CN107807439A - 远摄可交换式定焦镜头 - Google Patents

Abstract

一种远摄可交换式定焦镜头，包括：从物侧到像侧依次设置的用于汇聚光线并形成需求的视场角的第一镜片群、光阑和用于调焦和修正像差的第二镜片群，其中：第一镜片群包括：具有正光焦度的第一镜片、具有正光焦度的第二镜片、具有正光焦度的第三镜片、具有负光焦度的第四镜片；第二镜片群包括：具有负光焦度的第五镜片、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的胶合镜片，即第八镜片；光阑与第二镜片群的间距固定，从而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，第一镜片群固定不动，光阑和第二镜片群整体从像方向物方移动进行聚焦。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

远摄可交换式定焦镜头

技术领域

本发明涉及的是一种光学器件领域的技术，具体是一种远摄可交换式定焦镜头。

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，提出一种远摄可交换式定焦镜头，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用于汇聚光线并形成需求的视场角的第一镜片群、光阑和用于调焦和修正像差的第二镜片群，其中：第一镜片群包括：具有正光焦度的第一镜片、具有正光焦度的第二镜片、具有正光焦度的第三镜片、具有负光焦度的第四镜片；第二镜片群包括：具有负光焦度的第五镜片、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的胶合镜片，即第八镜片；光阑与第二镜片群的间距固定，从而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，第一镜片群固定不动，光阑和第二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。

所述的第二镜片群为正光焦度，其中的第五至第八镜片优选为非球面镜片，用于进一步提升成像质量。

所述的第六透镜采用两片正光焦度的镜片组合或单片具有正光焦度的镜片，其中单片镜片能够显著增加对称性并具有较小畸变。

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2％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40％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是实施例1结构示意图；

图2是实施例1镜头相对于d线的球差、场曲、畸变图；

图3是实施例1镜头相对于d线的慧差图；

图4是实施例2结构示意图；

图5是实施例2镜头相对于d线的球差、场曲、畸变图；

图6是实施例2镜头相对于d线的慧差图；

图中：第一镜片群G1、光阑STP、第二镜片群G2、第一镜片L1、第二镜片L2、第三镜片L3、第四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6、第七镜片L7、第八镜片L8、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用于汇聚光线并形成需求的视场角的第一镜片群G1、光阑STP和用于调焦和修正像差的第二镜片群G2，其中：第一镜片群G1包括：具有正光焦度的第一镜片L1、具有正光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、具有负光焦度的第四镜片L4；第二镜片群G2包括：具有负光焦度的第五镜片L5、以及包括具有正光焦度的第六镜片L6和具有正光焦度的第七镜片L7的第六透镜、具有正光焦度的胶合镜片，即第八镜片L8；光阑STP与第二镜片群G2的间距固定，从而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，第一镜片群G1固定不动，光阑STP和第二镜片群G2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。

所述的第二镜片群G2为正光焦度，其中的第五至第八镜片优选为非球面镜片，用于进一步提升成像质量。

所述的第四镜片后表面中心至光阑的间距满足(10mm,40mm)；所述的第五镜片前表面中心至光阑的间距满足(3.5mm,7.5mm)，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；若高于该条件式的下限，则会导致镜头调焦过程中，视场角变化过大，呼吸效应明显。

本实施例中第四镜片后表面中心至光阑的间距满足(13.21mm,37.15mm)；第五镜片前表面中心至光阑的间距为5.50。

所述的远摄可交换式定焦镜头的光学后焦与整体焦距的比例满足(0.3,0.7)，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。

所述的第一镜片群G1和第二镜片群G2的焦距比满足(1.7,2.5)，若低于该条件式的下限，则会导致镜头第一镜片群G1光焦度分布过多，进而导致第二镜片群G2光焦度过低，使得第二镜片群G2的镜片口径增大，整体重量增多，成本过高；若高于该条件式的上限，则导致镜头第一镜片群G1光焦度过弱，使得镜头前端镜片口径过大，同样导致镜头整体重量增加，不利于镜头的小型化，也不利于镜头的装配和整体重量和重心的调整。

本实施例中第一镜片群G1和第二镜片群G2的焦距分别为251.1mm和113.5mm，其比值为2.21。

所述的第八镜片中近物方侧镜片的折射率和近像方侧镜片的折射率之差满足(0.2,0.5)，若低于该条件式的下限，则胶合透镜的折射率相差不大，不利于矫正镜头的轴向色差和倍率色差，同时难以补偿第一镜片群G1形成的球面像差；若高于该条件式的上限，则会导致胶合面之间的反射率过强，造成镜头的鬼影严重；同时会导致第一镜片群G1形成的球面像差补正过头，使镜头性能降低。

