АФОКАЛЬНАЯ НАСАДКА ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ КАМЕР И ФОТОКАМЕР Российский патент 2014 года по МПК G02B23/00 G02B15/12 

Область изобретения

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к афокальным насадкам, предназначенным для увеличения фокусного расстояния объективов телевизионных камер и фотокамер с целью обеспечения высокого пространственного разрешения при регистрации объектов.

Уровень техники

Известна 4-линзовая афокальная насадка с угловым увеличением 1,5 крат для объективов видеокамер с внутренним положением входного зрачка (патент US 4171872 A, 23.10.1979, G02B 13/22).

Афокальная насадка содержит положительный двухлинзовый склеенный компонент и отрицательный двухлинзовый склеенный компонент. Недостатком этой насадки является относительно небольшое, не превышающее 1,5 крат, угловое увеличение. Для достижения больших значений увеличения масса первого склеенного компонента, выполненного в виде склейки двух линз, резко возрастает.

Известна телескопическая система Галилея 5-кратного увеличения, предназначенная для наблюдения объектов человеком (Carmen Menchaca and Daniel Malacara Design of Galilean-type telescope systems, APPLIED OPTICS / Vol.27, No.17/1 September 1988, pp.3715-3718). Существенным ограничением при использовании этой системы в качестве афокальной насадки фото- и телевизионных объективов является малый диаметр выходного зрачка, не превышающий 8 мм.

Наиболее близкой по технической сущности является 3-линзовая афокальная насадка с угловым увеличением Г=1,71 крат, предназначенная для объективов видеокамер (патент RU 2067309 C1, 27.09.2006, G02B 15/12; он же принят в качестве прототипа).

Данная афокальная насадка с угловым увеличением 1,71 крат содержит два компонента, причем первый положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, а второй, отрицательный компонент, состоит из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к объекту, и одиночной отрицательной линзы.

Угловое поле в пространстве изображений прототипа 2W′=7°. Угловое поле в пространстве объектов определяется увеличением насадки и составляет для прототипа $$2W=\frac{2W\text{'}}{Г}={\mathrm{4,1}}^{\circ }$$ . Относительное отверстие афокальной насадки определяется отношением диаметра выходного зрачка D_ВЫХ.ЗР к фокусному расстоянию второго (отрицательного) компонента насадки $$f_2^{\text{'}}$$ и для прототипа составляет $$A=\frac{D_{ВЫХ.ЗР.}}{f_2^{\text{'}}}=1:4$$ .

Кроме того, данная афокальная насадка предназначена для работы в спектральном диапазоне 486…610 нм. При этом насадка имеет высокое угловое разрешение в центре поля зрения пространства изображений - угловой размер пятна рассеяния составляет 2ΔW′=26 угл.сек=0,44 угл.мин, но низкое разрешение по полю изображения: при W′=1,8° угловой размер пятна рассеяния составляет 2ΔW=6 угл.мин, а при W′=3,5° составляет, соответственно, 2ΔW′=19 угл.мин. В пространстве объектов угловое разрешение $$2\Delta W=\frac{2\Delta W\text{'}}{Г}$$ при W=0° составляет 2ΔW=0,26 угл.мин; при W=1,1° $$2\Delta W=\frac{2\Delta W\text{'}}{Г}=\mathrm{3,5}угл.мин.$$ и при W=2,05° соответственно 11 угл.мин.

В таблице 1 для прототипа для разных угловых полей представлены значения угловых размеров пятен рассеяния в пространстве изображений и в пространстве объектов.

Таблица 1 Насадка 1,7 крат Пространство изображений Пространство объектов W′, угл.град. 2ΔW′, угл.мин $$W=\frac{W\text{'}}{Г}$$
угл.град. $$2\Delta W=\frac{2\Delta W\text{'}}{Г}$$ , угл.мин 0 0,5 0 0,3 1,8 6 1,1 3,5 3,5 19 2,05 11

Данная насадка имеет следующие недостатки: низкое разрешение по полю изображений и вследствие малого углового увеличения низкое разрешение в пространстве объектов, а также малое относительное отверстие.

