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CN103033913A - 变焦镜头及成像装置 - Google Patents

变焦镜头及成像装置 Download PDF

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CN103033913A
CN103033913A CN2011102928800A CN201110292880A CN103033913A CN 103033913 A CN103033913 A CN 103033913A CN 2011102928800 A CN2011102928800 A CN 2011102928800A CN 201110292880 A CN201110292880 A CN 201110292880A CN 103033913 A CN103033913 A CN 103033913A
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CN
China
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lens
zoom lens
zoom
positive light
light coke
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Application number
CN2011102928800A
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English (en)
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彭芳英
黄海若
王圣安
柳晓娜
李安泽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Original Assignee
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Hon Hai Precision Industry Co Ltd
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Publication date
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Priority to TW100138177A priority patent/TWI448726B/zh
Priority to US13/300,670 priority patent/US8456749B2/en
Priority to JP2012102572A priority patent/JP2013083921A/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G02B15/144—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having four groups only
    • G02B15/1441—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having four groups only the first group being positive
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Abstract

一种变焦镜头，包括沿光轴从物侧到像侧方向依次设置的一个正光焦度的第一透镜组、一个负光焦度的第二透镜组、一个正光焦度的第三透镜组以及一个正光焦度的第四透镜组。该变焦镜头满足条件式0.15<|L3|/Lt<0.25，其中，L3为所述变焦镜头由广角状态到望远状态切换过程中所述第三透镜组沿光轴的移动量，Lt为所述变焦镜头处于望远状态时，所述第一透镜的靠近物侧的表面沿光轴到所述变焦镜头成像面的长度。本发明还涉及一种具有所述变焦镜头的成像装置。

Description

变焦镜头及成像装置
技术领域
本发明涉及一种变焦镜头及具有该变焦镜头的成像装置，尤其涉及一种变焦镜头及具有该变焦镜头的成像装置。
背景技术
随着技术的发展，当今很多成像装置，例如数码相机、数码摄像机、监视器等，都追求小型化、高变焦性能以及出色的成像性能。
