Макрообъектив с переменным увеличением Российский патент 2017 года по МПК G02B15/16 G02B15/173 

Изобретение может быть использовано в фото- и видеосистемах, где необходимо производить съемку объектов с небольшого расстояния, сравнимого с фокусным расстоянием объектива, и с возможностью плавного изменения увеличения, например в медицинской технике.

Известный вариообъектив, описанный в патенте РФ №2545064, МПК G02B 15/16, содержит четыре компонента и апертурную диафрагму, расположенную перед четвертым компонентом. Первый и четвертый компоненты положительные, второй и третий отрицательные и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Первый компонент содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, двояковыпуклую линзу и положительный мениск. Второй компонент содержит отрицательный мениск, двояковогнутую линзу и положительный мениск. Третий компонент отрицательный и склеен из положительного мениска и двояковогнутой линзы. Четвертый компонент содержит двусклеенную линзу из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, положительный мениск, отрицательный мениск, двояковыпуклую линзу, два отрицательных мениска и двояковыпуклую линзу. Но данный объектив не предназначен для макросъемки и его рабочая спектральная область 680-820 нм.

Наиболее близким к настоящему изобретению является объектив с переменным фокусным расстоянием, описанный в патенте US №4233981, НПК 350/184, МПК G02B 15/16, опубл. 23 сентября 1980 г., который состоит из четырех линзовых групп. Первая линзовая группа обладает положительной оптической силой и обеспечивает фокусировку объектива путем ее перемещения вдоль оптической оси. Вторая подвижная линзовая группа, обладающая отрицательной оптической силой, обеспечивает изменение фокусного расстояния. Третья подвижная линзовая группа, обладающая положительной оптической силой, перемещаясь по нелинейному закону одновременно со второй линзовой группой, обеспечивает неизменное положение плоскости изображения при изменении фокусного расстояния объектива. При этом подвижные 1-3 линзовые группы образуют афокальную систему относительно бесконечно удаленного предмета. Четвертая линзовая группа является проекционной и включает в себя передний компонент, состоящий из положительной и отрицательной линз, и задний компонент, состоящий из мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, и положительной линзы. При этом у данного объектива относительно невысокое качество изображения, не позволяющее использовать его для макросъемки и для съемки с цифровыми матрицами высокого разрешения.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик и качества изображения во всем диапазоне изменения фокусного расстояния.

Технический результат - создание макрообъектива с переменным увеличением и высоким качеством изображения во всем диапазоне фокусных расстояний, составляющем не менее 4 крат, при съемке с конечного расстояния, сравнимого с фокусом объектива, что дает возможность использования для регистрации изображения матриц высокого разрешения с малым размером пиксела.

Это достигается тем, что в макрообъективе с переменным увеличением содержащем четыре группы линз, четвертая группа неподвижная, а вторая и третья установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси при изменении фокусного расстояния, причем первая группа линз выполнена с положительной оптической силой из последовательно установленных по ходу луча передней одиночной двояковыпуклой линзы и склейки, содержащей двояковыпуклую и отрицательную линзы, вторая подвижная группа выполнена с отрицательной оптической силой из склейки двояковыпуклой и первой двояковогнутой линз и второй двояковогнутой линзы, третья подвижная группа выполнена с положительной оптической силой из положительной и отрицательной линз, четвертая неподвижная группа выполнена с положительной оптической силой и включает передний и задний компоненты, при этом передний выполнен из отрицательной и положительной линз, а задний выполнен из мениска и одиночной положительной линзы, в отличие от известного первая группа линз - неподвижная, в склейке первой расположена отрицательная линза, выполненная в виде мениска и обращенная выпуклостью к плоскости предметов, за склейкой добавлен одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, во второй группе линз вторая двояковогнутая линза выполнена одиночной, в третьем компоненте линзы одиночные, первая из которых двояковыпуклая, а отрицательная выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений, в четвертой группе линз в переднем компоненте первой расположена двояковыпуклая линза, склеенная с отрицательным мениском, обращенным выпуклой стороной к плоскости изображений, в заднем компоненте мениск выполнен в виде склейки положительного и отрицательного менисков, обращенных выпуклой стороной к плоскости предметов, одиночная положительная линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, а апертурная диафрагма объектива расположена между передним и задним компонентами четвертой группы линз, при этом соблюдаются следующие условия:

1.8<f1/f4<2.2,

где: f1 и f4 - фокусные расстояния первой и четвертой неподвижных групп линз соответственно;

-4.2<f11/f14<-2.2,

где: f11 - фокусное расстояние передней одиночной двояковыпуклой линзы первой группы линз;

f14 - фокусное расстояние добавленного отрицательного мениска первой группы линз, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений.

