CN1877388A - 变焦透镜光学系统 - Google Patents

Abstract

一种变焦透镜光学系统，具有第三透镜单元，该第三透镜单元包括负(－)光焦度的第一校正透镜单元和第二校正透镜单元，该第二校正透镜单元沿光学路径安置在该第一校正透镜单元的后面，并具有正(+)光焦度。由于用于校正手抖动的第三透镜单元形成具有、负(－)光焦度和正(+)光焦度的多个透镜的透镜组，因此该系统在手抖动校正时可以最小化像差变化，并在OIS应用时获得高清晰度。此外，由于第三透镜单元的移动距离较短，在手抖动校正时像差变化最小化可以减小当透镜移动时的驱动载荷，因此本发明可以提高响应速度。

Description

变焦透镜光学系统

技术领域

本发明的一方面涉及一种变焦透镜光学系统，尤其是涉及一种具有抖动校正功能的变焦透镜光学系统。

背景技术

通常，设置在照相机或者摄像机内的变焦镜头均要求结构紧凑，同时要求具有良好的光学性能、大孔径以及高变焦比。这些变焦透镜的安装方式是：多个透镜单元同时移动用于沿一预定轴线进行焦点控制。当然，设计变焦透镜有很多种方式，而且可以使用任意个数或类型的透镜单元。

用户在保持照相机或者摄像机时捕获物体的图像，但是即使用户在拍摄时尽量保持照相机稳定，但手会不可避免的发生抖动。最近，已经开发出一种能使相机自动地校正其用户手抖动的技术。特别地，由于相机结构变得越来越紧凑，重量越来越轻，手抖动的问题也正变得比以前更为严重。而且，现在相机用户经常在移动的过程中摄影，因而就更难保持相机的稳定。因此，解决手抖动的问题已经变成试图实现清晰的图像所重要考虑的因素。

已知的手抖动校正的原理是检测由手抖动造成的被聚焦图像的移动量，然后，将图像向后移动所检测到的移动量，这样，图像看起来仍然是静止的。这样的手抖动校正可分为两类：电子手抖动校正和光学手抖动校正。

电子手抖动校正是在电荷耦合装置或“CCD”、驱动控制模式下实施，或者在场存储器振动控制模式中实施。而光学手抖动校正则是在使用可变垂直角棱镜的模式中，或者在使用一些透镜的运动的模式中实施。

然而，由于在校正的过程中并没有使用所有的CCD象素，因而电子手抖动校正具有20％-30％的图像劣化的缺陷。由于光学手抖动校正不会产生图像劣化，因此优选使用光学手抖动校正。

图1是简要示出能够进行光学手抖动校正的变焦透镜光学系统的视图。图1显示了3-CCD变焦透镜光学系统，包括：第一透镜单元10；第二透镜单元20；第三透镜单元30；第四透镜单元40；OLPF(光学低通滤波器)50；棱镜组件60；和CCD组件70。

第一透镜单元10包括两个凸透镜和一个凹透镜，且具有正(+)光焦度，以使入射光能以一定的角度会聚。

第二透镜单元20被安装以沿着光轴L移动，以改变沿第一透镜单元10的光轴L入射的图像的尺寸。第二透镜单元20包括一个凸透镜和两个凹透镜，且具有正(+)光焦度(positive power)。

第三透镜单元30具有一个凸透镜，用于将由第二透镜单元20改变的图像传送到第四透镜单元40。

第四透镜单元40包括一个凸透镜和一个凹透镜，且具有正(+)光焦度，用于校正穿过第三透镜单元30的图像。第四透镜单元40沿光轴L移动，并根据基于第四透镜单元40与物体之间距离变化而变焦操作或者聚焦操作来进行像点移动校正。

OLPF 50过滤入射光波长，以使波长低于一定的带宽，这样穿过上述透镜单元10、20、30、40并聚焦在CCD组件70上的光就不会形成噪点(hotpixel)。

棱镜组件60根据颜色分解过滤的光，并将经分解的色光传送给CCD组件70的CCD。

CCD组件70形成为3-CCD模式，对每个颜色R、G和B具有一个CCD，以便使穿过棱镜组件60而根据颜色分解的光能根据颜色聚焦成为一个图像。

第三透镜单元30沿光轴L上下移动，以校正用户导致的手抖动。特别地，如果相机静止时捕获的图像聚焦在位置A，而相机被抖动时捕获的图像聚焦在位置B，第三透镜单元30自身沿垂直于光轴L的方向移动基本上等于位置A和位置B之间的距离的距离，从而使聚焦的位置重新变成位置A。

然而，如果第三透镜单元30仅形成有如上的一个透镜，一个问题是进行抖动校正时会产生大的像差变化。而且，当使用彩色像差校正和光学图像稳定器(OIS)时，对于获得高清晰度具有限制。

发明内容

本发明已经被研发用于解决与传统的安置相关的上述和/或其它缺点以及其它问题。本发明的一个方面是提供一种在手抖动校正时能够最小化像差变化、且在使用彩色像差校正和OIS应用时能够获得高清晰度的变焦透镜光学系统。

本发明的其它方面和/或优点将会在随后的说明书中部分地描述，并且本发明的部分优点将随着说明而变得显而易见，或随着本发明的应用而被认识到。

前述和其它方面及优点通过提供一种变焦透镜光学系统来实现，该变焦透镜光学系统具有：第一透镜单元，所述第一透镜单元定位在光轴上且会聚入射图像的入射光；第二透镜单元，所述第二透镜单元定位在光轴上，且改变入射图像的尺寸；第三透镜单元，所述第三透镜单元具有负光焦度的第一透镜校正单元和正光焦度的第二透镜校正单元，且将由第二透镜单元改变的入射图像传送给第四透镜单元，以及第四透镜单元，所述第四透镜单元定位在光轴上，所述第四透镜单元聚焦穿过第三透镜单元的入射图像。

优选的，第一校正透镜单元具有以一定焦距相互间隔开的两个透镜。3.如权利要求1所述的系统，其中该第二校正透镜单元包括结合在一起的两个透镜。

进一步地，该第二校正透镜单元在光轴之上可垂直地上下移动。

优选的，当该第一校正透镜单元的焦距用ff(G7，G8)表示，而该第二校正透镜单元的焦距用fr(G9，G10)表示时，该系统满足条件：|ff/fr|＜1.9。

当广角端的焦距用fw表示，远摄端的焦距用ft表示，广角端的后焦距用bflw表示，远摄端的后焦距用bflt表示时，该系统满足条件：bflw/fw＞3.7和bflt/ft＞0.2。和8.根据权利要求1所述的系统，当广角端的焦距用fw表示，远摄端的焦距用ft表示，广角端的整个焦距用fmw表示，远摄端的整个焦距用fmt表示时，满足条件：0＜fm/fam＜0.2，其中总的焦距为从第一透镜单元到第三透镜单元的距离，且 $\mathrm{fm}=\sqrt{\mathrm{fw}\×\mathrm{ft}},$

$\mathrm{fam}=\sqrt{\mathrm{fmw}\×\mathrm{fmt}}.$

如上述，本发明使用光学手抖动校正能防止电子手抖动校正而产生的图像变劣。

另外，由于第三透镜单元形成有负光焦度的第一校正透镜单元和正光焦度的第二校正透镜单元，通过最小化用于手抖动校正的第三透镜单元的移动距离，本发明能减小第三透镜单元上的载荷。

附图说明

通过下面结合附图对具体实施例的下述描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将会更清楚，且更容易理解，其中：

图1是传统3-CCD变焦透镜光学系统的示意图；

图2是用于示意显示根据本发明的一个实施例的3-CCD变焦透镜光学系统的视图；

图3A和3B分别是图1和图2的第三透镜单元的校正操作的视图；

图4A和4B分别是根据本发明的一个实施例的3-CCD变焦透镜光学系统的手抖动校正之前和之后，显示了沿着中线的球面像差的曲线图；以及

图5A和5B分别是根据本发明的一个实施例的3-CCD变焦透镜光学系统的手抖动校正之前和之后，显示了基于颜色分布的像差特性的曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式和附图中示出的示例进行详细的说明，其中全文中相同的参考数字表示相同的元件。下面通过参考附图对具体实施方式进行描述以对本发明进行说明。

如图2所示，根据本发明的一个具体实施例的变焦透镜光学系统包括第一透镜单元110、第二透镜单元120、第三透镜单元130、第四透镜单元140、光学低通滤波器(OLPF)150、棱镜组件160和CCD组件170。

该第一透镜单元110包括两个凸透镜G2、G3和一个凹透镜G1，且该第一透镜单元110具有正(+)光焦度，以使得入射光能以一定的角度会聚。

该第二透镜单元120与该第一透镜单元110共轴设置，且其可沿第一透镜单元110的光轴L移动来改变图像的尺寸。该第二透镜单元120包括一个凸透镜G6和两个凹透镜G4、G5，且具有正(+)光焦度。

该第三透镜单元130沿第二透镜单元120的光轴L安置，其前面具有一个光圈I，且将通过第二透镜单元120改变的图像传送到第四透镜单元140。该第三透镜单元130具有负(-)光焦度的第一校正透镜单元131和正(+)光焦度的第二校正透镜单元132，该正(+)光焦度的第二校正透镜单元132沿光学路径安置在负(-)光焦度的第一校正透镜单元131后面。这里，该第二校正透镜单元132被安装以上下移动，如图3B所示，这样校正由手抖动造成的图像抖动(image jitter)。优选的是设计具有较小的直径的第二校正透镜单元132的透镜，这样该第二校正透镜单元132在移动时其上具有更小的载荷。

彩色像差校正需要多个透镜的组合。根据本发明的一个实施例，负(-)光焦度的第一校正透镜单元131形成总共有两个透镜，即，一个凸透镜G7和一个凹透镜G8，而正(+)光焦度的第二校正单元132总共形成有两个结合在一起的透镜，即，一个凸透镜G9和一个凹透镜G10。当然，透镜的数目不限于该特定实施例所用的四个透镜。也可以使用其它数目的透镜。

下面将描述第一和第二校正透镜单元131、132的光学特性。

当第一校正透镜单元131的焦距用ff(G7，G8)表示，而第二校正透镜单元132的焦距用fr(G9，G10)表示时，满足条件：|ff/fr|＜1.9。

表1示出了根据本发明的一个实施例的第三透镜单元130的透镜数据。表1的数值列从左到右依次安置透镜表面、表面曲率半径、到下一表面的中心距离D，和安置在所述表面的右侧上的介质的折射率，以及色散。表1还包括一个备注列。

表1

表面号	半径	距离(mm)	折射率	色散	备注
						1	50.01	0.65	1.846	23.9
2	18.62	3.1	1.603	60.7
						3	-57.89	0.15
4	13.57	1.8	1.772	49.6
						5	28.51	0.5
6	40.90	0.4	1.883	40.9
						7	4.53	1.98
8	-6.43	0.5	1.665	55.2	非球面
						9	6.16	1.8	1.846	23.9
10	-28.50	13.85
						11	停止	0.1
12	35.34	1.65	1.606	27.4	非球面
						13	-7.09	0.27			非球面
14	-6.8	0.55	1.696	55.6
						15	20.29	0.7
16	22.58	2.5	1.690	48.4
						17	-5.16	0.6	1.563	45.1
18	无穷大	4.02
						19	12.21	1.95	1.487	70.4
20	-16.41	0.45	1.846	23.9
						21	66.79	0.12
22	13.75	2.2	1.514	63.1	非球面
						23	-8.58	1.0			非球面
24	无穷大	2.3	1.516	64.1
						25	无穷大	11	1.589	61.2
26	无穷大

表2

	距离5(mm)	距离10(mm)	距离18(mm)
				广(55度)	0.5	13.86	4.02
中(24.2度)	6.99	7.36	2.71
				远(5.9度)	13.61	0.74	3.94

等式1

非球面表达式

Xa＝CY2/(1+(1-(K+1)C2Y2)1/2)+AY4+BY6+CY8+DY10

表面8-非球面系数

K：-2.060369

A：-.987313E-03  B：0.298559E-05  C：-.470051E-05D：0.108446E-06

表面12-非球面系数

K：0

A：-.928830E-04  B：0.195716E-04  C：0，D：0

表面13-非球面系数

K：0

A：0.199317E-03  B：0.249446E-04  C：0  D：0

表面22-非球面系数

K：0

A：-.195462E-03  B：-.146425E-04  C：0  D：0

表面23-非球面系数

K：0

A：0.450217E-03  B：-.138232E-04  C：0  D：0

如图3B所示，设置在上述形成的第三透镜单元130中的该第二校正透镜单元132通过特定的致动器的动力(dynamic power)沿着垂直于光轴L的方向上下移动，并执行手抖动校正。

该第四透镜单元140具有校正通过第三透镜单元130的图像的一个凸透镜G12和一个凹透镜G11。该第四透镜单元140具有正(+)光焦度。该第四透镜单元140沿光轴L移动，并执行根据变焦操作而进行像点移动校正，并伴随根据第四透镜单元140与物体之间距离变化而的聚焦操作。

