ПАНКРАТИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ
PANCRATIC LENS

Изобретение относится к области конструирования оптических систем, а именно к панкратическим объективам, и может быть использовано в цифровых фотокамерах класса «ультразум», а также в любых фото- и видеосистемах, где требуется большой диапазон фокусных расстояний.
Требования к современным цифровым съемочным камерам постоянно повышаются. При этом, хотя разрешение сенсоров постоянно увеличивается, но и размеры сенсоров также возрастают. Одновременно предъявляются более высокие требования к другим характеристикам, таким, например, как диапазон возможных фокусных расстояний. Это приводит к усложнению и увеличению размеров оптических систем для съемочных камер. С другой стороны, на мировом рынке явно выражена тенденция к уменьшению размеров любительских камер. В конечном итоге, возникает потребность в компактных панкратических системах с большим диапазоном фокусных расстояний, которые способны обеспечивать высокое качество изображения, соответствующее возможностям современных сенсоров с высоким разрешением (т.е. с большим количеством пикселей).
Среди подобных систем наибольшее распространение получили четырехкомпонентные панкратические объективы, построенные по схемам, описанным, например, в патентах США №6226130 [1], 6751028 [2], 7471460 [3] и 7206137 [4].
Панкратические объективы, описанные в [1] и [2], состоят из следующих компонентов, расположенных последовательно от снимаемого объекта к фиксируемому изображению: первая группа линз, обладающая положительной оптической силой, вторая группа линз, обладающая отрицательной оптической силой, третья группа линз, обладающая положительной оптической силой, и четвертая группа линз, обладающая положительной оптической силой, В таких панкратических объективах в процессе изменения фокусного расстояния (трансфокации) за счет перемещения второй группы обеспечивается диапазон масштабирования, перемещение четвертой группы также вносит свой вклад в масштабирование за счет того, что компенсируется смещение плоскости изображения и обеспечивается фокусировка на конечное расстояние. Для данного класса оптических систем, такие объективы обладают большой апертурой (значения диафрагмы от 1,85 до 3,6), средней широтой обзора 57°-3,3° и большим диапазоном трансфокации - около 20 крат.
Преимущество схемы с двумя подвижными компонентами заключается в относительной простоте оправы. Однако вследствие того, что диапазон фокусных расстояний определяется перемещением только двух групп, эти перемещения должны обеспечивать большие диапазоны увеличений, поэтому указанные группы приходится перемещать на значительные расстояния, что приводит к довольно большим линейным размерам системы. В то же время, в подобных системах с двумя подвижными компонентами вторая группа обычно обеспечивает значительную часть диапазона, что делает ее чувствительной к децентровке, из-за чего усложняется конструкция механизма складывания оптической системы при переводе камеры в транспортировочное состояние.
Для устранения указанных недостатков применяют панкратические объективы с большим количеством подвижных групп. Такой объектив, имеющий наиболее близкие характеристики с заявленным изобретением, представлен в [4]. Данный объектив включает в себя, считая от снимаемого объекта к получаемому изображению, первую группу линз, обладающую положительной оптической силой, вторую группу линз, обладающую отрицательной оптической силой, третью группу линз, обладающую положительной оптической силой, и четвертую группу линз, обладающую положительной оптической силой. В процессе изменения фокусного расстояния все группы перемещаются. В результате, диапазон увеличений распределяется между группами более рационально, по сравнению с патентами, приведенными выше, каждая группа линз обеспечивает покрытие небольшой части диапазона и поэтому должна перемещаться на меньшее расстояние, а следовательно, является менее чувствительной к децентровке. Таким образом, панкратический объектив [4] компактен, обладает лучшей аберрационной коррекцией и допусками (более оптимален в случае складывания системы при транспортировке), по сравнению с панкратическими объективами с двумя подвижными компонентами, и имеет диапазон фокусных расстояний 18-20 крат. Данный панкратический объектив выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Однако в случае, когда требуется компактный панкратический объектив с большим диапазоном фокусных расстояний, распределение диапазона, представленное в прототипе, является не самым оптимальным. В случае большего диапазона фокусных расстояний, когда величина максимального фокусного расстояния объектива возрастает, а размеры должны оставаться малыми, имеет смысл использовать другое распределение увеличений и диапазонов увеличений между группами. Помимо этого, в случае большего диапазона фокусных расстояний, в процессе фокусировки с бесконечного удаленного предмета на конечное расстояние, а также на расстояние, необходимое для макросъемки, в длиннофокусном положении перемещение фокусировочного компонента становится большим, и обеспечение аберрационной коррекции для различных расстояний до предмета становится проблематичным. Это следует принимать во внимание при распределении диапазона увеличений между группами линз.
