ОБЪЕКТИВ С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК G02B15/16 

Предлагаемое изобретение относится к области оптики, а именно к объективам с переменным фокусным расстоянием, и может быть использовано в видеокамерах, фотокамерах, телевизионных камерах наблюдения.

В настоящее время компактные видеокамеры используются повсеместно. Чтобы создать необходимую композицию при съемке, часто приходится изменять масштаб изображения. При использовании объектива с фиксированным фокусным расстоянием, существуют три способа изменения масштаба изображения: приблизиться к объекту съемки, сменить объектив или воспользоваться цифровым увеличением. Очевидно, что первый способ неудобен и часто неосуществим, второй способ неприемлем для любительской видеосъемки, а в третьем случае ухудшается качество изображения. По данным причинам в большинстве современных видеокамер применяются объективы с переменным фокусным расстоянием (далее называемые ОПФР). По сравнению с обычными объективами, ОПФР позволяет непрерывно изменять фокусное расстояние (и, следовательно, масштаб изображения) без потери качества изображения.

В патенте США №5,441,968 описан пример ОПФР, содержащего оптические элементы, объединенные в четыре группы: первую группу оптических элементов, которая имеет положительную оптическую силу, вторую группу оптических элементов, которая имеет отрицательную оптическую силу, третью группу оптических элементов, которая имеет положительную оптическую силу, и четвертую группу оптических элементов, которая имеет положительную оптическую силу, пронумерованные в данном порядке вдоль оптической оси по ходу распространения излучения. Изменение фокусного расстояния объектива осуществляется за счет перемещения второй и четвертой групп оптических элементов. Объектив имеет четыре асферические поверхности.

ОПФР, предложенный в патенте США №6,587,280, имеет конструкцию из пяти групп и включает первую группу оптических элементов, которая имеет положительную оптическую силу, вторую группу оптических элементов, которая имеет отрицательную оптическую силу, апертурную диафрагму, третью группу оптических элементов, которая имеет положительную оптическую силу и неподвижна относительно плоскости изображения, четвертую группу оптических элементов, которая имеет положительную оптическую силу, и пятую группу оптических элементов, имеющую отрицательную оптическую силу. При изменении конфигурации объектива от короткофокусной к длиннофокусной, первая группа оптических элементов перемещается в направлении объекта съемки, вторая группа оптических элементов и апертурная диафрагма перемещаются в направлении плоскости изображения, при этом четвертая группа оптических элементов перемещается для компенсации сдвига плоскости изображения. Фокусировка объектива на конечное расстояние также осуществляется за счет перемещения четвертой группы оптических элементов - так называемая задняя фокусировка. Благодаря задней фокусировке первая группа остается неподвижной, при этом уменьшается ее диаметр. В то же время перемещаемый компонент имеет меньший вес, что позволяет осуществлять более быструю фокусировку и использовать менее мощный электродвигатель. Кроме того, ОПФР с задней фокусировкой позволяют осуществлять макросъемку с особо коротких дистанций. ОПФР также содержит оптические элементы с четырьмя асферическими поверхностями и, по сравнению с описанным выше, имеет меньшую светосилу.

Наиболее близким к заявленному изобретению является патент США №6,739,961. Предложенный в нем ОПФР построен по четырехгрупповой схеме. Первая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и неподвижна относительно плоскости изображения, вторая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и перемещается вдоль оптической оси объектива для изменения фокусного расстояния, третья и четвертая группы оптических элементов имеют положительную оптическую силу и перемещаются вдоль оптической оси для компенсации сдвига плоскости изображения, возникающего в результате перемещения второй группы оптических элементов. Апертурная диафрагма расположена перед третьей группой оптических элементов и жестко связана с ней. Данный объектив выбран в качестве прототипа заявленного изобретения. В нем, как и в других вышеперечисленных аналогах, реализуется задняя фокусировка, при этом перемещается четвертая группа оптических элементов. ОПФР имеет одну асферическую поверхность и, по сравнению с другими аналогами, обладает более широким полем.

При приемлемых размерах основными недостатками прототипа и аналогов являются малая светосила и ограниченное поле.

Задачей заявленного изобретения является создание компактного ОПФР, имеющего малые габариты в сочетании с большей светосилой, большим полем и высоким качеством изображения.

Поставленная задача решена путем создания объектива с переменным фокусным расстоянием, который содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения первую группу оптических элементов, вторую группу оптических элементов, апертурную диафрагму, третью группу оптических элементов, четвертую группу оптических элементов, оптический фильтр низких частот и датчик изображения, причем

- первая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно по ходу распространения излучения вдоль оптической оси выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу, двояковыпуклую линзу с асферической поверхностью и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу;

- вторая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу с асферической поверхностью, двояковогнутую линзу, выпукло-вогнутую положительную линзу с двумя асферическими поверхностями;

- третья группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения двояковыпуклую линзу и вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу с асферической поверхностью;

- четвертая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу,

причем апертурная диафрагма, третья и четвертая группы оптических элементов жестко связаны между собой,

- положение первой группы оптических элементов, оптического фильтра низких частот и датчика изображения при изменении фокусного расстояния объектива остается фиксированным,

- вторая группа оптических элементов выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси при изменении фокусного расстояния объектива, причем при изменении конфигурации объектива от короткофокусной к длиннофокусной, вторая группа оптических элементов выполнена с возможностью перемещения в сторону датчика изображения, так что расстояние между первой и второй группами оптических элементов увеличивается,

- апертурная диафрагма, третья и четвертая группы оптических элементов соединены между собой и выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси при изменении фокусного расстояния.

