ОБЪЕКТИВ С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G02B15/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам с переменным фокусным расстоянием, и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ЭОПе или ПЗС-матрице.

Известен вариообъектив [1], содержащий четыре компонента, причем первый компонент положительный, второй компонент отрицательный, третий компонент положительный и четвертый компонент положительный. Изменение фокусного расстояния происходит при движении второго компонента, а компенсация сдвига плоскости изображения осуществляется при помощи третьего компонента. Первый компонент содержит положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы. Второй компонент содержит отрицательную одиночную линзу и отрицательную линзу, склеенную из двояковогнутой и положительной линз. Третий компонент представляет собой склеенную положительную линзу. Четвертый компонент содержит четыре одиночные линзы. Объектив имеет диапазон изменения фокусного расстояния от 77 до 145 мм, относительное отверстие 1:4.1. Недостатком объектива является невысокое относительное отверстие, не позволяющее использовать данный объектив в условиях низкой освещенности.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по техническому решению является объектив с переменным фокусным расстоянием [2], предназначенный для использования в фотографических камерах. Вариообъектив содержит четыре компонента: первый положительный компонент, второй отрицательный компонент, третий положительный компонент и четвертый положительный компонент. Изменение фокусного расстояния осуществляется при движении второго и третьего компонентов, причем фокусировка в единую плоскость изображений производится перемещением третьего компонента. Первый компонент содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительной линзы, и положительную линзу. Второй компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, и отрицательную линзу, склеенную из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Третий положительный компонент состоит из положительной линзы, склеенной из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы. Четвертый положительный компонент содержит положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, вторую линзу двояковыпуклую, третью линзу - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, и четвертую линзу - двояковыпуклую. Апертурная диафрагма расположена между первой и второй линзами четвертого компонента. Фокусное расстояние объектива изменяется от 70 до 210 мм, относительное отверстие 1:4. Недостатком прототипа являются невысокое значение относительного отверстия, а также невысокие значения коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения, что не позволяет получить на ЭОПе или ПЗС-матрице изображения объектов при малой освещенности.

Задачей изобретения является повышение относительного отверстия объектива и качества изображения за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения при дискретном изменении фокусного расстояния.

Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния, содержащий три компонента, из которых первый положительный компонент состоит из положительной линзы, склеенной из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительной линзы, и положительной линзы, второй отрицательный компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, отрицательной склеенной линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и третий положительный компонент, в отличие от прототипа, во второй компонент введена двояковогнутая линза, расположенная между отрицательным мениском и склеенной линзой, состоящей из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и отрицательной линзы, третий компонент содержит положительный мениск, склеенный из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу и положительный мениск, склеенный из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, при этом световой диаметр первой поверхности первого компонента является апертурной диафрагмой при максимальном фокусном расстоянии, а световой диаметр первой поверхности третьего компонента является апертурной диафрагмой при минимальном фокусном расстоянии, причем сумма оптических сил всех компонентов не превышает 0,0072 мм^-1 по абсолютной величине, а разность коэффициентов линейного расширения оптического стекла положительной и отрицательной линз, входящих в склеенные линзы первого, второго и третьего компонентов, не превышает 9·l0^-7 гpaд^-l.

Выбор сумм оптических сил всех компонентов, близкой к 0, а именно не более 0,0072 мм^-1 по абсолютной величине, обеспечивает получение высокого качества изображения по всему полю зрения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний за счет автоматического исправления кривизны изображения.

Конструкция первого компонента позволяет исправить сферическую аберрацию при большом фокусном расстоянии объектива f′=228 мм.

Конструкция второго компонента и кинематика его перемещения обеспечивает изменение фокусного расстояния объектива и неподвижность плоскости изображения для двух значений фокусного расстояния объектива f′=228 мм и f′=114 мм, а также позволяет исправить полевые аберрации широких наклонных пучков в пределах поля зрения 2W=9°.

Конструкция третьего компонента позволяет исправить осевые аберрации при наибольшем фокусном расстоянии f′=228 мм и при увеличении относительного отверстия до 1:2,5, а также обеспечивает исправление осевых аберраций для фокусного расстояния f′=114 мм и увеличении относительного отверстия до 1:1,9.

