Объектив с переменным фокусным расстоянием Российский патент 2022 года по МПК G02B15/14 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к объективам с переменным фокусным расстоянием, используемым в различных оптических приборах и компонентах, которые требуют изменения видимого увеличения, высокого качества изображения в широком спектральном диапазоне, возможности фокусировки на малые расстояния и наличия изменяемой апертурной диафрагмы, в том числе в комплексах, работающих в условиях повышенного радиационного фона.

Известен объектив с переменным фокусным расстоянием (патент РФ №2328761, от 20.07.2007, опубл. 10.07.2008), состоящий из расположенных последовательно вдоль оптической оси четырех групп оптических элементов, апертурной диафрагмы, оптического фильтра низких частот и датчика 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.

Недостатком известного объектива является невозможность работы в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5х10⁶ Р/ч.

Наиболее близким по технической сущности является объектив с переменным фокусным расстоянием (патент РФ №2330315, от 22.12.2005, опубл. 27.07.2008), который принят авторами за прототип.

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.

Недостатком известного объектива-прототипа является маленькое поле зрения, большая длина объектива, меньший размер датчика изображения и невозможность работы в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5х10⁶ Р/ч.

Задачей заявленного изобретения является создание объектива с переменным фокусным расстоянием, имеющего меньшие размеры, большее поле зрения, возможность работы с датчиками изображения 2/3'', а также в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5х10⁶ Р/ч.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение размеров, увеличение угла поля зрения, а также возможность работы объектива в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5х10⁶ Р/ч.

Это достигается тем, что объектив с переменным фокусным расстоянием(далее ОПФР), 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 и датчик изображения, отличается тем, что

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

- вторая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и включает в себя выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу, двояковыпуклую положительную линзу и двояковыпуклую положительную линзу;

- третья группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и включает в себя апертурную диафрагму и положительную двулинзовую композицию, которая включает в себя двояковогнутую отрицательную линзу и выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу, соединенные между собой в данной последовательности;

- четвертая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и включает в себя положительную двулинзовую композицию, которая содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и двояковыпуклую положительную линзу, соединенные между собой в данной последовательности, а также выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и выпукло-плоскую положительную линзу, при этом

- все оптические элементы изготовлены из оптического радиационно-стойкого стекла серии 200, причем

- при изменении фокусного расстояния объектива положение датчика изображения фиксировано;

- при изменении фокусного расстояния объектива первая группа оптических элементов выполнена с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению от апертурной диафрагмы, причем при изменении фокусного расстояния от широкоугольного положения к длиннофокусному положению расстояние между первой и второй группами оптических элементов уменьшается;

- при изменении фокусного расстояния объектива расстояние между апертурной диафрагмой и третьей группой фиксировано;

при изменении фокусного расстояния объектива третья и четвертая группы оптических элементов выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению от датчика изображения, причемрасстояние между третьей и четвертой группами увеличивается;

- при изменении фокусного расстояния объектива четвертая группа оптических элементов выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению от датчика изображения с целью механической компенсации сдвига плоскости изображения.

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

Для функционирования объектива существенно, чтобы датчиком изображения являлся видикон.

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

Фиг. 1 - оптическая схема объектива с переменным фокусным расстоянием в широкоугольном положении.

Фиг. 2 - оптическая схема объектива с переменным фокусным расстоянием в длиннофокусном положении.

Фиг. 3 - графики оптической передаточной функции объектива в широкоугольном положении.

Фиг. 4 - графики оптической передаточной функции объектива вдлиннофокусном положении.

Фиг. 5 - основные оптические характеристики объектива с переменным фокусным расстоянием.

Заявленный ОПФР состоит из следующих частей (фиг.1): первой группы 1 оптических элементов, имеющей положительную оптическую силу, второй группы 2 оптических элементов, имеющей отрицательную оптическую силу, апертурной диафрагмы 13, третьей группы 3 оптических элементов, имеющей положительную оптическую силу, четвертой группы 4 оптических элементов, имеющей отрицательную оптическую силу и датчика 5 изображения, предпочтительно выполненного в виде видикона.

Основной функцией ОПФР является передача светового пучка на поверхность датчика 5 изображения. ОПФР имеет возможность изменять фокусное расстояние. Для изменения фокусного расстояния необходимо перемещать, по меньшей мере, три группы оптических элементов. В заявленном ОПФР такими перемещаемыми группами являются первая группа 1 оптических элементов, вторая группа 2 оптических элементов и третья группа 3 оптических элементов. Четвертая группа 4 оптических элементов является компенсатором и, двигаясь по направлению от датчика изображения, позволяет компенсировать сдвиг плоскости изображения, вызванного перемещением первой, второй и третьей групп оптических элементов.

Апертурная диафрагма 13 представляет собой диафрагму ирисового типа, поэтому она имеет возможность менять величину диаметра. Апертурная диафрагма 13 регулирует количество света, проходящего через ОПФР и падающего на датчик 5 изображения.

Датчик 5 изображения (например, видикон) используют для преобразования изображения объекта, сформированного ОПФР в плоскости изображения, в электрический аналоговой сигнал.

