本申請請求享有2014年2月19日提交的題為ZOOM LENS OPTICAL SYSTEM的美國非臨時專利申請?zhí)朜o. 14/183,844的權(quán)益，該申請通過引用而并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及變焦透鏡光學系統(tǒng)，其適用于使用圖像拾取裝置的移動電話照相機或數(shù)字照相機，更具體而言，涉及能夠進行高度放大變化的小物理尺寸變焦透鏡光學系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

變焦透鏡光學系統(tǒng)用于使用圖像拾取裝置的電子數(shù)字照相機中。此種光學系統(tǒng)將光聚焦在圖像拾取裝置，諸如電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)上。這些光學系統(tǒng)還可包括折轉(zhuǎn)光學器件(folding optics)，以使光程彎曲，且從而滿足由照相機構(gòu)造施加的封裝要求。典型的折轉(zhuǎn)光學器件包括棱鏡或折轉(zhuǎn)反射鏡。

現(xiàn)代的蜂窩電話包含能夠有極高品質(zhì)圖片的很有效的照相機。圖像品質(zhì)為大約8百萬像素，且是通過極小的像素大小(通常線性1.5微米)和復(fù)雜的衍射限制透鏡的組合來實現(xiàn)的。所需的透鏡品質(zhì)為具有至少300循環(huán)/mm的良好調(diào)制傳輸響應(yīng)。這表示透鏡速度必須比f/3更快。F/2.4是典型的透鏡速度。

許多此類蜂窩電話照相機透鏡具有短焦距(相對于圖像對角線)，從而導(dǎo)致大約65度的總視場。這允許了多種常規(guī)照片，且允許一定量的數(shù)字變焦，這遭受立即和逐漸的圖像品質(zhì)損失。8百萬像素基本系統(tǒng)上的3X數(shù)字變焦將在變焦的圖像中產(chǎn)生僅0.9百萬像素。

此種蜂窩電話可受益于難以實現(xiàn)的光學變焦定焦透鏡的使用。變焦透鏡應(yīng)當首先滿足上面公開的光學圖像品質(zhì)參數(shù)，其基本上是衍射限制的，其中所有焦距下的速度比f/3快。透鏡還需要與現(xiàn)代蜂窩電話的尺寸和形狀因素相容的物理尺寸。

很期望將變焦透鏡并入到現(xiàn)代蜂窩電話的本體內(nèi)，這表示了一種(可能折轉(zhuǎn)的)設(shè)計，其具有在尺寸方面類似的元件，且當然不顯著大于典型蜂窩電話的厚度，例如，大約7mm左右。

在人們考慮當前技術(shù)水平的小照相機變焦透鏡時，清楚的是，廣泛使用的設(shè)計形式不會滿足上文概括的標準?，F(xiàn)代小照相機變焦總是使用通過允許長焦距端變得顯著慢于廣端處的速度來簡化的設(shè)計形式。這通過允許孔徑光闌在透鏡變焦時軸向地移動且有時改變直徑來促進。當變焦進行時，透鏡f/數(shù)通常從f/3.5變?yōu)閒/5.6。這提出對蜂窩電話變焦的顯著的光學機械挑戰(zhàn)。但是，更重要的是，在變焦的長端處的該較慢的f/數(shù)對于具有極小像素元件的蜂窩電話而言是不允許的。所需的圖像品質(zhì)將由于衍射限制而是不可獲得的。

因此，高度期望具有一種變焦透鏡設(shè)計，其滿足現(xiàn)代蜂窩電話的物理(小尺寸限制)和光學(在與很小像素相容的空間頻率下接近衍射限制的性能)要求。還很期望具有一種變焦透鏡，其將允許變焦透鏡完全配合在蜂窩電話本體內(nèi)，且在變焦時不突出。還很期望具有一種變焦透鏡，其物理上可靠，且能夠耐受現(xiàn)代蜂窩電話所需的極嚴格的墜落力要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一種變焦透鏡(8)包括從變焦透鏡(8)的物體端(14)延伸至圖像端(16)的光程(12)、兩個或更多個變焦透鏡組(23, 24, 25)，和在光程(12)中的中間真實圖像平面(28)。所有變焦透鏡組(23, 24, 25)在也稱為變焦模塊(22)的組合的形式下在中間真實圖像平面(28)的圖像側(cè)(30)或物體側(cè)(34)上。

