ДЕСЯТИКРАТНЫЙ УЛЬТРАКОМПАКТНЫЙ ВАРИООБЪЕКТИВ С МАКРОРЕЖИМОМ Российский патент 2011 года по МПК G02B15/16 G02B15/22 

Изобретение относится к области оптики, а более конкретно - к конструированию объективов с переменным фокусным расстоянием (часто обозначаемым терминами «вариообъектив» или «зум»), которые широко применяются в профессиональной и любительской фото- и видеоаппаратуре.

Известны различные конструкции вариообъективов, при этом некоторые из них отличаются большим диапазоном финансовых расстояний, сохраняя относительно небольшие линейные размеры. Совместить два этих признака достаточно сложно из-за особенностей конструкции многолинзовой оптической системы, обеспечивающей возможность получения качественных снимков в режиме ТЕЛЕ и МАКРО.

Среди наиболее удачных конструкций следует упомянуть патент США №6762886 [1], в котором описана конструкция десятикратного широкоугольного объектива с переменным фокусным расстоянием (см. Фиг.8). Объектив имеет следующие основные характеристики:

- перепад фокусных расстояний: 10х

- фокусное расстояние: 46/4,4 мм

- угловое поле: 68,58/7,462 град

- подвижные компоненты: 2 и 4

- число линз: 13

- число асферических поверхностей: 3.

Недостатком такой конструкции является наличие значительного числа линз, из которых три имеют асферические поверхности, что усложняет производство таких объективов и вызывает проблемы с миниатюризацией объективов, выполненных по такой схеме.

В качестве наиболее близкого к заявляемому изобретению можно сослаться на техническое решение, описанное в патенте США №6982835 [2]. В этом документе предложен объектив с переменным фокусным расстоянием, составленный из четырех групп линз (компонентов). Основные характеристики решения [2], схема которого приведена на Фиг.9, несколько отличаются от решения [1], а именно:

- перепад фокусных расстояний: 10х

- фокусное расстояние: 49,5/5,18 мм

- угловое поле: 63,5/6,82 град

- подвижные компоненты: 2 и 4

- число линз: 14

- число асферических поверхностей: 4

- полная длина: 85,49 мм.

Решение [2] имеет те же недостатки, что и решение [1], причем число линз и число асферических поверхностей даже несколько больше, чем в [1]. Тем не менее представляется возможным выбрать решение [2] в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать конструкцию объектива с переменным фокусным расстоянием, причем число линз и асферических поверхностей должно быть меньше, чем в прототипе [2], при сохранении или превышении функциональных возможностей объектива по схеме прототипа [2].

Технический результат достигнут за счет разработки объектива с переменным фокусным расстоянием (вариообъектива), состоящего из четырех последовательно расположенных вдоль оптической оси компонентов: первого положительного компонента, второго отрицательного компонента, третьего и четвертого положительных компонентов, отличающегося тем, что

- первый компонент является неподвижным в режиме зуммирования и подвижным в макрорежиме и представляет собой склейку положительной и отрицательной линз;

- второй компонент является подвижным и составлен из двояковогнутой отрицательной линзы и склейки положительной и отрицательной линз;

- затвор с апертурной диафрагмой, снабженной двумя фиксированными отверстиями, расположен между вторым и третьим подвижными компонентами и выполнен с возможностью перемещения совместно с третьим компонентом;

- расстояние от центра затвора до CCD матрицы (аббревиатура от английского термина «Charge-Coupled Device», известна также как ПЗС-матрица) лежит в диапазоне 0,42…0,50 общей длины объектива;

- третий компонент является подвижным и составлен из склейки положительной и отрицательной линз, а также отрицательного мениска;

- четвертый компонент является подвижным и составлен из склейки отрицательной и положительной менисковых линз и положительной линзы.

Для нормального функционирования заявляемого объектива важно, чтобы в режиме зуммирования перемещение третьего компонента имело колебательный характер с двумя экстремальными значениями.

Для нормального функционирования заявляемого объектива важно, чтобы в макрорежиме первый, второй и третий компоненты вариообъектива перемещались совместно, при этом точная фокусировка объектива для разных фокусных расстояний и разных дальностей съемки обеспечивается за счет независимого перемещения четвертого компонента от цепи автофокусировки.

