一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统

摘要

本发明公开了一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统。它包括有感光芯片和第一透镜群以及与第一透镜群之间的距离在从短焦距向长焦距的变化过程中逐渐变大的第二透镜群；与第二透镜群之间的距离在从短焦距向长焦距的变化过程中逐渐变小的第三透镜群；所述第三透镜群中的其中一枚镜片采用可以大幅度提高镜头的分辨率水平和同时缩小总群组的厚度的非球面透镜；在所述第二透镜群和第三透镜群之间设有光阑，在所述第三透镜群后面还设有第四透镜群。本发明具有低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移、可达到28mm广角、7倍以下变焦倍率等特点。

权利要求

1.一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统，其特征在于包括有感光芯片(5)和第一透镜群(1)以及与第一透镜群(1)之间的距离在从短焦距向长焦距的变化过程中逐渐变大的第二透镜群(2)；

与第二透镜群(2)之间的距离在从短焦距向长焦距的变化过程中逐渐变小的第三透镜群(3)；所述第三透镜群(3)中的其中一枚镜片采用可以大幅度提高镜头的分辨率水平和同时缩小总群组的厚度的非球面透镜；

在所述第二透镜群(2)和第三透镜群(3)之间设有光阑(6)，在所述第三透镜群(3)后面还设有第四透镜群(4)；

所述的第一透镜群(1)整体的焦距为正，第二透镜群(2)整体的焦距为负，第三透镜群(3)整体焦距为正，第四透镜群(4)整体的焦距为正；

本光学系统由9枚的镜片组成，并且第一透镜群(1)由两枚镜片组成，其中第一枚镜片(101)的焦距为负、第二枚镜片(102)焦距为正；第二透镜群(2)由三枚镜片组成，其中第一枚镜片(201)的焦距为负，第二枚镜片(202)焦距为负，第三枚镜片(203)焦距为正；第三透镜群(3)由三枚镜片组成；第四透镜群(4)由一枚镜片组成；

所述第三透镜群(3)的第一枚镜片(301)的焦距为正、第二枚镜片(302)焦距为负，第三枚镜片(303)采用了非球面镜片，并且第三枚镜片(303)采用塑料镜片。

说明书

一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系

统

【技术领域】

[0001] 本发明涉及一种变焦光学系统，尤其涉及一种应用于照相系统的低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移、可以达到28mm(135焦距)广角、7倍以下变焦倍率变焦倍率的变焦光学系统。【背景技术】

[0002] 目前主流4.5～7倍变焦倍率的超薄型数码相机广角镜头，主要采用了10片以上的镜片设计，且均需要采用多片玻璃非球面才能实现。但是玻璃非球面技术主要掌握在日系企业手中，且价格昂贵。同样体积、形状的玻璃非球面镜片，其不含模具单价是玻璃球面镜片的4～8倍，是塑料非球面镜片单价的30倍以上；其模具成本是玻璃球面镜片模具的150倍以上，是塑料非球面镜片模具的15倍以上。

[0003] 玻璃非球面镜片的供应，经常受到供应商销售情况的影响，有时候会出现供应不上的情况。如果使用比玻璃非球面成本较为低廉的塑料非球面，则难以解决后焦距离随温度变化而漂移的问题。

[0004] 塑料的热膨胀系数是玻璃的10倍左右，折射率Nd随温度变化的程度是玻璃的100倍左右，当环境温度变化的时候，塑料镜片由于这两个因素会导致单个镜片焦距随温度变化而变化，并最终影响到整个镜头焦距的变化。当镜头焦距变化大的时候，在4.5～7倍变焦镜头中会导致两种情况：1.后焦距离漂移到对焦范围以外，这样镜头无法正常成像；2.对焦群组的移动范围要加大，这样增加了对焦时间，降低了性能。

[0005] 目前已经发布的4.5～7倍变焦倍率的超薄型数码相机广角镜头中采用10片镜片以内、且使用不超过2片非球面镜片的设计方案的，其广角端焦距均没有达到28mm(135焦距)的广角，均大于28mm。镜头广角端的焦距越短，镜头能够拍摄的画角就越大。

