ОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ ДЛЯ ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2025 года по МПК G02B9/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в качестве объектива с переменным фокусным расстоянием для видимой области спектра (в диапазоне от 0,47 мкм до 0,65 мкм) в современных цифровых приборах, предназначенных для обнаружения и опознавания объектов, например, как объектив телевизионной камеры, формирующий изображение на фоточувствительной площадке ПЗС-матрицы.

Известен телеобъектив с дискретным изменением фокусного расстояния по патенту №2037856 С1 опубликованный 19.06.1995 г. Телеобъектив предназначен для работы с телевизионными приемниками, имеет возможность изменения фокусного расстояния методом ввода-вывода компонентов из оптической схемы, т.е. имеет возможность работы в двух режимах, в режиме узкого поля зрения угловое поле составляет 2ω=2°38', в режиме широкого поля зрения угловое поле составляет 2ω=10°31'. При фокусном расстоянии ƒ'=543 мм относительное отверстие телеобъектива составляет 1:5,4, отсюда следует, что линзы объектива имеют диаметр порядка 100 мм, что говорит о большом габаритном размере объектива и он является нетехнологичным для применения в малогабаритных приборах. Недостатком этого телеобъектива также является его спектральный интервал от λ₁=650 нм до λ₂=1060 нм, кроме того объектив имеет очень большой задний фокальный отрезок S_F=166,95 мм, который необходим только в конкретных случаях, как например для излома оптической оси для размещения зеркала.

Также известен телеобъектив по патенту на полезную модель №78588 U1 опубликованный 27.11.2008 г. Телеобъектив может быть использован как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице. Телеобъектив содержит три компонента, в которые входит всего четыре линзы, рабочий спектральный диапазон 600-900 нм, фокусное расстояние 119 мм, относительное отверстие 1:4, угловое поле зрения 2ω=3°. Недостатком данного объектива является то, что телеобъектив имеет только одно поле зрения, а также спектральный диапазон от 600 до 900 нм, который не подходит для работы с матрицей в диапазоне от 0,47 мкм до 0,65 мкм.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объективу с двумя полями зрения для видимой области спектра является телеобъектив с внутренней фокусировкой по патенту №2208821 С2, дата публикации 20.01.2001. Телеобъектив для видимой области спектра состоит из установленных последовательно в направлении распространения оптического луча первого и второго оптических компонентов с положительной преломляющей способностью, состоящих из положительной и отрицательной линз. Первый компонент содержит склеенные положительную и отрицательную линзы, а второй склеен из отрицательного мениска, обращенного своей выпуклой поверхностью к пространству объектов, и положительной линзы. Фокусное расстояние телеобъектива ƒ'=-397,6 мм, относительное отверстие 1:5, угловое поле зрения 2ω=3°. Второй компонент имеет возможность перемещения вдоль оптической оси прибора для осуществляется внутренней фокусировка на объект от 2,5 метров до бесконечности. Объектив имеет высокое качество изображения, состоит из минимального количества оптических элементов, всего четыре граничащих с воздухом поверхности, что приводит к минимальным потерям света на поверхностях, простую технологическую конструкцию.

Недостатком объектива-аналога является то, что телеобъектив имеет одно поле зрения.

Поле зрения оптической системы является одной из важных ее характеристик. Для повышения функциональности работы оптических приборов оптические системы, как правило, имеют два поля зрения. Опознавание объекта на максимальной дальности осуществляется в режиме узкого поля зрения, а поиск и обнаружение объекта обеспечивается в режиме широкого поля зрения. Оптическая система в режиме широкого поля зрения позволяет обеспечить больший обзор контролируемого пространства, а значит, увеличивается количество обнаруженных целей.

Технической задачей изобретения является создание объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра, формирующего изображение на фоточувствительной площадке ПЗС-матрицы с двумя полями зрения с сохранением высокого качества изображения в видимом спектральном диапазоне от 0,47 мкм до 0,65 мкм.

Технический результат достигается тем, что объектив с двумя полями зрения для видимой области спектра состоит из установленных по ходу луча первого и второго компонентов с положительной преломляющей способностью, при этом первый компонент содержит склеенную линзу, второй компонент также содержит склеенную линзу, состоящую из мениска и линзы. В отличие от аналога склеенная линза первого компонента состоит из отрицательной выпукло-вогнутой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов и положительной плоско-выпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов, в первый компонент дополнительно введена одиночная плоско-выпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью к пространству предметов, в склеенной линзе второго компонента мениск положительный, обращенный выпуклой поверхностью к пространству изображений, а линза выполнена отрицательной выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к пространству изображений. От аналога заявляемый объектив с двумя полями зрения для видимой области спектра отличается тем, что во второй компонент дополнительно введены вторая склеенная линза, первая одиночная двояко-выпуклая линза, вторая одиночная плоско-выпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью к пространству предметов, при этом вторая склеенная линза второго компонента выполнена с отрицательной преломляющей способностью, обращенная вогнутой поверхностью к пространству предметов, и состоящая из двояко-вогнутой и двояко-выпуклой линз, причем дополнительные элементы второго компонента выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси для изменения фокусного расстояния объектива, что позволяет изменять поле зрения, т.е. обеспечивать работу прибора в двух режимах, как в режиме узкого поля зрения, так и в режиме широкого поля зрения.

