CN107045186A - 变焦距镜头及其摄像装置 - Google Patents

变焦距镜头及其摄像装置 Download PDF

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CN107045186A CN201710310175.6A CN201710310175A CN107045186A CN 107045186 A CN107045186 A CN 107045186A CN 201710310175 A CN201710310175 A CN 201710310175A CN 107045186 A CN107045186 A CN 107045186A
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Abstract

一种变焦距镜头及其摄像装置，包括：沿光线入射方向依次设置的光焦度为正的第一透镜群、光焦度为负的第二透镜群、光阑、光焦度为正的第三透镜群、第四透镜群和第五透镜群，其中：第一透镜群、第三透镜群和第五透镜群固定，第二透镜群沿光轴从物面侧向像面侧移动进行从广角端向望远端的视场角变倍，同时第四透镜群沿光轴自像面侧向物面侧移动，完成像面的校正和调焦；摄像装置还包括：滤光片、保护玻璃、固体摄像元件，固体摄像元件的光接收面设置于变焦距镜头的成像面，滤光片和保护玻璃设置于第五透镜群与像面之间；本发明采用”正负正正正”的结构与非球面镜片，在1/2.5的小像圆径中实现”4K”性能，水平视场角达到75°的超广角。

Description

变焦距镜头及其摄像装置
技术领域
本发明涉及的是一种光学成像领域的技术，具体是一种变焦距镜头及其摄像装置。
背景技术
超高清是指国际电信联盟最新批准的”4K分辨率(3840×2160像素)”的正式名称，被定为”超高清(Ultra High-Definition,Ultra HD)”。市场上一般将720P作为高清标准，目前技术上的高清电视分辨率是1280×720像素，而将1920×1080像素的分辨率称为全高清(Full HD)。4K超高清则达到了3840×2160的物理分辨率，是1080P全高清宽高的各两倍，面积的四倍，显示设备的总像素数量达到了800万以上。虽然目前市场上的镜头仍以1080P为主流，但随着随着社会经济的发展，人民生活水平的日益提升，对于卓越画质的不断追求，应用适用于4K摄像机的超高清变焦距镜头必将是大势所趋。
在品类繁多的变焦距镜头中，有一类镜头广泛应用于视频会议、远程医疗会诊等场景，这类镜头最大的特点就是超大的视场角以及无畸变画面。一般水平视场角超过65°的镜头，就能够被称为广角镜头。但是，要想在保证无畸变画面的前提下再将视场角增大，在设计上就是一个不小的瓶颈。因此，一款水平视场角达到75°的超广角、无畸变、大倍率、低成本、高性能的适用于4K摄像机的超高清变焦距镜头的设计与生产，迫在眉睫。
发明内容
本发明针对现有技术的透镜组的镜片材质分配并不合理导致的焦点距离不够小、无法达到广角端的焦距以及75°的超广角、无畸变等技术要求，提出一种变焦距镜头及其摄像装置，采用五群”正负正正正”的透镜群组结构和三枚非球面透镜，将第二透镜群的焦距设计得尽可能小，实现水平视场角达到75°的超广角、无畸变、大倍率、低成本设计，跨越整个变倍域而良好地校正各类像差，并且性能稳定，能够适用于4K摄像机的超高清变焦距镜头。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种变焦距镜头，包括：沿光线入射方向依次设置的光焦度为正的第一透镜群、光焦度为负的第二透镜群、光阑、光焦度为正的第三透镜群、第四透镜群和第五透镜群，其中：第一透镜群、第三透镜群和第五透镜群固定，第二透镜群沿光轴从物面侧向像面侧移动进行从广角端向望远端的视场角变倍，同时第四透镜群沿光轴自像面侧向物面侧移动，完成像面的校正和调焦。
所述的第一透镜群包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜和第三透镜，其中：第一透镜与第二透镜胶合形成胶合镜片。
所述的胶合镜片的合光焦度为正，胶合面的凹面朝向像方。
所述的第一透镜满足：Nd1＞1.75，Vd1＜30，其中：Nd为折射率，Vd为阿贝数。