Повысить разрешение в пространстве объектов можно за счет повышения углового увеличения. Однако коррекционные возможности прототипа ограничены увеличением 1,71 крат.

Раскрытие изобретения

Для устранения указанных недостатков в афокальной насадке, состоящей из двух компонентов, в которой первый компонент является положительным и выполнен в виде одиночной положительной линзы (1), а второй компонент является отрицательным и выполнен в виде одиночной отрицательной линзы (4), в первый компонент дополнительно введен афокальный коррекционный компонент однократного увеличения, расположенный на оптической оси между положительной линзой (1) и отрицательной линзой (4), и выполненный в виде последовательно расположенных по ходу лучей вогнуто-выпуклого отрицательного мениска (2) и выпукло-вогнутого положительного мениска (3) с равными оптическими силами, касающимися друг с другом выпуклыми поверхностями, причем фокусные расстояния менисков (2) и (3) равны фокусному расстоянию положительной линзы (1) первого компонента:

$$-f_2^{\text{'}}=f_3^{\text{'}}=f_1^{\text{'}}$$ ;

расстояние между положительной линзой (1) первого компонента и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента равно половине фокусного расстояния положительной линзы (1) первого компонента:

$$d_{\mathrm{1,2}}=\frac{1}{2}{f}_1^{\text{'}}$$

расстояние между менисками:

d_2,3=0;

фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно:

$$f_4^{\text{'}}=\frac{-f_1^{\text{'}}}{Г}$$ ,

и она удалена от точки касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента на расстояние:

$$\begin{array}{l}{d}_{\mathrm{3,4}}=f_1^{\text{'}}-d_{\mathrm{1,2}}-f_4\text{'}=f_1^{\text{'}}-\frac{f_1^{\text{'}}}{2}-\frac{f_1^{\text{'}}}{Г}=\\ =\frac{f_1^{\text{'}}}{2Г}\left(Г-2\right)\end{array}$$

где Г - увеличение афокальной насадки.

Данные формулы получены без учета толщин линз, т.е. для тонких оптических компонентов. Для компонентов с реальными толщинами эти формулы являются приближенными.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена оптическая схема афокальной насадки с 5-кратным угловым увеличением в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для осевого пучка лучей W=0°.

На фиг.3 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для внеосевого пучка лучей W=0,36°.

На фиг.4 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для внеосевого пучка лучей W=0,7°.

В качестве примера предлагаемой афокальной насадки приводится насадка 5-кратного увеличения.

Параметры компонентов насадки с увеличением 5 крат, рассчитанные по формулам для тонких оптических компонентов:

фокусное расстояние насадки 1, 2, 3, 4:

f′=∞;

фокусное расстояние положительной линзы (1) первого компонента:

$$f_1^{\text{'}}=\mathrm{216,5}мм$$ ;

расстояние между положительной линзой (1) первого компонента и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):

$$d_{\mathrm{1,2}}=\frac{1}{2}{f}_1^{\text{'}}=\mathrm{108,25}мм$$ ;

фокусное расстояние отрицательного мениска (2) афокального коррекционного компонента (2, 3):

$$f_2^{\text{'}}=-f_1^{\text{'}}=-\mathrm{216,5}мм$$ ;

фокусное расстояние положительного мениска (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):

$$f_3^{\text{'}}=f_1^{\text{'}}=\mathrm{216,5}мм$$ ;

расстояние между менисками (2) и (3):

d_2,3=0;

фокусное расстояние афокального коррекционного компонента (2, 3):

f′_2,3=∞;

расстояние между точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента и отрицательной линзой (4) второго компонента:

$$d_{\mathrm{3,4}}=\frac{f_1^{\text{'}}}{2Г}=\left(Г-2\right)=\mathrm{64,95}мм$$ ;

фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно:

$$f_4^{\text{'}}=\frac{-f_1^{\text{'}}}{Г}=\mathrm{43,3}мм$$ .