Такое техническое решение позволило создать ультракомпактный вариообъектив с большим перепадом фокусного расстояния и макрорежимом. При этом было достигнуто значительное упрощение оптической схемы за счет уменьшения числа линз до одиннадцати (по сравнению с четырнадцатью в конструкции прототипа [2]) и асферических поверхностей (две вместо четырех) с поддержанием обеспечиваемого в прототипе [2] качества изображения, в том числе и при большом угловом поле (>60 град в широкоугольном режиме). Уменьшение общего числа линз и числа асферических поверхностей упрощает производство таких вариообъективов. По сравнению с размерами конструкции-прототипа (85,49 мм) заявляемая конструкция при ее экспериментальной реализации имела полную длину, не превышающую 33 мм в рабочем состоянии. Кроме того, заявленная конструкция позволяет выполнить ее складной, причем в сложенном виде ее размер не превышал 14,5 мм.

Существо заявляемого изобретения поясняется далее с привлечением графических материалов.

Фиг.1. Оптическая схема реализованного объектива в сложенном состоянии (полная длина L=14,3 мм) согласно изобретению.

Фиг.2. ТЕЛЕ режим (f=40,821 mm)

Фиг.3. ТЕЛЕ + МАКРО режим @ L=1600 mm

Фиг.4. ТЕЛЕ + МАКРО режим @ L=800 mm

Фиг.5. ШИРОКОУГОЛ режим (f'=4,300 mm)

Фиг.6. ШИРОКОУГОЛ + МАКРО режим @ L=200 mm

Фиг.7. ШИРОКОУГОЛ + МАКРО режим @ L=100 mm

Фиг.8. Схема аналога [1]

Фиг.9. Схема прототипа [2].

Объектив с переменным фокусным расстоянием состоит из последовательно расположенных на оптической оси компонента 1, который является неподвижным при зуммировании и подвижным при макрорежиме, подвижных компонентов 2 и 4, подвижного компонента 3, перемещающегося по колебательному закону.

Компонент 1 представляет собой двухлинзовую склейку. Компонент 2 выполнен в виде отрицательной линзы и склейки из двух линз. Компоненты 3 и 4 выполнены в виде одиночной линзы и склейки из двух линз. Одиночная линза компонента 3 выполнена в виде мениска, а компонента 4 - в виде двояковыпуклой линзы.

Компоненты 2 и 4 установлены с возможностью смещения вдоль оптической оси по заданному закону в зависимости от требуемой величины фокального расстояния объектива.

Апертурная диафрагма 5 затвора размещена между слабо подвижным компонентом 3 и подвижным компонентом 2. Для иллюстрации на Фиг.1 показаны также инфракрасный фильтр 6 и CCD матрица 7.

Особенностью компонента 1 является его способность оставаться неподвижным при работе в режиме зуммирования и перемещаться вдоль оптической оси при работе в макрорежиме.

Ниже приведен пример конкретного выполнения объектива с переменным фокусным расстоянием согласно настоящему изобретению.

В таблице 1 приведены конструктивные параметры объектива - радиусы R кривизны поверхностей, толщины промежутков D между компонентами и марки стекол линз. Номера поверхностей приведены в возрастающем порядке от внешней поверхности компонента 1.

В таблице 2 приведены коэффициенты асферичности двух поверхностей.

В таблице 3 приведены размеры переменных воздушных промежутков для нескольких ZOOM-позиций. Апертурная диафрагма 5, расположенная между компонентами 2 и 3, имеет два рабочих диаметра ~1,39 мм и ~1,47 мм.

Таблица 1 № Радиус кривизны поверхности (R) Размер промежутка (D) Марка стекла 1* 11,482 4,01 N-PSK57 2 -19,051 0,43 S-NPH1 3 -48,410 D1 (переменный)   4 -40,958 0,40 FPL51 5 22,306 0,05   6 31,516 1,82 S-NPH1 7 -14,269 0,40 LAH65 8 3,445 D2 (переменный)   9 ∞ (stop) 0,50   10 7,591 0,40 S-NPH1 11 6,422 0,69 LAL18 12 -42,851 0,05   13 10,562 0,42 N-PK52A 14 11,125 D3 (переменный)   15 -4,194 0,40 S-NPH1 16 -8,507 1,11 S-FPL51 17 -3,952 0,05   18 410,164 0,89 S-FPL51 19* -6,803 D4 (переменный)   20 ∞ 0,30   21 ∞ 0,20   Примечание: поверхности, к номерам которых в первой колонке таблицы 1 добавлена *, являются асферическими. Коэффициенты асферичности приведены в таблице 2.

