КОЛЬЦЕВОЙ ИЗОБРАЖАЮЩИЙ ОБЪЕКТИВ С НЕСКОЛЬКИМИ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ
ANNULAR IMAGE FORMATION LENS WITH MULTIPLE FIELDS OF VIEW

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в общем к области оптики, и более конкретно - к оптической системе объектива с несколькими полями зрения (с переменным фокусным расстоянием) для захвата изображения («изображающего объектива»), применяемого в устройствах формирования изображения, таких как фото/видеокамеры, входящих в состав компактных электронных устройств.
Уровень техники
С появлением компактных электронных вычислительных устройств, таких как, в качестве неограничивающего примера, мобильные телефоны, смартфоны, планшетные компьютеры, карманные персональные компьютеры (КПК), коммуникаторы, нетбуки, ноутбуки возникла необходимость в снабжении таких устройств средствами захвата изображения, такими как фото/видеокамеры, для реализации различных функций, связанных с захватом фото- и видеоизображений по команде пользователя, видеосвязью, распознаванием лица пользователя, «компьютерным зрением» и т.п. При этом возникла потребность в обеспечении возможности изменения поля зрения таких объективов («зумирования»). Традиционные объективы для фотокамер, в которых изменение фокусного расстояния (поля зрения) реализуется за счет подвижных элементов, в частности линз и групп линз, не подходят для использования в компактных электронных вычислительных устройствах ввиду своих больших размеров.
Следует отметить, что, как известно в области объективов с переменным фокусным расстоянием, для реализации изменения поля зрения (далее также сокращенно называемого FOV) необходимо либо обеспечить перемещение одного или более компонентов оптической системы для физического изменения фокусного расстояния объектива, либо использовать несколько объективов или камер, каждая из которых имеет свое значение фокусного расстояния, переключаясь между ними по мере необходимости под управлением программного обеспечения, с обеспечением по возможности плавного переключения между объективами (камерами) без заметного для пользователя «скачкообразного» изменения поля зрения объектива (камеры).
В случае объектива с подвижными компонентами оптической системы необходима очень высокая точность сборки оптической системы и высокоточные элементы конструкции, которые могли бы обеспечить необходимые значения допусков в оптической системе для всего диапазона величин переменного фокусного расстояния. Возможен также комбинированный вариант, при котором для покрытия всего требуемого диапазона фокусных расстояний используется несколько переключаемых между собой объективов или камер, в каждом из которых используется группа подвижных элементов оптической системы. В таком случае используется несколько узлов с очень высокой точностью сборки, каждый из которых состоит из нескольких оптических элементов.
В источнике US 8599497 (Raytheon Company, опубликовано 03.12.2013) раскрыт широкоугольный тонкопрофильный объектив с изменяемым полем зрения, в котором оптическая система с переменным фокусным расстоянием включает в себя множество субапертур, расположенных вокруг по меньшей мере участка внешней периферии одной из первой и второй обращенных внутрь поверхностей. Каждая субапертура включает в себя элемент, характеризующийся оптической силой. К недостаткам данного известного решения можно отнести достаточно низкое значение относительного отверстия объектива (высокое значение диафрагменного числа F#) и ограниченные возможности коррекции аберраций.
В источнике US 2010/0188856 (University of California, опубликовано 29.07.2010) раскрыт объектив с системами линз, содержащими множество отражательных линз, который включает в себя первую и вторую обращенные внутрь поверхности, каждая из которых является по меньшей мере частично отражающей. Объектив дополнительно включает в себя первое отверстие, которое расположено вокруг по меньшей мере участка внешней периферии одной из первой и второй обращенных внутрь поверхностей, и второе отверстие, расположенное вблизи центральной области объектива. Оптическое излучение, распространяющееся внутри объектива между упомянутыми первой и второй обращенными внутрь поверхностями, по меньшей мере дважды отражается на по меньшей мере одной из первой и второй обращенных внутрь поверхностях по мере его распространения между первым отверстием и вторым отверстием. К недостаткам данного известного решения также можно отнести достаточно низкое значение относительного отверстия объектива (высокое значение диафрагменного числа F#) и ограниченные возможности коррекции аберраций.
