ОБЪЕКТИВ ПЕРЕМЕННОГО ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ С ТРЕМЯ ГРУППАМИ ЛИНЗ Российский патент 2000 года по МПК G02B15/16 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к телевизионным объективам с переменным фокусным расстоянием, и может быть использовано как с телевизионными трубками, так и с ПЗС-приемниками для получения визуальной информации от внешних объектов.

Известен широкоугольный объектив переменного фокусного расстояния по патенту США N 5,170,292 МПК G02B 15/00, от 08.12.92, приоритет от 08.01.91 г., состоящий из четырех линзовых групп, первая, вторая и третья группы линз имеют положительную оптическую силу, причем вторая группа линз близка к афокальной, а четвертая группа - отрицательная. Известный объектив обладает максимальным угловым полем 88 угловых градусов, имеет максимальное относительное отверстие 1:4.6, максимальное фокусное расстояние - 100 мм на телескопическом конце. Объектив построен по схеме с внутренним положением апертурной диафрагмы, содержит 12 линз, три из которых имеют асферические поверхности. Объектив имеет удовлетворительное качество изображения. Для обеспечения изменения фокусного расстояния первая и вторая группы линз перемещаются по линейному закону, а третья и четвертая - с отклонением от линейности. При изменении фокусного расстояния существенно изменяется длина оптической системы.

К недостаткам известного объектива следует отнести расположение диафрагмы внутри объектива, что ограничивает его применение, сложную конструкцию за счет содержания асферических поверхностей и необходимости обеспечения сложного закона перемещения четырех компонентов.

Наиболее близким по техническому решению является объектив переменного фокусного расстояния с тремя группами линз с кратностью больше 3,0 по патенту Великобритании N 2280278 A1, МПК G02B 15/16, опубликован 25.01.95, который выбран авторами за прототип.

Объектив-прототип содержит первую и вторую положительные и третью отрицательную группы линз, первая группа линз состоит из трех одиночных линз, вторая из двух склеенных линз и расположенной за ними двояковыпуклой линзы, за которой размещается апертурная диафрагма, третья группа состоит из трех одиночных линз, третья из которых отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту. Объектив содержит две асферические поверхности, имеет средние значения углового поля до 60 угловых градусов при максимальном относительном отверстии 1:3,5, максимальное фокусное расстояние 25 мм, при трансфокации изменяются расстояния между первой и второй, а также между второй и третьей группами линз.

К недостаткам прототипа относятся отсутствие выноса входного зрачка объектива и малое угловое поле, что ограничивает его функциональные возможности и информативность.

Задачей изобретения является создание объектива с расширенной областью применения за счет выноса входного зрачка вперед и повышение информативности за счет увеличения углового поля объектива.

Решение указанной задачи достигается тем, что в объективе переменного фокусного расстояния с тремя группами линз, содержащем первую и вторую положительные группы линз, а третью линзу третьей группы, выполненную в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, линзы первой группы выполнены склеенными из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту, вторая группа линз выполнена из двух плосковыпуклых линз и расположенной между ними двояковыпуклой линзы, третья группа линз выполнена положительной, при этом ее первая и вторая линзы выполнены в виде положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к изображению, а за третьим мениском этой группы установлены дополнительно четвертая и пятая линзы, выполненные в виде положительных менисков, обращенных вогнутостью соответственно к объекту и к изображению.

Выполнение первой группы в виде склеенных положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту, позволяет вынести входной зрачок вперед, скоррегировать сферическую аберрацию, увеличить угловое поле, одновременно исключить возникновение аберраций высшего порядка и обеспечить высокое качество аберрационной коррекции.

Выполнение второй группы в виде двух плосковыпуклых и расположенной между ними двояковыпуклой линзы обеспечивает стабильность коррекции астигматизма и кривизны при изменении положения второй группы линз и, соответственно, обеспечения перемены фокусного расстояния при условии базовой первой группы линз с вынесенным вперед входным зрачком.

Выполнение третьей группы положительной, состоящей из пяти одиночных менисков, из которых первый, второй и пятый положительный, отрицательный и положительный, обращенные вогнутостью к изображению, третий и четвертый - обращены вогнутостью к объекту, позволяет получить необходимое относительное отверстие при вынесенном вперед входном зрачке и обеспечить коррекцию аберраций широких наклонных пучков.

Дополнительно введенные в третью группу четвертая и пятая линзы участвуют в получении большого углового поля, улучшают качество аберрационной коррекции за счет исправления комы высшего порядка и кривизны при большом угловом поле, особенно в сагиттальном сечении.