При этом выполняются следующие соотношения:

где: - фокусное расстояние первого компонента;

- фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;

- воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - оптическая схема объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра (широкое поле зрения);

Фиг. 2 - оптическая схема объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра (узкое поле зрения);

Фиг. 3 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра в широком поле зрения;

Фиг. 4 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра в узком поле зрения;

Фиг.5 - диаграмма пятна рассеяния объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра в широком поле зрения;

Фиг. 6 - диаграмма пятна рассеяния объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра в узком поле зрения;

Фиг. 7 - кривизна поля и дисторсия объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра в широком поле зрения;

Фиг. 8 - кривизна поля и дисторсия объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра в узком поле зрения;

Фиг. 9 - относительная освещенность в плоскости изображения объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;

Фиг. 10 - относительная освещенность в плоскости изображения объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения.

Объектив с двумя полями зрения для видимой области спектра (фиг.1 и фиг.2) состоит из установленных по ходу луча двух оптических компонентов с положительной преломляющей способностью. Первый компонент I содержит склеенную линзу поз.2-3 и одиночную плосковыпуклую линзу поз.4, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов. Склеенная линза поз.2-3 первого компонента состоит из отрицательной выпукло-вогнутой линзы поз.2, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов и положительной плоско-выпуклой линзы поз.3, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент II содержит первую склеенную положительную линзу поз.5-6, вторую склеенную отрицательную линзу поз.7-8, первую одиночную двояковыпуклую линзу поз.9, вторую одиночную плоско-выпуклую линзу поз.10, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов. Первая склеенная линза второго компонента поз.5-6 состоит из положительного поз.5 и отрицательного менисков поз.6, обращенных выпуклыми поверхностями к пространству изображений. Вторая склеенная линза второго компонента поз.7-8, обращенная вогнутой поверхностью к пространству предметов, состоит из двояковогнутой линзы поз.7 и двояковыпуклой линзы поз.8. При этом выполняются следующие соотношения:

где: - фокусное расстояние первого компонента;

- фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;

- воздушный промежуток между первым и вторым компонентами.

На чертежах фиг.1 и фиг.2 показаны расстояния d10 - между первой склеенной положительной линзой поз.5-6 компонента II и второй склеенной отрицательной линзой поз.7-8 компонента II, d15 - между первой одиночной двояковыпуклой линзой поз.9 компонента II и второй одиночной плоско-выпуклой линзой поз.10 компонента II, d17 - между второй одиночной плоско-выпуклой линзой поз.10 компонента II и плоскостью изображения (чувствительной площадкой матричного приемника).

Смена полей зрения (фокусного расстояния) объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра, с широкого поля зрения на узкое поле зрения, осуществляется перемещением линз компонента II поз.7-9 и линзы поз.10 в направлении линз поз.5-6 компонента П. Величина перемещения составляет для линз поз.7-9ΔД=95,1-19,19=75,82 мм, а для линзы поз.10 величина перемещения составляет Δ=62,2-41,28=20,92 мм.

Фокусное расстояние объектива при этом изменяется от ƒ'=-47,96 мм (минимальное) до ƒ'=-143,74 мм (максимальное). Кратность М изменения фокусного расстояния составляет:

При смене поля зрения с узкого на широкое поле зрения угловое поле телеобъектива также увеличивается в три раза.

При смене угловых полей зрения в объективе сохраняется высокое качество изображения и обеспечивается постоянство относительного отверстия, которое составляет 1:4.

Объектив с двумя полями зрения для видимой области спектра работает с матричный приемник поз.11, в котором имеется входное окно поз.12.

В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая схема объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра, технические характеристики которой приведены в таблице 1.

Конструктивные параметры, предложенной оптической схемы объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра приведены в таблице 2.

В таблице 3 приведены значения переменных воздушных промежутков для двух полей зрения объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра.

Оптическая схема объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра работает следующим образом: излучение, исходящее из бесконечно удаленных точек предмета, попадает на светофильтр поз.1, выделяющий спектральный диапазон от λ=440 нм до λ=650 нм и блокирующий длину волны λ=1060 нм, проходит линзы поз.2-4 первого компонента I, формирует действительное изображение в плоскости промежуточного изображения, и затем через линзы поз.5-10 второго компонента II, через входное окно поз.12 фотоприемного устройства поз.11 фокусируется в плоскости изображений объектива, обеспечивая для каждой точки предмета фокусировку в пятно малого размера, которое по величине сопоставимо с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Плоскость чувствительных элементов фотоприемного устройства совмещается с плоскостью изображений телеобъектива.