Предложенное решение поясняется следующими графическими материалами.

Фиг. 1. Оптическая схема макрообъектива с переменным увеличением в положении длинного фокуса.

Фиг. 2. Оптическая схема макрообъектива с переменным увеличением в положении короткого фокуса.

Фиг. 3. Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) макрообъектива с переменным увеличением в положении длинного фокуса.

Фиг. 4. Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) макрообъектива с переменным увеличением в положении промежуточного фокуса.

Фиг. 5. Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) макрообъектива с переменным увеличением в положении короткого фокуса.

Фиг. 6. График дисторсии макрообъектива с переменным увеличением в положении длинного фокуса.

Фиг. 7. График дисторсии макрообъектива с переменным увеличением в положении промежуточного фокуса.

Фиг. 8. График дисторсии макрообъектива с переменным увеличением в положении короткого фокуса.

Макрообъектив с переменным увеличением (фиг. 1) содержит четыре группы линз, из которых первая и четвертая группы неподвижные, а фокусные расстояния первого f1 и четвертого f4 неподвижных групп линз удовлетворяют следующим соотношениям: 1.8<f1/f4<2.2, а вторая и третья перемещаются вдоль оптической оси при изменении фокусного расстояния. Первая неподвижная группа линз обладает положительной оптической силой и состоит из передней одиночной двояковыпуклой линзы 1, склейки отрицательного мениска 2, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, и двояковыпуклой линзы 3 и добавленного одиночного отрицательного мениска 4, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений, при этом фокусное расстояние f11 передней одиночной двояковыпуклой линзы 1 первой группы линз и фокусное расстояние f14 добавленного отрицательного мениска 4 первой группы линз, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений, удовлетворяют следующим соотношениям: -4.2<f11/f14<-2.2. Вторая подвижная группа обладает отрицательной оптической силой и состоит из склейки двояковыпуклой линзы 5 и первой двояковогнутой линзы 6, а также второй одиночной двояковогнутой линзы 7. Третья подвижная группа обладает положительной оптической силой и состоит из одиночных двояковыпуклой линзы 8 и отрицательного мениска 9, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений. Четвертая неподвижная группа обладает положительной оптической силой и состоит из переднего компонента, выполненного в виде склейки двояковыпуклой линзы 10 и отрицательного мениска 11, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений, и заднего компонента, выполненного в виде склейки положительного мениска 12 и отрицательного мениска 13, обращенных выпуклой стороной к плоскости предметов, а также одиночного положительного мениска 14, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов. Между передним и задним компонентами расположена апертурная диафрагма объектива.

На фиг. 2 изображена оптическая схема макрообъектива с переменным увеличением в положении короткого фокуса.

Работает макрообъектив следующим образом: в положении короткого фокуса 50 мм вторая и третья подвижные группы линз находятся вблизи первой неподвижной группы линз. Для увеличения фокусного расстояния вторая и третья группы линз движутся в сторону четвертой неподвижной группы линз. При этом вторая группа линз движется по линейному закону. Третья группа линз движется по нелинейному закону, но изменение расстояния между второй и третьей группой в процессе движения невелико. В положении длинного фокуса вторая и третья группы линз находятся вблизи четвертой неподвижной группы линз. Для перефокусировки все четыре группы линз как целое движутся относительно плоскости расположения матричного приемника изображения (не показан).