本实施例中第八镜片中近物方侧镜片的折射率和近像方侧镜片的折射率分别为1.52和1.80，其差的绝对值为0.28。

优选地，本实施例中的镜头参数具体如下：

本实施例的EFL＝135.0，BFL＝56.58mm～80.52mm，TNO＝2.0(TNO为镜头计算透过率后的光圈值)。本实施例中远摄可交换式定焦镜头的光学后焦与整体焦距的比例为0.42～0.59。

表1

实施例1镜头结构参数

表2

	POS1	POS2
			Z0	INF	815
Z1	37.15	13.21
			Z2	56.58	80.52
FOV	18.78	18.32

从D0到D1变化的过程，即为物距从无穷远到最近摄影距离改变的过程。FOV为镜头的对角视场角，从D0到D1变化时，FOV只变化了2.4％，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，将所述的第七镜片(L7)设置成非球面，其系数如表3所示。

表3

镜头非球面系数

所述的非球面公式为：

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。

实施例2

与实施例1相比，本实施例中第六透镜采用单片具有正光焦度的镜片实现，即第六镜片L6，并且本实施例中第四镜片后表面中心至光阑的间距满足(15.77mm,34.26mm)；第五镜片前表面中心至光阑的间距为6.23。

本实施例中第一镜片群G1和第二镜片群G2的焦距分别为169.6mm和91.3mm，其比值为1.85。

本实施例中第八镜片中近物方侧镜片的折射率和近像方侧镜片的折射率分别为1.48和1.75，其差的绝对值为0.27。

优选地，本实施例中的镜头参数具体如下：

本实施例镜头的EFL＝135.0mm，BFL＝62.11mm～80.60mm，TNO＝2.2(TNO为镜头计算透过率后的光圈值)。本实施例中远摄可交换式定焦镜头的光学后焦与整体焦距的比例为0.46～0.60。

本实施例的第一镜片群和第二镜片群关于光阑对称性更高，因此相比于实施例1，具有更小的光学畸变。但是本实施例没有使用非球面，因此从图5中可以看出球差和场曲都相较于实施例1有所扩大。

表4

镜头结构参数

表5

	POS1	POS2
			Z0	INF	815
Z1	34.26	15.77
			Z2	62.11	80.60
FOV	18.94	18.52

从D0到D1变化的过程，即为物距从无穷远到最近摄影距离改变的过程。FOV为镜头的对角视场角，从D0到D1变化时，FOV只变化了2.3％，呼吸效应微弱。

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 (9)

1.一种远摄可交换式定焦镜头，其特征在于，包括：从物侧到像侧依次设置的用于汇聚光线并形成需求的视场角的第一镜片群、光阑和用于调焦和修正像差的第二镜片群，其中：第一镜片群包括：具有正光焦度的第一镜片、具有正光焦度的第二镜片、具有正光焦度的第三镜片、具有负光焦度的第四镜片；第二镜片群包括：具有负光焦度的第五镜片、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的胶合镜片，即第八镜片；光阑与第二镜片群的间距固定，从而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，第一镜片群固定不动，光阑和第二镜片群整体从像方向物方移动进行聚焦；所述的第六透镜采用两片正光焦度的镜片组合或单片具有正光焦度的镜片。

2.根据权利要求1所述的远摄可交换式定焦镜头，其特征是，所述的第一镜片群为正光焦度；所述的第二镜片群为正光焦度，其中的第五至第八镜片为非球面镜片，用于进一步提升成像质量。

3.根据权利要求1所述的远摄可交换式定焦镜头，其特征是，所述的第四镜片后表面中心至光阑的间距满足(10mm,40mm)；所述的第五镜片前表面中心至光阑的间距满足(3.5mm,7.5mm)。

4.根据权利要求1所述的远摄可交换式定焦镜头，其特征是，所述的远摄可交换式定焦镜头的光学后焦与整体焦距的比例满足(0.3,0.7)。

5.根据权利要求1所述的远摄可交换式定焦镜头，其特征是，所述的第一镜片群和第二镜片群的焦距比满足(1.7,2.5)。

6.根据权利要求1所述的远摄可交换式定焦镜头，其特征是，所述的第八镜片中近物方侧镜片的折射率和近像方侧镜片的折射率之差满足(0.2,0.5)。

7.根据权利要求1所述的远摄可交换式定焦镜头，其特征是，所述的第七镜片为非球面镜片，其非球面公式为：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。

