本发明涉及一种用于影响由相机镜头在相机的图像传感器上产生的光学图像的附加光学元件的用途、一种包括可以选择性地联接到相机的相机镜头的镜头系统、一种附加光学元件以及一种具有相机和这种镜头系统的相机系统。
背景技术：
1、对于专业的活动图像记录，特别是可以使用具有可互换镜头的相机，所述可互换镜头可以选择性地联接到相机的相机主体的镜头安装座并且例如其焦距可以不同，以便能够装备具有适合特定记录情况的相机镜头的相机。镜头系列的不同可互换镜头也可以以这种方式彼此匹配，使得在改变相机镜头时维持主观图像印象以及例如色彩再现或分辨能力，并且相机镜头的变化只有通过物体角度的变化才能在记录中突出。如本文所使用的通用术语“镜头”或“相机镜头”应被理解为包括形成相机的物镜的多个光学元件，包括单独的镜头。
2、特别地，还可以针对所产生的相应图像外观表现来选择可互换镜头用于专业活动图像记录，以便实现特定的记录“观感”。所谓的老式镜头，诸如20世纪60年代的相机镜头，可能会创造出经常喜欢的“观感”。这种“观感”可能也是当今现代记录所需要的。
3、例如，与当今的专业相机镜头相比，这种老式镜头的成像性能可能有限，因此使用老式镜头的相机产生的图像中可能会出现像差，然而，这可以特别确定特征散景或图像的所需图片外观表现。另一方面，现代的相机镜头通常尽可能精确地校正此类像差，以便避免像差并获得一致清晰的高分辨率图像。
4、尽管如此，为了实现老式镜头所需的图像外观表现，大约20世纪60年代的旧相机镜头的镜头组也可以用于例如现代活动图像记录中，并且被配备有改造的现代机构，以便旧镜头组可以与当前最先进的相机结合使用。此外，例如，对于光学像差进行了良好校正的相机镜头可以通过改变镜头之间的距离来故意调整出这种良好校正的状态，例如以便故意产生像差并重新形成老式镜头的“观感”。
5、此外，通常已知使用附加光学元件来改变光学系统的成像特性。例如，所谓的效果滤光器，特别是平玻璃板，可以放置在镜头前方，其可以将目标杂散光引入到系统中以便产生像差。此外，这种附加光学元件通常也可以放置在相机镜头与相机之间，为此目的，例如可以在相机镜头与相机之间插入适配器，并且可以将附加光学元件插入其中。
6、然而，老式镜头的实际使用带来了问题，即相机镜头的年龄及其数十年的用途往往意味着光学状况不佳，并且相机镜头的其他参数在技术上也已经过时，例如，光学元件的抗反射涂层可能不足。另一方面，重新调整经校正的相机镜头以便产生期望的像差通常需要对相机镜头进行重大且复杂的结构性干预，而这只能由经验丰富的维修技术人员来执行。此外，任何不当的处理都可能导致相机镜头的损坏，并且在这种重新调整之后可能难以将相机镜头恢复到其原始状态或完全校正的状态。
7、此外，当使用不同的相机镜头或附加光学元件时，必须遵守所谓的法兰焦距。相机处的法兰焦距对应于图像平面(即图像传感器的平面)与要联接的相机镜头的支撑平面之间的距离。相机镜头是针对相关联相机的特定法兰焦距而设计的，即相机镜头的光学器件定义的法兰焦距必须与所使用的相机的法兰焦距相对应，以便相机镜头的聚焦与其上的焦点刻度(距离标度)匹配。在下文中，镜头的法兰焦距被理解为镜头安装座处的镜头的接触表面与由镜头光学器件产生的轴向焦点之间的距离。
8、然而，在相机镜头与相机之间附接附加光学元件可能会改变由相机镜头(纯粹)定义的法兰焦距，从而使得在使用中，相机镜头的焦点刻度发生扭曲并且变得更加难以调节焦点。此外，特别是由于法兰焦距的显著变化，也可能不再可能达到相机镜头通常可以达到的焦距范围，使得附加光学元件的引入可能会伴随着相机镜头的有限应用。虽然通常可以尝试通过使用例如垫片来机械地补偿法兰焦距的变化，但特别是在胶片装置上的任何短期调整通常由于可用时间有限而无法实现，因此通常必须接受改变的法兰焦距和由此导致的焦距调整困难。
技术实现思路
