Панкратический объектив Российский патент 2024 года по МПК G02B15/14 G02B15/167 G02B15/20 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, 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 фокусных 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 №005966246 А, от 18.08.1997, опубл. 12.10.1999 [1], в котором описана конструкция десятикратного широкоугольного объектива с переменным фокусным расстоянием. Объектив имеет следующие основные характеристики:

- перепад фокусных расстояний: 10х

- фокусное расстояние: 48,8/4,88 мм

- угловое поле: 101,2/12,6 град

- подвижные компоненты: 2 и 3

- число линз: 27

Недостатком такой конструкции является наличие значительного числа линз, из которых некоторые имеют асферические поверхности, что усложняет производство таких объективов: большая длина, большое количество линз и невозможность работы в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5×10⁶ Р/ч.

В качестве наиболее близкого технического решения к заявляемому изобретению можно сослаться на решение, описанное в патенте США №008223224 В2, от 16.08.2010, опубл. 17.08.2012 [2]. В этом документе предложен объектив с переменным фокусным расстоянием, составленный из четырех групп линз (компонентов). Основные характеристики технического решения [2] несколько отличаются от решения [1], а именно:

- перепад фокусных расстояний: 10х

- фокусное расстояние: 63/4,5 мм

- угловое поле: 101,4/8,98 град

- подвижные компоненты: 2 и 4

- число линз: 28

- полная длина: 312,26 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, имеющего меньшие размеры, возможность работы с датчиками изображения 2/3", а также в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5х10⁶Р/ч.

Технический результат заключается в уменьшении размеров объектива и возможности работы объектива в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5×10⁶ Р/ч.

Это достигается тем, что панкратический объектив, включающий в себя расположенные по ходу распространения излучения вдоль одной оптической оси объектива первую группу оптических элементов, вторую группу оптических элементов, третью группу оптических элементов, апертурную диафрагму, четвертую группу оптических элементов, пятую группу оптических элементов и датчик изображения, отличается тем, что

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

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

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

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

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

между третьей и четвертой группой оптических элементов находится апертурная диафрагма;

при изменении фокусного расстояния объектива положение датчика изображения фиксировано;

при изменении фокусного расстояния объектива вторая и третья группа оптических элементов выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива;

при изменении фокусного расстояния объектива расстояние между апертурной диафрагмой и четвертой группой не фиксировано;

при изменении фокусного расстояния объектива четвертая группа оптических элементов выполнены с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению от датчика изображения с целью фокусировки объектива на предмет, находящийся на конечном расстоянии.

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 удовлетворяли соотношениям:

Также для функционирования объектива существенно, чтобы датчиком изображения являлся видикон.

Основные характеристики изобретения:

- перепад фокусных расстояний: 10х

- фокусное расстояние: 6,1/60,1 мм

- угловое поле: 88,15/10,27 град

- подвижные компоненты: 2, 3 и 4

- число линз: 23

- длина: 199,2 мм.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами, где:

Фиг. 1 - оптическая схема объектива в широкоугольном положении;

Фиг. 2 - оптическая схема объектива в длиннофокусном положении;

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

Фиг.4 - графики оптической передаточной функции объектива в длиннофокусном положении;

Фиг. 5 - основные оптические характеристики объектива.

Заявленный объектив состоит из пяти последовательно расположенных компонентов: первого - положительного, второго - отрицательного, третьего - отрицательного, четвертого - положительного и пятого - положительного. Первый компонент 1 неподвижен и представляет собой систему из двух склеек и четырех линз. Второй компонент 2 подвижный и содержит две линзы и склейку. Третий компонент 3 подвижен и состоит из склейки. Четвертый компонент 4 подвижный и содержит склейку и линзу. Апертурная диафрагма 21 расположена между третьим и четвертым компонентами. Пятый компонент 5 содержит две склейки и две линзы.

Основной функцией объектива является передача светового пучка на поверхность датчика 6 изображения. Объектив имеет возможность изменять фокусное расстояние. Для изменения фокусного расстояния необходимо перемещать, по меньшей мере, две группы оптических элементов. В заявленном объективе такими перемещаемыми группами являются вторая группа 2 оптических элементов и третья группа 3 оптических элементов. Четвертая группа 4 оптических элементов является фокусирующей и, двигаясь по направлению от датчика изображения, позволяет сфокусироваться на предмет, находящийся на конечном расстоянии.

Апертурная диафрагма 21 представляет собой диафрагму ирисового типа, поэтому она имеет возможность менять величину диаметра. Апертурная диафрагма 21 регулирует количество света, проходящего через объектив и падающего на датчик 6 изображения.

Датчик изображения 6 (например, видикон) используют для преобразования изображения объекта, сформированного объективом в плоскости изображения, в электрический аналоговой сигнал.