Введение дополнительной линзы (четвертой) в виде добавленного одиночного отрицательного мениска в первую линзовую группу, а также использование особой низкодисперсной марки стекла типа ОК4 в передней одиночной двояковыпуклой линзе позволило значительно улучшить коррекцию сферической и хроматической аберраций и, как следствие, существенно повысить пространственное разрешение по сравнению с ближайшим аналогом. В третьей линзовой группе в одиночной двояковыпуклой линзе также применено низкодисперсное стекло типа ОК4, что позволяет минимизировать хроматические аберрации при изменении фокусного расстояния и добиться высокого разрешения объектива во всем диапазоне фокусных расстояний. Существенное отличие теплового коэффициента расширения стекла ОК4 обусловило необходимость расклейки линз в третьей линзовой группе по сравнению с прототипом. В четвертой линзовой группе был заменен мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображений на склейку двух менисков, обращенных выпуклостью к плоскости предметов. Это изменение также приводит к улучшению характеристик объектива. Таким образом, достигнут технический результат, так как указанная совокупность признаков позволяет создать макрообъектив с фокусным расстоянием 50-220 мм, предназначенным для съемки с близкого расстояния (200-500 мм). Спектральный диапазон объектива 400-700 нм, поле зрения в пространстве изображений 8 мм, т.е. соответствует размеру матрицы . КПМ объектива на пространственной частоте 80 лин/мм составляет не менее 0.5 по оси и не менее 0.3 по полю на всех фокусных расстояниях, таким образом, имеется возможность использования для регистрации изображения матриц высокого разрешения с малым размером пиксела.

Параметры линз объектива приведены в таблице 1

Объектив содержит четыре группы линз. Первая и четвертая – неподвижные и имеют положительные оптические силы. Вторая и третья имеют соответственно отрицательную и положительную оптические силы и установлены с возможностью перемещения. Первая группа выполнена из одиночной двояковыпуклой линзы, склейки двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и одиночного отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению. Вторая группа выполнена из склейки двояковыпуклой и двояковогнутой линз и второй одиночной двояковогнутой линзы. Третья группа выполнена из одиночных двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к изображению. Четвертая группа включает передний компонент из двояковыпуклой линзы, склеенной с отрицательным мениском, обращенным выпуклой стороной к изображению, и задний компонент из мениска в виде склейки положительного и отрицательного менисков, обращенных выпуклой стороной к предмету, и одиночного положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к предмету. Технический результат – повышение качества изображения во всем диапазоне фокусных расстояний при съемке с расстояния, сравнимого с фокусным расстоянием объектива. 8 ил., 1 табл.

Макрообъектив с переменным увеличением, содержащий четыре группы линз, четвертая из которых неподвижная, а вторая и третья установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси при изменении фокусного расстояния, причем первая группа линз выполнена с положительной оптической силой из последовательно установленных по ходу луча передней одиночной двояковыпуклой линзы и склейки, содержащей двояковыпуклую и отрицательную линзы, вторая подвижная группа выполнена с отрицательной оптической силой из склейки двояковыпуклой и первой двояковогнутой линз и второй двояковогнутой линзы, третья подвижная группа выполнена с положительной оптической силой из положительной и отрицательной линз, четвертая неподвижная группа выполнена с положительной оптической силой и включает передний и задний компоненты, при этом передний выполнен из отрицательной и положительной линз, а задний выполнен из мениска и одиночной положительной линзы, отличающийся тем, что первая группа линз - неподвижная, в склейке первой расположена отрицательная линза, выполненная в виде мениска и обращенная выпуклостью к плоскости предметов, за склейкой добавлен одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, во втором компоненте вторая двояковогнутая линза выполнена одиночной, в третьем компоненте линзы одиночные, первая из которых двояковыпуклая, а отрицательная выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений, в четвертой группе линз в переднем компоненте первой расположена двояковыпуклая линза, склеенная с отрицательным мениском, обращенным выпуклой стороной к плоскости изображений, в заднем компоненте мениск выполнен в виде склейки положительного и отрицательного менисков, обращенных выпуклой стороной к плоскости предметов, одиночная положительная линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, а апертурная диафрагма объектива расположена между склейками четвертого компонента, при этом соблюдаются следующие условия:

1.8<f1/f4<2.2,

где:

f1 и f4 - фокусные расстояния первого и четвертого неподвижного компонентов соответственно;

-4.2<f11/f14<-2.2,

где:

f11 - фокусное расстояние передней одиночной двояковыпуклой линзы первого компонента;

f14 - фокусное расстояние добавленного отрицательного мениска первого компонента, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений.