CN110596871A - 一种高分辨率大光圈运动dv镜头 - Google Patents

一种高分辨率大光圈运动dv镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高分辨率大光圈运动DV镜头，所述运动DV镜头包括沿光轴从物方至像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第一透镜是凸凹负光焦度透镜，所述第二透镜是凹凸负光焦度透镜，所述第三透镜是凸凹正光焦度透镜，所述第四透镜是双凸正光焦度透镜，所述第五透镜为平凹负光焦度透镜，所述第六透镜为凸凹正光焦度透镜。本发明提供的高分辨率大光圈运动DV镜头最高可以实现了1200万像素分辨率、F2.0光圈和匹配1/2.7英寸图像传感器。

Description

一种高分辨率大光圈运动DV镜头
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，尤其涉及一种高分辨率大光圈运动DV镜头。
背景技术
随着光学设计以及图像传感技术的发展，光学镜头的种类越来越多，使用的范围也越来越广。除了应用于传统的摄影相机系统之外，光学镜头也开始应用于各种视频采集系统之中。随着各种极限运动的兴起，近年来运动摄像机也有了蓬勃的发展，为满足极限运动摄像与录影的需求，运动DV镜头需要具备高像素与大光圈。
目前市场上的运动DV镜头大都只满足500万到800万像素分辨率，镜头F数大都大于2.5，镜头的设计采用6片或7片玻璃球面镜片的结构，充分发挥了玻璃球面镜片易于加工的特点。如公开号为CN106772947A的中国专利文献公开了一种大相面运动DV镜头，包括从物方到像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述第一透镜为凸凹负光焦度玻璃球面透镜，所述第二透镜为双凹负光焦度玻璃球面透镜，所述第三透镜为双凸正光焦度玻璃球面透镜，所述第四透镜为双凸正光焦度玻璃球面透镜，所述第五透镜为双凹负光焦度玻璃球面透镜；所述第六透镜为平凸正光焦度玻璃球面透镜，所述第七透镜为双凸正光焦度玻璃球面透镜。如公开号为CN207586520的中国专利文献公开了一种运动DV光学镜头，所述运动DV光学镜头由外至内依次设置第一球面凸透镜、第二球面凸透镜、第三球面凹透镜、第四球面凹透镜、第五球面凸透镜以及第六球面凸透镜，所述第一球面凸透镜、所述第二球面凸透镜、所述第三球面凹透镜、所述第四球面凹透镜、所述第五球面凸透镜以及所述第六球面凸透镜的中心位于同一水平直线上；所述第一球面凸透镜的外径为15.5mm，所述第二球面凸透镜和所述第三球面凹透镜的外径均为8mm，所述第四球面凹透镜与所述第五球面凸透镜通过胶水连接在一起，所述第六球面凸透镜与所述第二球面凸透镜相抵接。
但目前市场上的运动DV镜头普遍存在分辨率较低、光圈较小的不足。在户外环境较为恶劣的情况下，镜头光圈较小导致捕获图像时需要更长的曝光时间，无法很好的满足极限运动爱好者抓拍的需求；分辨率较低导致所捕获的图像和录制的视频细节表现能力较差。
由此可见，目前市场上能够达到1200万像素分辨率、F2.0光圈、匹配1/2.7英寸图像传感器的运动DV镜头几乎没有。因此亟待开发一款1200万像素、F2.0光圈、匹配1/2.7英寸图像传感器的运动DV镜头来填补市场空缺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分辨率大光圈运动DV镜头，实现了1200万像素分辨率、F2.0光圈和匹配1/2.7英寸图像传感器。
本发明所采取的技术方案为：
一种高分辨率大光圈运动DV镜头，所述运动DV镜头包括沿光轴从物方至像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第一透镜是凸凹负光焦度透镜，所述第二透镜是凹凸负光焦度透镜，所述第三透镜是凸凹正光焦度透镜，所述第四透镜是双凸正光焦度透镜，所述第五透镜为平凹负光焦度透镜，所述第六透镜为凸凹正光焦度透镜。
所述第一透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜为玻璃球面透镜，所述第二透镜和第六透镜为塑料非球面透镜。塑料非球面透镜具有较高的矫正像差能力，使用塑料非球面镜片有效的减少了玻璃球面透镜的数量，简化光学镜头的结构，减轻光学镜头的重量。采用塑料非球面透镜与玻璃球面镜头混合的方式来设计镜头，所得到的结果成像质量良好，成本较低。
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距分别与运动DV镜头的焦距满足如下条件式：
