ВАРИООБЪЕКТИВ Российский патент 2006 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], имеющий небольшую длину, 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 четвертого компонента. Третий компонент содержит четыре линзы, в том числе положительную линзу, направленную выпуклой стороной к пространству предметов и отрицательную линзу. Четвертый компонент содержит асферическую поверхность. Апертурная диафрагма расположена перед третьим компонентом. Объектив имеет диапазон изменения фокусного расстояния 7.5^х и общую длину (от первой поверхности до плоскости изображения) не более 1.3f_max, где f_max - максимальное фокусное расстояние.

Недостатком объектива является невысокое качество изображения по всему полю зрения для всего диапазона фокусных расстояний (коэффициент передачи модуляции Т<0.4 на пространственной частоте N=30 мм^-1 при использовании одной асферической поверхности).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по техническому решению является вариообъектив [2], предназначенный для использования в видеокамерах и фотографических камерах. Вариообъектив содержит четыре компонента: первый положительный компонент, второй отрицательный компонент, третий положительный компонент и четвертый положительный компонент. Первый компонент содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы, и положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент содержит три одиночные линзы: отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, отрицательную линзу и положительную линзу. Третий положительный компонент состоит из положительной линзы с одной асферической поверхностью, обращенной к пространству предметов, и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, причем расстояние между положительной линзой и мениском составляет 0.04 фокусного расстояния компонента. Четвертый положительный компонент содержит положительную линзу и положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы. Изменение фокусного расстояния осуществляется при движении второго и четвертого компонентов, причем фокусировка в единую плоскость изображений производится перемещением четвертого компонента. Апертурная диафрагма расположена перед третим компонентом. Недостатком прототипа являются невысокие значения коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний, что не позволяет получить на ПЗС-матрице изображения объектов малого контраста.

Задачей изобретения является повышение качества изображения за счет увеличения коэффициента передачи модуляции по всему полю зрения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний.

Вариообъектив из четырех компонентов и апертурной диафрагмы, первый, третий и четвертый компоненты которого положительные, второй компонент - отрицательный, при этом апертурная диафрагма расположена перед третьим компонентом, второй и четвертый компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый компонент содержит положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент содержит две отрицательные линзы и положительную линзу, четвертый компонент содержит положительную линзу и положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы, в отличие от прототипа, первая отрицательная линза второго компонента выполнена двояковогнутой, положительная линза второго компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, третий компонент содержит положительную двухсклеенную линзу, состоящую из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, причем расстояние между положительной двухсклеенной линзой и положительным мениском третьего компонента составляет не менее 0.1 фокусного расстояния этого компонента, а сумма оптических сил компонентов не превышает 0.00036 мм^-1.

Выбор формы первой отрицательной и положительной линз во втором компоненте и его перемещение позволяет исправить полевые аберрации широких наклонных пучков в области малых фокусных расстояний. Выполнение третьего положительного компонента в виде положительной двухсклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, выбор расстояния между положительной двухсклеенной линзой и положительным мениском не менее 0.1 фокусного расстояния третьего компонента обеспечил исправление астигматизма, что позволило улучшить качество изображения объектива по всему полю во всем диапазоне изменения фокусных расстояний, а также позволяет исправить сферическую аберрацию при большом фокусном расстоянии.

Для обеспечения высокого качества изображения по всему полю зрения и во всем диапазоне изменения фокусных расстояний сумма оптических сил всех компонентов выбирается близкой к 0, а именно не более 0.00036 мм^-1, что позволяет автоматически исправить кривизну изображения.

Предлагаемый вариообъектив работает в спектральном диапазоне λ=770-910 нм, фокусное расстояние объектива изменяется в пределах от 13.6 до 80 мм, относительное отверстие 1:2.6...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 0.6 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 объектива f'=80 мм.

На фиг.4 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=4°35' для фокусного расстояния объектива f'=80 мм.

На фиг.5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на оси для фокусного расстояния объектива f'=13.6 мм.

На фиг.6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=26°29' для фокусного расстояния объектива f'=13.6 мм.

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

λ, мкм770790840890910С0.10.851.00.850.1

Вариообъектив (фиг.1) состоит из четырех компонентов 1-4. Компонент 1 содержит положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска 5, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы 6, выполненной двояковыпуклой, и положительный мениск 7, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Компонент 1 положителен и неподвижен. Фокусное расстояние компонента 53.78 мм.

Компонент 2 содержит три одиночные линзы: две отрицательные линзы 8 и 9, выполненные двояковогнутыми, и положительную линзу 10, выполненную в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов. Компонент 2 отрицателен. Фокусное расстояние компонента - 13.26 мм. Перемещением вдоль оптической оси этого компонента достигается изменение фокусного расстояния объектива.