Предлагаемый объектив рассчитан таким образом, что при фокусном расстоянии f′=228 мм апертурной диафрагмой является световой диаметр первой поверхности первого компонента, а при фокусном расстоянии f′=114 мм апертурной диафрагмой является световой диаметр поверхности линзы третьего компонента, что обеспечивает уменьшение диаметра входного зрачка при изменении фокусного расстояния объектива с максимального значения до минимального в 1,3 раза, в то время как фокусное расстояние уменьшается в 2 раза, что имеет большое значение при работе объектива в условиях малой освещенности.

Для объективов, имеющих фокусное расстояние более 100 мм и работающих при больших перепадах температур (от минус 40 до 50°), большое значение имеет терморасстраиваемость объектива, которая во многом зависит от марок стекла, применяемого в объективе. В предлагаемом объективе разность коэффициентов линейного расширения оптического стекла положительной и отрицательной линз, входящих в склеенные линзы первого, второго и третьего компонентов, не превышает 9·l0^-7 гpaд^-l. Такой подбор материала линз объектива обеспечил изменение заднего отрезка при перепаде температур от минус 40 до 50° на величину не более 0,2 мм, что составляет 0,17% значения минимального фокусного расстояния.

Предлагаемый вариообъектив работает в широком спектральном диапазоне λ=580-900 нм, фокусное расстояние объектива имеет два значения фокусного расстояния: 114 и 228 мм, относительное отверстие 1:1,9 и 1:2,5 соответственно. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) на пространственной частоте N=30 мм^-1, для точки на оси не ниже 0,5, для края поля зрения не ниже 0,4 по всему полю зрения для двух значений фокусных расстояний.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива.

На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n_е - показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии е.

На фиг.3 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на оси для фокусного расстояния объектива f’=114 мм.

На фиг.4 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=9 град. для фокусного расстояния объектива f′=114 мм.

На фиг.5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на оси для фокусного расстояния объектива f′=228 мм.

На фиг.6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=4,5 град. для фокусного расстояния объектива f’=228 мм.

Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения, приведенной ниже.

Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния (фиг.1) состоит из трех компонентов 1-3. Компонент 1 состоит из положительной двусклеенной линзы, состоящей из отрицательного мениска 4, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительной линзы 5, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительной линзы 6, выполненной двояковыпуклой. Компонент 1 положителен и неподвижен. Фокусное расстояние компонента 113,6 мм. В двусклеенной линзе применены марки стекол ТФ4 и ЛКЗ, имеющие коэффициенты линейного расширения 80·l0^-7 гpaд.^-l и 88·l0^-7 гpaд.^-l соответственно.

Компонент 2 содержит отрицательный мениск 7, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, двояковогнутую линзу 8 и отрицательную линзу, склеенную из положительного мениска 9, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и отрицательной линзы 10, выполненной двояковогнутой. Компонент 2 отрицателен. Фокусное расстояние компонента - 32,87 мм. В двусклеенной линзе применены следующие марки стекол: ТФ12 и СТК12, имеющие коэффициенты линейного расширения 58·l0^-7 гpaд^-l. и 61·10^-7 град^-1. соответственно. Линейное увеличение второго компонента при минимальном фокусном расстоянии равно 0,707, а при максимальном -1,414, что обеспечивает перепад фокусного расстояния в 2 раза. Перемещением вдоль оптической оси этого компонента достигается изменение фокусного расстояния объектива и обеспечивается неподвижность плоскости изображения для двух значений фокусного расстояния объектива.

Компонент 3 содержит положительный мениск, склеенный из положительного мениска 11, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и отрицательного мениска 12, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу 13 и положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска 14, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и положительного мениска 15, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Третий компонент положителен и неподвижен. Его фокусное расстояние равно 69,4 мм. В двусклеенных линзах этого компонента применены марки стекол ТК21, ТФ4 и ТФ12, ТК14, имеющие разность коэффициентов линейного расширения 4·10^-7 град^-1. и 7·10^-7 град^-1. соответственно.

Значения фокусных расстояний компонентов рассчитаны для длины волны λ=750 нм, являющейся серединой спектрального интервала, для которого рассчитан объектив.