[0006] 目前已经发布的4.5～7倍变焦倍率的超薄型数码相机广角镜头中采用10片镜片以内、且使用不超过2片非球面镜片的设计方案的，其收缩状态下镜头的厚度(连同CCD及其定位机构的厚度计算在内)均做得比较厚。以使用有效成像面对角线7.7mm的1/2.33”的CCD的场合为例，其收缩状态下镜头的厚度(连同CCD及其定位机构的厚度计算在内)做到CCD有效成像面对角线的230％以上，也就是厚度在18mm以上。镜头在收缩状态下的厚度决定了照相机能够做得多薄。【发明内容】

[0007] 本发明目的是克服了现有技术中的不足而提供了一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移、可达到28mm广角(相当于135镜头焦距)、7倍以下变焦倍率的变焦光学系统[0008] 为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下列技术方案：

[0009] 一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统，其特征在于包括有感光芯片和第一透镜群以及与第一透镜群之间的距离在从短焦距向长焦距的变化过程中逐渐变大的第二透镜群；与第二透镜群之间的距离在从短焦距向长焦距的变化过程中逐渐变小的第三透镜群；所述第三透镜群中的其中一枚镜片采用可以大幅度提高镜头的分辨率水平和同时缩小总群组的厚度的非球面透镜；在所述第二透镜群和第三透镜群之间设有光阑，在所述第三透镜群后面还设有第四透镜群。

[0010] 如上所述的一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统，其特征在于所述的第一透镜群整体的焦距为正，第二透镜群整体的焦距为负，第三透镜群整体焦距为正，第四透镜群整体的焦距为正。

[0011] 如上所述的一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统，其特征在于本光学系统由7至9枚的镜片组成，并且第一透镜群由两枚镜片组成，其中第一枚镜片的焦距为负、第二枚镜片焦距为正；第二透镜群由三枚镜片组成，其中第一枚镜片的焦距为负，第二枚镜片焦距为负，第三枚镜片焦距为正；第三透镜群由二到三枚镜片组成；第四透镜群由一到二枚镜片组成。

[0012] 如上所述的一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜群由三枚镜片组成，其中第一枚镜片的焦距为正、第二枚镜片焦距为负，第三枚镜片采用了非球面镜片，并且第三枚镜片采用塑料镜片。

[0013] 如上所述的一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜群由二枚镜片组成，第一枚镜片的焦距为正，第二枚镜片焦距为负，第一枚镜片和第二枚镜片中有且仅有一片镜片使用非球面镜片。

[0014] 本发明与现有技术相比有如下优点：1、本发明的变焦镜头使用八枚球面镜片和一枚塑料非球面就实现了28mm广角(相当于135镜头焦距)，总片数低于市面已公布的同类型镜头所需镜头片数，降低了生产成本。

[0015] 2、本发明的变焦镜头使用了一枚塑料非球面镜片，避免了使用玻璃非球面镜片，大大降低了采用玻璃镜片的成本。

[0016] 3、本发明的变焦镜头使用了一枚塑料非球面镜片，避免了使用玻璃非球面镜片，大大降低了工艺要求，在国内掌握的工艺水准上就可以把镜片量产。

[0017] 4、本发明的变焦镜头使用了一枚塑料非球面镜片，同时将温度变化引起的后焦距离变化控制在可以极小的范围内，相对于常温20℃、当环境温度在0℃～40℃范围内变化的时候，镜头后焦距离变化量只有不到整个镜头焦距的0.2％，对于镜头的对焦群组的正常移动量来讲几乎可以忽略不计。例如，当镜头焦距为25mm的时候，镜头对无穷远距离和0.5m距离成像的后焦距离范围相差1.3mm左右，对焦群组所需要覆盖的后焦距离范围要大于1.5mm，而温度变化导致的后焦距离变化量只有0.05mm，对焦群组移动范围为了覆盖温度变化导致的后焦距离变化只需增加移动量0.05mm，所需的对焦时间的增加不会被使用者察觉。

[0018] 5、本发明的整个镜头第1、第2、第4组镜群共八枚镜片的厚度加起来只有不到镜头长焦距的42％，变焦镜头的总群组厚度做到很薄，不到感光器件成像范围的125％，从而能够把镜头做得更薄。在镜头收缩状态下的厚度(连同CCD及其定位机构的厚度计算在内)可以做到CCD有效成像面对角线的205％以内。例如，当使用有效成像面对角线7.7mm的1/2.33”的CCD的场合下，镜头在收缩状态下的厚度(连同CCD及其定位机构的厚度计算在内)可以做到16mm，较大幅度领先于世界一流厂商已经发布的镜头规格。