0.5<|f1/f|<5
8.5<|f2/f|<15
0.5<|f3/f|<5
1<|f4/f|<5.5
0.5<|f5/f|<4.5
15<|f6/f|<30
其中，f为运动DV镜头的焦距，f1、f2、f3、f4、f5和f6分别对应第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距。
优选的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距分别与整个运动DV镜头的焦距满足如下条件式：
2.4<|f1/f|<3
8.5<|f2/f|<14.3
2.8<|f3/f|<3.1
1.2<|f4/f|<1.35
1.2<|f5/f|<1.65
15<|f6/f|<25
其中，f为运动DV镜头的焦距，f1、f2、f3、f4、f5和f6分别对应第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距。在此范围内优化得到的结果MTF曲线更接近衍射极限，点列图尺寸更小。
优选的，所述第四透镜与第五透镜胶合形成胶合透镜，所述胶合透镜与运动DV镜头满足如下条件式：
0.5<|fe/f|<10
其中，fe为胶合透镜的焦距。
胶合透镜承担着汇聚光束、校正色差的作用。胶合镜片后第六透镜(非球面)承担着校正轴外光束的像差的作用。
所述第一透镜至第六透镜的焦距、折射率和曲率半径满足以下条件：
-10<f1<-5 1.65<n1<1.9 10<R1<30 3.5<R2<5.5
-40.5<f2<-20 1.5<n2<1.75 -6.5<R3<-4.5 -15<R4<-5
5<f3<9.5 1.75<n3<1.95 5<R5<7 30<R6<50
3<f4<5 1.6<n4<1.8 5<R7<7 -5<R8<-3
-5<f5<-2.5 1.85<n5<2.05 -5<R9<-3 R10＝∞
35<f6<70 1.5<n6<1.75 5<R11<7.5 6<R12<10
其中，“f”为焦距，“n”为折射率，“R”为曲率半径，“-”号表示方向为负；f1至f6分别对应于所述第一透镜至第六透镜的焦距；n1至n6分别对应于所述第一透镜至第六透镜的折射率；R1、R3、R5、R7、R9、R11分别对应于所述第一至第六透镜靠近物方一面的曲率半径，R2、R4、R6、R8、R10、R12分别对应于所述第一至第六透镜远离物方一面的曲率半径。
优选的，所述第一透镜至第六透镜的焦距、折射率和曲率半径满足以下条件：
-7.5<f1<-6.4 1.78<n1<1.9 15≤R1≤25 4.1≤R2≤4.5
-39<f2<-21 1.6≤n2<1.65 -6.3<R3<-5.5 -12<R4<-9
7.5<f3<7.8 1.87<n3<1.95 5.8<R5≤6.2 32<R6≤42
3<f4<3.65 1.7≤n4≤1.79 5.5≤R7≤6.2 -4.1≤R8<-3.7
-4.5<f5<-3.2 1.93<n5<1.95 -4.1≤R9<-3.7 R10＝∞
38<f6<68 1.6≤n6<1.65 5.9<R11<7.5 6.5<R12≤9.5
其中，“f”为焦距，“n”为折射率，“R”为曲率半径，“-”号表示方向为负；f1至f6分别对应于所述第一透镜至第六透镜的焦距；n1至n6分别对应于所述第一透镜至第六透镜的折射率；R1、R3、R5、R7、R9、R11分别对应于所述第一至第六透镜靠近物方一面的曲率半径，R2、R4、R6、R8、R10、R12分别对应于所述第一至第六透镜远离物方一面的曲率半径。在此范围内优化得到的结果MTF曲线更接近衍射极限，点列图尺寸更小。
所述运动DV镜头的总长小于22.8mm、视场角大于165°和匹配1/2.7英寸图像传感器。
由于目前运动DV镜头总长的限制，全部采用玻璃球面镜片来实现1200万像素、F2.0光圈、匹配1/2.7英寸图像传感器的设计要求时需要采用较多的镜片，导致光学镜头的重量较大且光学镜头的生产成本较高。而本发明使用4片玻璃球面透镜和2片塑料非球面透镜组合形成6片式光学结构，通过合理布局透镜及选择光学材料，最大能够实现1200万像素、F2.0的最大光圈，匹配1/2.7英寸图像传感器，总长小于22.8mm，视场角大于165°等指标。解决了市场上现有运动DV镜头普遍存在的分辨率较低、光圈较小的不足。即使在户外环境较为恶劣的情况下，拍摄图像时所需的曝光时间更短，满足极限运动爱好者抓拍的需求，所拍摄的图片和录制的视频分辨率更高，细节表现能力更好。
附图说明
图1是实施例1中高分辨率大光圈运动DV镜头的光学系统结构示意图；
