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

Настоящее изобретение относится к области оптики, а именно к оптическим объективам с переменным фокусным расстоянием, и может быть использовано в качестве оптической системы в видеокамерах.

В последнее время, в связи с повышением функциональности оптоэлектронных устройств, таких как видеокамеры, цифровые фотоаппараты, камеры видеонаблюдения, и других устройств, которые используют приборы с зарядовой связью (ПЗС) в качестве датчиков изображения, возникает острая потребность в высокоэффективных (высококачественных) объективах с переменным фокусным расстоянием (далее ОПФР). Появление и развитие нового телевизионного формата ТВЧ (телевидение высокой четкости) требует видеокамер, имеющих конструкцию, удовлетворяющую данному формату. Двумя основными отличительными чертами ТВЧ формата от обычного телевидения формата ТСЧ (телевидение стандартной четкости) является разрешение (1920×1080 пикселей для ТВЧ и 720×576 пикселей для ТСЧ) и размер оригинального изображения (16:9 и 4:3 соответственно). Следовательно, необходимо создание ОПФР для видеокамеры ТВЧ формата, который будет удовлетворять требованиям ТВЧ формата и обладать улучшенными характеристиками, обеспечивать намного лучшее разрешение, а именно изображение с хорошо скорректированными аберрациями. Кроме того, необходимо увеличить угол зрения ОПФР в связи с более широкими размерами изображения в ТВЧ формате.

ОПФР видеокамер, предназначенных для ТСЧ формата имеют, как правило, следующую конструкцию: четыре группы оптических элементов, первая группа фиксирована и имеет положительную оптическую силу, вторая группа перемещается по линейной (или нелинейной) траектории, третья группа фиксирована и четвертая группа с положительной оптической силой перемещается нелинейно и возвратно-поступательно с целью компенсирования сдвига плоскости изображения, кроме того, ОПФР имеет апертурную диафрагму, расположенную между второй и третьей группами оптических элементов.

Например, в патенте США № 5739961 [1] описан объектив с переменным фокусным расстоянием, который включает в себя расположенные по ходу распространения излучения вдоль оптической оси объектива первую группу оптических элементов, вторую группу оптических элементов, апертурную диафрагму, третью группу оптических элементов, четвертую группу оптических элементов, оптический низкочастотный фильтр и датчик изображения, при этом вторая и четвертая группы оптических элементов перемещаются для изменения фокусного расстояния объектива.

Наиболее близким к заявленному изобретению является ОПФР (см. патент США № 6674580 [2]), который содержит расположенные последовательно в направлении от объекта к плоскости изображения первую группу оптических элементов, имеющую положительную оптическую силу, вторую группу оптических элементов, имеющую отрицательную оптическую силу, третью группу оптических элементов, имеющую положительную оптическую силу, которая не перемещается при изменении фокусного расстояния объектива, и четвертую группу оптических элементов, имеющую положительную оптическую силу. Причем при изменении фокусного расстояния объектива от широкоугольного положения к длиннофокусному, первая группа оптических элементов перемещается в направлении объекта, а вторая группа оптических элементов перемещается в направлении плоскости изображения, при этом расстояние между первой и второй группой оптических элементов увеличивается. Данный ОПФР выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостатками указанных выше прототипа и аналога заявленного изобретения являются большие размеры объектива, недостаточный диапазон изменения фокусных расстояний, невысокая светосила и качество изображения вследствие неэффективного распределения оптических сил по группам оптических элементов, состава групп оптических элементов и формы оптических элементов.

Задачей заявленного изобретения является создание объектива с переменным фокусным расстоянием, имеющего меньшие размеры, большую светосилу, угол зрения, диапазон изменения фокусных расстояний и более высокое качество изображения.