變焦透鏡(8)可包括在光程(12)中的至少一個光程折轉(zhuǎn)件(20)。變焦透鏡(8)可包括場光學器件(100)，該場光學器件(100)在中間真實圖像平面(28)附近且與其相。變焦透鏡(8)可包括在光程(12)中最接近圖像端(16)的固定后光學組(26)、和在固定后光學組(26)中的靜止孔徑光闌(88)，其中，孔徑光闌(88)在變焦期間保持靜止。

在變焦透鏡(8)中，中間真實圖像平面(28)取決于其在光程(12)中的位置而可由固定焦距中繼鏡(27)或由可變焦距中繼鏡(107)在具有大于0.4的絕對值的平均放大率下再成像到位于光程(12)圖像端(16)處的最終真實圖像平面(17)中。平均放大率對于固定焦距中繼鏡(27)而言是實際放大率。平均放大率對于可變焦距中繼鏡(107)而言是低端與高端之間的算術(shù)平均值。

變焦透鏡(8)的一個特定實施例包括從變焦透鏡(8)的物體端(14)延伸至圖像端(16)的光程(12)、在物體端(14)附近的前固定組(21)、包括至少兩個變焦透鏡組(23, 24, 25)的變焦模塊(22)，后面跟著固定正光焦度(positive power)后組(26)、在光程(12)中且在正光焦度后組(26)附近的中間真實圖像平面(28)、和位于光程(12)圖像端(16)處的最終真實圖像平面(17)。固定正光焦度后組(26)包括在變焦期間保持靜止的孔徑光闌(88)。固定正光焦度后組(26)還包括在中間真實圖像(28)附近且與其相關(guān)聯(lián)的場光學器件(100)。固定焦距中繼鏡(27)位于中間真實圖像平面(28)的圖像側(cè)(30)上，且設(shè)計成在具有大于0.4的絕對值的平均放大率下操作。平均放大率對于固定焦距中繼鏡(27)而言是實際放大率。包括在物體端(14)與孔徑光闌(88)之間的所有光學器件的在本文所述的變焦透鏡(8)的實施例的前部可用作用于現(xiàn)有蜂窩電話透鏡(86)的近衍射限制無焦點變焦系統(tǒng)(afocal zoom)(94)附接件。該實施例的變焦透鏡(8)還可包括在光程(12)中的至少一個光程折轉(zhuǎn)件(19或20)。

變焦透鏡(8)的另一個特定實施例包括從變焦透鏡(8)的物體端(14)延伸至圖像端(16)的光程(12)、前固定組(21)、在光程(12)中且在前組(21)附近的中間真實圖像平面(28)、位于中間真實圖像平面(28)附近且與其相關(guān)的場光學器件(100)、位于真實中間圖像(28)的圖像側(cè)(30)上且包括至少兩個變焦透鏡組(23, 24)的變焦模塊(22)，后面跟著在光程的圖像側(cè)(16)附近且包括靜止孔徑(88)的固定后組(26)。變焦透鏡(8)的該實施例的變焦模塊(22)和固定后組(26)形成可變焦距中繼鏡(107)，以用于在具有大于0.4的絕對值的平均放大率下將中間真實圖像平面(28)再成像到圖像端(16)附近的最終真實圖像平面(17)中。平均放大率對于可變焦距中繼鏡(107)而言是低端與高端之間的算術(shù)平均。前固定組(21)和后固定組(26)二者可包括在光程(12)中的第一光程折轉(zhuǎn)件(19)和第二光程折轉(zhuǎn)件(20)。

變焦透鏡(8)可與數(shù)字電子裝置(50)一起或在其內(nèi)使用，該裝置(50)包括具有配置在殼體(54)內(nèi)的圖像拾取裝置(56)的數(shù)字照相機(52)。變焦透鏡(8)能夠操作，以在圖像拾取裝置(56)上形成最終圖像，且可配置在殼體(54)內(nèi)。

附圖說明

在結(jié)合附圖作出的以下描述中解釋本發(fā)明的前述方面和其他特征，在附圖中：

圖1為蜂窩電話(6)的概要例示，該蜂窩電話(6)具有用于位于蜂窩電話(6)的殼體(54)內(nèi)的數(shù)字照相機(52)的變焦透鏡(8)的第一示范實施例。

圖2為具有變焦透鏡(8)的第二示范實施例的圖1中的蜂窩電話的概要例示。

圖3為在變焦透鏡(8)的光程(12)中的中間真實圖像平面(28)的物體側(cè)(34)上具有第一、第二、和第三變焦透鏡組(23, 24, 25)的變焦透鏡(8)的變焦范圍的廣角端處的圖1中例示的變焦透鏡(8)的第一實施例的放大概要例示。

圖4為在變焦透鏡(8)的變焦范圍的遠攝端處的圖1和3中例示的變焦透鏡(8)的概要例示。

圖5為在變焦透鏡(8)的光程(12)中的中間真實圖像平面(28)的圖像側(cè)(30)上具有第一和第二透鏡組(23, 24)的變焦透鏡(8)的變焦范圍的廣角端處的圖2中例示的變焦透鏡(8)的第二實施例的放大概要例示。

圖6為在變焦透鏡(8)的變焦范圍的遠攝端處的圖2和5中例示的變焦透鏡(8)的概要例示。

具體實施方式

圖1中例示了變焦透鏡光學系統(tǒng)10的第一實施例，其包括用于數(shù)字照相機52的變焦透鏡8和位于殼體54內(nèi)的圖像拾取裝置56。殼體54可僅是數(shù)字照相機的，如，瞄準和拍攝(point and shoot)數(shù)字照相機，或如本文中例示的，是在殼體54內(nèi)包含數(shù)字照相機52的蜂窩電話6的。數(shù)字照相機在本文中由圖像拾取裝置56示出，其實例包括電荷耦合裝置CCD或互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS。圖2中例示了用于位于蜂窩電話6殼體54內(nèi)的數(shù)字照相機52的變焦透鏡8的第二實施例。

參看圖1和3-4，變焦透鏡8的第一實施例包括光程12，且從物體端14延伸至圖像端16。變焦透鏡8能夠操作以形成位于圖像端16處的最終真實圖像平面17處的最終圖像。變焦透鏡8包括布置成組的多個光學元件，以形成圖像拾取裝置56上的最終真實圖像平面17處的最終圖像。

變焦透鏡8以串聯(lián)關(guān)系沿從物體端14到圖像端16的方向包括光學元件的第一固定組21、變焦模塊22，和光學元件的第二固定組26。第一固定組21包括本文中示為單個光學元件的元件L1。變焦模塊22包括本文中分別標為第一、第二第三變焦透鏡組23、24、25的三個變焦組。第一變焦透鏡組23包括光學元件L2-L4，第二變焦透鏡組24包括光學元件L5-L7，且第三變焦透鏡組25包括光學元件L8-L9。第三變焦組25后面跟著包括光學元件L10-L20的第二固定組26(也稱為后固定光學器件)。

第一固定組21與變焦模塊22和第二固定組26的前部103一起z在變焦透鏡8的光程12中的中間真實圖像平面28處形成中間真實圖像。前部103在本文中例示為包括第二固定組26中的光學元件L10-L12。中間真實圖像平面28處的中間真實圖像通過固定焦距中繼鏡27再成像成最終圖像，中繼鏡27在本文中例示為包括光學元件L13-L20?？讖焦怅@88位于固定焦距中繼鏡27中，且因此其位置在變焦期間保持固定。維持孔徑光闌的恒定直徑允許透鏡的F/數(shù)在變焦中恒定。變焦透鏡8在所有焦距下具有基本上固定的F/數(shù)。大約F/3或更快的固定F/數(shù)在(圖像拾取裝置56中的像素元件的)像素尺寸極小(如通常在蜂窩電話照相機中發(fā)現(xiàn)的)的應(yīng)用中是特別有用的。

變焦模塊22和所有的其變焦組(第一、第二、和第三變焦透鏡組23、24、25)位于物體端14與變焦透鏡8的中間真實圖像平面28之間。中間真實圖像和中間真實圖像平面28具有面朝物體端14的物體側(cè)34和面朝圖像端16的圖像側(cè)30。圖1、3和4中例示的變焦透鏡8的第一實施例中的所有變焦透鏡組都位于中間真實圖像平面28的物體側(cè)34上，這意味著它們在中間真實圖像平面28與變焦透鏡8的物體端14之間。第一固定組21可為最前固定組，且第二固定組26可為最后固定組。最前固定組為在光程12中最接近物體端14的固定組，且最后固定組為光程12中最接近圖像端16的固定組。

本文中例示的變焦透鏡8的示范實施例還包括透鏡的前部18處的第一光學折轉(zhuǎn)件19、和光學元件L16與L17之間的第二固定組26中的固定焦距中繼鏡27中的第二光學折轉(zhuǎn)件20。

最后的四個元件L17、L20和孔徑光闌88表示設(shè)置在第二光程折轉(zhuǎn)件20與最終真實圖像平面17之間的衍射限制蜂窩電話透鏡。透鏡的前部(光學元件L1-L16)作為前近衍射限制無焦點變焦系統(tǒng)94，該無焦點變焦系統(tǒng)94可與定焦蜂窩電話透鏡工作，因為在此情形中，將不需要像差平衡(aberration-balancing)和/或光瞳匹配。因此，變焦透鏡8的一個實施例可通過還包括如下前近衍射限制無焦點變焦系統(tǒng)94來用作對現(xiàn)有蜂窩電話透鏡86的變焦附接件，該前近衍射限制無焦點變焦系統(tǒng)94包括物體端14與孔徑光闌88之間的所有光學元件L1-L16。

圖2和5-6中例示的變焦透鏡8的第二實施例包括光程12，且從物體端14延伸至圖像端16。變焦透鏡8以串聯(lián)關(guān)系從物體端14到圖像端16包括光學元件的第一固定組21、變焦模塊22、和光學元件的第二固定組26。第一固定組21包括光學元件L1-L7。光學元件L2和L15分別為第一和第二光學折轉(zhuǎn)件19、20，且在本文中例示為折轉(zhuǎn)直角棱鏡或反射鏡。變焦模塊22包括本文中由第一和第二變焦透鏡組23、24表示的兩個變焦組。第一變焦透鏡組23包括光學元件L8-L11，且第二變焦透鏡組24包括光學元件L12-L14。第二固定組26包括光學元件L15-L18。光學元件L15為在本文中例示為折轉(zhuǎn)直角棱鏡的第二光學折轉(zhuǎn)件20。

第一固定組21在變焦透鏡8中的光程12中的第一固定組21附近的中間真實圖像平面28處形成中間真實圖像?？勺兘咕嘀欣^鏡107將中間真實圖像再成像成圖像端16處的最終真實圖像平面17處的最終圖像?？勺兘咕嘀欣^鏡107在本文中例示為光學元件L8-L18，且包括變焦模塊22(第一和第二變焦組23、24)和第二固定組26?？讖焦怅@88配置在變焦模塊22與第二固定組26之間。

中間真實圖像和中間真實圖像平面28具有面朝物體端14的物體側(cè)34和面朝圖像端16的圖像側(cè)30。變焦透鏡8第二實施例中的變焦模塊22和所有的其變焦透鏡組(第一和第二變焦透鏡組23、24)位于中間真實圖像平面28的圖像側(cè)30上，這意味著它們在中間真實圖像平面28與變焦透鏡8的圖像端16之間?？讖焦怅@88固定，且因此在變焦期間保持固定。變焦透鏡8在所有焦距下具有基本上固定的F/數(shù)。大約F/3或更快的固定F/數(shù)在諸如在蜂窩電話和其他薄的裝置中發(fā)現(xiàn)的照相機的應(yīng)用中是特別有用的。

實施例1和2二者具有定位在第二固定組26內(nèi)的孔徑光闌88，這意味著孔徑光闌88在變焦期間保持靜止。緊鄰中間真實圖像平面28的透鏡元件中的一些形成場光學器件100。場光學器件100在中間真實圖像平面28附近且與其相關(guān)。在第一實施例中，場光學器件100包括元件L11-L13，而在第二實施例中，場光學器件100包括元件L5-L7。場光學器件允許控制接近變焦透鏡8的前部18的透鏡的進入光瞳的位置，從而將第一固定組21的尺寸保持到最小，甚至是在覆蓋寬視場時。

孔徑光闌88通過靜止而允許變焦透鏡8在變焦中保持恒定的f數(shù)(f-number)。因此，其可為簡單的圓形開口，正如固定焦距蜂窩電話透鏡的情況一樣。

圖像拾取裝置56具有通常小于6mm的傳感器對角線，且其還略小于圖1和2中例示的蜂窩電話殼體54的厚度。變焦透鏡8中透鏡的透鏡直徑小于傳感器對角線的兩倍。作為例子，用于本文中例示的變焦透鏡8的實施例1和2二者的傳感器具有5.5 mm的對角線，且最大透鏡孔徑為大約8mm。為了實現(xiàn)本文所述的變焦透鏡8中的光學元件的最小直徑DM，期望具有在具有大于0.4的絕對值的平均放大率下操作的固定焦距中繼鏡27或可變焦距中繼鏡107，且優(yōu)選地，且對于光學元件的最小直徑，在將真實中間圖像平面28再成像到最終真實圖像平面17中時，平均放大率大于0.6。注意，貫穿本申請，平均放大率限定為固定焦距中繼鏡(27)的實際放大率、以及可變焦距中繼鏡(107)的低端與高端之間的算術(shù)平均。