1、因此，本发明的目的是提供一种用于影响由相机镜头在相机的图像传感器上产生的光学图像的可能性，并且特别是用于专门产生像差的可能性，其可以尽可能简单且可靠地实现而无需作出任何大的结构性的努力。
2、该目的通过本发明的一个方面的附加光学元件的用途来实现。
3、根据本发明的一个方面，一种具有正光焦度的附加光学元件用于影响由相机镜头在相机的图像传感器上产生的光学图像，其中通过在相机镜头与相机的图像传感器之间插入附加光学元件来影响光学图像。使用附加光学元件，所述附加光学元件的中心厚度和光焦度以这种方式彼此匹配：对于相机镜头的预定光阑设定，通过插入附加光学元件，由相机镜头限定的法兰焦距保持基本上不变。
4、通过使用附加光学元件来改变由相机镜头在相机的图像传感器上产生的光学图像，因此无需为了实现对光学图像的预期影响而恢复到实际的老式镜头或改变相机镜头的光学器件的校准。相反，一般来说，可以使用针对像差进行校正的现代相机镜头，其机制和参数可以完全根据现有技术来配置。
5、附加光学元件的中心厚度和光焦度以这种方式彼此匹配：至少对于相机镜头的预定光阑设定，通过插入附加光学元件，由相机镜头限定的法兰焦距保持基本上不变。这意味着相机镜头和附加光学元件的系统至少对于相机镜头的预定光阑设定限定了与设计成用于相应相机的单独的相机镜头相同的法兰焦距。这可以防止当插入附加光学元件时镜头的焦点刻度改变。在这方面，当插入附加光学元件时，相机镜头的控制以及由相机镜头限定的设定或成像参数也可以保持不变。附加光学元件的光焦度通常由附加光学元件中使用的材料的折射率和镜头的曲率半径来确定。
6、在某种程度上，可以通过使用具有正光焦度的附加光学元件来补偿两种相反的效果。首先，在通过相机镜头到达相机的图像传感器的光束路径中插入作为附加玻璃路径的附加光学元件通常伴随着由相机镜头限定的法兰焦距的增加，使得由相机镜头确定的焦点偏离相机镜头。这种偏移可以特别地被描述为法兰焦距增量δs1。这种法兰焦距增量δs1可以针对厚度为d的平板(即平面平行板)来计算，或者针对具有大曲率半径和对应的低折射的中心厚度为d的附加光学元件来近似为：
7、
8、其中n是平板材料的折射率。
9、然而，由于使用了具有正光焦度的附加光学元件，相机镜头后方的会聚光束可能会更加聚焦，并且焦点可能会在相机镜头方向上转移，从而导致所解释的法兰焦距增加被附加光学元件的中心厚度与光焦度之间的对应匹配来补偿，并且通过插入附加光学元件，由相机镜头限定的法兰焦距可以保持基本上不变，即不因相机镜头和附加光学元件的组合而改变。
10、对于放置在相机镜头与图像平面之间的会聚光束路径中的具有正光焦度的理想薄单镜头，法兰焦距变化δs2可以计算为
11、
12、其中fz是单镜头的焦距，并且u是相机镜头焦点到单镜头的距离。
13、在δs1＝-δs2时，
14、对法兰焦距变化的所述贡献相互补偿，并且因此，如果通过选择光学材料来指定折射率n并指定正光焦度1/fz，则补偿所需的平板的厚度d可以近似为
15、
16、关于焦距，通过以所描述的方式插入附加光学元件，由相机镜头(具有焦距fk)和附加光学元件(具有焦距fz)组成的系统的焦距fs由下式给出：
17、
18、此处示出的理想化的估计实现了附加光学元件的总体设计。对于经验丰富的光学设计师来说，考虑所需的表面几何形状、材料以及光束路径中附加光学元件的位置，可以容易地对所需中心厚度进行详细优化，特别是在使用计算机辅助光学设计的通用软件的情况下。
19、至少对于相机镜头的预定光阑设定可以实现所描述的补偿效果。在本文中，光阑设定应被理解为相机镜头的可变光阑(例如虹膜光阑)的设定值。这种设定值对应于光阑的预定开口宽度。特别地，光阑可以布置在相机镜头的主平面中或附近。
20、特别地，当插入附加光学元件时，附加光学元件的插入因此使得可以在图像中心或在相机镜头的光轴与图像传感器相交的点处实现不变的焦点。另一方面，附加光学元件可以被配置为例如通过镜头表面的可变曲率来产生像差，并且例如产生球面像差，使得在图像传感器上产生的图像的锐度可以特别地受到附加光学元件的插入的影响。例如，通过插入附加光学元件，可以有意地针对图像或图像传感器的边缘降低图像锐度，以便能够再现锐度性能降低的老式镜头的“观感”或图像外观表现。