8.根据权利要求1所述的远摄可交换式定焦镜头，其特征是，所述的第一镜片的第一表面为球面，其曲率半径为61.38，其厚度为8.24，其折射率为1.88，其阿贝数为35.6；第一镜片的第二表面为球面，其曲率半径为104.47，其厚度为1.07；第二镜片的第一表面为球面，其曲率半径为68.21，其厚度为9.23，其折射率为1.5，其阿贝数为70.2；第二镜片的第二表面为球面，其曲率半径为269.53，其厚度为0.68；第三镜片的第一表面为球面，其曲率半径为47.4，其厚度为8.76，其折射率为1.62，其阿贝数为63.2；第三镜片的第二表面为球面，其曲率半径为70.97，其厚度为3.04；第四镜片的第一表面为球面，其曲率半径为159.1，其厚度为4.11，其折射率为1.8，其阿贝数为25.6；第四镜片的第二表面为球面，其曲率半径为33.1，其厚度为Z1；光阑球面，其厚度为5.5；第五镜片的第一表面为球面，其曲率半径为-46.65，其厚度为3.21，其折射率为1.7，其阿贝数为30.2；第五镜片的第二表面为球面，其曲率半径为170.33，其厚度为1.43；第六镜片的第一表面为球面，其曲率半径为936.27，其厚度为4.97，其折射率为1.9，其阿贝数为37.5；第六镜片的第二表面为球面，其曲率半径为-65.26，其厚度为0.9；第七镜片的第一表面为非球面，其曲率半径为111.46，其厚度为3.6，其折射率为1.83，其阿贝数为42.7；第七镜片的第二表面为非球面，其曲率半径为967.74，其厚度为11.21；第七镜片的第一表面圆锥系数为0，第七镜片的第二表面的圆锥系数为0；第七镜片的第一表面四阶非球面系数为-2.16E-03，第七镜片的第二表面的四阶非球面系数为2.86E-07；第七镜片的第一表面六阶非球面系数为-4.03E-06，第七镜片的第二表面的六阶非球面系数为6.28E-06；第七镜片的第一表面八阶非球面系数为5.26E-07，第七镜片的第二表面的八阶非球面系数为2.55E-06；第七镜片的第一表面十阶非球面系数为-3.12E-05，第七镜片的第二表面的十阶非球面系数为-4.17E-08；第八镜片的第一表面为球面，其曲率半径为-68.41，其厚度为4.01，其折射率为1.52，其阿贝数为68.4；第八镜片的第二表面为球面，其曲率半径为INF，其厚度为4.78，其折射率为1.8，其阿贝数为41.3；第八镜片的第三表面为球面，其曲率半径为-65.9，其厚度为Z2。

9.根据权利要求1所述的远摄可交换式定焦镜头，其特征是，所述的第一镜片的第一表面为球面，其曲率半径为63.48，其厚度为8.43，其折射率为1.92，其阿贝数为31.3；第一镜片的第二表面为球面，其曲率半径为108.48，其厚度为0.88；第二镜片的第一表面为球面，其曲率半径为70.41，其厚度为9.34，其折射率为1.61，其阿贝数为84.6；第二镜片的第二表面为球面，其曲率半径为270.43，其厚度为0.51；第三镜片的第一表面为球面，其曲率半径为50.18，其厚度为8.12，其折射率为1.75，其阿贝数为61.4；第三镜片的第二表面为球面，其曲率半径为74.65，其厚度为2.97；第四镜片的第一表面为球面，其曲率半径为163.74，其厚度为3.92，其折射率为1.81，其阿贝数为35.4；第四镜片的第二表面为球面，其曲率半径为32.59，其厚度为Z1；光阑球面，其曲率半径为INF，其厚度为6.23；第五镜片的第一表面为球面，其曲率半径为-42.94，其厚度为3.14，其折射率为1.59，其阿贝数为30.5；第五镜片的第二表面为球面，其曲率半径为171.79，其厚度为1.29；第六镜片的第一表面为球面，其曲率半径为936.36，其厚度为5.64，其折射率为1.91，其阿贝数为35.3；第六镜片的第二表面为球面，其曲率半径为-61.32，其厚度为1.72；第八镜片的第一表面为球面，其曲率半径为-68.39，其厚度为3.61，其折射率为1.48，其阿贝数为74.4；第八镜片的第二表面为球面，其曲率半径为inf，其厚度为4.99，其折射率为1.75，其阿贝数为48.5；第八镜片的第三表面为球面，其曲率半径为-64.1，其厚度为Z2。