Раскрытие изобретения
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
Учитывая рассмотренные выше известные решения из уровня техники, объективная техническая проблема, решаемая изобретением, состоит в необходимости создания компактного объектива с переменным полем зрения (фокусным расстоянием), не имеющего движущихся компонентов оптической системы, характеризующегося простотой конструкции и сборки за счет исключения подвижных компонентов оптической системы, требующих высокой точности изготовления и сборки.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании объектива без подвижных оптических компонентов, оптическая система которого позволяет получить несколько полей зрения с высокой степенью коррекции аберраций.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении множества полей зрения оптического узла с возможностью переключения между упомянутым множеством полей зрения.
В первом аспекте настоящего изобретения вышеуказанная задача решается оптическим узлом, содержащим оптический элемент и элемент коррекции кривизны плоскости изображения, причем оптический элемент выполнен в виде цельного основного оптического элемента; оптический элемент содержит интегрированную фокальную систему с двумя зеркалами, оптический элемент содержит меньшей мере одну интегрированную афокальную систему с двумя зеркалами, на лицевой стороне оптического элемента размещено множество переключаемых оптических элементов (SOE). Переключаемые оптические элементы (SOE) выполнены с возможностью переключения между первым и вторым состояниями, причем первое состояние является состоянием пропускания оптического излучения видимого спектра, и второе состояние является состоянием поглощения или отражения оптического излучения видимого спектра. Элемент коррекции кривизны плоскости изображения расположен за оптическим элементом.
Фокальная система с двумя зеркалами содержит первую вогнутую отражающую оптическую поверхность и вторую выпуклую отражающую оптическую поверхность. По меньшей мере одна афокальная система с двумя зеркалами содержит по меньшей мере первую вогнутую отражающую оптическую поверхность и вторую выпуклую отражающую оптическую поверхность. На упомянутые отражающие оптические поверхности нанесены следующие покрытия: зеркальное на первую вогнутую поверхность, с возможностью изменения состояния между состоянием пропускания и состоянием отражения на вторую выпуклую поверхность. Как фокальная система, так и афокальные системы сформированы в упомянутом цельном основном оптическом элементе.
Переключаемые оптические элементы выполнены с возможностью компенсации кривизны по меньшей мере одной вогнутой поверхности афокальной системы, образуя по существу плоскую лицевую поверхность оптического элемента. По меньшей мере на одной поверхности переключаемых оптических элементов нанесено отражающее оптическое покрытие, при этом сами переключаемые оптические элементы выполнены из того же оптического материала, что и основной оптический элемент. В одном или более вариантах выполнения по меньшей мере на одной поверхности переключаемых оптических элементов нанесено покрытие из электрохромного стекла.
Переключаемые оптические элементы (SOE) имеют плоскую первую оптическую поверхность и вторую оптическую поверхность, кривизна которой соответствует кривизне отражающих оптических поверхностей фокальной системы с двумя зеркалами и/или по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами, и расположены на вторых отражающих оптических поверхностях фокальной системы с двумя зеркалами и/или по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами, образуя плоскую поверхность, которая расположена на нормали по отношению к оптическим осям. Оптический элемент имеет вогнутый центральный участок.
Элемент коррекции кривизны плоскости изображения может быть выполнен в виде по меньшей мере одной линзы и размещен между оптическим элементом и датчиком изображения устройства формирования изображения, в котором используется оптический узел согласно изобретению.
Во втором аспекте настоящего изобретения вышеуказанная задача решается устройством формирования изображения, содержащим оптический узел по вышеуказанному первому аспекту.
В третьем аспекте настоящего изобретения вышеуказанная задача решается способом формирования множества полей зрения изображающего объектива, причем способ содержит этапы, на которых: пропускают падающее оптическое излучение в цельный основной оптический элемент посредством по меньшей мере двух переключаемых оптических элементов (SOE), размещенных на лицевой поверхности оптического элемента, при этом оптическое излучение внутри оптического элемента претерпевает по меньшей мере однократное внутреннее отражение посредством интегрированной в оптический элемент фокальной системы с двумя зеркалами и интегрированной в оптический элемент по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами, и выводится на датчик изображения, формируя изображение с несколькими полями зрения (FOV) на датчике изображения, и переключают каждый из по меньшей мере двух SOE между открытым состоянием, в котором SOE пропускает оптическое излучение, и закрытым состоянием, в котором SOE и отражает и/или поглощает оптическое излучение, таким образом переключая соответствующие FOV на датчике изображения.