[0019] 6、本发明能够达到高于10M(像素1000万像素)的分辨率，以7.7mm的1/2.33”的CCD为例，本发明可以达到中心分辨率高于200lp/mm、周边0.7H(70％对角线位置)分辨率高于140lp/mm。

[0020] 7、本发明的变焦镜头利用群组4实现AF自动对焦功能，从最远的无穷远到最近的50mm微距都能够成清晰的影像。
【附图说明】

[0021] 图1为本发明的爆炸图；

[0022] 图2为本发明的爆炸图；

[0023] 图3为本发明的系统光学图。【具体实施方式】

[0024] 下面结合附图对本发明进行详细描述：

[0025] 如图所示，一种低成本、超薄、工艺简单、极低温度漂移的变焦光学系统，包括有第一透镜群1、第二透镜群2、第三透镜群3、第四透镜群4以及感光芯片5。在所述第二透镜群2和第三透镜群3之间设有光阑6。所述的第一透镜群1、第二透镜群2、第三透镜群3在变倍过程中相对于感光芯片的位置是变动的，且第一透镜群1、第二透镜群2之间的相对位置是变动的，第二透镜群2、第三透镜群3之间的相对位置也是变动的。

[0026] 所述第一透镜群1、第二透镜群2之间的距离在从短焦距向长焦距的变化过程中的逐渐变大。所述第二透镜群2、第三透镜群3之间的距离在从短焦距向长焦距的变化过程中的逐渐变小。

[0027] 本光学系统可由7至9枚的镜片组成，在本实施例中由9枚镜片组成。

[0028] 所述的第一透镜群1整体的焦距为正，该第一透镜群1由两枚镜片组成，其中第一枚镜片101的焦距为负、第二枚镜片102焦距为正。

[0029] 所述第二透镜群2整体的焦距为负，该第二透镜群2由三枚镜片组成，其中第一枚镜片201的焦距为负、第二枚镜片202的焦距为负、第三枚镜片203的焦距为正。这种焦距组合可以大幅度减小镜头的工作长度，有助于把镜头收缩状态的厚度做得更薄；同时能够大幅度提高广角状态下的分辨率，有助于把镜头做到焦距为28mm(135焦距)的广角。

[0030] 所述第三透镜群3整体焦距为正，该第三透镜群3由二到三枚镜片组成，在本实施例子中由三枚镜片组成，其中第一枚镜片301的焦距为正、第二枚镜片302焦距为负，第三枚镜片303是塑料非球面镜片。当第三透镜群3由二枚镜片组成时，第一枚镜片301的焦距为正，第二枚镜片302焦距为负，第一枚镜片301和第二枚镜片302中有且仅有一片镜片使用非球面镜片。

[0031] 在本实施例中，第三透镜群3中的第三枚镜片303采用塑料非球面镜片，其可以大幅度提高镜头的分辨率水平和同时缩小总群组的厚度，并使塑料镜片因温度变化导致的后焦距离变化控制在非常小的范围内；其采用塑料非球面镜片，还可以使其方便制造和降低重量。

[0032] 第四透镜群4整体的焦距为正，该第四透镜群4可由一到二枚镜片组成，在本实施例子中由一枚镜片401组成，其焦距为正。

[0033] 第三透镜群3的第三枚镜片303为非球面，其非球面表面形状满足以下方程：Z＝2 2 2 2 4 6 8 10 12 14 16
cy/{1+√[1-(1+k)cy]}+α1y+α2y+α3y+α4y+α5y +α6y +α7y +α8y 。在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标(其单位和透镜长度单位相同)，k为圆锥二次曲线系数。当k系数小于-1时面形曲线为双曲线，等于-1时为抛物线，介于-1到0之间时为椭圆，等于0时为圆形，大于0时为扁圆形。α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数，通过以上参数可以精确设定透镜前后两面非球面的形状尺寸。