Таблица 2 № К А4 А6 А8 А10 1 -0,429632 -2,23847е-05 3,32662е-07 -6,55779е-09 3,70183е-11 19 5,7268е-3 2,3664е-03 -4,81251e-05 1,24282е-05 -3,86598е-07

Таблица 3   F D1 D2 D3 D4 Описание позиции 1 40,820 8,73 2,12 8,53 1,00 ТЕЛЕ 2 44,351 8,73 2,12 9,50 2,03 ТЕЛЕ + МАКРО (800) 3 4,300 0,08 10,77 1,75 7,78 ШИРОКОУГОЛ 4 4,270 0,08 10,77 1,58 8,00 ШИРОКОУГОЛ + МАКРО (100)

Изготовленный согласно изобретению объектив предназначен для использования в мобильных телефонах и ультракомпактных фотокамерах для получения цветных снимков с различным масштабом. При этом такой объектив имеет следующие характеристики:

- перепад фокусного расстояния: 10х

- фокусное расстояние: 40,82…4,30 мм

- диафрагменное число F#: 3,03…4,39

- угловое поле 2w, градусов: 7.9…67.26

- диапазон длин волн: видимый

- СКО волновой аберрации <1λ.

Следует отметить, что описанный вариант реализации изобретения приведен лишь в порядке иллюстрации, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации этого технического решения, не выходящие за рамки притязаний, изложенных в формуле изобретения.

Объектив состоит из четырех последовательно расположенных компонентов: первого - положительного, второго - отрицательного, третьего и четвертого - положительных. Первый компонент неподвижен в режиме зуммирования и подвижен в макрорежиме и представляет собой склейку положительной и отрицательной линз. Второй компонент - подвижный и содержит двояковогнутую линзу и склейку положительной и отрицательной линз. Затвор с апертурной диафрагмой, снабженной двумя фиксированными отверстиями, расположен между вторым и третьим компонентами и выполнен с возможностью перемещения совместно с третьим компонентом. Расстояние от центра затвора до CCD матрицы лежит в диапазоне 0,42…0,50 общей длины объектива. Третий компонент подвижный и содержит склейку положительной и отрицательной линз и отрицательный мениск. Четвертый компонент подвижный и содержит склейку отрицательной и положительной менисковых линз и положительную линзу. Технический результат - уменьшение числа линз и асферических поверхностей при сохранении или повышении функциональных возможностей объектива. 2 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 табл.

1. Объектив с переменным фокусным расстоянием, состоящий из четырех последовательно расположенных вдоль оптической оси компонентов: первого положительного компонента, второго отрицательного компонента, третьего и четвертого положительных компонентов, отличающийся тем, что
- первый компонент является неподвижным в режиме зуммирования и подвижным в макрорежиме и представляет собой склейку положительной и отрицательной линз;
- второй компонент является подвижным и составлен из двояковогнутой отрицательной линзы и склейки положительной и отрицательной линз;
- затвор с апертурной диафрагмой, снабженной двумя фиксированными отверстиями, расположен между вторым и третьим компонентами и выполнен с возможностью перемещения совместно с третьим компонентом;
- расстояние от центра затвора до CCD матрицы лежит в диапазоне 0,42…0,50 общей длины объектива;
- третий компонент является подвижным и составлен из склейки положительной и отрицательной линз, а также отрицательного мениска;
- четвертый компонент является подвижным и составлен из склейки отрицательной и положительной менисковых линз и положительной линзы.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что перемещение третьего компонента в режиме зуммирования имеет колебательный характер с двумя экстремальными значениями.

3. Объектив по п.1, отличающийся тем, что первый, второй и третий компоненты в макрорежиме перемещаются совместно, при этом точная фокусировка объектива для разных фокусных расстояний и разных дальностей съемки обеспечивается за счет независимого перемещения четвертого компонента от цепи автофокусировки.