然而，成像装置的小型化通常会降低成像装置的变焦性能以及成像性能，而提升变焦性能以及成像性能一般以增加成像装置的镜头长度以及体积为代价，因此如何在维持成像装置轻、薄化的同时，使成像装置具有高变焦性能以及出色成像性能，是各厂商亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种小型化且具有高变焦性能的变焦镜头以及具有该变焦镜头的成像装置。
一种变焦镜头，包括沿光轴从物侧到像侧方向依次设置的一个正光焦度的第一透镜组、一个负光焦度的第二透镜组、一个正光焦度的第三透镜组以及一个正光焦度的第四透镜组。该变焦镜头满足条件式0.15<|L3|/Lt<0.25，其中，L3为所述变焦镜头由广角状态到望远状态切换过程中所述第三透镜组沿光轴的移动量，Lt为所述变焦镜头处于望远状态时，所述第一透镜的靠近物侧的表面沿光轴到所述变焦镜头成像面的长度。
一种成像装置，包括一个变焦镜头以及一个影像感测装置。所述变焦镜头的光轴与所述影像感测装置的中心正设置。所述变焦镜头包括沿光轴从物侧到像侧方向依次设置的一个正光焦度的第一透镜组、一个负光焦度的第二透镜组、一个正光焦度的第三透镜组以及一个正光焦度的第四透镜组。该变焦镜头满足条件式0.15<|L3|/Lt<0.25，其中，L3为所述变焦镜头由广角状态到望远状态切换过程中所述第三透镜组沿光轴的移动量，Lt为所述变焦镜头处于望远状态时，所述第一透镜的靠近物侧的表面沿光轴到所述变焦镜头成像面的长度。
相对于现有技术，所述变焦镜头尽管维持了较小的尺寸，且具有高变焦比的同时，但其产生的球差、场曲及畸变却被控制或修正在较小的范围，因此具备较好的成像性能。
附图说明
图1为本发明第一实施方式提供的变焦镜头处于广角状态的结构示意图。
图2为图1的变焦镜头处于望远状态的示意图。
图3为图1的变焦镜头的像差图。
图4为图1的变焦镜头的场曲图。
图5为图1的变焦镜头的畸变图。
图6为图2的变焦镜头的像差图。
图7为图2的变焦镜头的场曲图。
图8为图2的变焦镜头的畸变图。
图9为本发明第二实施方式提供的变焦镜头处于广角状态的结构示意图。
图10为图9的变焦镜头处于望远状态的示意图。
图11为图9的变焦镜头的像差图。
图12为图9的变焦镜头的场曲图。
图13为图9的变焦镜头的畸变图。
图14为图10的变焦镜头的像差图。
图15为图10的变焦镜头的场曲图。
图16为图10的变焦镜头的畸变图。
主要元件符号说明
成像装置 100、200
变焦镜头 10、10a
第一透镜组 11
第一透镜 111
第二透镜 112
第二透镜组 12
第三透镜 121
第四透镜 122
第五透镜 123
第三透镜组 13、13a
第六透镜 131
第七透镜 132
第八透镜 133、133a
第四透镜组 14、14a
光圈 15
影像感测装置 20
成像面 21
滤光片 22
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1及图2，其为本发明第一实施方式所提供的成像装置100。所述成像装置100包括一个变焦镜头10以及一个影像感测装置20，所述变焦镜头10的光轴与所述影像感测装置20的中心正设置。
所述变焦镜头10从物侧至像侧依次包括一个具有正光焦度的第一透镜组11、一个具有负光焦度的第二透镜组12、一个具有正光焦度的第三透镜组13、一个具有正光焦度的第四透镜组14、一个位于所述第二透镜组12与第三透镜组13之间的光圈15。所述变焦镜头10通过沿光轴移动所述第一透镜组11、第二透镜组12、第三透镜组13及第四透镜组14进行变焦，另外，在变焦过程中，所述第四透镜组14还用于补偿变焦过程及物距变化所造成的成像面位置变动。所述变焦镜头10的调整至最小焦距时，处于广角状态，所述变焦镜头10调整至最大焦距时，处于望远状态。
所述第一透镜组11从物侧到像侧依次包括一个具有负光焦度的第一透镜111及一个具有正光焦度的第二透镜112。所述第一透镜111与第二透镜112均为球面透镜。所述第一透镜111呈新月形，其包括一个朝向物侧凸出的第一表面和一个朝向像侧内凹的第二表面。所述第二透镜112呈新月形，其包括一个朝向物侧凸出的第三表面和一个朝向像侧内凹的第四表面。所述第一透镜111的第二表面与所述第二透镜112的第四表面相互胶合，所述相互胶合的第一透镜111以及第二透镜112组成所述第一透镜组11。