В таблице 2 представлены конструктивные параметры предлагаемой насадки, оптическая схема которой приведена на фиг.1.

Таблица 2 № поверхности Радиус кривизны Толщина Стекло Световой диаметр 1 109,516 23 ОК4 126,5 2 -786,57 78,64   126,4 3 -87,375 5 ТФ10 72,6 4 -181,765 0   73,1 5 46,952 8 БФ7 68,7 6 69,842 69,22   67,3 7 -239,785 4 КФ6 25,05 8 24,205 40   22,15 Плоскость выходного зрачка       17,6

Параметры компонентов насадки с реальными толщинами элементов: фокусное расстояние насадки (1), (2), (3), (4):

$$f\text{'}=\mathrm{8,6}\cdot {10}^5мм$$ ;

фокусное расстояние положительной линзы (1) первого компонента:

$$f_1^{\text{'}}=\mathrm{216,5}мм$$ ;

расстояние между положительной линзой первого компонента (1) и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):

d_1,2=102 мм;

фокусное расстояние отрицательного мениска (2) афокального коррекционного компонента (2, 3):

$$f_2^{\text{'}}=-\mathrm{213,4}мм$$ ;

фокусное расстояние положительного мениска (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):

$$f_3^{\text{'}}=\mathrm{218,9}мм$$ ;

расстояние между менисками (2) и (3):

d_2,3=0;

фокусное расстояние афокального коррекционного компонента (2, 3):

$$f_{\mathrm{2,3}}^{\text{'}}=-5054мм$$ ;

расстояние между точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента и отрицательной линзой (4) второго компонента:

d_3,4=77 мм;

фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно

$$f_4^{\text{'}}=-\mathrm{43,7}мм$$ ;

увеличение афокальной насадки

Г=5^x.

Как следует из приведенных параметров компонентов насадки, они близки к теоретическим параметрам.

Расчет афокальной насадки 5-кратного увеличения проведен для таких же угловых полей в пространстве изображений, как и у прототипа, но при увеличенном относительном отверстии:

спектральный диапазон Δλ=486…610 нм;

угловое поле в пространстве изображений - 2W′=7°;

относительное отверстие $$A=\frac{D_{ВЫХ.ЗР.}}{f_4^{\text{'}}}=1:\mathrm{2,5}$$ .

При этом из-за углового увеличения предлагаемой насадки Г=5^x угловое поле в пространстве объектов - $$2W=\frac{2W\text{'}}{Г}={\mathrm{1,4}}^{\circ }$$ .

На фиг.2, 3 и 4 представлены графики распределений энергии в угловом пятне рассеяния насадки в пространстве объектов для угловых полей W=0°, W=0,36° и W=0,1°. Из этих графиков следует, что по уровню энергии E=0,7 в пространстве объектов угловой размер пятна рассеяния при W=0° равен 2ΔW=0,06 угл.мин. (в пространстве изображений 2ΔW′=0,3 угл.мин), при W=0,36° равен 2ΔW=0,36 угл.мин (в пространстве изображений 2ΔW′=1,8 угл.мин) и W=0,7° равен 2ΔW=3 угл.мин (в пространстве изображений 2ΔW′=15 угл.мин).

В таблице 3 приведены значения углового размера пятна рассеяния предлагаемой насадки 2ΔW в пространстве изображений для заданного углового поля W′ и в пространстве объектов $$2\Delta W=\frac{2\Delta W\text{'}}{Г}$$ для заданного углового поля $$W=\frac{W\text{'}}{Г}$$ .

Таблица 3 Насадка 5 крат Пространство изображений Пространство объектов W′, угл.град. 2ΔW′, угл.мин $$W=\frac{W\text{'}}{Г}$$ , угл.град. $$2\Delta W=\frac{2\Delta W\text{'}}{Г}$$ , угл.мин 0 о,з 0 0,06 1,8 1,8 0,36 0,36 3,5 15 0,7 3

Из сравнения таблиц 1 и 3 следует, что в пространстве объектов угловая разрешающая способность предлагаемой насадки 5-кратного увеличения в центре поля увеличена в 5 раз, в середине поля - почти в 10 раз, а на краю поля - почти в 4 раза. При этом относительное отверстие увеличено в 1,6 раза, что подтверждает положительный эффект от предлагаемого изобретения.