所述的第二透镜满足：Nd2＜1.6，Vd2＞65。
所述的第二透镜群包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为负的第四透镜、第五透镜、第六透镜和光焦度为正的第七透镜，其中：第六透镜与第七透镜胶合形成胶合镜片。
所述的胶合镜片的合光焦度为正，胶合面的凹面朝向像方。
所述的第四透镜满足：Nd4＞1.85，其中：Φ42为第四透镜后表面的有效通光口径，r42为第四透镜后表面的曲率半径。
所述的第五透镜为非球面透镜。
所述的第五透镜满足：r51＞r52＞0，其中：r51和r52分别为第五透镜前表面和后表面的曲率半径。
所述的第七透镜满足：Nd7＞1.85。
所述的光阑为可变光阑。
所述的第三透镜群包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为正的第八透镜和光焦度为负的第九透镜。
所述的第八透镜为非球面透镜。
所述的第四透镜群包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为正的第十透镜、第十一透镜和光焦度为负的第十二透镜，其中：第十一透镜与第十二透镜胶合形成胶合镜片。
所述的胶合镜片的合光焦度为负，胶合面的凹面朝向物方。
所述的第十一透镜满足：Nd11＜1.6，Vd11＞65。
所述的第五透镜群为光焦度为正的第十三透镜。
所述的第十三透镜为非球面透镜。
所述的第五透镜、第八透镜和第十三透镜的非球面表达公式为：
其中：Z为非球面沿光轴方向的高度为h时，距非球面顶点的距离矢高sag；c＝1/R，R为镜面的曲率半径，K为圆锥系数conic，A、B、C、D、E和F为高次非球面系数。
本发明涉及一种基于上述变焦距镜头的成像装置，还包括：滤光片、保护玻璃、固体摄像元件，其中：固体摄像元件的光接收面设置于变焦距镜头的成像面，滤光片和保护玻璃沿光线入射方向依次设置于第五透镜群与像面之间。
所述的固体摄像元件包括为CCD或CMOS等类型的图像传感器。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用五群”正负正正正”的透镜群组结构和三枚非球面透镜，将第二透镜群的焦距设计得尽可能小，实现了水平视场角达到75°的超广角、无畸变、大倍率、低成本设计，并且性能稳定，能够适用于4K摄像机的超高清变焦距镜头。
附图说明
图1为本发明光学结构示意图；
图2为甲实验相对于d线(λ＝587.56nm)的像差图；
图3为乙实验相对于d线(λ＝587.56nm)的像差图；
图4为丙实验相对于d线(λ＝587.56nm)的像差图；
图中：W为广角端、M为中间倍率、T为望远端对应的球面像差(LongitudinalSpherical Aber)、像散场曲线(Astigmatic Field Curves)、畸变像差(Distortion)，1为第一透镜群、2为第二透镜群、3为第三透镜群、4为第四透镜群、5为第五透镜群、6为光阑、7为成像面、8为滤光片、9为保护玻璃、G1～G13为透镜、r1～r29表示各透镜表面和元件的近轴曲率半径、d1～d28表示各透镜的厚度以及各相邻透镜之间的空气间隔。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种变焦距镜头，包括：沿光线入射方向依次设置的光焦度为正的第一透镜群1、光焦度为负的第二透镜群2、光阑6、光焦度为正的第三透镜群3、第四透镜群4和第五透镜群5，其中：第一透镜群1、第三透镜群3和第五透镜群5始终处于固定状态，第二透镜群2沿光轴从物面侧向像面侧移动进行从广角端向望远端的视场角变倍，同时第四透镜群4沿光轴自像面侧向物面侧移动，完成像面的校正和调焦，保证本实施例的像面在焦距变化过程中的稳定。
所述的第一透镜群1包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为负的第一透镜G1、光焦度为正的第二透镜G2和第三透镜G3，其中：第一透镜G1与第二透镜G2胶合形成胶合镜片。
所述的胶合镜片的合光焦度为正，胶合面的凹面朝向像方。
所述的第一透镜G1满足：Nd1＞1.75，Vd1＜30，其中：Nd为折射率，Vd为阿贝数。
所述的第二透镜G2满足：Nd2＜1.6，Vd2＞65。