该OLPF 150过滤入射光波长，以使波长低于一定的带宽，这样通过透镜单元110、120、130和140并聚焦在CCD组件170上的光就不会形成噪点。

该棱镜组件160根据颜色分解被过滤的光，并将经分解的色光传送给CCD组件170。

该CCD组件170形成为3-CCD模式，每个颜色R、G和B具有一个CCD，以便使通过棱镜组件160的各分解光能根据颜色聚焦成为图像。

当fw表示广角端的焦距、ft表示远摄端的焦距，bflw表示广角端的后焦距，bflt表示远摄端的后焦距时，根据本发明该方面的变焦透镜光学系统满足条件：bflw/fw＞3.7，且bflt/ft＞0.2。当总焦距为从第一透镜单元到第三透镜单元的距离、fmw表示广角端的总焦距，fmt表示远摄端的总焦距时，根据本发明该方面的变焦透镜光学系统还满足条件：0＜fm/fam＜0.2，fm、fw和ft之间的关系与fam、fmw和fmt间的关系可限定为：

$\mathrm{fm}=\sqrt{\mathrm{fw}\×\mathrm{ft}},\mathrm{fam}=\sqrt{\mathrm{fmw}\×\mathrm{fmt}}$

下文将参照附图，描述根据本发明该方面的变焦透镜光学系统的操作过程。

当用户使用设有根据本发明的该方面的变焦透镜光学系统的可携式摄像机或者照相机时，因手抖动导致的图像抖动(jitter)经常会发生。为了自动的校正这样的图像变化，特定的控制单元测量因手抖动造成的形成在CCD组件170上的图像的移动量。如图3B所示，通过结合在一起的两个正(+)光焦度的第二校正透镜单元132的上下移动来执行这样的校正操作，其中第二校正透镜单元件132设置在第三透镜单元130中。

如果该第三透镜单元130分成负(-)光焦度的第一校正透镜单元131和正(+)光焦度的第二校正透镜单元132，那么就可以校正抖动，手抖动校正时就可以使第三透镜单元130中的透镜的移动最小化，这样就可以使像差变化最小化。

图4A是示出了沿中线不发生手抖动的稳定状态下的球面像差的曲线图。具体而言，图4A示出了在0.0顶部表面、0.5顶部表面、0.7顶部表面以及1.0顶部表面上的球形线段(segment line)中波长为0.486μm的光的球面像差a，波长为0.5876μm的光的球面像差b和波长为0.6563μm的光的球面像差c。

图4B是示出了在光轴L之上通过第三透镜单元130的第二校正透镜单元132的垂直地上下运动而进行手抖动校正后，各波长的球面像差的曲线图。如图4A和4B的曲线图所示，在手抖动校正之前和之后，沿中线的球面像差很小或者几乎没有差别，这表示通过本发明的手抖动校正操作，图像在与固定状态相似的状态下形成。换句话说，本发明的该实施例实现了在手抖动之后所捕获的图像大体上与手抖动之前所捕获的图像相似。

此外，图5A示出了没有抖动的稳定状态下根据颜色分布的像差特性，图5B是一个显示了在光轴L之上通过第三透镜单元130的第二校正透镜单元132的垂直移动而在手抖动校正之后根据颜色分布的像差特性曲线图。如图5A和5B所示，数值和形状变化很小或者几乎没有变化，这表示，根据形成在CCD组件170上的图像的像差特性被恒定地保持。因此，用户所导致的手抖动现象通过本发明适当地进行了校正。

如上所述的本发明的一方面在手抖动校正时可以最小化像差变化，并在OIS应用时获得高的清晰度(resolution)，因为用于校正手抖动的第三透镜单元形成具有负(-)和正(+)光焦度的多个透镜的透镜组。

此外，由于第三透镜单元的移动距离较短，在手抖动校正时像差变化最小化可以减小当透镜移动时的驱动载荷，因此本发明可以提高响应速度。

尽管已经示出和说明了本发明的一些具体实施例，本领域的技术人员可以理解，在不脱离权利要求所限定的范围、本发明的宗旨和精神的情况下，可以对这些实施方式进行各种变化。

Claims (21)

1.一种变焦透镜光学系统，包括：

第一透镜单元，所述第一透镜单元定位在光轴上，并会聚入射图像的入射光；

第二透镜单元，所述第二透镜单元定位在光轴上，并改变入射图像的尺寸；

第三透镜单元，所述第三透镜单元具有负光焦度的第一透镜校正单元和正光焦度的第二透镜校正单元，并将由所述第二透镜单元改变的入射图像传送到第四透镜单元；以及

第四透镜单元，所述第四透镜单元定位在聚焦通过第三透镜单元的入射图像的光轴上。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一校正透镜单元包括相互间隔开的两个透镜。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二校正透镜单元包括结合在一起的两个透镜。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二校正透镜单元包括结合在一起的两个透镜。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二校正透镜单元沿垂直于光轴的方向移动基本上与入射图像的被测量的移动距离相同的距离。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一校正透镜单元的焦距用ff表示，所述第二校正透镜单元的焦距用fr表示，所述第一和第二校正透镜单元被安置在满足条件|ff/fr|＜1.9的构造中。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括：