图2是实施例1中高分辨率大光圈运动DV镜头的MTF曲线图；
图3是实施例1中高分辨率大光圈运动DV镜头的点列图；
图4是实施例2中高分辨率大光圈运动DV镜头的光学系统示意图；
图5是实施例2中高分辨率大光圈运动DV镜头的MTF曲线图；
图6是实施例2中高分辨率大光圈运动DV镜头的点列图曲线图；
图7是实施例3中高分辨率大光圈运动DV镜头的光学系统结构示意图；
图8是实施例3中高分辨率大光圈运动DV镜头的MTF曲线图；
图9是实施例3中高分辨率大光圈运动DV镜头的点列图曲线图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1所示，本发明提供的高分辨率大光圈运动DV镜头，包括沿光轴从物方至像方依次排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和滤光片；第一透镜1是凸凹负光焦度透镜，第二透镜2是凹凸负光焦度透镜，第三透镜3是凸凹正光焦度透镜，第四透镜4是双凸正光焦度透镜，第五透镜5为平凹负光焦度透镜，第六透镜6为凸凹正光焦度透镜；第一透镜1、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5为玻璃球面透镜，第二透镜2、第六透镜6为塑料非球面透镜；第四透镜4与第五透镜5胶合形成胶合透镜。
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6与运动DV镜头满足如下条件式：
2.4<|f1/f|<3
8.5<|f2/f|<14.3
2.8<|f3/f|<3.1
1.2<|f4/f|<1.35
1.2<|f5/f|<1.65
15<|f6/f|<25
其中，f为运动DV镜头的焦距，f1、f2、f3、f4、f5和f6分别对应第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6的焦距。
胶合透镜与整个镜头满足如下条件式：
0.5<|fe/f|<10
其中，fe为胶合透镜的焦距。
实施例1
在本实施例中，第一透镜至第六透镜各个参数如下表所示：
其中，R为透镜表面中心半径大小，D为对应光学表面到下一光学表面于光轴上的距离，nd对应d光(波长587nm)的折射率；S1和S2为第一透镜1的物方表面和像方表面，S3和S4为第二透镜2的物方表面和像方表面，S5和S6为第三透镜3的物方表面和像方表面，Stop面为光阑所在面，S7和S8为第四透镜4的物方表面和像方表面，S8和S9为第五透镜5的物方表面和像方表面，S10和S11为第六透镜6的物方表面和像方表面。
第二透镜2、第六透镜6为塑料非球面透镜，其各自透镜表面形状满足如下方程式：
其中，r代表径向坐标，单位与透镜长度单位相同，c为表面中心半径所对应的曲率，k为圆锥二次曲线系数，a2至a8为高次非球面系数。
在本实施例中，满足上述非球面方程的非球面系数如下表所示：
在本实施例中，由上述透镜组成的光学系统结构达到了以下光学指标：
焦距：f'＝2.65mm；
相对孔径：F＝2.0；
视场角：2w＝165°(匹配1/2.7英寸1200万像素图像传感器)；
光路总长小于22.8mm；
适用谱线范围：450-700nm。
图2为实施例1提供的运动DV镜头的MTF曲线图。从图2可知，中心视场在450线对大于0.3，边缘视场在225线对大于0.3，镜头具有良好的对比度。
图3为实施例1提供的运动DV镜头的点列图。从图3可知，中心视场点列图直径小于1.5μm，边缘视场点列图直径小于2.4μm，镜头具有较高的分辨率。
实施例2
如图4所示，在本实施例中，第一透镜至第六透镜(从左至右)各个参数如下表所示：
其中，R为透镜表面中心半径大小，D为对应光学表面到下一光学表面于光轴上的距离，nd对应d光(波长587nm)的折射率；S1和S2为第一透镜1的物方表面和像方表面，S3和S4为第二透镜2的物方表面和像方表面，S5和S6为第三透镜3的物方表面和像方表面，Stop面为光阑所在面，S7和S8为第四透镜4的物方表面和像方表面，S8和S9为第五透镜5的物方表面和像方表面，S10和S11为第六透镜6的物方表面和像方表面。
第二透镜2、第六透镜6为塑料非球面透镜，其各自透镜表面形状满足如下方程式：
其中，r代表径向坐标，单位与透镜长度单位相同，c为表面中心半径所对应的曲率，k为圆锥二次曲线系数，a2至a8为高次非球面系数。
在本实施例中，满足上述非球面方程的非球面系数如下表所示：
S3 S4 S10 S11
a<sub>2</sub> 9.44292020302954e-5 -0.00049113283777617 -0.00254383122306157 -0.002677348644182