Световой диаметр первой поверхности первого компонента является апертурной диафрагмой при фокусном расстоянии объектива f’=228 мм и обеспечивает относительное отверстие объектива 1:2,5; а световой диаметр первой поверхности третьего компонента является апертурной диафрагмой при фокусном расстоянии объектива f′=114 мм и обеспечивает относительное отверстие 1:1,9.

Объектив работает с пластиной 16.

Изменение фокусного расстояния объектива осуществляется перемещением второго компонента вдоль оптической оси на 23 мм, причем максимальное расстояние между первым и вторым компонентом соответствует фокусному расстоянию f′=228 мм. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения составляет 316,2 мм, что составляет 1,4 f′ max-максимального фокусного расстояния объектива.

В предлагаемой конструкции объектива сумма оптических сил компонентов:

Ф=ϕ₁+ϕ₂+ϕ₃=-0,0072 мм^-1,

где ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ - величины, обратные фокусным расстояниям компонентов 1, 2, 3 соответственно, что позволяет исправить кривизну изображения по всему полю. Выбор конструкции второго и третьего компонентов позволил увеличить относительное отверстие объектива до 1:1,9 при минимальном фокусном расстоянии и 1:2,5 при максимальном фокусном расстоянии, а также обеспечил исправление осевых аберраций при указанных относительных отверстиях, что позволило улучшить качество изображения по всему полю для двух значений фокусного расстояния.

Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния имеет следующие характеристики:

фокусное расстояние, мм: 114; 228;

относительное отверстие: 1:1,9; 1:2,5;

поле зрения, град.: 2W =9; 4,5.

При фокусном расстоянии f′=114 мм сферическая аберрация составляет 0,003 мм, сферохроматизм не более 0,013 мм для спектрального диапазона 580-900 мкм, астигматизм не более 0,013 мм, относительная дисторсия 0,4%, аберрации широких пучков не более 0,05 мм.

При фокусном расстоянии f’=228 мм сферическая аберрация не более 0,009 мм, сферохроматизм не более 0,04 мм, астигматизм не более 0,003 мм, относительная дисторсия 0,03%, аберрации широких пучков не более 0,04 мм. Значения аберраций приведены в единой плоскости изображения. Такое исправление аберраций позволило получить значения полихроматических коэффициентов передачи модуляции: на пространственной частоте N=30 мм^-1 для точки на оси не ниже 0,5, для края поля зрения не ниже 0,4 для двух значений фокусных расстояний.

Таким образом, предложенный объектив с дискретным изменением фокусного расстояния позволяет получить изображение объекта с меньшим контрастом и меньшей освещенности, чем прототип.

Источники информации

1. Патент US №4331389, публикация 1982 г., МКИ G 02 B 15/14.

2. А.с. №1597830 А1, публикация 1982 г., МКИ G 02 B 15/167.

Объектив содержит три компонента, из которых первый положительный компонент состоит из положительной линзы, склеенной из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительной линзы, и положительной линзы, второй отрицательный компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, двояковогнутой линзы и отрицательной линзы, склеенной из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и отрицательной линзы, и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и третий положительный компонент, содержащий положительный мениск, склеенный из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу и положительный мениск, склеенный из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Обеспечивается повышение относительного отверстия объектива и качества изображения за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения при дискретном изменении фокусного расстояния. 6 ил.

Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния, содержащий три компонента, из которых первый положительный компонент состоит из положительной линзы, склеенной из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительной линзы, и положительной линзы, второй отрицательный компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, отрицательной склеенной линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси и третий положительный компонент, отличающийся тем, что во второй компонент введена двояковогнутая линза, расположенная между отрицательным мениском и склеенной линзой, состоящей из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и отрицательной линзы, третий компонент содержит положительный мениск, склеенный из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу и положительный мениск, склеенный из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, при этом световой диаметр первой поверхности первого компонента является апертурной диафрагмой при максимальном фокусном расстоянии, а световой диаметр первой поверхности третьего компонента является апертурной диафрагмой при минимальном фокусном расстоянии, причем сумма оптических сил всех компонентов не превышает 0,0072 мм^-1 по абсолютной величине, а разность коэффициентов линейного расширения оптического стекла положительной и отрицательной линз, входящих в склеенные линзы первого, второго и третьего компонентов, не превышает 9×10^-7град^-l.