所述的第二透镜群2包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为负的第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6和光焦度为正的第七透镜G7，其中：第六透镜G6与第七透镜G7胶合形成胶合镜片。
所述的胶合镜片的合光焦度为正，胶合面的凹面朝向像方。
所述的第四透镜G4满足：Nd4＞1.85，其中：Φ42为第四透镜G4后表面的有效通光口径，r42为第四透镜G4后表面的曲率半径。
所述的第五透镜G5为非球面透镜。
所述的第五透镜G5满足：r51＞r52＞0，其中：r51和r52分别为第五透镜前表面和后表面的曲率半径。
所述的第七透镜G7满足：Nd7＞1.85。
所述的光阑6为可变光阑，可随着环境光照强度的增强而进行相应的缩光圈措施。
所述的第三透镜群3包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为正的第八透镜G8和光焦度为负的第九透镜G9。
所述的第八透镜G8为非球面透镜。
所述的第四透镜群4包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为正的第十透镜G10、第十一透镜G11和光焦度为负的第十二透镜G12，其中：第十一透镜G11与第十二透镜G12胶合形成胶合镜片。
所述的胶合镜片的合光焦度为负，胶合面的凹面朝向物方。
所述的第十一透镜G11满足：Nd11＜1.6，Vd11＞65。
所述的第五透镜群5为光焦度为正的第十三透镜G13。
所述的第十三透镜G13为非球面透镜。
所述的第五透镜G5、第八透镜G8和第十三透镜G13的非球面表达公式为：
其中：Z为非球面沿光轴方向的高度为h时，距非球面顶点的距离矢高sag；c＝1/R，R为镜面的曲率半径，K为圆锥系数conic，A、B、C、D、E和F为高次非球面系数。
本实施例涉及一种基于上述变焦距镜头的摄像装置，还包括：滤光片8、保护玻璃9、固体摄像元件，其中：固体摄像元件的光接收面设置于变焦距镜头的成像面7，滤光片8和保护玻璃9沿光线入射方向依次设置于第五透镜群5与像面之间。
所述的固体摄像元件包括为CCD或CMOS等类型的图像传感器。
如图2～4所示，为验证本实施例的成像效果，采用本实施例进行了甲、乙、丙三个实验，图中横排依次为各端(广角端(Wide,W)、中间倍率(Mide,M)和望远端(Tele,T))对应的球面像差、像散场曲线和畸变像差。像差图中的IMG HT表示像面的高度，S和T分别表示弧矢像面和子午像面对应的像差，各个实验的数值数据如下(r1～r12，r14～r24依次为变焦距镜头中透镜表面的近轴曲率半径，r13为孔径光阑，r25和r26分别为滤光片8前后表面的近轴曲率半径，r27和r28分别为保护玻璃9前后表面的近轴曲率半径，r29为成像面7的近轴曲率半径；d1、d2、d4、d6、d8、d10、d11、d14、d16、d18、d20、d21、d23依次为G1～G13透镜在光轴上的厚度，d3、d5、d7、d9、d15、d17、d19和d22依次为透镜之间的距离，d12为第七透镜G7与光阑6之间的距离，d13为光阑6与第八透镜G8之间的距离，d24为第十三透镜G13与滤光片8前表面之间的距离，d25为滤光片8的厚度，d26为滤光片8后表面到保护玻璃9前表面的距离，d27为保护玻璃9的厚度，d28为保护玻璃9的后表面到成像面7的距离)：
本实施例的透镜全系焦距：4.0(广角端W)～19.0(中间焦点位置M)～52.0(望远端T)。
甲：
FNO(焦距/入瞳孔径)＝1.79(广角端W)～2.35(中间焦点位置M)～3.00(望远端T)；
半视场角(ω)＝85.89(广角端W)～20.74(中间焦点位置M)～7.65(望远端T)；
光学参数如表1所示，其中：r为各透镜表面的近轴曲率半径，d为各透镜厚度以及各相邻透镜之间的空气间隔，nd为各透镜在d线(λ＝587.56nm)的折射率，vd为各透镜在d线(λ＝587.56nm)的阿贝数。
表1透镜光学参数(单位：mm)
其中：D(5)、D(12)、D(17)和D(22)的取值如表2所示。
表2变倍数据
W M T
D(5) 0.70 31.75 43.56
D(12) 44.26 13.21 1.40
D(17) 16.40 9.37 4.20
D(22) 1.31 8.34 13.51