所述第二透镜组12从物侧到像侧依次包括一个具有负光焦度的第三透镜121、一个具有负光焦度的第四透镜122及一个具有正光焦度的第五透镜123。所述第三透镜121、第四透镜122与第五透镜123均为球面透镜。所述第三透镜121呈新月形，其包括一个朝向物侧凸出的第五表面和一个朝向像侧内凹的第六表面。所述第四透镜122为凹透镜，其包括一个朝向物侧内凹的第七表面和个一朝向像侧内凹的第八表面。所述第五透镜123为凸透镜，其包括一个朝向物侧凸出的第九表面和一个朝向像侧内凹的第十表面。
所述第三透镜组13从物侧到像侧依次包括一个具有正光焦度的第六透镜131、一个具有负光焦度的第七透镜132、一个具有正光焦度的第八透镜133。所述第六透镜131为非球面透镜，所述第七透镜132与第八透镜133均为球面透镜。所述第六透镜131包括一个朝向物侧凸出的第十一表面和一个朝向像侧凸出的第十二表面。所述第七透镜132包括一个朝向物侧凸出的第十三表面和一个朝向像侧内凹的第十四表面。所述第八透镜133包括一个朝向物侧内凹的第十五表面和一个朝向像侧凸出的第十六表面。
所述第四透镜组14为具有正光焦度的第九透镜。所述第九透镜为球面透镜。所述第九透镜包括一个朝向物侧内凹的第十七表面和一个朝向像侧凸出的第十八表面。
所述影像感测装置20包括一个成像面21以及一个位于所述成像面21物侧的滤光片22。所述滤光片22用于滤除特定波长的光。
所述变焦镜头10满足以下条件式：
(1) 0.15<|L3|/Lt<0.25；
其中，L3为所述变焦镜头10由广角状态到望远状态切换过程中所述第三透镜组13沿光轴的移动量，此处设定所述第三透镜组由物侧至像侧的移动量为负值，由像侧至物侧的移动量为负；Lt为所述变焦镜头10处于望远状态时，所述第一透镜111的第一表面沿光轴到所述变焦镜头10的成像面（即所述成像面21）的长度。
条件式(1)能够较好地平衡所述变焦镜头的总体长度以及光学性能，使得所述变焦镜头在保持紧凑的同时，具备较好的成像性能。
优选地，所述变焦镜头10还满足以下条件：
(2) 0.045<                                               
Figure 2011102928800100002DEST_PATH_IMAGE001
<1.95；
其中，
Figure 2011102928800100002DEST_PATH_IMAGE002
为所述第三透镜组13的有效焦距，
Figure 2011102928800100002DEST_PATH_IMAGE003
为所述变焦镜头10处于望远状态时有效焦距，
Figure 2011102928800100002DEST_PATH_IMAGE004
为所述变焦镜头10处于广角状态时的有效焦距。
条件式(2)使得所述变焦镜头10同时满足高变焦比的设计以及超广角视野的要求，维持所述变焦镜头10紧凑的同时，又能较好地纠正像差。
所述变焦镜头10还通过移动所述第三透镜组13的方式进行抖动的光学补偿，优选地，所述变焦镜头10还满足以下条件：
(3) 0.15<
Figure 305047DEST_PATH_IMAGE002
/
Figure 948518DEST_PATH_IMAGE003
<0.25；
条件式(3)使得第三透镜组13移动较小的距离达到抖动的光学补偿，以增加所述变焦镜头10的抖动补偿的反应速度。
优选地，所述变焦镜头10还满足以下条件：
(4) 55<|V7-V8|<70；
其中，V7为所述第七镜片的阿贝数，V8为所述第八镜片的阿贝数。
条件式（3）使得所述变焦镜头10在维持成像性能的前提下，具有较高的变焦比。
具体的，本实施方式中，所述成像装置100的各光学元件的光学参数的值如表1至表3所示，其中，表1至表3中各参数的含义如下：
R：表面的曲率半径；
D：对应表面到后一个表面在光轴上的距离；
Nd：镜片的折射率；
Vd：镜片的阿贝系数；
f：变焦镜头10的有效焦距；
D4：从第四表面到第五表面沿光轴上的距离；
D10：从第十表面到第十一表面沿光轴上的距离；
D16：从第十六表面到第十七表面沿光轴上的距离；
D18：从第十八表面到所述滤光片物侧表面沿光轴上的距离。
表 1
表面 表面类型 R(mm) D(mm) Nd Vd
第一表面 球面 17.22021 0.48 2.001003 29.134715
第二表面/第三表面 球面 10.21879 2.955 1.804200 46.502535
第四表面 球面 73.91341 D4 - -
第五表面 球面 30.21305 0.4 1.883000 40.805404
第六表面 球面 4.154824 2 - -
第七表面 球面 -15.62686 0.35 1.729160 54.673513
第八表面 球面 31.40399 0.075 - -
第九表面 球面 8.063187 1.062 2.002723 19.317191