Краткое описание чертежей
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.
На Фиг. 1 схематично показан вид в разрезе части оптического узла согласно изобретению;
На Фиг. 2 схематично представлены виды А, В, С, иллюстрирующие переключение полей зрения в оптическом узле согласно изобретению посредством соответствующих переключаемых оптических элементов;
На Фиг. 3 схематично проиллюстрированы фокальная система с двумя зеркалами и по меньшей мере одна афокальная система с двумя зеркалами, реализованные в примерном варианте выполнения оптического узла согласно изобретению;
На Фиг. 4 схематично показан вид в разрезе части оптического узла согласно изобретению в варианте выполнения с обозначением поверхностей, на которые нанесено переключаемое оптическое покрытие;
На Фиг. 5 показан вид в перспективе с лицевой стороны оптического узла по настоящему изобретению;
На Фиг. 6 проиллюстрировано переключение полей зрения (FOV) оптического узла согласно изобретению в зависимости от состояния переключаемых оптических элементов (SOE).
Осуществление изобретения
В первом аспекте настоящее изобретение относится к оптической системе с несколькими полями зрения (с переменным фокусным расстоянием) для использования в устройстве формирования (захвата) изображения («изображающем объективе»). Упомянутая оптическая система также называется в контексте настоящего описания оптическим узлом. Объектив, содержащий такой оптический узел, можно назвать «кольцевым» изображающим объективом на основании формы выполнения переключаемых оптических элементов (SOE), которые в неограничивающих вариантах выполнения представляют собой по существу концентрические кольца, если смотреть на оптический узел со стороны лицевой поверхности (см. Фиг. 5).
На Фиг. 1 схематично показан вид в разрезе части оптического узла согласно изобретению. В основе оптического узла лежит оптический элемент 1, выполненный в виде цельного основного оптического элемента. Кроме того, в оптический узел также входит элемент 6 коррекции кривизны плоскости изображения.
На обозначенных поверхностях оптического элемента 1 нанесено зеркальное покрытие 2. Оптический элемент 1 обеспечивает формирование нескольких различных каналов поля зрения (FOV) за счет наличия одного или более криволинейных участков на лицевой поверхности оптического элемента 1.
В одном или более неограничивающих вариантах осуществления, криволинейные участки имеют форму концентрических окружностей на лицевой поверхности оптического элемента 1. Криволинейные участки представляют собой по существу кольцевые выемки на лицевой поверхности оптического элемента 1, имеющие по меньшей мере одну вогнутую поверхность и по меньшей мере одну плоскую поверхность, ориентированную параллельно к плоскости лицевой поверхности оптического элемента 1.
Упомянутые криволинейные участки поверхности оптического элемента 1 заполнены компенсирующими кривизну криволинейных участков переключаемыми оптическими элементами (SOE) 3, 4, 5, которые заполняют соответствующие криволинейные участки поверхности, компенсируя их кривизну таким образом, что их лицевые поверхности образуют одну по существу ровную поверхность с лицевой поверхностью оптического элемента 1.
Каждый переключаемый оптический элемент (SOE) 3, 4, 5 формирует свой канал поля зрения (FOV). Следует отметить, что в контексте настоящего описания в качестве неограничивающего примера рассматриваются варианты, в которых количество полей зрения и, соответственно, переключаемых оптических элементов составляет три, однако возможны и другие варианты выполнения, в которых количество полей зрения и, соответственно, переключаемых оптических элементов может составлять два или четыре и более.
Также следует отметить, что в контексте настоящего описания переключаемый оптический элемент и канал поля зрения могут упоминаться взаимозаменяемо для удобства описания, при том, что каждый переключаемый оптический элемент (SOE) отвечает за соответствующий канал поля зрения (FOV).
Основной оптический элемент в заявляемом оптическом узле позволяет сформировать на датчике 7 изображения одновременно несколько изображений, соответствующих разным полям зрения (FOV). Переключаемые оптические элементы позволяют разделить эти изображения с разными FOV и получить на датчике требуемое изображение. Таким образом, поле зрения оптического узла изменяется по существу на датчике 7 изображения. Поскольку в изобретении обеспечивается множество (два или более) различных FOV, то такое изменение FOV представляет собой функцию изменения поля зрения («зумирования»).