[0034] 在上述光学系统中，为了实现调节各个透镜群的间距以及调焦对焦等功能，采用如下机构来实现。

[0035] 在凸轮筒17外表面设有第一导槽171，在凸轮筒17内表面设有第二导槽172和第三导槽173。在所述导向筒三20上设有第一直槽211、第二直槽212，在所述导向筒二19内面设有一直槽191。在所述的导向筒一18上设有一导槽181和一直槽182，在所述的转动筒16上设有一直槽161。所述的固定筒15上设有一直槽151和一导槽152。在第一群框11的内表面上设第一凸销21，在第一群框11的外表面设有第二凸销22。在第二群框12上设有第三凸销23。在第三群框13上设有第四凸销24。在所述的凸轮筒17外表设有第五凸销25。在转动筒16外表设有第六凸销26。在所述的导向筒三20上设有第七凸销27。在导向筒二19上设有第八凸销28，在导向筒一18上设有第九凸销29。

[0036] 所述的第一透镜群1、第二透镜群2和第三透镜群3分别固定在第一群框11、第二群框12和第三群框13上。所述第一群框11穿过导向筒二19的直槽191并设置在凸轮筒17里。第二透镜群2、第三透镜群3依次穿过导向筒三20的直槽211、212并设置在凸轮筒
17里。所述的第四透镜群4穿过导轴86并设置在固定筒15上，所述感光芯片5筒过螺丝穿过导向筒三20中心。所述凸轮筒17分别穿过导向筒二19、导向筒一18设置在转动筒16里。所述的导向筒二19设置在导向筒一18里。所述的导向筒一18穿过转动筒16设置在固定筒15里。所述的转动筒16穿过固定筒15设在固定筒与底座31共同装配成内腔里。

[0037] 所述第一群框11通过第一凸销21与凸轮筒17的第一导槽171连接，同时第一群框11通过第二凸销22与导向筒二19上的直槽配合来导向。所述的第二群框12通过第三凸销23与凸轮筒17的第二导槽172连接，同时第二群框12通过第三凸销23与导向筒三20上的第一直槽211配合来导向。所述的第三群框13通过第四凸销24与凸轮筒17的第三导槽173连接，同时第三群框13通过第四凸销24与导向筒三20上的第二直槽212配合来导向。所述的凸轮筒17通过第五凸销25与导向筒一18上的导槽181连接，同时凸轮筒
17通过第五凸销25与转动筒16上的直槽161配合来导向。所述的导向筒三20通过第七凸销27与导向筒一18上的直槽182配合来导向。所述的导向筒19通过第八凸销28与导向筒一18上的导槽181配合来导向。所述的导向筒一18通过第九凸销29与固定筒15上的导槽152配合来导向。所述的转动筒16通过第六凸销26与固定筒15上的导槽151连接。

[0038] 在固定筒15上还设有第一马达32和第二马达33，当第一马达32转动时会通过驱动齿轮组带动转动筒16转动，同时一起带动凸轮筒17转动。当凸轮筒17转动时，第一群框11通过第一凸销21与凸轮筒17上的导槽171连接。第二群框12通过第三凸销23与凸轮筒17上的导槽172连接。第三群框13通过第四凸销24与凸轮筒17上的导槽173连接。所以会受到转动筒16转动力的驱动。

[0039] 当第一马达32转动时，通过驱动齿轮组驱使转动筒16转动。由于转动筒16上的第六凸销26与固定筒15上的导槽151连接，所以转动筒17转动时，其在固定筒15导槽151的限制下会一边转动一边沿轴方向上下移动。所述转动筒16带动凸轮筒17转动时，由于凸轮筒17上的第五凸销25与导向筒一18的导槽181连接，所以凸轮筒17其在导向筒一18导槽181限制下会一边转动一边沿轴上下移动。

[0040] 当凸轮筒17转动时，第一群框11通过第一凸销21与凸轮筒17连接，同时通过第一凸销21在导向筒二19的直槽191限制下不会转动。在凸轮筒17转动力驱动下，同时又受到导向筒二19的直槽191限制下，第一群框11将凸轮筒17的旋转动力转化为轴向驱动力，驱使第一群框在轴线方向上下运动。同时转动筒16的轴向运动也会带动第一群框的轴向运动。所以能够实现第一透镜群1和第二透镜群2之间的间隔是可调节的。