21、此外，这种附加光学元件还提供了使用不同的附加光学元件来影响由图像传感器上的特定相机镜头产生的光学图像的可能性，其中不同的附加光学元件中的相应一个被插入在相机镜头与相机的图像传感器之间。附加光学元件可以全部具有正光焦度，所述正光焦度与相应的附加光学元件的中心厚度匹配，使得对于特定光阑设定，通过插入相应的一个附加光学元件，由相机镜头限定的法兰焦距保持基本上不变。然而，附加光学元件的表面的相应镜头偏转或曲率例如可以彼此不同，使得附加光学元件可以被配置为产生不同类型的光学像差。因此，例如，一组附加光学元件可以可用和/或使用，其可以选择性地插入在相机镜头与相机的图像传感器之间，而不改变由相机镜头限定的法兰焦距，从而可以通过插入相应的附加光学元件来特别地产生期望的像差。
22、然而，附加光学元件的插入以及由附加光学元件产生的任何球面像差可以导致最佳焦点的轴向位置依赖于镜头的设定光阑设定，使得附加光学元件的设计元件通常必须考虑所需的光阑设定，并且如果需要，可以仅确保针对所述光阑设定来维持此法兰焦距。如果相机镜头以不同的光阑设定操作，则因此可能会出现焦点位置的偏差，然而由此，特别是对于具有相关球面像差的老式镜头，也可能会出现这种效应，并且因此使用者可以考虑这一点，或者甚至想要重现老式镜头。将最佳焦点的位置优化到所需的光阑设定取决于最佳焦点的所需标准，但对于经验丰富的设计师来说很容易完成。
23、另外的实施例可以从本发明的另外的方面中得出。
24、在一些实施例中，附加光学元件可以被配置为产生球面像差。替代地或附加地，在一些实施例中，附加光学元件可以被配置为总体上降低相机镜头的锐度，使得附加光学元件的插入还可以例如导致图像的中心处的锐度降低或者在相机镜头的光轴与图像传感器之间的交点处的锐度降低。当插入附加光学元件时，从光轴与图像传感器之间的交点开始，图像的锐度还可以例如在图像边缘的方向上和/或相对于光轴径向地进一步降低和/或逐渐降低，由此甚至可以朝向像场的边缘添加另外的像差，诸如像场弯曲或慧差。这种锐度轮廓通常也是老式镜头的特征，可以通过使用附加光学元件来再现。
25、在一些实施例中，附加光学元件可以插入相机镜头的后焦距内。
26、在一些实施例中，附加光学元件的至少一个表面，特别是附加光学元件的背离相机镜头的表面和/或面向相机镜头的表面，可以至少部分地形成为非球面。
27、例如，附加光学元件的背向相机镜头的表面和/或附加光学元件的面向相机镜头的表面可以具有不规则曲率，使得入射到附加光学元件上的光线可以被折射到不同的角度，这取决于附加光学元件上的入射点和/或从附加光学元件的出射点，并且可以产生期望的位置相关的像差。此外，在一些实施例中，附加光学元件的背离相机镜头和/或面向相机镜头的表面可以部分地形成为平坦的和/或包括相对于光轴以不同角度定向的多个平坦形成的表面区段，以便还产生附加光学元件的位置相关的光焦度和位置相关的光学像差。
28、在一些实施例中，附加光学元件可以容纳在相机镜头与相机之间的空腔中。特别地可以规定，当相机镜头安装到相机时，附加光学元件被插入到设置在相机镜头处或相机处的接收器中，使得特别地不需要将适配器连接到相机镜头和/或相机镜头以便能够插入附加光学元件。因此，当插入附加光学元件时，作为相机主体上的相机镜头的安装表面与相机的图像传感器之间的距离的相机镜头的机械距离测量可以保持不变。此外，由于附加光学元件的光焦度与中心厚度之间的匹配，由相机镜头确定的法兰焦距也不会因附加光学元件的插入而(明显)改变，特别地，当插入附加光学元件时，相机镜头的焦点刻度可以因此保留。