Для корректного функционирования объектива существенно, чтобы задняя поверхность двояковыпуклой линзы в первой группе оптических элементов являлась четной асферической поверхностью высшего порядка и имела профиль, определяемый согласно выражению:

где r - радиальная координата точки на асферической поверхности, с - кривизна поверхности линзы при вершине, k - квадрат эксцентриситета асферической поверхности, α₄, ..., α₁₄ - коэффициенты асферической поверхности высшего порядка.

Для корректного функционирования объектива важно, чтобы задняя поверхность отрицательной менисковой линзы, передняя и задняя поверхности положительной выпукло-вогнутой линзы во второй группе оптических элементов являлись четными асферическими поверхностями высшего порядка и имели профиль, определяемый согласно выражению:

где r - радиальная координата точки на асферической поверхности, с - кривизна поверхности линзы при вершине, k - квадрат эксцентриситета асферической поверхности, α₄, ..., α₁₄ - коэффициенты асферической поверхности высшего порядка.

Для корректного функционирования объектива существенно, чтобы передняя поверхность вогнутовыпуклого мениска в третьей группе оптических элементов являлась четной асферической поверхностью высшего порядка и имела профиль, определяемый согласно выражению:

где r - радиальная координата точки на асферической поверхности, с - кривизна поверхности линзы при вершине, k - квадрат эксцентриситета асферической поверхности, α₄, ..., α₁₄ - коэффициенты асферической поверхности высшего порядка.

Для корректного функционирования объектива существенно, чтобы эквивалентное заднее фокусное расстояние f_w объектива в широкоугольном положении, фокусные расстояния f₁, f₂, f₃, f₄ первой, второй, третьей и четвертой групп оптических элементов соответственно и общее фокусное расстояние f₃₄ третьей и четвертой групп удовлетворяли соотношениям:

.

Технический результат достигается за счет построения ОПФР по иным параксиальной и кинематической схемам, использования групп другой структуры (по сравнению с таковой для аналогов и прототипа) и применения асферических поверхностей, что обеспечивает увеличение светосилы и поля объектива при высоком качестве изображения и приемлемых габаритах.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1 - оптическая схема объектива с переменным фокусным расстоянием, выполненная согласно изобретению.

Фиг.2 - графики полихроматической модуляционной передаточной функции для меридионального (М) и сагиттального (С) сечений для центра (0 мм) и края (2,7 мм) поля, построенные для объектива в широкоугольном положении.

Фиг.3 - графики астигматизма для меридионального (М) и сагиттального (С) сечений (в мм) и график относительной дисторсии (в процентах) для объектива в широкоугольном положении.

Фиг.4 - графики полихроматической модуляционной передаточной функции для меридионального (М) и сагиттального (С) сечений для центра (0 мм) и края (2,7 мм) поля, построенные для объектива в среднем положении.

Фиг.5 - графики астигматизма для меридионального (М) и сагиттального (С) сечений (в мм) и график относительной дисторсии (в процентах) для объектива в среднем положении.

Фиг.6 - графики полихроматической модуляционной передаточной функции для меридионального (М) и сагиттального (С) сечений для центра (0 мм) и края (2,7 мм) поля, построенные для объектива в длиннофокусном положении.

Фиг.7 - графики астигматизма для меридионального (М) и сагиттального (С) сечений (в мм) и график относительной дисторсии (в процентах) для объектива в длиннофокусном положении.

Объектив с переменным фокусным расстоянием (Фиг.1) включает в себя расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения первую группу 1 оптических элементов, вторую группу 2 оптических элементов, апертурную диафрагму 3, третью группу 4 оптических элементов, четвертую группу 5 оптических элементов, оптический фильтр 6 низких частот и датчик 7 изображения.

Первая группа 1 оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно по ходу распространения излучения вдоль оптической оси выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 8, двояковыпуклую линзу 9 с асферической поверхностью и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 10.

Вторая группа 2 оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 11 с асферической поверхностью, двояковогнутую линзу 12 и выпукло-вогнутую положительную линзу 13 с двумя асферическими поверхностями.

Третья группа 4 оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения двояковыпуклую линзу 14 и вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу 15 с асферической поверхностью.

Четвертая группа 5 оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 16 и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 17.

Апертурная диафрагма 3, третья 4 и четвертая 5 группы оптических элементов жестко связаны между собой и перемещаются совместно.