Задачей, которую призвано решить заявляемое изобретение, является создание панкратического объектива, наиболее пригодного для панкратических систем с большим диапазоном фокусных расстояний и позволяющего достичь лучшей аберрационной коррекции при большем диапазоне фокусных расстояний, например, за счет более рационального распределения увеличений и диапазона увеличений между группами линз.
Технический результат достигается за счет разработки конструкции панкратического объектива, содержащего, по меньшей мере, четыре группы линз, считая от предметной плоскости, т.е. снимаемого объекта, к плоскости изображения, первую группу линз, обладающую положительной оптической силой, вторую группу линз, обладающую отрицательной оптической силой, третью группу линз, обладающую положительной оптической силой, и четвертую группу линз, обладающую положительной оптической силой. В процессе изменения фокусного расстояния, по меньшей мере, четыре группы выполнены с возможностью перемещения. В частности, первая группа линз перемещается таким образом, что в длиннофокусном положении она находится ближе к объекту съемки, чем в широкоугольном положении, четвертая группа линз перемещается по траектории, выпуклая часть, которой обращена в сторону, т.е. к предметной плоскости.
Диапазон увеличений (масштабирования) между группами линз распределяется в соответствии со следующими условиями:
2w
где β - поперечное увеличение второй группы в широкоугольном положении;
2t
β - поперечное увеличение второй группы в длиннофокусном положении;
3w
β - поперечное увеличение третьей группы в широкоугольном положении;
3t
β - поперечное увеличение третьей группы в длиннофокусном положении.
Приведенные выше условия определяют оптимальные распределения увеличения (масштабирования) и позволяют достичь лучшей аберрационной коррекции для компактных панкратических систем с большим диапазоном фокусных расстояний.
3t
3w
В случае, когда β/β превышает установленный верхний порог, вклад, который вносит третья группа в общий диапазон масштабирования системы, является слишком большим, что приводит либо к существенному ее перемещению, что затрудняет получение компактной системы, либо к повышенной оптической мощности группы, что весьма затрудняет аберрационную коррекцию системы.
3t
3w
В случае, когда значение β/β меньше установленного нижнего порога, вклад, который вносит третья группа в общий диапазон масштабирования системы, слишком мал, а значит другие группы должны обеспечивать слишком большой диапазон увеличений. Это либо приводит к большому диапазону перемещений других групп в процессе изменения фокусного расстояния, что затрудняет получение компактной системы, либо, в случае повышения оптической мощности групп для уменьшения этих перемещений, затрудняет аберрационную коррекцию системы.
2t
3w
2w
3t
Если величина (β·β)/(β·β) превышает установленный верхний порог, вклад, вносимый второй группой в общий диапазон масштабирования системы, слишком велик, что приводит либо к большему ее перемещению, а значит к затруднению получения компактной системы, либо к увеличению оптической мощности группы, что весьма усложняет аберрационную коррекцию системы и может привести к усложнению структуры второй группы (увеличению количества линз).
2t
3w
2w
3t
Если величина (β·β)/(β·β) ниже установленного нижнего порога, то вклад, который вносит вторая группа в общий диапазон масштабирования системы, слишком мал, тогда вклад в общий диапазон масштабирования, вносимый посредством перемещения первой и четвертой групп, слишком велик. Это приводит к большему перемещению первой группы и делает систему менее компактной в транспортировочном положении. А также затрудняет аберрационную коррекцию системы, особенно для различных расстояний до объекта съемки.
Для функционирования панкратического объектива важно, чтобы первая группа линз включала, в себя, считая от объекта съемки (т.е. предметной плоскости) к плоскости изображения, склеенный дублет, состоящий из отрицательного мениска, выпуклого в сторону объекта, и положительной линзы, а также одиночной положительной линзы.
Для функционирования панкратического объектива важно, чтобы вторая группа линз включала в себя, считая от объекта съемки (т.е. предметной плоскости) к плоскости изображения, отрицательный мениск, выпуклый в сторону объекта съемки, отрицательную одиночную линзу, еще одну отрицательную одиночную линзу, положительную двояковыпуклую линзу и отрицательный мениск, выпуклый в сторону плоскости изображения.
Для функционирования панкратического объектива важно, чтобы вторая группа линз включала в себя линзу с асферической поверхностью.