以下的表1和4提供了第一和第二實施例的規(guī)定，分別是圖1和3-4和圖2和5-6中例示的變焦透鏡8的實施例1和2。表1和4包括透鏡元件的半徑、厚度、空間和玻璃材料。表示為“a”的透鏡元件的一些表面是非球面的。

用于智能電話的折轉(zhuǎn)變焦-實例1

表1

表2

均勻多項式非球面和圓錐常數(shù)

表 3

用于智能電話的折轉(zhuǎn)變焦 – 實例2

表4

表5

均勻多項式非球面

表6

一階和變焦數(shù)據(jù)

此種表面的垂度(sag)z由以下方程描述：

其中，z為離系統(tǒng)的光學軸線的距離y處的表面垂度；c是光學軸線處的曲率，表面半徑的倒數(shù)；k是圓錐常數(shù)，其除規(guī)定表中指出的位置外為零；且D、E、F、G、H和I分別是在表2和5中闡述的非球面系數(shù)。

分別對變焦透鏡8的第一和第二實施例在表3和6中提供指示變焦組的運動的可變空間以及對應(yīng)的圖像距離、半視場、焦距和透鏡的F/數(shù)。注意，焦距為負數(shù)，從而指出最終圖像定向與物體的定向相同。

圖3和4中例示的示范變焦透鏡8可由以上表1-3限定。圖5和6中例示的示范變焦透鏡8可由以上表4-6限定。表1和4示出了適用于根據(jù)分別在圖3和5中例示的變焦透鏡8的第一和第二示范實施例的變焦透鏡8的特定數(shù)值。限定參數(shù)的光學要素包括：表示從物體側(cè)開始的第i個表面的“s”、“ri”從物體側(cè)開始的第i個曲率半徑、“di”從物體側(cè)開始的第i個表面與第(i+1)個表面之間的軸向距離、“ni”在具有從物體側(cè)開始的第i個表面的介質(zhì)的d線處的折射指數(shù)、“.nu.i”具有從物體側(cè)開始的第i個表面的介質(zhì)的Abbe數(shù)、“INFINITY”平面表面、和“ASP”非球面表面。表2和5示出了適用于根據(jù)分別在圖3和5中例示的變焦透鏡8的第一和第二示范實施例的變焦透鏡8的廣角端狀態(tài)(圖4)、廣角端狀態(tài)與遠攝端狀態(tài)之間的中間焦距位置、和遠攝端狀態(tài)下的軸向距離(空氣間隙)、f數(shù)(FNO)、半角.omega.。在表2中，f表示整個透鏡系統(tǒng)的焦距。

表2和4示出了分別在圖3和5中例示的變焦透鏡8的第一和第二示范實施例中的表面的第4、第6、第8、第10、第12和第14個的圓錐常數(shù)和非球面系數(shù)D、E、F、G、H、I。

表3和6示出了適用于根據(jù)分別在圖3和5中例示的變焦透鏡8的第一和第二示范實施例的變焦透鏡8的貫穿變焦范圍的各種焦距下的變焦空間、f數(shù)(FNO)、通過半角(omega)給出的對應(yīng)視場。

變焦透鏡光學系統(tǒng)10和變焦透鏡8的實施例可與數(shù)字電子裝置50一起或在其內(nèi)使用，裝置50包括數(shù)字照相機52，該數(shù)字照相機52具有配置在數(shù)字電子裝置50或照相機52的殼體54內(nèi)的圖像拾取裝置56。變焦透鏡8能夠操作以在圖像拾取裝置56上形成最終圖像。變焦透鏡8能夠操作以貫穿其整個范圍變焦，同時完全容納或配置在殼體54內(nèi)。變焦透鏡光學系統(tǒng)10和變焦透鏡8的實施例在諸如在蜂窩電話或其他薄的數(shù)字電子裝置中發(fā)現(xiàn)的照相機的應(yīng)用中是特別有用的。如在本文中例示的，殼體54可僅為數(shù)字照相機，諸如瞄準和拍攝數(shù)字照相機的一部分，或者是在殼體54內(nèi)包含數(shù)字照相機52的蜂窩電話6的一部分。

已經(jīng)以例示的方式描述了本發(fā)明。應(yīng)理解的是，已使用的技術(shù)旨在在性質(zhì)上為描述而非限制的語言。盡管已在本文中描述了認為是本發(fā)明的優(yōu)選和示范實施例的內(nèi)容，但根據(jù)本文中的教導(dǎo)，本發(fā)明的其他改型對本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)是顯而易見的，且因此期望在所附權(quán)利要求中保護落入本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)的所有此類改型。

因此，期望由美國專利證書保護的是如在以下權(quán)利要求中限定和區(qū)分的發(fā)明。