第十表面 球面 19.60882 D10 - -
光圈 - 无穷大 0.25 - -
第十一表面 非球面 3.904443 1.242 1.693500 53.200779
第十二表面 非球面 103.9837 0.232 - -
第十三表面 球面 6.443325 0.845 1.922860 18.896912
第十四表面 球面 3.393499 0.69 - -
第十五表面 球面 -33.9678 0.62 1.496997 81.608379
第十六表面 球面 -8.734793 D16 - -
第十七表面 球面 -22.28714 1.85 1.496997 81.608379
第十八表面 球面 -7.454892 D18 - -
滤光片 平面 无穷大 0.8 1.516 64.1
成像面 平面 无穷大 - - -
表 2
变焦镜头所处变焦状态 f D4 D10 D16 D18
广角状态 4.586 0.4 9.033 2.05 4.995
中间焦距状态 18.32 11.257 3.322 12.681 2
望远状态 34.939 17.106 1.297 14.596 1.61
表3
非球面系数 第十一表面 第十二表面
k 0.410787 665.2078
A4 -0.00011593348 0.0037053259
A6 0.000085725109 0.00075722376
A8 0.00020739289 -0.00036146427
A10 -0.000060320058 0.00030799676
A12 0.0000048226882 -0.00010332042
A14 0.0000017847423 0.000016711619
A16 -0.00000019630506 -0.00000068980054
其中，非球面面型表达式如下：
其中，为从光轴到透镜表面的高度，k是二次曲面系数，
Figure 2011102928800100002DEST_PATH_IMAGE007
为第i阶的非球面面型系数，c为镜面表面中心的曲率。
本实施方式中，所述变焦镜头10的在不同变焦状态下的光圈数以及对应的视场角如表4所示，其中，2ω为变焦镜头10的视场角；FNo为变焦镜头10的光圈数。
表4
变焦镜头所处变焦状态 FNo 2ω(度)
广角状态 2.97 89
中间焦距状态 5.0 25.3
望远状态 5.5 13.5
由表1和表2中的各参数值可以得到条件式（1）-（4）的参数如表5所示：
表5
参数 L3 Lt f3 ft fw V7 V8
值 -9.16 48.97 8.04 34.94 4.59 18.9 81.6
另外可以计算得出|L3|/Lt值大约为0.187，
Figure 424630DEST_PATH_IMAGE001
的值大约为0.05，
Figure 153551DEST_PATH_IMAGE002
/的值大约为0.23，V7-V8的值大约为-62.7。
所述变焦镜头10可以实现8倍光学变焦，对符合上述条件的成像装置100进行测试时，采样的光线波长分别为436纳米、486纳米、546纳米、588纳米以及656纳米。
所述变焦镜头10处于广角状态时的像差、场曲以及畸变分别如图3至图5所示。图3中曲线a1-a5分别为波长为436纳米、486纳米、546纳米、588纳米以及656纳米的光线于成型装置100中的像差曲线（下同）。图4中，曲线t及s分别为子午场曲特性曲线及弧矢场曲特性曲线，其中t1-t5分别为波长为436纳米、486纳米、546纳米、588纳米以及656纳米的光线的子午场曲特性曲线，s1-s6分别为波长为436纳米、486纳米、546纳米、588纳米以及656纳米的光线的弧矢场曲特性曲线（下同）。在所述变焦镜头10处于广角状态时，所述成像装置100的像差量被控制在-0.10至0.08之间，场曲量被控制在-0.04mm至0.08mm之间，畸变量被控制在-12%至0之间。
所述变焦镜头10处于望远状态时的像差、场曲以及畸变分别如图6至图8所示。可知，在所述变焦镜头10处于望远状态时，所述成像装置100的像差量被控制在-0.3至0.5之间，场曲量被控制在-0.32mm至0.56mm之间，畸变量被控制在-7%至0之间。
综前，尽管变焦镜头10的维持了较小的尺寸，且具有高变焦比的同时，但其产生的球差、场曲及畸变却被控制或修正在较小的范围内。
请参阅图9-10，其为本发明第二实施方式所提供的成像装置200。与第一实施方式相比，所述成像装置200的第三透镜组13a中的第八透镜133a的第十五表面朝向物侧凸出，第四透镜组14a的第十透镜为非球面透镜。
