CN107748433B - 广角可交换式定焦镜头 - Google Patents

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Abstract

一种广角可交换式定焦镜头，包括：从物侧到像侧依次设置的第一镜片群、第二镜片群、光阑以及第三镜片群，其中：第一镜片群包括：具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度且胶合面凸向像方的第三胶合镜片；第二镜片群包括：具有正光焦度的第四镜片、具有负光焦度且胶合面凸向像方的第五胶合镜片；第三镜片群包括：具有负光焦度且胶合面凸向物方的第六胶合镜片、具有正光焦度的第七镜片；第二镜片群、光阑与第三镜片群的间距固定且组成可以沿光轴前后运动的变焦群；本装置满足匹配全画幅及super35画幅电影相机的8k分辨率，镜头在改变物距调焦过程中全程无暗角，并且各个物距下畸变小、呼吸效应微弱，同时具有超高性价比和可加工性。

Description

广角可交换式定焦镜头
技术领域
本发明涉及的是一种光学器件领域的技术，具体是一种广角可交换式定焦镜头。
背景技术
电影镜头是特别为电影、电视剧等视频拍摄量身定做的，不仅需要匹配全画幅的传感器尺寸，更需要在分辨率、光学像差、呼吸效应等方面结合拍摄视频的实际条件综合考虑，同时在重量与成本方面也需要统筹兼顾。电影镜头不仅拥有最顶级的光学素质，而且其机械结构的设计也充分考虑到了电影制作的专业需要，因而其专业性很强。但是由于电影镜头的设计难度和制造难度很高，迄今为止在国内还没有一家公司推出过真正意义上的电影拍摄用镜头。镜头进行对焦的过程中，内部的镜片组会发生一连串的位移，将特定距离的入射光聚焦在成像面上。当在多个焦点间移焦的过程中，镜头内部镜片组的位移会改变画面视野大小，此现象成为呼吸效应。目前电影镜头的主要缺陷包括：1)分辨率不高：目前电影摄影机的分辨率已经可以达到6K或者8K，但是市面上几乎所有的相机镜头解像力都不高，无法匹配高分辨率的摄像机使用；2)有明显暗角：由于光学反射和折射定律的限制以及镜头镀膜水平的限制，所有镜头或多或少都会有暗角；而相机镜头对暗角的控制不如电影镜头严苛，因此暗角比较明显，无法满足视频及电影拍摄使用；3)畸变大：动态影像的画面畸变往往比静态照片看起来更明显，枕形或桶形畸变一旦在画面出现动态元素的时候就会立刻现形，而摄影机主观视角移动的时候会更严重；如果影院观众的视野范围内出现太过明显的畸变，那么有可能导致运动眩晕症；所以电影镜头的像场必须尽可能平直；而由于相机镜头往往对畸变的控制不够，所以无法满足电影镜头对畸变的高要求；4)呼吸效应明显：镜头进行对焦的过程中会产生呼吸效应，对于相机镜头而言呼吸效应除了几乎无法察觉的构图改变之外，画面不受呼吸效应的影响；而对于电影制作来讲，画面内进行追焦或在不同主体之间移焦的手法很常见，所以对抑制呼吸效应的要求非常高，一般相机镜头无法满足要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种广角可交换式定焦镜头，满足匹配全画 幅及super35画幅电影相机的8k分辨率，镜头在改变物距调焦过程中全程无暗角，并且各个 物距下畸变小、呼吸效应微弱，同时具有超高性价比和可加工性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：从物侧到像侧依次设置的第一镜片群、第二镜片群、光阑以及第三镜片群， 其中：第一镜片群包括：具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度且胶合面凸向像方的第三胶 合镜片；第二镜片群包括：具有正光焦度的第四镜片、具有负光焦度且胶合面凸向像方的第五 胶合镜片；第三镜片群包括：具有负光焦度且胶合面凸向物方的第六胶合镜片、具有正光焦度 的第七镜片；第二镜片群、光阑与第三镜片群的间距固定且组成可以沿光轴前后运动的变焦群； 当拍摄物体从无限远向近距离变化时，所述第一镜片群固定不动，第二镜片群、光阑与第三镜 片群整体从像方向物方移动进行聚焦。