Переключение каналов различных FOV происходит посредством соответствующих переключаемых оптических элементов (SOE). Каждый переключаемый оптический элемент содержит по меньшей мере одну поверхность, которая может изменять свои свойства пропускания и отражения и/или поглощения оптического излучения, за счет чего и происходит «переключение» переключаемых оптических элементов, вследствие которого переключаемые оптические элементы можно рассматривать как «открытые» или «закрытые» для оптического излучения. Такое «переключение» может быть реализовано за счет того, что на соответствующей поверхности SOE нанесено соответствующее покрытие, в качестве неограничивающего примера - покрытие, выполненное по типу жидкокристаллического переключаемого зеркала (LCSM) и электрохромного зеркала (ECM). Переключаемые зеркала с помощью электроники, управляюшей уровнями напряжения на прозрачных электродах, переключаются между отражающим полупрозрачным состоянием и почти прозрачным состоянием. Примером ECM может служить устройство из частиц, подвешенных в жидкости (Suspended Particles Display, SPD). В устройствах SPD эффект переключения достигается за счет электронной настройки поглощения света, контролируя ориентацию стержнеобразных частиц между двумя прозрачными электродами. Примером LCSM может служить CLC. Когда луч света распространяется вдоль оси спирали, брэгговское отражение происходит в диапазоне длин волн no*P ≤ λ ≤ ne * P (где P - шаг CLC, а no и ne - обыкновенные и необыкновенные показатели преломления жидкого кристалла). Когда свет с левой круговой поляризацией падает на CLC c правой закруткой спирали, он проходит без отражения. И наоборот, если левый циркулярно поляризованный свет падает на CLC с левой закруткой спирали, то он полностью отражается.
Состояния отражения зеркала с CLC эффективно переключаются с помощью прямоугольных волн низкого напряжения. Как правило, в течение 10 мс молекулы имеют достаточно времени, чтобы частично повернуться, чтобы получить наклонную текстуру, тем самым достигнув состояния частичного отражения. Также обычно в течение 20 мс молекулы вращаются полностью вертикально, чтобы получить в итоге полностью прозрачное состояние. В исходном состоянии холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) представляют собой зеркало Брэгга с полным отражением в диапазоне длин волн λ.
Обращаясь к Фиг. 2 и 6, далее будет описан принцип работы оптического узла в соответствии с изобретением на примере варианта выполнения, в котором используется три SOE и реализуется три поля зрения (FOV), соответственно.
На Фиг. 2 показаны виды A, B и C, на которых проиллюстрировано формирование первого поля зрения (FOV1), второго поля зрения (FOV2) и третьего поля зрения (FOV3), соответственно. На Фиг. 6 в виде таблицы проиллюстрировано переключение соответствующих полей зрения в зависимости от «открытого» и «закрытого» состояния соответствующих SOE.
Обращаясь к виду А на Фиг. 2, SOE 3 переключен в «открытый» («прозрачный») режим. Оптическое излучение, проходящее через SOE 3, подвергается внутреннему отражению внутри оптического элемента 1 и в конечном итоге попадает на датчик 7 изображения устройства формирования изображения, формируя изображение с полем зрения FOV1 (см. Фиг. 6). SOE 4 и 5 в данном случае находятся в «закрытом» состоянии (их соответствующие покрытия отражают и/или поглощают оптическое излучение).
В ситуации на виде В на Фиг. 2 в «открытом» состоянии находится SOE 4, а SOE 3 и 5 - в «закрытом» состоянии. Падающее оптическое излучение попадает в оптический элемент 1 через SOE 4 и подвергается отражению, в частности, от «закрытого» SOE 3, в результате попадая на датчик 7 изображения после многократного внутреннего отражения в пределах оптического элемента 1. Следует отметить, что данное внутреннее отражение обусловлено наличием на передней и задней поверхностях оптического элемента 1 зеркального покрытия 2. При этом на пути к датчику 7 изображения оптическое излучение подвергается внутреннему отражению большее количество раз, чем при открытом SOE 3, как показано на виде А по Фиг. 2. Таким образом удлиняется оптический путь излучения в пределах оптического элемента 1 и, соответственно, становится возможным реализовать увеличенное фокусное расстояние по сравнению со случаем, когда «открыт» SOE3. На датчике 7 изображения формируется изображение с другим полем зрения (FOV2) по сравнению с ситуацией на виде A по Фиг. 2.