Качество изображения оптической системы объектива оценивается с помощью параметров кружка рассеяния и модуляционной передаточной функции.

На фиг.3 и фиг.4 приведены графики модуляционной передаточной функции оптической системы объектива для широкого и узкого полей соответственно. По оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 50 мм^-1, при этом верхняя кривая соответствует дифракционной ЧКХ, следующая кривая - для точки на оси, остальные кривые - для точек изображения с координатами для поля ω=4,35° и ω=6,15°.

В таблице 4 показаны результаты расчета коэффициента передачи контраста для пространственных частот 25 мм^-1 50 мм^-1 (т- меридиональное сечение, s-сагиттальное сечение) в сравнении с дифракционно-ограниченной системой для широкого поля зрения и в таблице 5 для узкого поля зрения.

На фиг.5 и фиг.6 приведены диаграммы пятна рассеяния. Геометрический радиус кружка рассеяния точки не превышает 8,5 мкм в центре поля зрения и 28,9 мкм на краю поля зрения для широкого поля зрения и 26,7 мкм в центре поля зрения и 98,9 мкм на краю поля зрения для узкого поля зрения.

Из представленных на фиг.7 и фиг.8 графиков дисторсия составляет 0,3% для широкого поля зрения и 0,23% для узкого поля зрения.

Заявленная оптическая система не имеет виньетирования, поэтому падение относительной освещенности в плоскости изображения (на плоскости чувствительных элементов матрицы фотоприемного устройства) от центра к краю составляет от 1 до 0,98 для широкого и от 1 до 0,99 для узкого полей зрения, что подтверждается графиками фиг.9 и фиг.10.

Из приведенных графиков и сравнений видно, что объектив обеспечивает хорошее качество изображения для цифровых наблюдательных приборов с формированием изображения на ПЗС-матрице спектрального диапазона 0,47 мкм до 0,65 мкм. Объектив выполнен с двумя полями зрения, т.е. является функциональным как для опознавания объекта на максимальной дальности в режиме узкого поля зрения, так и для поиска и обнаружения объекта в режиме широкого поля зрения, что позволяет обеспечить больший обзор контролируемого пространства, а значит, увеличивается количество обнаруженных целей.

Изобретение относится к объективам и может использовано в видеокамерах с формированием изображения на ПЗС-матрице. Объектив с двумя полями зрения для видимой области спектра состоит из установленных по ходу луча первого и второго оптических компонентов с положительной преломляющей способностью. Первый компонент содержит склеенную линзу и одиночную плоско-выпуклую линзу, обращенную выпуклой поверхностью к пространству предметов. Склеенная линза первого компонента состоит из отрицательной выпукло-вогнутой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной плоско-выпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент содержит первую склеенную положительную линзу, вторую склеенную отрицательную линзу, первую одиночную двояковыпуклую линзу, вторую одиночную плоско-выпуклую линзу, обращенную выпуклой поверхностью к пространству предметов. Первая склеенная линза второго компонента состоит из положительного и отрицательного менисков, обращенных выпуклыми поверхностями к пространству изображений. Вторая склеенная линза второго компонента, обращенная вогнутой поверхностью к пространству предметов, состоит из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Изменение углового поля зрения осуществляется перемещением второй склеенной линзы второго компонента и двух одиночных линз второго компонента. Объектив обеспечивает два поля зрения для видимой области спектра с сохранением высокого качества изображения в видимом спектральном диапазоне от 0,47 мкм до 0,65 мкм. 10 ил., 5 табл.

Объектив с двумя полями зрения для видимой области спектра, состоящий из установленных по ходу луча первого и второго компонентов с положительной преломляющей способностью, при этом первый компонент содержит склеенную линзу, второй компонент также содержит склеенную линзу, состоящую из мениска и линзы, отличающийся тем, что склеенная линза первого компонента состоит из отрицательной выпукло-вогнутой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительной плоско-выпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к пространству предметов, в первый компонент дополнительно введена одиночная плоско-выпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью к пространству предметов, в склеенной линзе второго компонента мениск положительный, обращенный выпуклой поверхностью к пространству изображений, а линза выполнена отрицательной выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к пространству изображений, кроме того, во второй компонент дополнительно введены вторая склеенная линза, первая одиночная двояковыпуклая линза, вторая одиночная плоско-выпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью к пространству предметов, при этом вторая склеенная линза второго компонента выполнена с отрицательной преломляющей способностью, обращена вогнутой поверхностью к пространству предметов и состоит из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, причем дополнительные элементы второго компонента выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси для изменения углового поля зрения объектива, при этом выполняются следующие соотношения:

где - фокусное расстояние первого компонента объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра;

- фокусное расстояние объектива с двумя полями зрения для видимой области спектра в режиме работы узкого поля зрения;

- воздушный промежуток между первым и вторым компонентами.