Поставленная задача решена путем создания объектива с переменным фокусным расстоянием, который включает в себя расположенные по ходу распространения излучения вдоль одной оптической оси объектива первую группу оптических элементов, вторую группу оптических элементов, апертурную диафрагму, третью группу оптических элементов, четвертую группу оптических элементов, оптический низкочастотный фильтр и датчик изображения, отличающийся тем, что объектив дополнительно содержит пятую группу оптических элементов, расположенную между четвертой группой оптических элементов и низкочастотным фильтром, причем

- первая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и включает в себя положительную двулинзовую композицию, которая содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу, соединенные между собой в данной последовательности, а также первую выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу и вторую выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу;

- вторая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу, отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит две выпукло-вогнутых отрицательных менисковых линзы, соединенные между собой, а также отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит отрицательную двояковогнутую линзу и положительную двояковыпуклую линзу, соединенные между собой в данной последовательности;

- третья группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит положительную двояковыпуклую линзу, обе поверхности которой являются асферическими, и положительную композицию, которая включает в себя выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и положительную двояковыпуклую линзу, соединенные между собой в данной последовательности;

- четвертая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и положительную вогнуто-выпуклую положительную менисковую линзу с первой асферической поверхностью и выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу;

- пятая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит положительную двояковыпуклую линзу и отрицательную двояковогнутую линзу, обе поверхности которой являются асферическими, причем

- при изменении фокусного расстояния объектива положение первой группы оптических элементов, апертурной диафрагмы, четвертой группы оптических элементов, пятой группы оптических элементов, оптического низкочастотного фильтра и датчика изображения фиксировано,

- при изменении фокусного расстояния объектива вторая группа оптических элементов выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению к апертурной диафрагме, причем при изменении фокусного расстояния объектива от широкоугольного положения к длиннофокусному положению расстояние между первой и второй группами оптических элементов увеличивается,

- при изменении фокусного расстояния объектива третья группа оптических элементов выполнена с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива с целью механической компенсации сдвига плоскости изображения, при изменении фокусного расстояния объектива от широкоугольного положения к длиннофокусному положению расстояние между третьей и четвертой группами увеличивается.

Для функционирования объектива с переменным фокусным расстоянием существенно, чтобы перепад фокусных расстояний М, фокусные расстояния f₁, f₂, f₃, f₄, f₅ первой, второй, третьей, четвертой и пятой групп оптических элементов соответственно и общее фокусное расстояние четвертой и пятой групп f₄₅ удовлетворяли соотношениям:

Для функционирования объектива с переменным фокусным расстоянием существенно, чтобы датчик изображения был выполнен в виде ПЗС-матрицы.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение размеров, увеличение светосилы, угла зрения, диапазона изменения фокусных расстояний и качества изображения за счет более эффективного распределения оптических сил по группам оптических элементов, изменения состава групп оптических элементов и формы оптических элементов, что позволяет обеспечить лучшую аберрационную коррекцию.

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

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

Фиг.2 - оптическая схема объектива с переменным фокусным расстоянием в широкоугольном положении, выполненная согласно изобретению.

Фиг.3 - графики продольных аберраций для широкоугольного положения объектива для основных длин волн.

Фиг.4 - графики кривизны поля и дисторсии для широкоугольного положения объектива.

Фиг.5 - график полихроматической МПФ для широкоугольного положения объектива для центра поля, 0.7 поля и края поля.

Фиг.6 - оптическая схема объектива с переменным фокусным расстоянием в промежуточном положении, выполненная согласно изобретению.

Фиг.7 - графики продольных аберраций для промежуточного положения объектива для основных длин волн.

Фиг.8 - графики кривизны поля и дисторсии для промежуточного положения объектива.

Фиг.9 - график полихроматической МПФ для промежуточного положения объектива для центра поля, 0.7 поля и края поля.

Фиг.10 - оптическая схема объектива с переменным фокусным расстоянием в длиннофокусном положении, выполненная согласно изобретению.

Фиг.11 - графики продольных аберраций для длиннофокусного положения объектива для основных длин волн.

Фиг.12 - графики кривизны поля и дисторсии для длиннофокусного положения объектива.

Фиг.13 - график полихроматической МПФ для длиннофокусного положения для центра поля, 0.7 поля и края поля.

Фиг.14 - основные оптические характеристики объектива с переменным фокусным расстоянием.

Заявленный ОПФР состоит из следующих основных частей (фиг.1, 2): первой группы 1 оптических элементов, имеющей положительную оптическую силу, второй группы 2 оптических элементов, имеющей отрицательную оптическую силу, ограничителя 3 апертуры, третьей группы 4 оптических элементов, имеющей положительную оптическую силу, четвертой группы 5 оптических элементов, имеющей отрицательную оптическую силу, пятой группы 6 оптических элементов, имеющей положительную оптическую силу, низкочастотного фильтра 7 и датчика 8 изображения, предпочтительно выполненного в виде ПЗС-матрицы.

Основное назначение ОПФР заключается в формировании изображения удаленного объекта на плоскости изображения, то есть на фоточувствительной поверхности датчика 8 изображения, например, типа ПЗС. ОПФР выполнен с возможностью изменения фокусного расстояния в определенных пределах, таким образом, размеры изображения могут меняться при изменении фокусного расстояния: чем больше фокусное расстояние, тем больше размер изображения. Для изменения фокусного расстояния необходимо перемещать, по меньшей мере, две группы оптических элементов. В заявляемом ОПФР такими перемещаемыми группам являются вторая группа 2 и третья группа 4 оптических элементов. Остальные группы (первая, четвертая и пятая) и апертурная диафрагма 3 неподвижны при изменении фокусного расстояния. Вторая группа 2 оптических элементов (так называемый, вариатор) обеспечивает необходимое изменение фокусного расстояния. Она перемещается по линейной траектории по направлению к апертурной диафрагме 3. Третья группа 4 оптических элементов (так называемый компенсатор) перемещается по линейной траектории по направлению к 3 с другой стороны апертурной диафрагмы (со стороны датчика 8 изображения). Назначение третьей группы 4 заключается в компенсации сдвига плоскости изображения, вызванного перемещением второй группы 2 оптических элементов.

Апертурная диафрагма 3 представляет собой диафрагму ирисового типа, поэтому она имеет возможность менять величину диаметра. Апертурная диафрагма 3 регулирует количество света, проходящего через ОПФР и падающего на датчик 8 изображения.

Оптический низкочастотный фильтр 7 служит для отсечения высоких пространственных частот, наличие которых приводит к возникновению эффекта муара на изображении. Оптический низкочастотный фильтр 7, кроме того, выполняет спектральную селекцию, отсекает инфракрасное излучение, которое может вызвать нежелательный отклик датчика 8 изображения.

Датчик 8 изображения (например, ПЗС-матрица или КМОП-матрица) используют для преобразования изображения объекта, сформированного ОПФР в плоскости изображения, в электрический аналоговый сигнал.

Важно заметить, что траектория движения второй группы 2 оптических элементов линейна, а траектория движения третьей группы 4 оптических элементов нелинейна, для возможности механической компенсации сдвига плоскости изображения.

Фокальные расстояния групп оптических элементов могут иметь следующие значения: f₁=16.42 мм, f₂=-3.925 мм, f₃=9.55 мм, f₄=-14.89 мм, f₅=8.52 мм.

Использование пяти групп оптических элементов вместо четырех позволяет уменьшить оптическую силу каждого оптического элемента и, в то же время, сохранить компактные размеры. Кроме того, ОПФР с пятью группами обеспечивает лучшее распределение аберраций между группами. Это позволяет спроектировать ОПФР с высокими оптическими характеристиками и хорошим качеством изображения. Таким образом, суть настоящего изобретения заключается в параксиальной схеме ОПФР (фиг.1), основанной на законах перемещения второй 2 и третьей 4 групп оптических элементов вдоль оптической оси объектива, расположении и форме оптических элементов внутри групп и материале оптических элементов.

Рассмотрим расположение оптических элементов внутри групп (фиг.2, 6, 10).

Первая группа 1 оптических элементов содержит положительную двулинзовую композицию, которая содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 9 и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 10, соединенные между собой в данной последовательности, а также первую выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 11 и вторую выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 12.

Вторая группа 2 оптических элементов содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 13, отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит две выпукло-вогнутых отрицательных менисковых линзы 14 и 15 соединенные между собой, а также отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит отрицательную двояковогнутую линзу 16 и положительную двояковыпуклую линзу 17, соединенные между собой в данной последовательности.

Третья группа 4 оптических элементов включает в себя положительную двояковыпуклую линзу 18, обе поверхности которой являются асферическими, и положительную композицию, которая включает в себя выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 19 и положительную двояковыпуклую линзу 20, соединенные между собой в данной последовательности.

Четвертая группа 5 оптических элементов содержит положительную оптическую силу и положительную вогнуто-выпуклую менисковую линзу 21 с первой асферической поверхностью и выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 22.

Пятая группа 6 оптических элементов содержит положительную двояковыпуклую линзу 23 и отрицательную двояковогнутую линзу 24, обе поверхности которой являются асферическими.

Заявленный ОПФР может эффективно использоваться с датчиком изображения из ПЗС 1/3" с эффективной диагональю 6 мм. ОПФР сочетает в себе высокий перепад фокусных расстояний, широкий угол зрения, высокую светосилу, качество изображения, соответствующее стандарту видеозаписи ТВЧ, и компактные размеры, подходящие для компактных видеокамер (фиг.14, табл.).

Заявленный ОПФР является компактным, широкоугольным, с 10-кратным перепадом фокусных расстояний, углом зрения около 70 градусов и фокусным расстоянием F/#=1.7 (в широкоугольном положении). Данные параметры позволяют использовать объектив, прежде всего как основной объектив компактных ТВЧ видеокамер.

Указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, и специалистам понятно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в описании, чертежах и прилагаемой формуле изобретения.

Объектив включает расположенные по ходу распространения излучения вдоль оптической оси объектива первую и вторую группы оптических элементов, апертурную диафрагму, третью, четвертую и пятую группы оптических элементов, оптический низкочастотный фильтр и датчик изображения. Пятая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит положительную двояковыпуклую линзу и отрицательную двояковогнутую линзу, обе поверхности которой являются асферическими. При изменении фокусного расстояния вторая группа оптических элементов выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению к апертурной диафрагме, а третья группа оптических элементов выполнена с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси для механической компенсации сдвига плоскости изображения. При изменении фокусного расстояния от широкоугольного к длиннофокусному положению расстояния между первой и второй группами оптических элементов и между третьей и четвертой группами увеличиваются. Технический результат - уменьшение размеров, большая светосила, угол зрения, диапазон изменения фокусных расстояний и более высокое качество изображения. 2 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Объектив с переменным фокусным расстоянием, включающим в себя расположенные по ходу распространения излучения вдоль одной оптической оси объектива первую группу оптических элементов, вторую группу оптических элементов, апертурную диафрагму, третью группу оптических элементов, четвертую группу оптических элементов, оптический низкочастотный фильтр и датчик изображения, отличающийся тем, что объектив дополнительно содержит пятую группу оптических элементов, расположенную между четвертой группой оптических элементов и низкочастотным фильтром, причем

первая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и включает в себя положительную двулинзовую композицию, которая содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу, соединенные между собой между собой в данной последовательности, а также первую выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу и вторую выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу;

вторая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу, отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит две выпукло-вогнутых отрицательных менисковых линзы, соединенные между собой а также отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит отрицательную двояковогнутую линзу и положительную двояковыпуклую линзу, соединенные между собой в данной последовательности;

третья группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит положительную двояковыпуклую линзу, обе поверхности которой являются асферическими, и положительную композицию, которая включает в себя выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и положительную двояковыпуклую линзу, соединенные между собой в данной последовательности;

четвертая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и положительную вогнуто-выпуклую менисковую линзу с первой асферической поверхностью и выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу;

пятая группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и содержит положительную двояковыпуклую линзу и отрицательную двояковогнутую линзу, обе поверхности которой являются асферическими, причем

при изменении фокусного расстояния объектива положение первой группы оптических элементов, апертурной диафрагмы, четвертой группы оптических элементов, пятой группы оптических элементов, оптического низкочастотного фильтра и датчика изображения фиксировано,

при изменении фокусного расстояния объектива вторая группа оптических элементов выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению к апертурной диафрагме, причем при изменении фокусного расстояния объектива от широкоугольного положения к длиннофокусному положению расстояние между первой и второй группами оптических элементов увеличивается,

при изменении фокусного расстояния объектива третья группа оптических элементов выполнена с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива с целью механической компенсации сдвига плоскости изображения, при изменении фокусного расстояния объектива от широкоугольного положения к длиннофокусному положению расстояние между третьей и четвертой группами увеличивается.

; ; ; ; ; ; .