Специалистам в данной области техники понятно, что при таком подходе к технической задаче, который предусматривает данное решение, также могут быть получены афокальные насадки и с другим увеличением, кроме вышеуказанного 5-кратного увеличения, рассмотренного на конкретном примере - т.е. при таком подходе к конструктивному выполнению афокальной насадки, вышеуказанном выборе определенных линз, вышеуказанном выборе их определенных фокусных расстояний, вышеуказанном выборе определенных расстояний между ними, но путем изменения увеличения Г афокальной насадки в другое количество крат.

Наличие признаков, отличающих предлагаемую насадку от прототипа, подтверждает соответствие данного предложения критерию «новизна», а именно такое сочетание всех признаков устройства, не известное из научно-технической и патентной литературы, говорит о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Афокальная насадка состоит из первого компонента в виде одиночной положительной линзы (1) и второго компонента в виде одиночной отрицательной линзы (4). В первый компонент введен афокальный коррекционный компонент однократного увеличения, расположенный между положительной (1) и отрицательной (4) линзами и выполненный в виде последовательно расположенных вогнуто-выпуклого отрицательного мениска (2) и выпукло-вогнутого положительного мениска (3) с равными оптическими силами, касающимися друг с другом выпуклыми поверхностями. Фокусные расстояния менисков (2) и (3) равны фокусному расстоянию положительной линзы (1) первого компонента: $$-f_2^{\text{'}}=f_3^{\text{'}}=f_1^{\text{'}}$$ . Расстояние между положительной линзой (1) и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) равно половине фокусного расстояния положительной линзы (1): $$d_{\mathrm{1,2}}=\frac{1}{2}{f}_1^{\text{'}}$$ , расстояние между менисками (2) и (3) равно: d_2,3=0. Фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно: $$f_4^{\text{'}}=\frac{-f_1^{\text{'}}}{Г}$$ , и она удалена от точки касания поверхностей менисков (2) и (3) на расстояние: $$d_{\mathrm{3,4}}=\frac{f_1^{\text{'}}}{2Г}\left(Г-2\right)$$ , где Г - увеличение афокальной насадки. Технический результат - повышение разрешения в пространстве объектов за счет увеличения углового увеличения. 4 ил., 3 табл.

Афокальная насадка, состоящая из двух компонентов, в которой первый компонент является положительным и выполнен в виде одиночной положительной линзы (1), а второй компонент является отрицательным и выполнен в виде одиночной отрицательной линзы (4), отличающаяся тем, что в первый компонент дополнительно введен афокальный коррекционный компонент однократного увеличения, расположенный на оптической оси между положительной линзой (1) и отрицательной линзой (4) и выполненный в виде последовательно расположенных по ходу лучей вогнуто-выпуклого отрицательного мениска (2) и выпукло-вогнутого положительного мениска (3) с равными оптическими силами, касающимися друг с другом выпуклыми поверхностями, причем фокусные расстояния менисков (2) и (3) равны фокусному расстоянию положительной линзы (1) первого компонента:
$$-f_2^{\text{'}}=f_3^{\text{'}}=f_1^{\text{'}}$$ ;
расстояние между положительной линзой (1) первого компонента и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента равно половине фокусного расстояния положительной линзы (1) первого компонента:
$$d_{\mathrm{1,2}}=\frac{1}{2}{f}_1^{\text{'}}$$ ,
расстояние между менисками (2) и (3) равно:
d_2,3=0;
фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно:
$$f_4^{\text{'}}=\frac{-f_1^{\text{'}}}{Г}$$ ,
и она удалена от точки касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента на расстояние:
$$d_{\mathrm{3,4}}=\frac{f_1^{\text{'}}}{2Г}\left(Г-2\right)$$ ,
где Г - увеличение афокальной насадки.