ВАРИООБЪЕКТИВ Российский патент 2005 года по МПК G02B15/16 G02B9/64 

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

Известен вариообъектив [1], содержащий четыре компонента, причем первый и четвертый компоненты положительные, а второй и третий компоненты отрицательные и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Первый компонент содержит положительную двусклеенную линзу и положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент содержит одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двусклеенную линзу, состоящую из двояковогнутой линзы и положительного мениска. Третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент содержит положительный мениск, две одиночные положительные линзы, положительный мениск, двояковогнутую линзу и двусклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы, и одиночный положительный мениск. Апертурная диафрагма расположена между второй и третьей линзами четвертого компонента. Недостатком объектива является невысокое качество изображения по всему полю зрения для всего диапазона фокусных расстояний (сферическая аберрация составляет 0.17 мм, астигматизм 0.18 мм, аберрации широких пучков 0.08 мм).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по техническому решению является объектив с переменным фокусным расстоянием [2], предназначенный для использования в видеокамерах и телевизионной аппаратуре. Вариообъектив содержит четыре компонента, из которых первый и четвертый компоненты имеют положительную оптическую силу, а второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, отрицательную, причем первый компонент содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу и положительную линзу. Второй компонент содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и отрицательную двусклеенную линзу, состоящую из двояковогнутой и положительной линз. Третий компонент содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент содержит две группы линз, отстоящих друг от друга на расстоянии не менее половины заднего фокального отрезка, из которых первая по ходу луча группа включает последовательно две двояковыпуклые линзы, разделенные воздушным промежутком, в котором размещена апертурная диафрагма, отрицательную линзу, выполненную двояковогнутой, и положительную линзу, выполненную двояковыпуклой. Вторая группа линз четвертого компонента содержит три разделенные воздушным промежутком линзы, первая и вторая из которых выполнены двояковыпуклыми, а третья представляет собой отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству изображений. Недостатком прототипа является то, что его оптическая схема не позволяет получить диапазон изменения фокусных расстояний объектива более 5-крат при сохранении высокого качества изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний.

Задачей изобретения является расширение диапазона изменений фокусных расстояний вариообъектива при одновременном сохранении высокого качества изображения.

Вариообъектив из четырех компонентов и апертурной диафрагмы, первый и четвертый компоненты которого положительные, а второй и третий компоненты отрицательные и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом второй компонент содержит отрицательную линзу и отрицательную двусклеенную линзу, четвертый компонент состоит из двух групп линз, отстоящих друг от друга на расстоянии не менее половины заднего фокального отрезка вариообъектива, в отличие от прототипа, первый компонент содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы, и положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов и склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, отрицательная линза второго компонента выполнена двояковогнутой, а отрицательная двусклеенная линза второго компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов и состоящего из отрицательного и положительного менисков, третий компонент выполнен в виде отрицательной линзы, склеенной из положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, и двояковогнутой линзы, первая группа линз четвертого компонента содержит положительную линзу, склеенную из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, и два положительных мениска, обращенных выпуклыми поверхностями к пространству предметов, вторая группа линз четвертого компонента содержит положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству изображений, и положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы, апертурная диафрагма расположена перед четвертым компонентом, при этом отношение оптических сил второго и первого компонентов равно -2.69, отношение оптических сил третьего и второго компонентов равно 1.05, а сумма оптических сил всех компонентов не превышает 0.004 мм^-1 по абсолютной величине.

Конструкция первого компонента позволяет исправить сферическую аберрацию и хроматизм увеличения при большом фокусном расстоянии. Конструкция второго компонента и его перемещение позволяет исправить полевые аберрации широких наклонных пучков в области малых фокусных расстояний. Конструкция третьего компонента и его перемещение обеспечивает исправление хроматической аберрации и неподвижность плоскости изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний. Отношение оптических сил второго и первого компонентов, равное -2.69, и отношение оптических сил третьего и второго компонентов, равное 1.05, позволило получить конструкцию объектива, обеспечивающую 12-кратный перепад фокусных расстояний объектива. Для обеспечения высокого качества изображения по всему полю зрения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний сумма оптических сил всех компонентов выбирается близкой к 0, а именно не более 0.004 мм^-1 по абсолютной величине, что позволяет автоматически исправить кривизну изображения по всему полю. Конструкция четвертого компонента позволила исправить осевые и хроматические аберрации при максимальном фокусном расстоянии объектива.

Предлагаемый вариообъектив работает в широком спектральном диапазоне λ=500-900 нм, фокусное расстояние объектива изменяется в пределах от 23 до 276 мм, относительное отверстие 1:2.5. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) на пространственной частоте N=30 мм^-1, для точки на оси не ниже 0.74, для края поля зрения не ниже 0.5 во всем диапазоне изменения фокусных расстояний.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого вариообъектива.

На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз вариообъектива 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 f'=276 мм.

На фиг.4 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=1°40' для фокусного расстояния f'=276 мм.

На фиг.5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на оси для фокусного расстояния f'=23 мм.

На фиг.6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=20°22' для фокусного расстояния f'=23 мм.

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

λ, мкм500600700800900С0.051.00.670.230.05

Вариообъектив (фиг.1) состоит из четырех компонентов 1-4. Компонент 1 содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска 5, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы 6, и положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов и склеенный из двояковыпуклой линзы 7 и двояковогнутой линзы 8. Компонент 1 положительный и неподвижный и его фокусное расстояние равно 213.44 мм.

Компонент 2 содержит отрицательную линзу 9, выполненную двояковогнутой, и отрицательный двусклеенный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, состоящий из отрицательного мениска 10 и положительного мениска 11. Компонент 2 отрицателен. Фокусное расстояние компонента -79.39 мм. Перемещением вдоль оптической оси этого компонента достигается изменение фокусного расстояния объектива.