Указанная совокупность позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров оптической схемы, позволяющих одновременно обеспечить расширение функциональных возможностей за счет выноса входного зрачка вперед и повышение информативности за счет увеличения углового поля объектива. При этом происходит взаимная компенсация аберраций высших порядков в широких наклонных пучках у различных компонентов объектива. Такая совокупность повышает информативность телескопической системы за счет увеличения углового поля объектива.

Совокупность всех признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации объектива с переменным фокусным расстоянием с тремя группами линз с кратностью больше 3,0.

Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлены оптические схемы и ЧКХ объектива в широкоугольном положении;
- на фиг. 2 - в промежуточном положении;
- на фиг. 3 - в длиннофокусном положении.

Объектив переменного фокусного расстояния с тремя группами линз содержит последовательно расположенную по ходу луча апертурную диафрагму АД, являющуюся одновременно входным зрачком объектива, первую группу объектива, состоящую из склеенных положительной линзы 1 и отрицательного мениска 2, обращенного вогнутостью к пространству объектов, вторая группа состоит из плосковыпуклой линзы 3, двояковыпуклой линзы 4, плосковыпуклой линзы 5, третья группа выполнена из положительного 6 и отрицательного 7 менисков, обращенных вогнутостью к изображению, отрицательного 8 и положительного 9 менисков, обращенных вогнутостью к объекту, а также положительного мениска 10, обращенного вогнутостью к изображению.

Объектив работает следующим образом. Световой поток от бесконечно удаленного объекта последовательно проходит через все элементы объектива 1-10, после которых изображение образуется в фокальной плоскости объектива, которое затем совмещается со светочувствительным слоем приемника - телевизионной трубки или ПЗС-матрицы (на чертежах не показаны), при трансфокации изменяются расстояния между первой и второй, а также между второй и третьей группами линз по линейному закону. Смещение плоскости изображения при изменении увеличения компенсируется подвижкой приемника - ПЗС-матрицы.

Примером конкретной реализации предлагаемого изобретения является объектив переменного фокусного расстояния с тремя группами линз, имеющий f' = 4.0 мм, кратность объектива 4.69, максимальное угловое поле 2w = 90, максимальное D/F = 1:3,5.

Параметры объектива переменного фокусного расстояния для трех значений фокусного расстояния короткого, промежуточного и длинного представлены соответственно в табл. 1 а параксиальные характеристики объективов - в табл. 2 - 4.

Техническими преимуществами предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом являются:
- вынос входного зрачка объектива на первую поверхность, что расширяет область применения объективов с переменным фокусным расстоянием, например использовать объектив в системах скрытого наблюдения, а также в системах, где необходим защитный иллюминатор - гидрообъективах, объективах, работающих в агрессивных средах;
- увеличение поля зрения на 30 угловых градусов, что увеличивает информативность объектива с переменным фокусным расстоянием;
- дополнительным преимуществом является повышение технологичности объектива - нет асферических поверхностей, простой закон перемещения компонентов.

Реализация технических преимуществ предлагаемого изобретения расширяет область применения объектива и повышает информативность объектива по предлагаемому изобретению, что позволяет использовать его как объектив с переменным фокусным расстоянием для телевизионных камер с большим угловым полем, вынесенным вперед входным зрачком, имеющий возможность работать в системах скрытого наблюдения.

Объектив содержит три положительные группы линз. Линзы первой группы выполнены склеенными из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту. Вторая группа линз выполнена из двух плосковыпуклых линз и расположенной между ними двояковыпуклой линзы. Третья группа содержит первую и вторую линзы, выполненные в виде положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к изображению, третью линзу - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту, и четвертую и пятую линзы, выполненные в виде положительных менисков, обращенных вогнутостью соответственно к объекту и к изображению. Обеспечиваются создание объектива с расширенной областью применения за счет выноса выходного зрачка вперед и повышение информативности за счет увеличения углового поля объектива. 3 ил., 4 табл.

Объектив переменного фокусного расстояния с тремя группами линз содержит первую и вторую положительные группы линз, а третья линза третьей группы выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, отличающийся тем, что линзы первой группы выполнены склеенными из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту, вторая группа линз выполнена из двух плосковыпуклых линз и расположенной между ними двояковыпуклой линзы, третья группа линз выполнена положительной, при этом ее первая и вторая линзы выполнены в виде положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к изображению, а за третьим мениском этой группы установлены дополнительно четвертая и пятая линзы, выполненные в виде положительных менисков, обращенных вогнутостью соответственно к объекту и к изображению.