Для функционирования панкратического объектива важно, чтобы третья группа линз включала в себя, считая от объекта съемки (т.е. предметной плоскости) к плоскости изображения, одиночную положительную линзу, обращенную к объекту съемки, поверхность которой является выпуклой в сторону объекта съемки, склеенный дублет, состоящий из положительной линзы, обращенной в сторону объекта съемки, поверхность которой является выпуклой в сторону объекта съемки, и отрицательной линзы, обращенной в сторону изображения, поверхность которой является вогнутой, и одиночную двояковыпуклую линзу.
Для функционирования панкратического объектива важно, чтобы третья группа линз включала в себя линзу с асферической поверхностью.
Для функционирования панкратического объектива важно, чтобы четвертая группа линз включала в себя, считая от объекта съемки (т.е. предметной плоскости) к плоскости изображения, положительную двояковыпуклую линзу и отрицательную линзу.
Для функционирования панкратического объектива важно, чтобы четвертая группа линз включала в себя линзу с асферической поверхностью.
Для функционирования панкратического объектива важно, чтобы третья группа линз была выполнена с возможностью смещения в направлении, перпендикулярном оптической оси для компенсирования сдвига изображения, возникающего вследствие дрожания (смещения) объектива.
Более подробно особенности заявляемого изобретения рассмотрены ниже в описании примера реализации изобретения с привлечением графических материалов.
Фиг.1. Схема варианта выполнения панкратического объектива, выполненного согласно численному примеру 1, в соответствии с заявляемым изобретением.
Фиг.2. Графики аберраций варианта выполнения панкратического объектива согласно численному примеру 1 в широкоугольном положении согласно изобретению.
Фиг.3. Графики аберраций варианта выполнения панкратического объектива согласно численному примеру 1 в длиннофокусном положении согласно изобретению.
Элементы:
1 - первая группа линз;
2 - вторая группа линз;
3 - третья группа линз;
4 - четвертая группа линз;
5 - апертурная диафрагма;
6 - плоскость регистрации изображения;
7 - защитное стекло сенсора;
8 - инфракрасный фильтр;
9.1 - схематичное обозначение перемещение фокусировочного компонента при фокусировке;
9.2 - схематичное обозначение траектории перемещения фокусировочного компонента для удаленных предметов;
9.3 - схематичное обозначение траектории перемещения фокусировочного компонента, для близких предметов;
10 - схематическое обозначение траектории смещения группы линз для стабилизации изображения.
Таблица 1. Конструктивные данные варианта исполнения панкратического объектива согласно численному примеру 1 изобретения.
Таблица 2. Данные переменных толщин варианта исполнения панкратического объектива согласно численному примеру 1 изобретения.
Таблица 3. Данные асферических поверхностей варианта исполнения панкратпческого объектива согласно численному примеру 1 изобретения.
Оптическая схема варианта исполнения панкратического объектива, согласно заявленному изобретению, представлена на Фиг.1. Панкратический объектив имеет следующую структуру, считая от объекта съемки (т.е. предметной плоскости) к изображению: первая группа линз 1, обладающая положительной оптической силой, вторая группа линз 2, обладающая отрицательной оптической силой, третья группа линз 3, обладающая положительной оптической силой, и четвертая группа линз 4, обладающая положительной оптической силой. Апертурная диафрагма 5 расположена между второй 2 и третьей 3 группами линз. Сенсор размещен в плоскости 6 регистрации изображения. Оптическая схема объектива включает также в себя защитное стекло 7 сенсора и ИК-фильтр 8, которые расположены перед плоскостью 6 регистрации изображения.
При работе все четыре группы 1, 2, 3, 4 перемещаются для обеспечения требуемого диапазона фокусного расстояния. В частности, первая группа линз 1 перемещается таким образом, что в широкоугольном положении она находится ближе к изображению, чем в длиннофокусном положении. Траектория перемещения второй группы линз 2 является выпуклой в сторону изображения. Третья группа 3 перемещается в направлении от изображения в широкоугольном положении к предмету в длиннофокусном положении. Четвертая группа 4 перемещается согласно траектории, которая является выпуклой в сторону предметной плоскости. Перемещения групп линз в процессе изменения фокусного расстояния объектива схематично изображены на чертеже стрелками.
Апертурная диафрагма 5 кинематически соединена с третьей группой 3 и перемещается вместе с ней.