Важно заметить, что траектория движения второй группы 2 и третьей группы 3 оптических элементов нелинейна, а траектория четвертой группы 4 линейна, благодаря чему появляется возможность осуществления фокусировки на конечную дистанцию.

Фокусные расстояния групп оптических элементов могут иметь следующие значения: f₁=32,10 мм, f₂=-17,30 мм, f₃=-49,70 мм, f₄=24,50 мм, f₅=39,50.

Использование пяти групп оптических элементов вместо четырех позволяет не использовать асферические поверхности в оптической системе, упрощает производство таких объективов. Кроме того, объектив указанной конструкции позволяет существенно увеличить поле зрения объектива. Таким образом, суть настоящего изобретения заключается в оптической схеме объектив (фиг. 1), основанной на законах перемещения второй 2, третьей 3 и четвертой 4 групп оптических элементов вдоль оптической оси объектива, расположении 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 5×10⁶ Р/ч.

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

Первая группа 1 оптических элементов содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 7, отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу 8 и вогнуто-выпуклую положительную менисковую линзу 9, соединенные между собой в данной последовательности, вогнуто-выпуклую положительную менисковую линзу 10, вогнуто-выпуклую положительную менисковую линзу 11, положительную двулинзовую композицию, которая содержит двояковыпуклую положительную линзу 12 и вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу 13, соединенные между собой в данной последовательности, а также выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 14.

Вторая группа оптических элементов содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 15, отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит двояковогнутую отрицательную линзу 16 и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 17, соединенные между собой в данной последовательности, а также выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 18.

Третья группа оптических элементов содержит отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит двояковогнутую отрицательную линзу 19 и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 20, соединенные между собой в данной последовательности.

Четвертая группа оптических элементов содержит апертурную диафрагму 21, двояковыпуклую положительную линзу 22, а также положительную двулинзовую композицию, которая содержит двояковыпуклую положительную линзу 23 и вогнуто-выпуклая отрицательную менисковую линзу 24, соединенные между собой в данной последовательности.

Пятая группа оптических элементов имеет отрицательную двулинзовую композицию, которая содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 25 и выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу 26, соединенные между собой в данной последовательности, двояковыпуклую положительную линзу 27, вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу 28, а также положительную двулинзовую композицию, которая содержит выпукло-вогнутую отрицательную менисковую линзу 29 и двояковыпуклую положительную линзу, соединенные между собой в данной последовательности 30.

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

Заявленный объектив является широкоугольным с 10-кратным перепадом фокусных расстояний и углом зрения 88 градусов в спектральном диапазоне 0,48-0,70 мкм, кроме того, состоящим из радиационно-стойкого стекла. Данные параметры (фиг. 5) позволяют использовать объектив, прежде всего, как основной объектив наблюдательных ТВЧ видеокамер для атомной промышленности.

Указанный выше вариант выполнения заявленного 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.

Панкратический объектив включает пять групп оптических элементов, апертурную диафрагму и датчик изображения. Первая группа имеет положительную оптическую силу, вторая и третья - отрицательную оптическую силу, четвертая и пятая - положительную оптическую силу. Все оптические элементы изготовлены из оптического радиационно-стойкого стекла серии 200. Между третьей и четвертой группой находится апертурная диафрагма. При изменении фокусного расстояния объектива положение датчика изображения фиксировано, вторая и третья группа оптических элементов выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива, а расстояние между апертурной диафрагмой и четвертой группой не фиксировано. Четвертая группа выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси от датчика изображения для фокусировки на конечное расстояние. Технический результат - уменьшение размеров объектива и возможность работы объектива в условиях воздействия гамма-излучения с мощностью до 5×10⁶ Р/ч. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Панкратический объектив, включающий в себя расположенные по ходу распространения излучения вдоль одной оптической оси объектива первую группу оптических элементов, вторую группу оптических элементов, третью группу оптических элементов, апертурную диафрагму, четвертую группу оптических элементов, пятую группу оптических элементов и датчик изображения, отличающийся тем, что

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

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

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

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

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

между третьей и четвертой группой оптических элементов находится апертурная диафрагма;

при изменении фокусного расстояния объектива положение датчика изображения фиксировано;

при изменении фокусного расстояния объектива вторая и третья группа оптических элементов выполнены с возможностью нелинейного перемещения вдоль оптической оси объектива;

при изменении фокусного расстояния объектива расстояние между апертурной диафрагмой и четвертой группой не фиксировано;

при изменении фокусного расстояния объектива четвертая группа оптических элементов выполнены с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси объектива по направлению от датчика изображения с целью фокусировки объектива на предмет, находящийся на конечном расстоянии.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перепад фокусных расстояний М, фокусные расстояния f₁, f₂, f₃, f₄, f₅ первой, второй, третьей, четвертой и пятой групп оптических элементов соответственно должны удовлетворять соотношениям:

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик изображения выполнен в виде видикона.