广角端，所述广角端的焦距用fw表示，后焦距用bflw表示；和

远摄端，所述远摄端的焦距用ft表示，后焦距用bflt表示，其中所述系统的结构被安置在满足条件bflw/fw＞3.7和bflt/ft＞0.2的构造中。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括：

广角端，广角端的焦距用fw表示，总的焦距长度用fmw表示；和

远摄端，所述远摄端的焦距用ft表示，总焦距用fmt表示，其中所述总焦距fmw和fmt表示从所述第一透镜单元到所述第三透镜单元的距离，所述系统被安置在满足下述条件的构造中：

$\mathrm{fm}=\sqrt{\mathrm{fw}\×\mathrm{ft}},$ 且 $\mathrm{fam}=\sqrt{\mathrm{fmw}\×\mathrm{fmt}}.$

9.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一校正透镜单元的焦距用ff表示，所述第二校正透镜单元的焦距用fr表示，所述第一和第二校正透镜单元被安置在满足条件|ff/fr|＜1.9的构造中。

10.根据权利要求5所述的系统，还包括：

广角端，所述广角端的焦距用fw表示，后焦距用bflw表示；和

远摄端，所述远摄端的焦距用ft表示，后焦距用bflt表示，其中所述系统被安置在满足条件bflw/fw＞3.7且bflt/ft＞0.2的构造中。

11.根据权利要求5所述的系统，其还包括：

广角端，所述广角端的焦距用fw表示，总焦距用fmw表示；和

远摄端，所述远摄端的焦距用ft表示，总焦距用fmt表示，其中所述总焦距fmw和fmt表示从所述第一透镜单元到所述第三透镜单元的距离，且所述系统被安置在满足条件 $\mathrm{fm}=\sqrt{\mathrm{fw}\×\mathrm{ft}},$ 且 $\mathrm{fam}=\sqrt{\mathrm{fmw}\×\mathrm{fmt}}$ 的构造中。

12.一种变焦透镜光学系统，包括：

透镜系统，所述透镜系统具有定位在光轴上的透镜，所述透镜系统会聚入射图像的入射光，改变入射图像的尺寸，并聚焦入射图像；以及

透镜单元，所述透镜单元定位在光轴上，所述透镜单元校正由于所述变焦光学系统的抖动所导致的图像抖动，且具有相反的光焦度的透镜校正单元。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述透镜单元还包括负光焦度的第一透镜校正单元和正光焦度的第二透镜校正单元。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述入射图像在入射到所述第二透镜校正单元上之前入射到所述第一透镜校正单元上。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一校正透镜单元包括相互间隔开的两个透镜。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第二校正透镜单元包括结合在一起的两个透镜。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述第二校正透镜单元包括结合在一起的两个透镜。

18.根据权利要求14所述的系统，其中所述第二校正透镜单元沿垂直于光轴的方向移动基本上与入射图像的被测量的移动距离相同的距离。

19.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一校正透镜单元的焦距用ff表示，所述第二校正透镜单元的焦距用fr表示，所述第一和第二校正透镜单元被安置在满足条件|ff/fr|＜1.9的构造中。

20.根据权利要求14所述的系统，还包括：

广角端，所述广角端的焦距用fw表示，后焦距用bflw表示；和

远摄端，所述远摄端的焦距用ft表示，后焦距bflt表示，其中所述系统被安置在满足条件bflw/fw＞3.7且bflt/ft＞0.2的构造中。

21.根据权利要求14所述的系统，还包括：

广角端，所述广角端的焦距用fw表示，总焦距用fmw表示；和

远摄端，所述远摄端的焦距用ft表示，总焦距用fmt表示，其中所述总焦距fmw和fmt表示从所述第一透镜单元到所述第三透镜单元的距离，且所述系统被安置在满足条件 $\mathrm{fm}=\sqrt{\mathrm{fw}\×\mathrm{ft}}$ 且 $\mathrm{fam}=\sqrt{\mathrm{fmw}\×\mathrm{fmt}}$ 的构造中。

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