ОБЪЕКТИВ С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам с переменным фокусным расстоянием и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице.
°
°
Известен объектив с дискретным изменением фокусного расстояния [1], содержащий три компонента, причем первый компонент положительный, второй компонент отрицательный, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третий компонент положительный. Первый компонент содержит положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, склеенный из отрицательного и положительного менисков, и положительную линзу. Второй компонент содержит две отрицательные одиночные линзы и отрицательную линзу, склеенную из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и двояковогнутой линзы. Третий компонент содержит положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, склеенный из положительного и отрицательного менисков, двояковыпуклую линзу и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенный из отрицательного и положительного менисков. Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния имеет фокусные расстояния 114 мм и 228 мм, поле зрения 2W=9 и 2W=4,5, соответственно. Недостатком объектива является небольшое (двукратное) изменение фокусного расстояния и небольшие углы поля зрения.
°
°
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по техническому решению является объектив с переменным фокусным расстоянием [2]. Вариообъектив содержит три компонента, первый и третий из которых положительные, а второй компонент - отрицательный. Изменение фокусного расстояния осуществляется при движении второго компонента, фокусировка в единую плоскость изображений производится перемещением третьего компонента. Первый компонент содержит положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и склеенный из отрицательного и положительного менисков, и одиночный положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, двояковогнутую линзу и положительную линзу. Третий положительный компонент содержит четыре одиночные линзы, первая, вторая и четвертая линзы которого положительные, третья - отрицательная. Апертурная диафрагма расположена между вторым и третьим компонентами. Фокусное расстояние объектива изменяется от 10 мм до 27,97 мм, относительное отверстие изменяется от 1:2,5 до 1:2,7, угловое поле зрения 2W изменяется от 56 до 21,5. Недостатком прототипа являются недостаточно исправленные полевые и хроматические аберрации, что не позволяет получить высокое качество изображения для всего поля зрения, а также большая длина объектива, составляющая 2,34 f’max, где f’max - максимальное фокусное расстояние объектива.
-1
Задачей полезной модели является повышение качества изображения за счет исправления аберраций и увеличения коэффициентов передачи модуляции для пространственных частот не менее 90 мм во всем поле зрения в спектральном диапазоне (600…900)нм при дискретном изменении фокусного расстояния, а также сокращение продольных габаритов объектива.
Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния содержит три компонента и апертурную диафрагму, первый и третий компоненты которого положительные, а второй компонент - отрицательный и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый компонент содержит положительную двусклеенную линзу, состоящую из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительной линзы, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент содержит две отрицательные линзы, вторая из которых двояковогнутая, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент содержит четыре линзы, первая, вторая и четвертая из которых двояковыпуклые линзы, а третья - отрицательная линза, в отличие от прототипа, положительная линза двусклеенной линзы первого компонента выполнена двояковыпуклой, первая отрицательная линза второго компонента выполнена двояковогнутой, а вторая двояковогнутая линза второго компонента склеена с положительным мениском второго компонента, в третьем компоненте третья линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, вторая и третья линзы третьего компонента склеены между собой, и третий компонент дополнен пятой линзой, выполненной в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, апертурная диафрагма совмещена с первой поверхностью первой линзы третьего компонента, при этом выполняются следующие соотношения:
где  - фокусное расстояние первого компонента,
- фокусное расстояние второго компонента,
- фокусное расстояние третьего компонента,
3
d - расстояние между двусклеенной и четвертой линзами третьего компонента.
Конструкция первого компонента позволяет исправить сферическую аберрацию при большом фокусном расстоянии объектива f’=104,35мм.
°
Конструкция второго компонента и кинематика его перемещения обеспечивает изменение фокусного расстояния объектива и неподвижность плоскости изображения для двух значений фокусного расстояния объектива f’=104,35мм и f’=35,63мм, позволяет исправить полевые и хроматические аберрации широких наклонных пучков в пределах поля зрения 2W=23, что обеспечивает высокие значения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения.
3
3
3
Конструкция третьего компонента, выбор расстояния между двусклеенной линзой и положительной четвертой линзой d>0,35 f’, где d - расстояние между двусклеенной линзой и положительной четвертой линзой третьего компонента, компонента позволяют исправить осевые и хроматические аберрации при обоих положениях второго компонента, что обеспечивает высокие значения коэффициентов передачи модуляции для точки на оси.
Выбор соотношения фокусных расстояний первого и второго компонентов  где  - фокусное расстояние первого компонента,  - фокусное расстояние второго компонента, позволил уменьшить продольные габариты объектива.
Совмещение апертурной диафрагмы с первой поверхностью первой линзы третьего компонента обеспечивает постоянство относительного отверстия для обоих фокусных расстояний объектива.