29、在一些实施例中，容纳附加光学元件的空腔可以部分地形成在相机镜头中并且部分地形成在相机中(即，在相机的镜头安装座的两侧上，例如，在用于相机镜头的相机主体的接触表面的两侧上)。在其他实施例中，用于附加光学元件的空腔可以完全形成在相机镜头中或完全形成在相机中。
30、此外，在一些实施例中，附加光学元件可以首先连接到相机镜头，以便然后将相机镜头安装到相机。
31、在一些实施例中，附加光学元件可以被配置为插入在相机镜头与相机之间，使得即使在使用附加光学元件时，相机镜头也可以直接联接到相机的镜头安装座，即以与没有附加光学元件时的方式和布置相同。换句话说，当未插入附加光学元件时，可以以与在安装相机镜头时插入附加光学元件的情况相同的方式将相机镜头安装到相机。为此目的，例如，安装到相机镜头的附加光学元件可以插入到设置在相机主体处的空腔中或者插入到设置在相机主体处的轴向开口中，而例如相机镜头可以安装到相机主体、设置在相机主体上的镜头安装座和/或空腔的边界。
32、本发明还涉及一种用于影响由相机镜头在相机的图像传感器上产生的光学图像的方法，其中具有正光焦度的附加光学元件被插入在相机镜头与相机的图像传感器之间，所述附加光学元件的中心厚度和光焦度以这种方式彼此匹配：对于相机镜头的预定光阑设定，通过插入附加光学元件，由相机镜头限定的法兰焦距保持基本上不变，如上所述。
33、本发明还涉及一种镜头系统，其包括可以选择性地联接到相机的相机镜头以及可以插入相机镜头与相机的图像传感器之间的具有正光焦度的附加光学元件，其中附加光学元件的中心厚度和光焦度以这种方式彼此匹配：对于相机镜头的预定光阑设定，通过插入附加光学元件，由相机镜头限定的法兰焦距保持基本上不变。这种镜头系统的附加光学元件通常可以结合根据本发明的附加光学元件的用途如上文所解释的方式来配置和布置。
34、如已经解释的，这种附加光学元件使得可以特别地影响在以没有插入附加光学元件的方式使用相机镜头时在相机的图像传感器上产生的光学图像，插入附加光学元件通常伴随着相机镜头的焦点刻度的变化或者需要对相机镜头和/或相机进行结构性的改变。因此，附加光学元件使得可以在插入或不插入附加光学元件的情况下选择性地使用相机镜头，由此相机镜头的控制不必由于附加光学元件的插入而调整或改变。例如，通过插入适当设计的附加光学元件，可以在使用现代相机镜头时轻松复制老式镜头。然而，为了在需要时恢复到未改变的、现代的且特别是光学像差校正的相机镜头及其成像特性，可以简单地移除附加光学元件。
35、在一些实施例中，在将附加光学元件插入相机镜头与相机的图像传感器之间的同时相机镜头可以直接安装到相机的镜头安装座。在这方面，在一些实施例中，当附加光学元件被插入到相机镜头与相机的图像传感器之间时，可以以与在将相机镜头安装到相机时没有将附加光学元件插入相机镜头与相机的图像传感器之间的方式相同的方式将相机镜头安装到相机。因此，在一些实施例中，可以插入附加光学元件而不引起相机镜头的距离测量(作为相机镜头的安装表面与相机的图像传感器之间的距离)的改变。
36、例如，可以规定，附加光学元件可以首先安装到相机镜头，以便然后将相机镜头安装到相机的镜头安装座。为此目的，连接到相机镜头的附加光学元件可以例如当相机镜头被安装到相机的镜头安装座并且附加光学元件被插入相机镜头与相机的图像传感器之间时被插入到设置在相机的相机主体处的空腔中和/或可以突出到这种空腔中。
37、替代地或附加地，还可以规定，相机镜头和/或相机包括接收器，当相机镜头安装到镜头安装座时，附加光学元件可以选择性地插入所述接收器中。例如，附加光学元件可以插入到设置在相机上的狭槽中，以便定位在相机镜头与相机的图像传感器之间。
38、在一些实施例中，镜头系统可以包括具有正光焦度的不同的多个附加光学元件，所述多个附加光学元件可以选择性地插入相机镜头与相机的图像传感器之间，并且多个所述附加光学元件的各个中心厚度和光焦度以这种方式彼此匹配：对于相机镜头的预定光阑设定，通过插入相应的附加光学元件，由相机镜头限定的法兰焦距保持不变。此外，所述多个附加光学元件可以被配置为在由相机镜头记录的图像中产生不同的相应的球面像差。
