浅谈变焦镜头的发展

浅谈变焦镜头的发展

叶凤娟

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心天津300304

摘要：变焦镜头的出现满足了人们随意控制成像大小的需求，随着发展，变焦镜头不断应用在各种领域，其中，照相机、手机等的应用与人们的生活息息相关。本文主要介绍了变焦镜头的工作原理，并基于变焦镜头的专利分析，展现了变焦镜头的发展现状，最后，针对发展方向做了进一步预测。

关键词：变焦镜头；光学补偿；机械补偿；柔性变焦镜头

很多光学仪器都要求光学系统的放大倍率能够变化，使其同一仪器既能看到大视场、低倍率的总体，又能仔细观察小视场、高倍率的局部，更换镜头是一种常用的方法，例如显微物镜等，然而这种更换物镜断续变焦的方法使其成像大小突然变化。为使成像大小连续变化，变焦镜头应运而生。近年来，变焦镜头技术迅速发展，无论是在成像质量方面还是在变倍比范围、外形尺寸、视场范围等方面都获得了很大的突破，使变焦镜头的应用领域越来越广泛，从摄像仪器到照相机、望远镜、显微镜、监控系统、机器视觉，再到拍照手机，其在我们的日常生活、艺术和工作中发挥着重要作用。

1变焦镜头的工作原理

变焦镜头的工作原理即通过焦距在一定范围内连续变化而像面保持稳定且在变焦过程中像质保持良好，在现代的技术条件下，很难实现单个镜头的焦距按一定规律变化，只能令变焦镜头系统中的某些间隔的变化，达到整个变焦镜头的总焦距的变化。根据变焦补偿方式的不同，变焦镜头可以分为机械补偿法变焦镜头和光学补偿法变焦镜头。

1.1光学补偿法

采用几组镜头作为两个或多个移动镜头组，各移动镜头组的移动同向等速，只需用简单的机构把各镜头组连在一起即可。但由于光学补偿法变焦镜头各镜头组必须移动到某些特定的位置，才能得到稳定清晰的像面，其焦距不能连续变化，而是几个离散值，因而在使用中受到诸多限制。这种方法的优点是结构简单，容易制造；缺点是不能良好地补偿像面移动，一般不采用这种结构。

1.2机械补偿法

变焦组由变倍组和补偿组两部分组成，变倍组做线性运动，补偿组做非线性运动，通过凸轮、非线性螺纹等机构使补偿组做非线性运动来保持像面不动。其优点是可以实现最佳像面补偿，缺点是需要加入凸轮，结构复杂，制造困难，但在机械加工精度不断提高的今天，完全可以保证凸轮的准确性以使像面稳定，因而机械补偿法正成为变焦镜头中最基本的类型。机械补偿又可细分为正组补偿、负组补偿和双组联动三种形式。

1.3柔性变焦镜头

由于光学补偿和机械补偿两种传统光学变焦成像系统存在结构复杂、体积笨重、机械磨损严重、加工难度大等缺点，已无法满足智能化光学设备对自动化、智能化、微型化光学变焦系统的要求。近年来，柔性变焦镜头已引起国内外学者的广泛关注，柔性变焦镜头通常由透明弹性薄膜和透明流体介质等组成，无需机械移动即能实现焦距的调节，具有结构紧凑、控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点，可望克服传统光学系统所面临的困难。

柔性变焦镜头按照驱动机制的不同有以下几种：机械-力驱动的柔性变焦镜头、流体压力驱动的柔性变焦镜头、电磁驱动变焦镜头。由于柔性变焦镜头具有控制灵活、制造成本低、无机械磨损、易于集成等诸多优点，有可能全面覆盖传统光学镜头的应用领域，将是以后光学发展的重要热点方向之一。

2从专利看变焦镜头的发展

本文首先在德温特数据库利用IPC分类号对变焦镜头进行检索，并基于上述结果对历年的申请数量、申请人、主要地区做了分析。

2.1专利申请量年度分布

表1示出了在DWPI数据库中变焦镜头专利申请历年申请量。如图所示，2001年之前，涉及变焦镜头的专利申请在全球的年总量均未突破100件，从2003年开始，变焦镜头开始发展，并在以后数十年以井喷之势大量增加，2005年至2013年期间，专利年申请量发展平稳，2015年之后，数量有所减少，考虑到2015的部分申请尚未公开，其实际申请量很有可能大于2013年，因此，从2005年以来，变焦镜头开始急速发展，并持续稳定地处于高申请量的状态。变焦镜头的发展趋势与其应用密不可分，相机、手机、无人机图像采集、显微镜等等领域，变焦镜头都起到了不可替代的作用。

2.2专利主要申请人分布

下图表2示出了在DWPI数据库中变焦镜头主要申请人的分布情况。如图2所示，DWPI数据库中，变焦镜头的主要申请人有：佳能公司（CANO，941项），奥林巴斯（OLYU，483项），尼康公司（NIKR，468项），柯尼卡美能达（KONS，322项），松下公司（MATU，212项），宾得株式会社（ASAO，205项），富士胶片株式会社（FUJF，204项），富士能株式会社（FUOP，200项），索尼（SONY，180项），理光（RICO，177项），三星（SMSU，138项），HOYA株式会社（HOYA，94项），株式会社腾龙（TAMR-N，91项），鸿海精密公司（HONH，79项）。从上面的数据显然可以看出，日本在变焦镜头领域占据着垄断地位，具有绝对的优势。

2.3专利主要申请人分布

表3示出了在DWPI数据库中的专利申请主要地区的分布。从上图可以看出，日本的变焦镜头的申请量远远高于其他国家或地区，申请数量占主要申请地区的69%。美国和中国位居其后，美国占比12%，中国占比8%，远远落后于日本。台湾、韩国和德国也有一定数量的申请，占比分别为4%、3%、2%。从前面的表2可以看出，主要申请人没有美国和中国的公司，而有一家台湾的公司鸿海精密公司，而美国和中国的申请量大于台湾，原因可能是因为，美国和中国的变焦镜头的巨头企业较少，申请人比较分散。以上的数据更进一步说明了，变焦镜头的发展，日本一直位于前列。

3结论

从前面的分析可知，变焦镜头发展稳中有进，持续发展，随着变焦镜头的发展，人们根据需求也在不断探索开发微型化、轻薄化、智能化的变焦系统，而不断提高成像质量、变倍比、大孔径、大视场则是人们对变焦镜头孜孜以求的目标。

参考文献：

[1]刘家瑜，杨立祥．变焦镜的变焦原理与发展[J]．阜阳师范学院学报，1989，（1）．

[2]贾书海，唐振华，董君，陈花玲．柔性变焦透镜发展现状[J]．2015，8（4）．

[3]李零印，王一凡．液体变焦技术的发展与展望[J]．2012，5（6）．

[4]刘宵婵．变焦手机镜头的设计[D]．长春：长春理工大学，2009．

[5]冯蕾，王栋，冯冲，张桂源．变焦系统设计的小型化[J]．仪器仪表用户，2011，18（2）．

[6]W.J.Smith．ModernOpticalEngineering[J]．McGraw-Hill，NEWYORK，1966：300-310．

[7]程洪涛，郭世俊，吕杰，李恒宇．可调光焦度器件的变焦光学系统研究发展趋势[J]．激光与光电子学进展，2016，53：080007．

[8]刘崇进，史光辉．机械补偿法变焦镜头三个发展阶段的概况和发展方向[J]．应用光学，1992，13（2）．

[9]梅超．大口径多光谱变焦光学系统杂散光分析与抑制技术研究[D]．西安：中国科学院大学，2014．