本实施方式中的变焦镜头10a同样需满足第一实施方式中的条件（1）至条件式（4）。
具体的，本实施方式中，所述成像装置200的各光学元件的光学参数的值如表6至表8所示，其中表6至表8中各参数的含义与第一实施方式相同。
表 6
表面 表面类型 R(mm) D(mm) Nd Vd
第一表面 球面 15.90384 0.48 2.001003 29.134715
第二表面/第三表面 球面 9.777388 2.955 1.804200 46.502535
第四表面 球面 46.94601 D4 - -
第五表面 球面 25.18727 0.4 1.883000 40.805404
第六表面 球面 4.086963 2 - -
第七表面 球面 -26.08895 0.35 1.729160 54.673513
第八表面 球面 15.03196 0.075 - -
第九表面 球面 7.094077 1.062 2.002723 19.317191
第十表面 球面 14.75046 D10 - -
光圈 - 无穷大 0.25 - -
第十一表面 非球面 3.994934 1.242 1.693500 53.200779
第十二表面 非球面 -218.5659 0.232 - -
第十三表面 球面 6.057806 0.845 1.922860 18.896912
第十四表面 球面 3.250027 0.69 - -
第十五表面 球面 14.11827 0.62 1.496997 81.608379
第十六表面 球面 -39.91605 D16 - -
第十七表面 非球面 -17.63791 1.85 1.531131 55.753858
第十八表面 非球面 -8.030745 D18 - -
滤光片 平面 无穷大 0.8 1.516 64.1
成像面 平面 无穷大 - - -
表 7
变焦镜头所处变焦状态 f D4 D10 D16 D18
广角状态 4.59 0.4 9.194 3.144 3.74
中间焦距状态 18.32 10627 2.84 12.635 2
望远状态 34.94 18.304 1.297 13.398 1.61
表8
非球面系数 第十一表面 第十二表面 第十七表面 第十八表面
k 0.4224068 665.2078 0 0
A4 -1.9103235×10-4 3.4826645×10-3 1.2500546×10-3 1.9397925×10-3
A6 -8.8052476×10-5 3.2837747×10-4 1.9121893×10-4 1.4044656×10-4
A8 2.232613×10-4 -3.0253524×10-4 -1.3631872×10-5 -3.2052117×10-6
A10 -5.5652128×10-5 0.00032280731 3.715308×10-7 -7.2218202×10-7
A12 4.080371×10-6 -1.077947×10-4 8.0259183×10-9 8.7218075×10-8
A14 1.3592509×10-6 1.5561491×10-5 1.1934615×10-10 -2.9079321×10-9
A16 -1.3754611×10-7 -5.0671169×10-7 -4.0113779×10-11 -7.8706165×10-12
其中，非球面面型表达式如下：
Figure 730343DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 564307DEST_PATH_IMAGE006
为从光轴到透镜表面的高度，k是二次曲面系数，
Figure 514946DEST_PATH_IMAGE007
为第i阶的非球面面型系数，c为镜面表面中心的曲率。
本实施方式中，所述变焦镜头10的在不同变焦状态下的光圈数以及对应的视场角如表4所示，其中，2ω为变焦镜头10的视场角；FNo为变焦镜头10的光圈数。
表9
变焦镜头所处变焦状态 FNo 2ω(度)
广角状态 3.1 86
中间焦距状态 5 24.26
望远状态 5.5 13
由表6和表7中的各参数值可以得到条件式（1）-（4）的参数如表10所示：
表10
参数 L3 Lt f3 ft fw V7 V8
值 8.124 48.97 7.46 34.94 4.59 18.9 81.6
另外可以计算得出|L3|/Lt值大约为0.166，的值大约为0.047，
Figure 749935DEST_PATH_IMAGE002
/