Фокусировка на различные расстояния до объекта съемки осуществляется посредством дополнительного смещения четвертой группы 4. Фактически, чем ближе к объективу находится объект съемки, тем больше четвертая группа линз 4 дополнительно смещается в сторону этого объекта, что схематически показано на чертеже стрелкой 9.1. Таким образом, для различных расстояний до объект съемки траектория перемещения четвертой группы 4 смещается и изменяется, что схематично показано стрелками 9.2 (для удаленного объекта) и 9.3 (для близкого объекта). Благодаря небольшому весу четвертой группы 4 фокусировка может осуществляться быстро.
Третья группа 3 линз может дополнительно смещаться перпендикулярно оптической оси для компенсации смещения изображения при дрожании камеры (что схематически показано стрелкой 10).
Диапазон увеличений распределен между группами согласно ранее указанным условиям (1), (2):
2t
3w
2w
3t
0.7<(β·β)/(β·β)<1.0
3t
3w
4.8<β/β<6.6
Как было упомянуто ранее, это обеспечивает оптимальное распределение увеличения и позволяет получить лучшую аберрационную коррекцию в компактных панкратических системах с большим диапазоном фокусных расстояний.
Для обеспечения хорошей аберрационной коррекции и малых габаритов оптической системы объектива линзовые группы имеют предпочтительную структуру, описанную ниже.
Эффективный диаметр линз первой группы 1 гораздо больше диаметров других групп, это означает, что вес каждой линзы довольно велик, что, в свою очередь, означает, что первая группа 1 должна включать в себя наименьшее количество линз, чтобы ее вес позволял перемещать ее посредством компактного двигателя. В то же время, первая группа 1 должна иметь достаточное количество коррекционных параметров для обеспечения требуемой аберрационной коррекции, особенно в длиннофокусном положении. В итоге, оптимальным является наличие в первой группе 1 трех-четырех линз. В приведенном численном примере первая группа линз 1 включает в себя, считая от объекта съемки (т.е. предметной плоскости) к изображению, склеенный дублет, который состоит из отрицательного мениска, выпуклого в сторону предмета, положительной линзы и еще одной одиночной положительной линзы. Такая структура позволяет получить хорошую коррекцию хроматической аберрации в длиннофокусном положении, что особенно важно для систем с большим диапазоном фокусных расстояний.
Вторая группа 2 состоит из пяти одиночных линзовых элементов, а именно, считая от объекта съемки (т, е. предметной плоскости) к изображению: отрицательного мениска, выпуклого в сторону предметной плоскости, отрицательной одиночной линзы, еще одной отрицательной одиночной линзы, положительной двояковыпуклой линзы с двумя асферическими поверхностями и отрицательного мениска, выпуклого в сторону изображения. Благодаря такой структуре уменьшается изменение аберраций в процессе изменения фокусного расстояния. В частности, достигается хорошая коррекция кривизны поля изображения в длиннофокусном положении.
Третья группа линз 3 включает в себя, считая от объекта съемки (т.е. предметной плоскости) к изображению, одиночную линзу с двумя асферическими поверхностями, обращенную к объекту, поверхность которой является выпуклой в сторону объекта, склеенный дублет, состоящий из положительной линзы, обращенной к объекту, поверхность которой является выпуклой в сторону объекта, отрицательной линзы, обращенной к изображению, поверхность которой является вогнутой, и одиночной положительной двояковыпуклой линзы. Подобная структура обеспечивает хорошую коррекцию хроматической аберрации и кривизны поля изображения в процессе изменения фокусного расстояния, а также позволяет уменьшить изменение аберраций в процессе сдвига группы для стабилизации изображения.
Четвертая группа 4 линз состоит из двух одиночных линз: одиночной двояковыпуклой положительной линзы, первая поверхность которой является асферической, и отрицательной линзы. Такая структура четвертой группы 4 позволяет достичь удовлетворительной коррекции аберраций в процессе изменения фокусного расстояния системы, а также в процессе фокусировки объектива на конечное расстояние.
Графики аберраций для представленного численного примера в широкоугольном и длиннофокусном положениях приведены, соответственно, на Фиг.2 и 3.
Конструктивные параметры численного примера приведены в таблицах 1, 2 и 3. Данные, представленные в Таблице 3, являются коэффициентами уравнения асферической поверхности:
где z - стрелка прогиба поверхности, измеряемая параллельно оси z,
с - кривизна поверхности в вершине,
h - радиальная координата точки поверхности в плоскости, перпендикулярной оси z,
K - конический параметр,
А, В - соответственно, коэффициенты при 4-ом и 6-ом порядках.
Следует отметить, что приведенный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, и специалистам должно быть ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.
Таблица 1
Численный пример 1
f′=4.2-125.9; Fno=2.8-5.8; ω=84.7°-3.5°
Конструктивные данные
r<sub>1</sub>=53.575
d<sub>1</sub>=1.02
n<sub>1</sub>=2.0006
ν<sub>1</sub>=25.45
r<sub>2</sub>=32.441
d<sub>2</sub>=4.71
n<sub>2</sub>=1.49699
ν<sub>2</sub>=81.60
r<sub>3</sub>=343.900
d<sub>3</sub>=0.20
r<sub>4</sub>=31.279
d<sub>4</sub>=3.72
n<sub>3</sub>=1.81599
ν<sub>3</sub>=46.57
r<sub>5</sub>=97.372
d<sub>5</sub> изменяется
r<sub>6</sub>=65.182
d<sub>6</sub>=0.55
n<sub>4</sub>=1.91082
ν<sub>4</sub>=35.25
r<sub>7</sub>=7.668
d<sub>7</sub>=4.00
r<sub>8</sub>=221.321
d<sub>8</sub>=0.55
n<sub>5</sub>=1.91082
ν<sub>5</sub>=35.25
r<sub>9</sub>=33.829
d<sub>9</sub>=1.09
r<sub>10</sub>=-131.399
d<sub>10</sub>=0.55
n<sub>6</sub>=1.91082
ν<sub>6</sub>=35.25
r<sub>11</sub>=41.678
d<sub>11</sub>=0.32
r<sub>12</sub>=46.544
d<sub>12</sub>=2.75
n<sub>7</sub>=2.0017
ν<sub>7</sub>=19.32
r<sub>13</sub>=-21.636
d<sub>13</sub>=0.87
r<sub>14</sub>=-12.725
d<sub>14</sub>=0.67
n<sub>8</sub>=1.72916
ν<sub>8</sub>=54.67
r<sub>15</sub>=-37.615
d<sub>15</sub> изменяется
r<sub>16</sub>=(а.д.)
d<sub>16</sub>=0.40
r<sub>17</sub>=10.102
d<sub>17</sub>=2.83
n<sub>9</sub>=1.68893
ν<sub>9</sub>=31.16
r<sub>18</sub>=-1019.092
d<sub>18</sub>=0.25
r<sub>19</sub>=18.654
d<sub>19</sub>=2.02
n<sub>10</sub>=1.49699
ν<sub>10</sub>=81.60
r<sub>20</sub>=9.869
d<sub>20</sub>=0.55
n<sub>11</sub>=2.0006
ν<sub>11</sub>=25.45
r<sub>21</sub>=9.645
d<sub>21</sub>=0.87
r<sub>22</sub>=15.479
d<sub>22</sub>=2.98
n<sub>12</sub>=1.45650
ν<sub>12</sub>=90.26
r<sub>23</sub>=-15.370
d<sub>23</sub> изменяется
r<sub>24</sub>=12.069
d<sub>24</sub>=2.46
n<sub>13</sub>=1.68893
ν<sub>13</sub>=31.16
r<sub>25</sub>=-77.728
d<sub>25</sub>=0.20
r<sub>26</sub>=49.016
d<sub>26</sub>=0.55
n<sub>14</sub>=2.0027
ν<sub>14</sub>=19.31
r<sub>27</sub>=14.894
d<sub>27</sub> изменяется
r<sub>28</sub>=0
d<sub>28</sub>=0.30
n<sub>15</sub>=1.51679
ν<sub>15</sub>=64.19
r<sub>29</sub>=0
d<sub>29</sub>=0.30
r<sub>30</sub>=0
d<sub>30</sub>=0.50
n<sub>16</sub>=1.51679
ν<sub>16</sub>=64.19
r<sub>31</sub>=0
d<sub>31</sub>=0.40
Таблица 2
Переменные толщины
Фокусное расстояние
4.2
22.0
50.0
125.0
d<sub>5</sub>
0.70
21.26
29.02
30.76
d<sub>15</sub>
36.21
9.47
5.00
1.00
d<sub>23</sub>
13.20
13.59
23.06
64.16
d<sub>27</sub>
3.29
13.25
12.59
3.46
Таблица 3
Данные асферических поверхностей
№ поверхности
K
А
В
12
-0.80
1.50Е-05
0
13
4.83
-1.00E-06
0
17
-0.10
-3.70Е-05
6.73Е-08
18
-20854.30
6.20Е-05
0
24
-1.12
2.50Е-05
0