[0041] 同样的道理，当转动筒16转动，带动凸轮筒17一起转动时，第二群框12、第三群框13通过第三凸销23、第四凸销24分别穿过导向筒三20上的直槽211、直槽212与凸轮筒17的导槽171、导槽172连接。所以会受到转动筒16转动力的驱动，导向筒三20不会转动，所以导致第二群框12、第三群框13也不会转动，从而将转动筒16的旋转力经过凸轮筒17转化为轴向驱动力。驱使第二群框12、第三群框13在轴向方向运动，同时转动筒16的轴向运动也会带动第二群框12、第三群框13的轴向运动。所以能实现所述第一透镜群1和第二透镜群2以及第三透镜群3之间的间隔是可调节的。通过改变第一群框11、第二群框12、第三群框13的空间间隔，可达到使镜头的焦距改变的目的。所述的感光芯片5可以用于相对便宜的高像素CMOS芯片或CCD芯片。

[0042] 所述第四透镜群4可以直接调节后焦距离，所以可直接调到最佳像面位置，而且第二马达33采用高精度的步进马达，该第二马达33用来带动第四透镜群4的上下移动来实现调节后焦距离，这就彻底解决了传统镜头近距离成像不清和调焦盲点的问题；这样同时也就提高了产品精度和产品可靠性。

[0043] 由于设计中还需要考虑到在结构设计中实现变焦和自动对焦技术的功能，则在光学设计中必须考虑到第一马达32的力量和步进的精度，故在加工第一导槽171、第二导槽172和第三导槽173的变化曲线的精度需要比较高。所述第四透镜群4的变化精度也要比较高，故四个群的光焦度同样需要很好的匹配才能实现变焦和自动对焦技术的功能。

[0044] 下面举一5倍变焦镜头的实际设计案例：

[0045]值
K 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

径 41 09 06 4 0 2 4 1 7 6 1 0
效有 .41 .11 .11 3.9 7.6 6.6 4.6 6.6 4.6 2.3 0.4 8.3

材学 7 55FA 2FA 2FA 31 3K
光 料 FZ LZ LZ LZ FZ AL
yt 31
度 inif 8 2 5 54 1 83 3446 5 42
厚 nI .0 3 .0 .0 2 .0 .0 .1 .7 .0 .2 0 径 yt 9 07 0 00 4 0 yt 3
半率 inif 980. 3190 85.3 010. 7903 51.0 043. 1460 277. inif 6498 311.曲 R nI 41 .8 01 04 .4 2- 01 .7 38 nI .3 6- 型 面 面 面 面 面 面 面 面 面 面 阑 面 面
类 物 球 球 球 球 球 球 球 球 球 光 球 球 号 a-2，
编面 JBO a-1 b-1 b-2 a-3 b-3 a-4 b-4 a-5 b-5 OTS a-6 b-6

7
7132 9875
0 0 .151 .82- 0 0 0 0 0

0 1 7 4 6 9 1 4 7
8.3 5.3 5.3 8.3 7.8 8.8 1.7 3.7 0.8

6 L 21K
FZ PA AL 9K
46 29 55 95
84 15 5 3685 2917 2159 50 8438
.1 .0 .0 .2 .1 .1 .1 .1
3 2 7 5 90 yt yt yt
311. 1088 124. 008. 285. 92.0 inif inif inif
6- .7 13 21 27 1- nI nI nI
璃 璃
面 面 玻 玻
面 面 球 球 面 面 板 板 面
球 球 非 非 球 球 平 平 像
a b
a-7 b-7 a-8 b-8 a-9 b-9 -01 -01 AMI

[0046] 非球面参数：

[0047]面编号8-a： 非球面
α1次项参数 0
α2次项参数 -0.00944577
α3次项参数 -0.000193445
α4次项参数 -0.000171055
α5次项参数 5.13E-05
α6次项参数 0
α7次项参数 0
α8次项参数 0

[0048]面编号8-b： 非球面
α1次项参数 0
α2次项参数 -0.006525006
α3次项参数 -5.84E-05
α4次项参数 8.13E-05
α5次项参数 1.97E-05
α6次项参数 0
α7次项参数 0
α8次项参数 0

[0049] 群组变焦、调焦移动范围：

[0050] 1～2群组之间的间隔0.2mm～9.4mm

[0051] 2～3群组之间的间隔8.5mm～1.5mm

[0052] 3群组～像面距离9.0mm～19.0mm

[0053] 4群组～像面距离4.0mm～6.0mm