°
°
-1
Предлагаемый вариообъектив работает в широком спектральном диапазоне λ=(600…900) нм, фокусное расстояние объектива имеет два значения: 35,63 мм и 104,35 мм, относительное отверстие 1:3,45, угловое поле зрения 2W=7,67 и 2W=23, соответственно. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) на пространственной частоте N=90 мм, для точки на оси не ниже 0,64, для края поля зрения не ниже 0,5 по всему полю зрения для двух значений фокусных расстояний.
На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива.
e
На фиг. 2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n- показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии е.
На фиг. 3 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на оси для фокусного расстояния объектива f’=35,63 мм.
°
На фиг. 4 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=18,5 фокусного расстояния объектива f’=35,63 мм.
На фиг. 5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на оси для фокусного расстояния объектива f’=104,35 мм.
°
На фиг. 6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=6,1 для фокусного расстояния объектива f’=104,35 мм.
Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния (фиг. 1) состоит из трех компонентов 1-3. Компонент 1 содержит положительную двусклеенной линзу, состоящую из отрицательного мениска 4, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительной линзы 5, выполненной двояковыпуклой, и положительный мениск 6, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Компонент 1 положителен и неподвижен. Фокусное расстояние компонента 71,4 мм.
Компонент 2 содержит двояковогнутую линзу 7, двояковогнутую линзу, склеенную из двояковогнутой линзы 8 и положительного мениска 9, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Компонент 2 отрицателен. Фокусное расстояние компонента - 16,05 мм. Линейное увеличение второго компонента при минимальном фокусном расстоянии равно - 0,584, а при максимальном - 1,711, что обеспечивает перепад фокусного расстояния в 3 раза. Перемещением вдоль оптической оси этого компонента достигается изменение фокусного расстояния объектива и обеспечивается неподвижность плоскости изображения для двух значений фокусного расстояния объектива.
Компонент 3 содержит двояковыпуклую линзу 10, двояковыпуклую линзу 11, склеенную с отрицательным мениском 12, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу 13 и отрицательный мениск 14, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов. Третий компонент положителен и неподвижен. Его фокусное расстояние равно 29,02 мм.
Значения фокусных расстояний компонентов рассчитаны для длины волны λ=650 нм.
°
Апертурная диафрагма ∅13,4 мм совпадает с первой поверхностью двояковыпуклой линзы 10, что обеспечивает одинаковое относительное отверстие 1:3,4 для обоих фокусных расстояний объектива. Объектив рассчитан с призмой К-0 15 и светофильтром 16, обеспечивающим рабочий спектральный диапазон (600…900)нм.
Изменение фокусного расстояния объектива осуществляется перемещением второго компонента вдоль оптической оси на 18,09 мм, причем максимальное расстояние между первым и вторым компонентом соответствует фокусному расстоянию f’=104,35 мм. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения 147,9 мм, что составляет 1,4f’max-максимального фокусного расстояния объектива, в прототипе эта величина составляет 2,34f’max.
В предлагаемой конструкции объектива выполняются следующие соотношения:
где  - фокусное расстояние первого компонента,
- фокусное расстояние второго компонента,
71,44/|-16,05|=4,45
3
где d - расстояние между двусклеенной линзой и положительной четвертой линзой третьего компонента,
Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния имеет следующие характеристики:
фокусное расстояние, мм
35,63-104,35
относительное отверстие
1:3,47-1:3,47
поле зрения, град 2W
18<sup>°</sup>27’×13<sup>°</sup>42’-6<sup>°</sup>10’×4<sup>°</sup>38’
При фокусном расстоянии f’=35,63 мм сферическая аберрация составляет 0,004 мм, сферохроматизм не более 0,006 мм для спектрального диапазона 600-900 мкм, астигматизм не более 0,008 мм, относительная дисторсия 4% на краю поля зрения.
-1
При фокусном расстоянии f’=104,35 мм сферическая аберрация не более 0,009 мм, сферохроматизм не более 0,007 мм, астигматизм не более 0,03 мм, относительная дисторсия 0,22%. Значения аберраций приведены в единой плоскости изображения. Такое исправление аберраций позволило получить значения полихроматических коэффициентов передачи модуляции: на пространственной частоте N=90 мм для точки на оси не ниже 0,64, для края поля зрения не ниже 0,5 для обоих значений фокусных расстояний.
Таким образом, предложенный объектив с дискретным изменением фокусного расстояния имеет более высокое качество изображений при меньшей длине от первой поверхности до плоскости изображений по сравнению с прототипом.
Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света, преломившись через поверхности линз 1-14, призму 15, светофильтр 16 фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица. Изменение фокусного расстояния происходит при перемещении второго компонента вдоль оптической оси, причем максимальное расстояние между первым и вторым компонентами обеспечивает максимальное фокусное расстояние объектива.
Источники информации
1. BY №6435 С1 (Открытое акционерное общество «Пеленг», 2004.09.30, весь документ.
2. US №6046862 (Samsung Aerospace Industries, Ltd.), 04.04.2000 - прототип, весь документ.