a<sub>3</sub> 2.57986731577668e-5 0.000167347736592122 -0.00033755605691410 -0.000235767517197
a<sub>4</sub> -6.3007214429795e-7 -8.0565769572836e-6 -9.21664720265751e-5 -3.0938378353592e-5
a<sub>5</sub> 3.3033234352626e-9 2.87743933522362e-7 1.08065976389728e-5 5.3912709043251e-6
a<sub>6</sub> -5.032381980390e-19 -2.7622326368401e-24 0 2.416413731208e-27
a<sub>7</sub> 2.666911399699e-20 -1.4629478740777e-28 0 -3.626818506209e-31
a<sub>8</sub> -5.626466462163e-22 -2.3787252898501e-32 0 0
在本实施例中，由上述透镜组成的光学系统结构达到了以下光学指标：
焦距：f'＝2.54mm；
相对孔径：F＝2.0；
视场角：2w＝165°(匹配1/2.7英寸1200万像素图像传感器)；
光路总长小于22.8mm；
适用谱线范围：450-700nm。
图5为实施例2提供的运动DV镜头的MTF曲线图。从图5可知，中心视场在450线对大于0.3，边缘视场在225线对大于0.25，镜头具有良好的对比度。
图6为实施例2提供的运动DV镜头的点列图。从图6可知，中心视场点列图直径小于1.5μm，边缘视场点列图直径小于2.4μm，镜头具有较高的分辨率。
实施例3
在本实施例中，第一透镜至第六透镜各个参数如下表所示：
其中，R为透镜表面中心半径大小，D为对应光学表面到下一光学表面于光轴上的距离，nd对应d光(波长587nm)的折射率；S1和S2为第一透镜1的物方表面和像方表面，S3和S4为第二透镜2的物方表面和像方表面，S5和S6为第三透镜3的物方表面和像方表面，Stop面为光阑所在面，S7和S8为第四透镜4的物方表面和像方表面，S8和S9为第五透镜5的物方表面和像方表面，S10和S11为第六透镜6的物方表面和像方表面。
第二透镜2、第六透镜6为塑料非球面透镜，其各自透镜表面形状满足如下方程式：
其中，r代表径向坐标，单位与透镜长度单位相同，c为表面中心半径所对应的曲率，k为圆锥二次曲线系数，a2至a8为高次非球面系数。
在本实施例中，满足上述非球面方程的非球面系数如下表所示：
S3 S4 S10 S11
a<sub>2</sub> 0.000149595378761 -0.00095604695001860 -0.00111824899791 -0.00299948436517358
a<sub>3</sub> 4.0009947496266e-5 0.000139987611692613 -0.000210501969399 -0.00028293367929627
a<sub>4</sub> -1.20374144548e-6 -5.70181337402121e-6 -6.125462013802e-5 -3.1481269697512e-5
a<sub>5</sub> 1.073331000184e-8 1.54391858677761e-7 6.155113648545e-6 2.676846691709e-6
a<sub>6</sub> -5.03238198326e-19 -2.76223282339093e-24 0 2.4164137312086e-27
a<sub>7</sub> 2.66691139951e-20 -1.46294787407777e-28 0 -3.626818506904e-31
a<sub>8</sub> -5.62646646211e-22 -2.37872528985014e-32 0 0
在本实施例中，由上述透镜组成的光学系统结构达到了以下光学指标：
焦距：f'＝2.68mm；
相对孔径：F＝2.0；
视场角：2w＝165°(匹配1/2.7英寸1200万像素图像传感器)；
光路总长小于22.8mm；
适用谱线范围：450-700nm。
图8为实施例3提供的运动DV镜头的MTF曲线图。从图8可知，中心视场在450线对大于0.3，边缘视场在225线对大于0.25，镜头具有良好的对比度。