所述的非球面镜的圆锥系数K和非球面系数A～F的取值如表3所示，e为科学计数号，例如e-005表示10-5。
表3非球面表达公式参数值
所述的第一透镜G1满足：Nd1＝1.84666，Vd1＝23.78。
所述的第二透镜满足：Nd2＝1.49700，Vd2＝81.60。
所述的第四透镜满足：Nd4＝1.95375，
所述的第五透镜满足：r51＝44.742，r52＝17.939。
所述的第七透镜G7满足：Nd7＝2.00069。
所述的第十一透镜G11满足：Nd11＝1.43700，Vd11＝95.10。
乙：
FNO(焦距/入瞳孔径)＝1.80(广角端W)～2.40(中间焦点位置M)～3.09(望远端T)；
半视场角(ω)＝85.12(广角端W)～20.60(中间焦点位置M)～7.71(望远端T)；
光学参数如表4所示。
表4透镜光学参数
面编号 r/mm d/mm nd vd
1 95.110 1.50 1.84666 23.78
2 60.001 11.92 1.49700 81.60
3 962.130 0.10
4 55.123 6.50 1.80420 46.50
5 138.77 D(5)
6 85.146 0.80 2.00069 25.46
7 10.975 4.62
8 40.236 0.70 1.69 350 53.20
9 15.903 5.26
10 -16.005 0.80 1.60311 60.69
11 53.115 4.10 2.00100 29.13
12 -29.003 D(12)
13 ∞ 1.00
14 14.042 2.71 1.49710 81.56
15 -19.117 0.25
16 -56.126 0.65 1.74330 49.22
17 25.762 D(17)
18 22.272 2.11 1.71700 47.98
19 -43.225 2.10
20 12.005 5.10 1.49700 81.60
21 -19.557 1.80 1.78472 25.72
22 8.497 D(22)
23 -9.514 2.40 1.49710 81.56
24 989.110 1.00
25 ∞ 0.30 1.51 680 64.20
26 ∞ 1.29
27 ∞ 0.50 1.51 680 64.20
28 ∞ 1.00
29 ∞
其中：D(5)、D(12)、D(17)和D(22)的取值如表5所示。
表5变倍数据
W M T
D(5) 0.75 31.51 43.51
D(12) 44.21 13.45 1.45
D(17) 16.15 9.30 4.31
D(22) 1.56 8.41 13.40
所述的非球面镜的圆锥系数K和非球面系数A～F的取值如表6所示。
表6非球面表达公式参数值
所述的第一透镜G1满足：Nd1＝1.84666，Vd1＝23.78。
所述的第二透镜满足：Nd2＝1.49700，Vd2＝81.60。
所述的第四透镜满足：Nd4＝2.00069，
所述的第五透镜满足：r51＝40.236，r52＝15.093。
所述的第七透镜G7满足：Nd7＝2.00100。
所述的第十一透镜G11满足：Nd11＝1.49700，Vd11＝81.60。
丙：
FNO(焦距/入瞳孔径)＝1.80(广角端W)～2.45(中间焦点位置M)～3.13(望远端T)；
半视场角(ω)＝84.97(广角端W)～20.55(中间焦点位置M)～7.70(望远端T)；
光学参数如表7所示。
表7透镜光学参数
其中：D(5)、D(12)、D(17)和D(22)的取值如表8所示。
表8变倍数据
W M T
D(5) 0.65 31.70 43.55
D(12) 44.31 13.26 1.41
D(17) 16.51 9.35 4.19
D(22) 1.20 8.36 13.52
所述的非球面镜的圆锥系数K和非球面系数A～F的取值如表9所示。
表9非球面表达公式参数值
所述的第一透镜G1满足：Nd1＝1.84666，Vd1＝23.78。
所述的第二透镜满足：Nd2＝1.49700，Vd2＝81.60。
所述的第四透镜满足：Nd4＝1.95375，
所述的第五透镜满足：r51＝53.321，r52＝16.791。
所述的第七透镜G7满足：Nd7＝2.00069。
所述的第十一透镜G11满足：Nd11＝1.43700，Vd11＝95.10。