Важно заметить, что траектория движения первой группы 1, второй группы 2 и третьей группы 3 оптических элементов нелинейна, а траектория четвертой группы 4 линейна, благодаря чему появляется возможность компенсации сдвига плоскости изображения.

Фокальные расстояния групп оптических элементов могут иметь следующие значения: f₁ = 8.3 мм, f₂ = -7,5 мм, f₃ = 6,2 мм, f₄ = -10,5 мм.

Использование четырех групп оптических элементов вместо пяти позволяет увеличить оптическую силу каждого оптического элемента и, в то же время, уменьшить общий размер системы. Кроме того, ОПФР указанной конструкции позволяет существенно увеличить поле зрения объектива. Таким образом, суть настоящего изобретения заключается в оптической схеме ОПФР (фиг. 1), основанной на законах перемещения первой 1, второй 2, третьей 3 и четвертой 4 групп оптических элементов вдоль оптической оси объектива, расположение и форме оптических элементов внутри групп и материале оптических элементов. Кроме того, использование радиационно-стойких стекол серии 200, позволяют объективу функционировать в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5х10⁶ Р/ч.

Рассмотрим расположение оптических элементов внутри групп при широкоугольном положении (фиг.1).

Первая группа 1 оптических элементов содержит выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 6, выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 7, а также положительную двулинзовую композицию, которая содержит двояковогнутую отрицательную линзу 8 и выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 9, соединенные между собой в данной последовательности

Вторая группа 2 оптических элементов содержит выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 10, двояковыпуклую положительную линзу Пи двояковыпуклую положительную линзу 12.

Третья группа 3 оптических элементов содержит апертурную диафрагму 13 и положительную двулинзовую композицию, которая включает в себя двояковогнутую отрицательную линзу 14 и выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 15, соединенные между собой в данной последовательности.

Четвертая группа 4 оптических элементов содержит положительную двулинзовую композицию, которая содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 16 и двояковыпуклую положительную линзу 17, соединенные между собой в данной последовательности, а также выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 18 и выпукло-плоскую положительную линзу 19.

В длиннофокусном положении, аналогично можно рассмотреть (фиг. 2), в которой видно расположение групп линз в данном фокальном положении.

Также на (фиг. 3, 4) можно рассмотреть оптические передаточные функции при широкоугольном и длиннофокусном положениях соответственно.

Заявленный ОПФР можно эффективно использовать с датчиком изображения из видикона с эффективной диагональю 11 мм.

Заявленный ОПФР является компактным, широкоугольным, с 3-кратным перепадом фокусных расстояний и углом зрения 95 градусов, кроме того, состоящим из радиационно-стойкого стекла. Данные параметры (фиг.5) позволяют использовать объектив, прежде всего, как основной объектив компактных ТВЧ видеокамер для атомной промышленности.

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 четыре группы оптических элементов, апертурную диафрагму и датчик изображения. Все оптические элементы состоят из радиационно-стойкого стекла серии 200. При изменении фокусного расстояния объектива положение оптического датчика фиксировано, а первая, третья и четвертая группы оптических элементов выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси. При изменении фокусного расстояния расстояние между апертурной диафрагмой и третьей группой фиксировано. Четвертая группа выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению от датчика изображения для механической компенсации сдвига плоскости изображения. Технический результат - уменьшение размеров, увеличение угла поля зрения, а также возможность работы в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5х10⁶ Р/ч. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Объектив с переменным фокусным расстоянием, включающий 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 и датчик изображения, отличающийся тем, что

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

вторая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и включает в себя выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу, двояковыпуклую положительную линзу и двояковыпуклую положительную линзу,

третья группа оптических элементов имеет положительную оптическую силу и включает в себя апертурную диафрагму и положительную двулинзовую композицию, которая включает в себя двояковогнутую отрицательную линзу и выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу, соединенные между собой в данной последовательности,

четвертая группа оптических элементов имеет отрицательную оптическую силу и включает в себя положительную двулинзовую композицию, которая содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и двояковыпуклую положительную линзу, соединенные между собой в данной последовательности, а также выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу и выпукло-плоскую положительную линзу, при этом все оптические элементы состоят из радиационно-стойкого стекла серии 200, причем

при изменении фокусного расстояния объектива положение оптического датчика фиксировано,

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

при изменении фокусного расстояния объектива расстояние между апертурной диафрагмой и третьей группой фиксировано,

при изменении фокусного расстояния объектива третья и четвертая группы оптических элементов выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению от датчика изображения, причем расстояние между третьей и четвертой группами увеличивается,

при изменении фокусного расстояния объектива четвертая группа оптических элементов выполнена с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению от датчика изображения с целью механической компенсации сдвига плоскости изображения.

2. Объектив с переменным фокусным расстоянием по п. 1, отличающийся тем, что перепад фокусных расстояний М, фокусные расстояния f₁, f₂, f₃, f₄, первой, второй, третьей и четвертой групп оптических элементов соответственно удовлетворяют соотношениям:

3. Объектив с переменным фокусным расстоянием по п. 1, отличающийся тем, что датчик изображения выполнен в виде видикона.