所述的第一透镜采用两片具有负光焦度的镜片或单片具有负光焦度的镜片实现，其中： 单片具有负光焦度的镜片有助于进一步提高画质。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
1)为解决现有相机镜头分辨率过低难以匹配传感器的问题，本发明在镜头中加入了玻璃 非球面镜片，显著的提升了解像力和分辨率，使本发明能够满足目前市面上最高分辨率的专业 级8K分辨率摄影机的使用。
2)为解决现有相机镜头畸变大的问题，本发明优化了镜头的结构和光路，使光阑前后镜 片两群组尽量关于光阑具有对称性，使得畸变极小，TV畸变在3％以下，保证了画面从中心到 周边均不会出现变形和失真情况。
3)为解决相机镜头周围亮度过低从而出现暗角的问题，本发明在设计时采用与传感器相 匹配的光线入射角设计，提升了周边光亮比。即使在光圈全开的时候，周边光亮比也在50％以 上，使通过整个镜头的光在画面上呈现得更均匀，全物距范围内均无暗角。
4)为解决现有相机镜头呼吸效应明显的问题，本发明采用光阑随后群组整体移动对焦的 方式。当拍摄物体从无限远向近距离变化时，前群固定不动，光阑和后群一起从像方向物方整 体移动进行聚焦。特别的，光阑与前、后镜片的距离再聚焦过程中均处于最优位置，做到了镜 头从无限远到最近距离聚焦时，画面视场角变化在3％以内，有效减弱镜头在调焦过程中的呼 吸效应。
附图说明
图1为实施例1结构示意图。
图2为实施例1镜头在无穷远物距下相对于d线的球差、场曲、畸变图。
图3为实施例1镜头在无穷远物距下相对于d线的慧差图。
图4为实施例2结构示意图。
图5为实施例2镜头在无穷远物距下相对于d线的球差、场曲、畸变图。
图6为实施例2镜头在无穷远物距下相对于d线的慧差图。
图7为实施例1镜头在无穷远物距下MTF(调至传递函数)图。
图8为实施例2镜头在无穷远物距下MTF(调至传递函数)图。
图中：第一镜片群G1、第二镜片群G2、光阑S、第三镜片群G3、第一镜片L1、第二 镜片L2、第三胶合镜片L3、第四镜片L4、第五胶合镜片L5、第六胶合镜片L6、第七镜片L7、 像面IMG。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例包括：从物侧到像侧依次设置的第一镜片群G1、第二镜片群G2、 光阑S以及第三镜片群G3，其中：第一镜片群G1包括：包括具有负光焦度的第一镜片L1和 具有负光焦度的第二镜片L2的第一透镜、具有正光焦度且胶合面凸向像方的第三胶合镜片L3； 第二镜片群G2包括：具有正光焦度的第四镜片L4、具有负光焦度且胶合面凸向像方的第五胶 合镜片L5；第三镜片群G3包括：具有负光焦度且胶合面凸向物方的第六胶合镜片L6、具有正 光焦度的第七镜片L7；第二镜片群G2、光阑S与第三镜片群G3的间距固定且组成可以沿光轴 前后运动的变焦群；当拍摄物体从无限远向近距离变化时，所述第一镜片群G1固定不动，第 二镜片群G2、光阑S与第三镜片群G3整体从像方向物方移动进行聚焦。
所述的第一镜片群G1为正光焦度，用于汇聚光线，形成需求的视场角；第二镜片群G2 为正光焦度，用于调焦和修正球面像差、场曲；第三镜片群G3为正光焦度且其中的镜片优选 采用非球面镜片，用于减小呼吸效应和畸变的同时进一步提升成像质量。
所述的第一镜片群G1、第二镜片群G2或第三镜片群G3中任一镜片群包含至少一片胶 合透镜。
所述的广角可交换式定焦镜头的总长度与镜头的有效焦距的比值满足(4,5)；并且广角可 交换式定焦镜头的总长度与镜头的半像高的比值满足(7,8)。当镜头长度过大，虽然会提高像质 减小像差，但是会造成整体尺寸过大，成本过高；镜头长度过短，会造成成像质量下降。
本实施例中所述的广角可交换式定焦镜头的总长度与镜头的有效焦距的比值为4.47；广 角可交换式定焦镜头的总长度与镜头的半像高的比值为7.67。
所述的光阑至第二镜片群近像侧表面中心的距离与光阑至第三镜片群近物侧表面中心的距离的和满足(5,12)，两者之差的绝对值满足(0,4)，使得镜头物距从无限远到近距离改变的过程中，镜头的视场角变化小。若低于该条件式的下限，则会导致镜头光圈直径和整体外径增大，制成难度提升；若高于该条件式的上限，则会导致镜头调焦过程中，视场角变化过大，呼吸效应明显。
本实施例中所述的光阑至第二镜片群近像侧表面中心的距离与光阑至第三镜片群近物 侧表面中心的距离的和为5.63；差的绝对值0.34。
所述的第一镜片群、第二镜片群和第三镜片群的焦距与广角可交换式定焦镜头的有效焦 距的比值依次满足(5,8)、(3,5)、(1,3)，即分配了不同镜片群组的焦距配比。从物方到像方，镜 片群组焦距逐级递减，从而实现呼吸效应降低。
本实施例中所述的第一镜片群、第二镜片群和第三镜片群的焦距与广角可交换式定焦镜 头的有效焦距的比值依次为6.5、3.8、1.5。
所述的广角可交换式定焦镜头的光学后焦与整体焦距的比值满足(0.5,1.5)，使得镜头的 焦距和后焦的比值在一个合适的范围内。若低于该条件式的下限，则会导致镜头的后焦过短， 难以匹配市面上的电影摄影机，降低了镜头的通用性；若高于该条件式的上限，则会导致镜头 后焦过长，从无穷远到近距离调焦时，第二镜片群G2的整体球差和慧差过大，成像质量下降。
本实施例中所述的广角可交换式定焦镜头的光学后焦与整体焦距的比值满足(0.83,1.06)。
优选地，本实施例中的镜头参数具体如下：
本实施例的EFL＝35.0，TNO＝1.6(TNO为镜头计算透过率后的光圈值)。
表1
实施例1镜头结构参数
表面序号 表面类型 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数
物面 Z0
S1 球面 20.86 1.07 1.56 42.79
S2 球面 15.87 4.87
S3 球面 -126.61 1.77 1.21 74.94
S4 球面 18.71 7.81
S5 球面 26.00 5.74 1.66 41.38
S6 球面 -12.10 1.32 1.59 27.84
S7 球面 -56.02 Z1
S8 球面 22.50 2.84 1.78 27.13
S9 球面 无限 1.81
S10 球面 22.97 3.15 1.43 57.84
S11 球面 -34.82 1.81 1.52 30.44
S12 球面 15.77 2.85
光阑 平面 无限 2.51
S14 球面 -8.65 1.43 1.72 24.89
S15 球面 32.10 3.45 1.46 54.86
S16 球面 -13.93 1.73
S17 球面 33.97 3.04 1.68 42.20
S18 球面 -18.60 Z2
像面
表2
POS1 POS2
Z0 INF 350
Z1 10.5 2.1
Z2 38.5 30.1
FOV 31.2 30.5
物距从无穷远到近距离变化的过程中。FOV为镜头的半视场角，只变化了2.2％，呼吸 效应微弱。
实施例2
与实施例1相比，本实施例中的第一透镜采用单片具有负光焦度的镜片，即第一镜片L1 实现。本实施例中的广角可交换式定焦镜头的总长度与镜头的有效焦距的比值为4；广角可交 换式定焦镜头的总长度与镜头的半像高的比值为6.48。
所述的光阑至第二镜片群近像侧表面中心的距离与光阑至第三镜片群近物侧表面中心 的距离的和为11.98；差的绝对值为0.94。
所述的第一镜片群、第二镜片群和第三镜片群的焦距与广角可交换式定焦镜头的有效焦 距的比值依次为5.4、4.7、2.2。
所述的广角可交换式定焦镜头的光学后焦与整体焦距的比值为(0.89,1.13)。
实施例中的EFL＝35mm，TNO＝1.6(TNO为镜头计算透过率后的光圈值)。
本实施例将第三镜片群最后一片镜片变更为非球面，用于进一步缩小畸变。同时因为非 球面的像质提升，可以再进一步减少第一镜片群镜片数量。相比于实施例1，本实施例的第一 镜片群仅为2枚镜片组成(包含一枚胶合镜片组)。从图7和图8的对比可以看出非球面的引用， 使得周边视场的MTF进一步提升，可以保证更高的画质和稳定性。
表3
镜头结构参数
Figure GDA0001894294450000051
Figure GDA0001894294450000061
表4
POS1 POS2
Z0 INF 350
Z1 10.2 1.8
Z2 39.6 31.2
FOV 31.4 30.7
物距从无穷远到近距离变化的过程中。FOV为镜头的半视场角，只变化了2.2％，呼吸 效应微弱。
为了提高整体成像质量，进一步消除场曲和畸变，将镜头从物面起数最后一枚镜片变为 非球面，其系数如表3所示。
表5
镜头非球面系数
Figure GDA0001894294450000062
所述的非球面公式为：
Figure GDA0001894294450000063
其中：Z为非球面沿光轴 方向的高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高sag；c＝1/R，R表示镜面的曲率半径，K 为圆锥系数conic，A、B、C、D、E、F为高次非球面系数，而系数中的E代表科学计数号，例E-005 表示10-5。
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 (4)

1.一种广角可交换式定焦镜头，其特征在于，包括：从物侧到像侧依次设置的第一镜片群、第二镜片群、光阑以及第三镜片群，其中：
第一镜片群包括：具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第三镜片，其中：第一透镜采用具有负光焦度的第一镜片和第二镜片或单片具有负光焦度的第一镜片实现，第三镜片采用胶合镜片且胶合面凸向像方；
第二镜片群包括：具有正光焦度的第四镜片、具有负光焦度且胶合面凸向像方的第五胶合镜片；
第三镜片群包括：具有负光焦度且胶合面凸向物方的第六胶合镜片、具有正光焦度的第七镜片；
第一镜片物侧面为凸面，像侧面为凹面；第三镜片物侧面为凸面；第四镜片物侧面为凸面，像侧面为平面；第五胶合镜片物侧面为凸面，像侧面为凹面；第六胶合镜片物侧面为凹面，像侧面为凸面；第七镜片为双凸镜片；
第二镜片群、光阑与第三镜片群的间距固定且组成可以沿光轴前后运动的变焦群；当拍摄物体从无限远向近距离变化时，所述第一镜片群固定不动，第二镜片群、光阑与第三镜片群整体从像方向物方移动进行聚焦；所述的第一镜片群为正光焦度，第二镜片群为正光焦度，第三镜片群为正光焦度且其中的镜片采用非球面镜片；
所述的广角可交换式定焦镜头的总长度与镜头的有效焦距的比值满足(4,5)；并且广角可交换式定焦镜头的总长度与镜头的半像高的比值满足(7,8)；
所述的光阑至第二镜片群近像侧表面中心的距离与光阑至第三镜片群近物侧表面中心的距离的和满足(5,12)，两者之差的绝对值满足(0,4)；
所述的第一镜片群、第二镜片群和第三镜片群的焦距与广角可交换式定焦镜头的有效焦距的比值依次满足(5,8)、(3,5)、(1,3)；
所述的广角可交换式定焦镜头的光学后焦与整体焦距的比值满足(0.5,1.5)。
2.根据权利要求1所述的广角可交换式定焦镜头，其特征是
第一镜片的物侧面为球面，其曲率半径为20.86，第一镜片的厚度为1.07，其折射率为1.56，其阿贝数为42.79;第一镜片的像侧面为球面，其曲率半径为15.87，第一镜片的像侧面至第二镜片的物侧面的距离为4.87；
第二镜片的物侧面为球面，其曲率半径为-126.61，第二镜片的厚度为1.77，其折射率为1.21，其阿贝数为74.94;第二镜片的像侧面为球面，其曲率半径为18.71，第二镜片的像侧面至第三镜片的物侧面的距离为7.81；
第三镜片的物侧面为球面，其曲率半径为26，第三镜片的物侧面至胶合面的距离为5.74，其折射率为1.66，其阿贝数为41.38;第三镜片的胶合面为球面，其曲率半径为-12.1，第三镜片的胶合面至第三镜片的像侧面的距离为1.32，其折射率为1.59，其阿贝数为27.84;第三镜片的像侧面为球面，其曲率半径为-56.02，第三镜片的像侧面至第四镜片的物侧面的距离为Z1；
第四镜片的物侧面为球面，其曲率半径为22.5，第四镜片的厚度为2.84，其折射率为1.78，其阿贝数为27.13;第四镜片的像侧面为平面，第四镜片的像侧面至第五镜片的物侧面的距离为1.81;
第五镜片的物侧面为球面，其曲率半径为22.97，第五镜片的物侧面至胶合面的距离为3.15，其折射率为1.43，其阿贝数为57.84;第五镜片的胶合面为球面，其曲率半径为-34.82，第五镜片的胶合面至像侧面的距离为1.81，其折射率为1.52，其阿贝数为30.44;第五镜片的像侧面为球面，其曲率半径为15.77，第五镜片的像侧面至光阑的距离为2.85;
光阑为平面，光阑至第六镜片的物侧面的距离为2.51;
第六镜片的物侧面为球面，其曲率半径为-8.65，第六镜片的物侧面至胶合面的距离为1.43，其折射率为1.72，其阿贝数为24.89;第六镜片的胶合面为球面，其曲率半径为32.1，第六镜片的胶合面至第六镜片的像侧面的距离为3.45，其折射率为1.46，其阿贝数为54.86;第六镜片的像侧面为球面，其曲率半径为-13.93，第六镜片的像侧面至第七镜片的物侧面的距离为1.73；
第七镜片的物侧面为球面，其曲率半径为33.97，第七镜片的厚度为3.04，其折射率为1.68，其阿贝数为42.2;第七镜片的像侧面为球面，其曲率半径为-18.6，第七镜片的像侧面至成像面的距离为Z2。
3.根据权利要求1所述的广角可交换式定焦镜头，其特征是，所述的第七镜片为非球面镜，其非球面公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，其中：Z为非球面沿光轴方向的高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高sag，R表示镜面的曲率半径，K为圆锥系数conic，A、B、C、D、E、F为高次非球面系数。
4.根据权利要求1或3所述的广角可交换式定焦镜头，其特征是
第一镜片的物侧面为球面，其曲率半径为45.62，第一镜片的厚度为5.07，其折射率为1.93，其阿贝数为32.7;第一镜片的像侧面为球面，其曲率半径为34.31，第一镜片的像侧面至第三镜片的物侧面的距离为11.89；
第三镜片的物侧面为球面，其曲率半径为72.04，第三镜片的物侧面至胶合面的距离为14.04，其折射率为1.63，其阿贝数为47.6;第三镜片的胶合面为球面，其曲率半径为-41.12，第三镜片的胶合面至像侧面的距离为3.11，其折射率为1.91，其阿贝数为20.3;第三镜片的像侧面为球面，其曲率半径为152.14，第三镜片的像侧面至第四镜片的物侧面的距离为Z1；
第四镜片的物侧面为球面，其曲率半径为62.6，第四镜片的厚度为7.03，其折射率为1.81，其阿贝数为27.7;第四镜片的像侧面为平面，第四镜片的像侧面至第五镜片的物侧面的距离为2.59;
第五镜片的物侧面为球面，其曲率半径为64.87，第五镜片的物侧面至胶合面的距离为6.54，其折射率为1.73，其阿贝数为64.5;第五镜片的胶合面为球面，其曲率半径为-110.71，第五镜片的胶合面至像侧面的距离为2.51，其折射率为1.76，其阿贝数为46.9;第五镜片的像侧面为球面，其曲率半径为37.93，第五镜片的像侧面至光阑的距离为5.52;
光阑为平面，光阑至第六镜片的物侧面的距离为6.46；
第六镜片的物侧面为球面，其曲率半径为-27.69，第六镜片的物侧面至胶合面的距离为4.05，其折射率为1.55，其阿贝数为33.4;第六镜片的胶合面为球面，其曲率半径为80.3，第六镜片的胶合面至像侧面的距离为9.41，其折射率为1.83，其阿贝数为56.4;第六镜片的像侧面为球面，其曲率半径为-55.16，第六镜片的像侧面至第七镜片的物侧面的距离为3.45；
第七镜片的物侧面为非球面，其曲率半径为89.33，第七镜片的厚度为8.32，其折射率为1.85，其阿贝数为45.5;第七镜片的像侧面为非球面，其曲率半径为-50.33，第七镜片的像侧面至成像面的距离为Z2；
第七镜片的物侧面的圆锥系数为0第七镜片的像侧面的圆锥系数为0;第七镜片的物侧面四阶非球面系数为-3.25E-03第七镜片的像侧面四阶非球面系数为1.75E-03;第七镜片的物侧面六阶非球面系数为5.12E-06第七镜片的像侧面六阶非球面系数为-5.18E-04;第七镜片的物侧面八阶非球面系数为-4.17E-07第七镜片的像侧面八阶非球面系数为3.65E-06;第七镜片的物侧面十阶非球面系数为-2.03E-05第七镜片的像侧面十阶非球面系数为-3.26E-08。
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