本实施例中，第一透镜G1群1采用一片具有低色散特性的光焦度为正的第二透镜，镜片边缘厚度小，能够矫正光学系统在望远端的色差，收敛蓝紫光波段，使画面颜色感真实明锐，无明显的紫边现象；第二透镜群2连续采用一片前凸后凹的球面镜片(第四透镜)与一片前凸后凹的非球面镜片(第五透镜)，两片透镜的光焦度均为负，能够有效矫正广角端的畸变，以及不同倍率的场曲、像散，实现整个变倍域的无畸变化；第三透镜群3中，第一片镜片为非球面镜片，这使得光学系统在广角端即使通光口径很大(FNO很小)时，也能够很好地矫正周边视场的球差，保证全视场均具有良好的性能；第四透镜群4将具有低色散特性的双凸的第十一透镜G11与双凹的第十二透镜G12通过胶合形成一个胶合镜片，有效地改善了镜头在各个变倍域的色差，使得镜头在380nm～780nm的可见光谱范围内的像差得以校正和平衡，在明暗黑白交界处不会产生明显的紫边，保持较好的对比度。
本实施例的水平视场角达到75°，并且全程无畸变。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种变焦距镜头，其特征在于，包括：沿光线入射方向依次设置的光焦度为正的第一透镜群、光焦度为负的第二透镜群、光阑、光焦度为正的第三透镜群、第四透镜群和第五透镜群，其中：第一透镜群、第三透镜群和第五透镜群固定，第二透镜群沿光轴从物面侧向像面侧移动进行从广角端向望远端的视场角变倍，同时第四透镜群沿光轴自像面侧向物面侧移动，完成像面的校正和调焦；
所述的第二透镜群包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为负的第四透镜、第五透镜、第六透镜和光焦度为正的第七透镜，其中：第六透镜与第七透镜胶合形成胶合镜片；
所述的第三透镜群包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为正的第八透镜和光焦度为负的第九透镜；
所述的第四透镜群包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为正的第十透镜、第十一透镜和光焦度为负的第十二透镜，其中：第十一透镜与第十二透镜胶合形成胶合镜片。
2.根据权利要求1所述的变焦距镜头，其特征是，所述的胶合镜片的合光焦度为正，胶合面的凹面朝向像方。
3.根据权利要求1所述的变焦距镜头，其特征是，所述的第四透镜满足：Nd4＞1.85，其中：Φ42为第四透镜后表面的有效通光口径，r42为第四透镜后表面的曲率半径；
所述的第五透镜满足：r51＞r52＞0，其中：r51和r52分别为第五透镜前表面和后表面的曲率半径；
所述的第七透镜满足：Nd7＞1.85。
4.根据权利要求1所述的变焦距镜头，其特征是，所述的第十一透镜满足：Nd11＜1.6，Vd11＞65。
5.根据权利要求1所述的变焦距镜头，其特征是，所述的第五透镜群为光焦度为正的第十三透镜。
6.根据权利要求1所述的变焦距镜头，其特征是，所述的第五透镜为非球面透镜；所述的第八透镜为非球面透镜；所述的第十三透镜为非球面透镜。
7.根据权利要求1或6所述的变焦距镜头，其特征是，所述的第五透镜、第八透镜和第十三透镜的非球面表达公式为：其中：Z为非球面沿光轴方向的高度为h时，距非球面顶点的距离矢高sag；c＝1/R，R为镜面的曲率半径，K为圆锥系数conic，A、B、C、D、E和F为高次非球面系数。
8.根据权利要求1所述的变焦距镜头，其特征是，所述的第一透镜群包括：沿光轴从物方起依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜和第三透镜，其中：第一透镜与第二透镜胶合形成胶合镜片。
9.根据权利要求8所述的变焦距镜头，其特征是，所述的第一透镜满足：Nd1＞1.75，Vd1＜30，其中：Nd为折射率，Vd为阿贝数；
所述的第二透镜满足：Nd2＜1.6，Vd2＞65。
10.一种基于上述任一权利要求所述的变焦距镜头的摄像装置，其特征在于，还包括：滤光片、保护玻璃、固体摄像元件，其中：固体摄像元件的光接收面设置于变焦距镜头的成像面，滤光片和保护玻璃沿光线入射方向依次设置于第五透镜群与像面之间。
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