Figure 426904DEST_PATH_IMAGE003
的值大约为0.21，V7-V8的值大约为-62.7。
所述变焦镜头10a可以实现8倍光学变焦，对符合上述条件的成像装置200进行测试时，采样的光线波长分别为436纳米、486纳米、546纳米、588纳米以及656纳米。
所述变焦镜头10a处于广角状态时的像差、场曲以及畸变分别如图11至图13所示。在所述变焦镜头10a处于广角状态时,所述成像装置200的像差量被控制在-0.06mm至0.08mm之间，场曲量被控制在0.01mm至0.08mm之间，畸变量被控制在-10%至0之间。
所述变焦镜头10a处于望远状态时的像差、场曲以及畸变分别如图14至图16所示。可知，在所述变焦镜头10a处于望远状态时，所述成像装置200的像差量被控制在-0.2mm至0.5mm之间，场曲量被控制在-0.24mm至0.56mm之间，畸变量被控制在-3%至0之间。
综前，尽管变焦镜头10a的维持了较小的尺寸，且具有高变焦比的同时，但其产生的球差、场曲及畸变却被控制或修正在较小的范围。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，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的内。

Claims (9)

1.一种变焦镜头，包括沿光轴从物侧到像侧方向依次设置的一个正光焦度的第一透镜组、一个负光焦度的第二透镜组、一个正光焦度的第三透镜组以及一个正光焦度的第四透镜组，该变焦镜头满足条件式0.15<|L3|/Lt<0.25，其中，L3为所述变焦镜头由广角状态到望远状态切换过程中所述第三透镜组沿光轴的移动量，Lt为所述变焦镜头处于望远状态时所述第一透镜的靠近物侧的表面沿光轴到所述变焦镜头成像面的长度。
2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头满足条件式0.045<                                               <1.95，其中
Figure 2011102928800100001DEST_PATH_IMAGE002
为所述第三透镜组的有效焦距，
Figure 2011102928800100001DEST_PATH_IMAGE003
为所述变焦镜头处于望远状态时有效焦距，
Figure 2011102928800100001DEST_PATH_IMAGE004
为所述变焦镜头处于广角状态时的有效焦距。
3.如权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于，该变焦镜头还满足条件式0.15<
Figure 975325DEST_PATH_IMAGE002
/<0.25。
4.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜组自物侧至像侧包括一个具有负光焦度的第一透镜及一个具有正光焦度的第二透镜，所述第一透镜与第二透镜均为球面透镜。
5.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜组从物侧到像侧依次包括一具有负光焦度的第三透镜、一具有负光焦度的第四透镜及一具有正光焦度的第五透镜。
6.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜组自物侧至像侧包括一个具有正光焦度的第六透镜、一个具有负光焦度的第七透镜、一个具有正光焦度的第八透镜。
7.如权利要求6所述的变焦镜头，其特征在于，所述第六透镜为非球面透镜，所述第七透镜与第八透镜均为球面透镜。
8.如权利要求6所述的变焦镜头，其特征在于，该变焦镜头还满足条件式55<|V7-V8|<70，其中，V7为所述第七透镜的阿贝数，V8为所述第八透镜的阿贝数。
9.一种成像装置，包括一个变焦镜头以及一个影像感测装置，所述变焦镜头的光轴与所述影像感测装置的中心正设置，所述变焦镜头包括沿光轴从物侧到像侧方向依次设置的一个正光焦度的第一透镜组、一个负光焦度的第二透镜组、一个正光焦度的第三透镜组以及一个正光焦度的第四透镜组，该变焦镜头满足条件式0.15<|L3|/Lt<0.25，其中，L3为所述变焦镜头由广角状态到望远状态切换过程中所述第三透镜组沿光轴的移动量，Lt为所述变焦镜头处于望远状态时所述第一透镜的靠近物侧的表面沿光轴到所述变焦镜头成像面的长度。
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