Компонент 3 выполнен в виде отрицательной линзы, склеенной из положительного мениска 12, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, и двояковогнутой линзы 13. Третий компонент отрицателен. Его фокусное расстояние равно -75.6 мм. Перемещение вдоль оптической оси этого компонента обеспечивает неподвижность плоскости изображений во всем диапазоне изменения фокусных расстояний объектива.

Компонент 4 состоит из двух групп линз, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном 0.9 заднего фокального отрезка объектива. Первая группа линз компонента 4 состоит из положительной линзы, склеенной из двояковыпуклой линзы 14 и отрицательного мениска 15, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, положительного мениска 16, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительного мениска 17, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов. Вторая группа линз компонента 4 содержит положительный мениск 18, обращенный выпуклой поверхностью к пространству изображений, и положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска 19, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы 20. Компонент 4 положителен и неподвижен. Фокусное расстояние компонента равно 59.6 мм.

Апертурная диафрагма 21 расположена перед четвертым компонентом и осуществляет регулирование светового потока.

Объектив работает со светофильтром 22.

В положении компонентов, когда второй и третий компоненты занимают крайнее левое положение, система обеспечивает наименьшее фокусное расстояние 23 мм. При перемещении компонента 2 вправо к компоненту 3 на расстояние 111.43 мм, а компонента 3 вправо по направлению к неподвижному компоненту 4 на расстояние 64.88 мм фокусное расстояние объектива плавно увеличивается до 276 мм.

Выбор отношения оптических сил второго и первого компонентов, равного -2.69, а отношения оптических сил третьего и второго компонентов, равного 1.05, обеспечил 12-кратный перепад фокусных расстояний объектива при относительно небольшой длине объектива. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения равна 365.2 мм, что составляет 1.32, где - максимальный фокус вариообъектива.

В предлагаемой конструкции объектива сумма оптических сил компонентов:

Ф=ϕ₁+ϕ₂+ϕ₃+ϕ₄=-0.004 мм^-1,

где ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄ - величины, обратные фокусным расстояниям компонентов 1, 2, 3, 4, соответственно, что позволяет исправить кривизну изображения по всему полю. Предлагаемые конструкции компонентов позволили получить высокое качество изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний.

Вариообъектив имеет следующие характеристики:

- фокусное расстояние 23...276 мм

- задний фокальный отрезок объектива 31.7 мм

- относительное отверстие 1:2.5...1:2.5

- поле зрения 2W=20°22'...1°40'

При фокусном расстоянии f'=23 мм сферическая аберрация составляет 0.01 мм, сферохроматизм, не более 0.012 мм, астигматизм, не более 0.02 мм, относительная дисторсия 2%, аберрации широких пучков, не более 0.018 мм.

При фокусном расстоянии f'=276 мм сферическая аберрация не более 0.007 мм, сферохроматизм, не более 0.01 мм, астигматизм, не более 0.02 мм, относительная дисторсия 0.2%, аберрации широких пучков, не более 0.012 мм. Значения аберраций приведены в единой плоскости изображения. Такое исправление аберраций позволило получить на пространственной частоте N=30 мм^-1 коэффициенты передачи модуляции для точки на оси не ниже 0.74, для края поля зрения не ниже 0.5 во всем диапазоне изменения фокусных расстояний.

Таким образом, предложенный вариообъектив позволяет получить больший перепад фокусных расстояний при сохранении высокого качества изображения, по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. А.с. SU №1674045 А1, публикация 1991 г., МКИ G 02 В 15/167.

2. A.c. SU №1837248 А1, публикация 1993 г., МКИ G 02 B 15/16 (прототип).

Вариообъектив содержит четыре компонента и апертурную диафрагму. Первый положительный компонент содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы, и положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов и склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Второй компонент содержит двояковогнутую линзу из отрицательного двусклеенного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов и состоящего из отрицательного и положительного менисков. Третий компонент выполнен в виде отрицательной линзы, склеенной из положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, и двояковогнутой линзы. Четвертый положительный компонент состоит из двух групп линз, отстоящих друг от друга на расстояние не менее половины заднего фокального отрезка вариообъектива. Второй и третий компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Обеспечивается расширение диапазона изменений фокусных расстояний вариообъектива при одновременном сохранении высокого качества изображения. 6 ил.

Вариообъектив из четырех компонентов и апертурной диафрагмы, первый и четвертый компоненты которого положительные, а второй и третий компоненты отрицательные и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом второй компонент содержит отрицательную линзу и отрицательную двусклеенную линзу, четвертый компонент состоит из двух групп линз, отстоящих друг от друга на расстоянии не менее половины заднего фокального отрезка вариообъектива, отличающийся тем, что первый компонент содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы, и положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов и склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, отрицательная линза второго компонента выполнена двояковогнутой, а отрицательная двусклеенная линза второго компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов и состоящего из отрицательного и положительного менисков, третий компонент выполнен в виде отрицательной линзы, склеенной из положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, и двояковогнутой линзы, первая группа линз четвертого компонента содержит положительную линзу, склеенную из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, и два положительных мениска, обращенных выпуклыми поверхностями к пространству предметов, вторая группа линз четвертого компонента содержит положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству изображений, и положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы, апертурная диафрагма расположена перед четвертым компонентом, при этом отношение оптических сил второго и первого компонентов равно -2,69, отношение оптических сил третьего и второго компонентов равно 1,05, а сумма оптических сил всех компонентов не превышает 0,004 мм^-1 по абсолютной величине.