷大 0.300 1.52300 55.00000
滤光片97像侧表面 无穷大 0.144 -- --
玻璃片98物侧表面 无穷大 0.500 1.51680 64.16641
玻璃片98像侧表面 无穷大 -- -- --
成像面99 无穷大 -- -- --
表4
图12-14分别为变焦镜头100对应于三个焦距值的像散特性曲线图。可见，当变焦镜头100的焦距F满足F1＝3.844828mm时，子午面像散值及弧矢面像散值被控制在-0.2mm~0.2mm之间；当变焦镜头100的焦距F满足F2＝3.843228mm，F3＝3.802954mm时，子午面像散值及弧矢面像散值被控制在-0.5mm~0.5mm之间。
图15-17中分别为变焦镜头100对应于三个焦距值F1、F2、F3的畸变特性曲线图。可见，畸变量被控制在-2％~2％间。
图18-20中分别为变焦镜头100对应于三个焦距值F1、F2、F3的色差特性曲线图。可见，初级色差量和次级色差量被控制在-0.001mm~0.001mm之间。
由此，尽管变焦镜头100尺寸较小，其产生的像散、畸变及色差仍被控制或修正在较小的范围内。
第二实施例中，变焦镜头100的MTF特性图(未示出)具有与第一实施例的MTF特性图11相类似的性质，即在轴MTF线与离轴MTF线同时靠近理想MTF线，因此，所述变焦镜头100在满足表3及表4所列的条件时具有良好的成像质量。
第三实施例
本实施例中的变焦镜头100满足表5及表6所列的条件。其中，FNo＝2.8，2ω＝40°。与第一、第二实施例相类似，第二透镜组G2沿光轴M所在的方向移动发调节变焦镜头100的焦距时，其具有三个不同的位置①、②、③，变焦镜头100对应于三个不同位置①、②、③具有三个焦距值，即F1＝3.849204mm，F2＝3.84749mm，F3＝3.805011mm。
表5
表面 R (mm) D (mm) Nd vd
第一透镜12物侧表面 3.122 0.792 1.63200 23.00000
第一透镜12像侧表面 5.239 0.467 -- --
第一透镜14物侧表面 2.333 0.722 1.49000 55.30000
第一透镜14像侧表面 -2.875 ①0.797 -- --
第一透镜14像侧表面 -2.875 ②0.827 -- --
第一透镜14像侧表面 -2.875 ③1.150 -- --
第二透镜20物侧表面 -7.797 0.500 1.63200 23.00000
第二透镜20像侧表面 21.015 ①1.313 -- --
第二透镜20像侧表面 21.015 ②1.283 -- --
第二透镜20像侧表面 21.015 ③0.960 -- --
第三透镜30物侧表面 3.829 0.791 1.49000 55.30000
第三透镜30像侧表面 -2.300 2.836 -- --
滤光片97物侧表面 无穷大 0.300 1.52300 55.00000
滤光片97像侧表面 无穷大 0.147 -- --
玻璃片98物侧表面 无穷大 0.500 1.51680 64.16641
玻璃片98像侧表面 无穷大 -- -- --
成像面99 无穷大 -- -- --
表6
图21-23分别为变焦镜头100对应于三个焦距值F1、F2、F3的像散特性曲线图，当变焦镜头100的焦距F满足F1＝3.849204mm，F2＝3.84749mm时，子午面像散值及弧矢面像散值被控制在-0.2mm~0.2mm之间；当变焦镜头100的焦距F满足F3＝3.805011mm时，子午面像散值及弧矢面像散值被控制在-0.5mm~0.5mm之间。
图24-26中分别为变焦镜头100对应于三个焦距值的畸变特性曲线图。可见，畸变量被控制在-2％~2％间。
图27-29中分别为变焦镜头100对应于三个焦距值的色差特性曲线图。可见，初级色差量和次级色差量被控制在-0.005mm~0.005mm之间。
由此，尽管变焦镜头100尺寸较小，其产生的像散、畸变及色差仍被控制或修正在较小的范围内。
第三实施例中，变焦镜头100的MTF特性图(未示出)具有与第一实施例的MTF特性图11相类似的性质，即在轴MTF线与离轴MTF线同时靠近理想MTF线，因此，所述变焦镜头100在满足表5及表6所列的条件时具有良好的成像质量。
应该指出，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。