39、对于这种镜头系统，可以有效地提供一组多个附加光学元件，所述一组多个附加光学元件可以选择性地插入相机镜头与相机的图像传感器之间，但不会改变为了相机镜头的预定光阑设定而定义的法兰焦距。特别地，可以提供不同的附加光学元件，以便能够通过插入相应的附加光学元件来再现相应老式镜片的“观感”或其成像特性。特别地，多个附加光学元件可以具有不同的光焦度并且因此导致不同程度的像差。特别地，所述多个附加光学元件的表面可以不同地形成，以便能够通过插入相应的附加光学元件来产生不同的像差。
40、在一些实施例中，所述多个附加光学元件可以具有不同的镜头偏转。特别地，所述多个附加光学元件可以具有不同的非球面曲率，其中，特别地，附加光学元件背离相机镜头的表面和/或附加光学元件面向相机镜头的表面可以具有不同的非球面曲率。此外，附加光学元件背离相机镜头和/或面向相机镜头的表面可以至少部分地形成为非球面和/或可以至少部分地形成为平面，以便能够产生不同的像差。
41、一般而言，所述多个附加光学元件背向相机镜头和/或面向相机镜头的表面可以因此彼此不同地配置。附加光学元件“背向”或“面向”相机镜头的表面可以特别地意指相应的附加光学元件的正确插入状态。
42、此外，所述镜头系统的所述附加光学元件或所述镜头系统的所述多个附加光学元件可以包括与这种附加光学元件或多个这种附加光学元件的用途相关的上文已经提及的特征中的一个或多个。
43、本发明还涉及一种相机系统，其包括具有图像传感器和上述类型的镜头系统的相机。
44、特别地，所述镜头系统的相机镜头可以适用于相机并且设计成安装在相机处。附加光学元件或者在一些实施例中的多个附加光学元件也可以适用于相机镜头和/或相机，以便可插入在相机镜头与相机的图像传感器之间。例如，附加光学元件可以附接到相机镜头面向相机的端部区段，或者可以插入到设置在相机镜头处或相机处的接收器中。
45、相机、特别是可以使用附加光学元件的相机可以特别地被配置为运动图像相机。
1.一种具有正光焦度的附加光学元件(11、21、31)的用途，用于通过将所述附加光学元件(11、21、31)插入相机镜头(13)与相机(17)的图像传感器(15)之间来影响由所述相机镜头(13)在所述相机(17)的所述图像传感器(15)上产生的光学图像(19)，其中所述附加光学元件(11、21、31)的中心厚度(d)和所述附加光学元件(11、21、31)的所述光焦度彼此匹配，使得对于所述相机镜头(13)的预定光阑设定，通过插入所述附加光学元件(11、21、31)，由所述相机镜头(13)限定的法兰焦距(s)保持基本上不变。
2.根据权利要求1所述的附加光学元件(11、21、31)的用途，
3.根据权利要求1所述的附加光学元件(11、21、31)的用途，
4.根据权利要求1所述的附加光学元件(11、21、31)的用途，
5.根据权利要求1所述的附加光学元件(11、21、31)的用途，
6.根据权利要求1所述的附加光学元件(11、21、31)的用途，
7.一种镜头系统(67)，其包括能够选择性地联接到相机(17)的相机镜头(13)以及能够插入所述相机镜头(13)与所述相机(17)的图像传感器(15)之间的、具有正光焦度的附加光学元件(11、21、31)，其中所述附加光学元件(11、21、31)的中心厚度(d)和所述附加光学元件(11、21、31)的所述光焦度彼此匹配，使得对于所述相机镜头(13)的预定光阑设定，通过插入所述附加光学元件(11、21、31)，由所述相机镜头(13)限定的法兰焦距(s)保持基本上不变。
8.根据权利要求7所述的镜头系统(67)，
9.根据权利要求7所述的镜头系统(67)，
10.根据权利要求9所述的镜头系统(67)，
11.一种相机系统(65)(17)，其包括具有图像传感器(15)的相机(17)和根据权利要求7所述的镜头系统(67)。