图9为实施例3提供的运动DV镜头的点列图。从图9可知，中心视场点列图直径小于1.5μm，边缘视场点列图直径小于2.4μm，镜头具有较高的分辨率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种高分辨率大光圈运动DV镜头，其特征在于，所述运动DV镜头包括沿光轴从物方至像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第一透镜是凸凹负光焦度透镜，所述第二透镜是凹凸负光焦度透镜，所述第三透镜是凸凹正光焦度透镜，所述第四透镜是双凸正光焦度透镜，所述第五透镜为平凹负光焦度透镜，所述第六透镜为凸凹正光焦度透镜。
2.根据权利要求1所述的高分辨率大光圈运动DV镜头，其特征在于，所述第一透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜为玻璃球面透镜，所述第二透镜和第六透镜为塑料非球面透镜。
3.根据权利要求1或2所述的高分辨率大光圈运动DV镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距分别与运动DV镜头的焦距满足如下条件式：
0.5<|f1/f|<5
8.5<|f2/f|<15
0.5<|f3/f|<5
1<|f4/f|<5.5
0.5<|f5/f|<4.5
15<|f6/f|<30
其中，f为运动DV镜头的焦距，f1、f2、f3、f4、f5和f6分别对应第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距。
4.根据权利要求1或2所述的高分辨率大光圈运动DV镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距分别与整个运动DV镜头的焦距满足如下条件式：
2.4<|f1/f|<3
8.5<|f2/f|<14.3
2.8<|f3/f|<3.1
1.2<|f4/f|<1.35
1.2<|f5/f|<1.65
15<|f6/f|<25
其中，f为运动DV镜头的焦距，f1、f2、f3、f4、f5和f6分别对应第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距。
5.根据权利要求1或2所述的高分辨率大光圈运动DV镜头，其特征在于，所述第四透镜与第五透镜胶合形成胶合透镜，所述胶合透镜与运动DV镜头满足如下条件式：
0.5<|fe/f|<10
其中，fe为胶合透镜的焦距。
双胶合承担着汇聚光束、校正色差的作用。胶合镜片后第六透镜(非球面)承担着校正轴外光束的像差的作用。
6.根据权利要求1或2所述的高分辨率大光圈运动DV镜头，其特征在于，所述第一透镜至第六透镜的焦距、折射率和曲率半径满足以下条件：
其中，“f”为焦距，“n”为折射率，“R”为曲率半径，“-”号表示方向为负；f1至f6分别对应于所述第一透镜至第六透镜的焦距；n1至n6分别对应于所述第一透镜至第六透镜的折射率；R1、R3、R5、R7、R9、R11分别对应于所述第一至第六透镜靠近物方一面的曲率半径，R2、R4、R6、R8、R10、R12分别对应于所述第一至第六透镜远离物方一面的曲率半径。
7.根据权利要求1或2所述的高分辨率大光圈运动DV镜头，其特征在于，优选的，所述第一透镜至第六透镜的焦距、折射率和曲率半径满足以下条件：
-7.5<f1<-6.4 1.78<n1<1.9 15≤R1≤25 4.1≤R2≤4.5 -39<f2<-21 1.6≤n2<1.65 -6.3<R3<-5.5 -12<R4<-9 7.5<f3<7.8 1.87<n3<1.95 5.8<R5≤6.2 32<R6≤42 3<f4<3.65 1.7≤n4≤1.79 5.5≤R7≤6.2 -4.1≤R8<-3.7 -4.5<f5<-3.2 1.93<n5<1.95 -4.1≤R9<-3.7 R10＝∞ 38<f6<68 1.6≤n6<1.65 5.9<R11<7.5 6.5<R12≤9.5
其中，“f”为焦距，“n”为折射率，“R”为曲率半径，“-”号表示方向为负；f1至f6分别对应于所述第一透镜至第六透镜的焦距；n1至n6分别对应于所述第一透镜至第六透镜的折射率；R1、R3、R5、R7、R9、R11分别对应于所述第一至第六透镜靠近物方一面的曲率半径，R2、R4、R6、R8、R10、R12分别对应于所述第一至第六透镜远离物方一面的曲率半径。
8.根据权利要求1-7任一所述的高分辨率大光圈运动DV镜头，其特征在于，所述运动DV镜头的总长小于22.8mm、视场角大于165°和匹配1/2.7英寸图像传感器。
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