Компонент 3 содержит положительную двухсклеенную линзу, состоящую из двояковыпуклой линзы 11 и двояковогнутой линзы 12, и положительный мениск 13, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов. Третий компонент положителен и неподвижен. Его фокусное расстояние равно 45.25 мм. Расстояние между положительной двухсклеенной линзой и положительным мениском равно 5 мм, что составляет 0.11 фокусного расстояния компонента.

Компонент 4 содержит положительную линзу 14, выполненную двояковыпуклой, и положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска 15, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы 16, выполненной в виде мениска, обращенного выпуклой стороной к пространству предметов. Фокусное расстояние объектива равно 28.51 мм. Компонент 4 движется возвратно-поступательно вдоль оптической оси, чем обеспечивает неподвижность плоскости изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний объектива.

В предлагаемой конструкции объектива сумма оптических сил компонентов:

Ф=ϕ₁+ϕ₂+ϕ₃+ϕ₄=0.00035 мм^-1,

где ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄ - величины, обратные фокусным расстояниям компонентов 1, 2, 3, 4.

Апертурная диафрагма 17 расположена перед третьим компонентом и осуществляет регулирование светового потока.

Объектив работает со светофильтром 18.

В положении компонентов, когда второй и четвертый компоненты занимают крайнее правое положение, система обеспечивает наибольшее фокусное расстояние 80 мм. Изменение фокусного расстояния объектива осуществляется при движении второго компонента влево на 23.3 мм. Четвертый компонент движется возвратно-поступательно с максимальной длиной хода 7.77 мм и обеспечивает неподвижность плоскости изображения при изменении фокусного расстояния объектива. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения составляет 116.1 мм.

Вариообъектив имеет следующие характеристики:

- фокусное расстояние 13.6...80 мм

- относительное отверстие 1:2.6...1:2.5

- поле зрения 2W=26°29'×24°...4°35'×3°26'

При фокусном расстоянии f'=13.6 мм сферическая аберрация составляет 0.008 мм, сферохроматизм не более 0.016 мм для спектрального диапазона 770-910 мкм, астигматизм не более 0.016 мм, относительная дисторсия 1%, аберрации широких пучков не более 0.013 мм.

При фокусном расстоянии f^'=80 мм сферическая аберрация не более 0.017 мм, сферохроматизм не более 0.004 мм, астигматизм не более 0.002 мм, относительная дисторсия 0.8%, аберрации широких пучков не более 0.02 мм. Значения аберраций приведены в единой плоскости изображения.

Такое исправление аберраций позволило получить высокие значения полихроматических коэффициентов передачи модуляции: на пространственной частоте N=30 мм^-1 для точки на оси не ниже 0.74, для края поля зрения не ниже 0.6 во всем диапазоне изменения фокусных расстояний, на пространственной частоте N=60 мм^-1 для точки на оси не ниже 0.35, для края поля зрения не ниже 0.25 во всем диапазоне изменения фокусных расстояний (фиг.3-6).

Таким образом, предложенный вариообъектив позволяет получить более высокое качество изображения по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. Патент US №5189558, публикация 1993 г., МКИ G 02 B 15/14.

2. Патент ЕР №0529646 А1, публикация 1993 г., МКИ G 02 B 15/173 - прототип.

Изобретение относится к объективам с переменным фокусным расстоянием и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице. Вариообъектив содержит четыре компонента и апертурную диафрагму. Первый, третий и четвертый компоненты - положительные, второй компонент - отрицательный. Апертурная диафрагма расположена перед третьим компонентом, второй и четвертый компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Первый компонент содержит положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент содержит две отрицательные линзы и положительную линзу, четвертый компонент содержит положительную линзу и положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы. При этом первая отрицательная линза второго компонента двояковогнутая, положительная линза второго компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, третий компонент содержит положительную двухсклеенную линзу, состоящую из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов. Расстояние между положительными двухсклеенной линзой и мениском третьего компонента составляет не менее 0,1 фокусного расстояния этого компонента, а сумма оптических сил компонентов не превышает 0,00036 мм^-1. Технический результат - повышение качества изображения за счет увеличения коэффициента передачи модуляции по всему полю зрения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний. 6 ил.

Вариообъектив из четырех компонентов и апертурной диафрагмы, первый, третий и четвертый компоненты которого положительные, второй компонент - отрицательный, при этом апертурная диафрагма расположена перед третьим компонентом, второй и четвертый компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый компонент содержит положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент содержит две отрицательные линзы и положительную линзу, четвертый компонент содержит положительную линзу и положительную двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной линзы, отличающийся тем, что первая отрицательная линза второго компонента выполнена двояковогнутой, положительная линза второго компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, третий компонент содержит положительную двухсклеенную линзу, состоящую из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, причем расстояние между положительной двухсклеенной линзой и положительным мениском третьего компонента составляет не менее 0,1 фокусного расстояния этого компонента, а сумма оптических сил компонентов не превышает 0,00036 мм^-1.