Заявленный объектив с переменным фокусным расстоянием работает следующим образом. Фиксированная первая группа 1 оптических элементов с положительной оптической силой формирует изображение объекта в пространстве предметов системы переменного увеличения, состоящей из второй, третьей, четвертой групп (2, 4, 5) оптических элементов и фильтра низких частот («система 2-4-5»). Данная «система 2-4-5» формирует окончательное изображение объекта с заданным увеличением в плоскости датчика 7 изображения. Для изменения увеличения «системы 2-4-5» (и тем самым изменения фокусного расстояния всего ОПФР) перемещается вторая и совместно третья и четвертая группы оптических элементов. Вторая группа 2 оптических элементов перемещается линейно, что помимо изменения фокусного расстояния всего объектива приводит к сдвигу плоскости изображения. Объединенные третья и четвертая группы оптических элементов, перемещаемые нелинейно по выпуклой в сторону объекта траектории, компенсируют сдвиг плоскости изображения при изменении фокусного расстояния объектива. Фокусировка объектива также осуществляется посредством перемещения третьей и четвертой групп.

Апертурная диафрагма 3 задает освещенность изображения. Диафрагма соединена с третьей и четвертой группами оптических элементов и движется вместе с ними.

Оптический фильтр 6 низких частот используется для «срезания» инфракрасного излучения, несущего ненужную информацию и создающего ненужное изображение на датчике 7 изображения.

На выходе датчика 7 изображения (например, матрицы ПЗС) регистрируется электрический сигнал, соответствующий изображению, сформированному в плоскости его светочувствительного слоя. Полученный сигнал может быть далее преобразован электронными контурами и сохранен в видеокамере при помощи устройства записи информации.

ОПФР, выполненный согласно заявляемому изобретению, может использоваться в качестве главного оптического модуля в различных устройствах формирования изображения, например, в современных HDV-видеокамерах, в телевизионных камерах наблюдения и пр.

Заявляемая конструкция компактного и светосильного ОПФР с большим полем и перепадом фокусных расстояний удовлетворяет требованиям, предъявляемым к объективам современных видеокамер формата HDV.

Следует заметить, что описанный выше вариант выполнения изобретения приведен лишь с целью иллюстрации настоящего изобретения, и для специалистов ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла заявляемого изобретения, раскрытого в материалах заявки.

Объектив содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси четыре группы оптических элементов, апертурную диафрагму, оптический фильтр низких частот и датчик изображения. Первая, третья и четвертая группы имеют положительную оптическую силу, а вторая группа имеет отрицательную оптическую силу. Апертурная диафрагма, третья и четвертая группы жестко связаны между собой и выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси. Положение первой группы, оптического фильтра низких частот и датчика изображения остается фиксированным. Вторая группа выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси. Первая группа содержит последовательно расположенные выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу, двояковыпуклую линзу с асферической поверхностью и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу. Вторая группа содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу с асферической поверхностью, двояковогнутую линзу и выпукло-вогнутую положительную линзу с двумя асферическими поверхностями. Третья группа содержит двояковыпуклую линзу и вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу с асферической поверхностью. Четвертая группа содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу. Технический результат - создание компактного объектива, имеющего малые габариты в сочетании с большей светосилой, большим полем и высоким качеством изображения. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Объектив с переменным фокусным расстоянием, содержащий расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения первую группу оптических элементов, вторую группу оптических элементов, апертурную диафрагму, третью группу оптических элементов, четвертую группу оптических элементов, оптический фильтр низких частот и датчик изображения, причем

первая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно по ходу распространения излучения вдоль оптической оси выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу, двояковыпуклую линзу с асферической поверхностью и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу;

вторая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу с асферической поверхностью, двояковогнутую линзу, выпукло-вогнутую положительную линзу с двумя асферическими поверхностями;

третья группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения двояковыпуклую линзу и вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу с асферической поверхностью;

четвертая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси по ходу распространения излучения выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу,

причем апертурная диафрагма, третья и четвертая группы оптических элементов жестко связаны между собой,

положение первой группы оптических элементов, оптического фильтра низких частот и датчика изображения при изменении фокусного расстояния объектива остается фиксированным,

вторая группа оптических элементов выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси при изменении фокусного расстояния объектива, причем при изменении конфигурации объектива от короткофокусной к длиннофокусной вторая группа оптических элементов выполнена с возможностью перемещения в сторону датчика изображения, так что расстояние между первой и второй группами оптических элементов увеличивается,

апертурная диафрагма, третья и четвертая группы оптических элементов соединены между собой и выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси при изменении фокусного расстояния.

где r - радиальная координата точки на асферической поверхности, с - кривизна поверхности линзы при вершине, k - квадрат эксцентриситета асферической поверхности, α₄, ..., α₁₄ - коэффициенты асферической поверхности высшего порядка.

где r - радиальная координата точки на асферической поверхности, с - кривизна поверхности линзы при вершине, k - квадрат эксцентриситета асферической поверхности, α₄, ..., α₁₄ - коэффициенты асферической поверхности высшего порядка.

где r - радиальная координата точки на асферической поверхности, с - кривизна поверхности линзы при вершине, k - квадрат эксцентриситета асферической поверхности, α₄, ..., α₁₄ - коэффициенты асферической поверхности высшего порядка.