В ситуации на виде C на Фиг. 2 в «открытом» состоянии находится SOE 5, а SOE 3 и 4 «закрыты». Соответственно, падающее оптическое излучение попадает в оптический элемент 1 через открытый SOE 5 и претерпевает еще более многократное внутреннее отражение в пределах оптического элемента 1 на пути к датчику 7 изображения. В данной ситуации оптический путь излучения является еще более длинным и, соответственно, на датчике 7 изображения формируется изображение с другим полем зрения (FOV3 на Фиг. 6) по сравнению с ситуациями, описанными выше с обращением к видам А и В по Фиг. 2.
Обращаясь к Фиг. 3, оптическая структура основного оптического элемента 1 в заявляемом узле может быть охарактеризована следующим образом.
Первое (широкое) поле зрения обеспечивается фокальной системой с двумя зеркалами, реализуемой парой оптических поверхностей 9, включающей в себя центральную поверхность на лицевой стороне оптического элемента и соответствующую поверхность на задней стороне оптического элемента 1. Падающее излучение, попадающее в оптический элемент 1 через «открытый» SOE 3, попадает на вогнутую поверхность на задней стороне оптического элемента 1 (первую вогнутую поверхность), отражаясь от нее внутрь оптического элемента 1, становится сходящимся и отражается на центральную поверхность на лицевой стороне оптического элемента 1 (вторую выпуклую поверхность). Вторая выпуклая оптическая поверхность отражает оптическое излучение внутрь оптического элемента 1 и фокусирует его на датчике изображения.
Упомянутые две оптических поверхности имеют конструкцию на основе системы Ричи-Кретьена, которая характеризуется отсутствием комы третьего порядка и сферической аберрации. Астигматизм снижен до приемлемых значений благодаря асферизации зеркальных поверхностей. Кривизна изображения исправляется элементом коррекции кривизны плоскости изображения, расположенным между вторичным зеркалом (второй выпуклой поверхностью) и плоскостью изображения. Разработанная таким образом фокальная оптическая схема свободна от основных геометрических аберраций, что обеспечивает качество изображения в фокальной плоскости, ограниченное дифракцией.
Второе (более узкое) поле зрения обеспечивается за счет афокальной системы с двумя зеркалами, представленной парой оптических поверхностей 10 на Фиг. 3. Данная афокальная система с двумя зеркалами добавляется к описанной выше фокальной системе с двумя зеркалами и обеспечивает увеличение M1 изображения по сравнению с описанным выше первым (широким) полем зрения.
Падающее излучение, формирующее второе поле зрения (см. FOV2 по Фиг. 6) падает на первую вогнутую оптическую поверхность афокальной системы с двумя зеркалами, становится сходящимся и отражается на вторую оптическую поверхность. Вторая выпуклая оптическая поверхность делает оптическое излучение коллимированным и отражает его на первую оптическую поверхность фокальной системы с двумя зеркалами.
n
Позицией 11 на Фиг. 3 обозначена еще одна афокальная система с двумя зеркалами, формирующая изображение еще с одним полем зрения (FOV3), но с другим значением увеличения изображения (M). В целом принцип действия данной афокальной системы с двумя зеркалами, обозначенными позицией 11, аналогичен описанной выше афокальной системе с двумя зеркалами, при этом упомянутая еще одна афокальная система с двумя зеркалами отражает коллимированное оптическое излучение на первую оптическую поверхность описанной выше афокальной системы с двумя зеркалами.
Описанное выше сочетание фокальной системы с двумя зеркалами и по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами обеспечивает каскадную оптическую систему, основанную на сочетании фокальных и афокальных частей, за счет которого обеспечивается компактность оптической системы и возможность формирования множества различных FOV. Оптическая система с возможностью «зумирования», формирующая множество FOV, обладает малой толщиной. Кроме того, важным техническим эффектом является обеспечение возможности создания оптической системы с возможностью переключения полей зрения на основе одного цельного основного оптического элемента, исключая группы подвижных оптических элементов и необходимость использования множества объективов/камер для разных полей зрения.
Переключаемые оптические элементы (SOE) 3, 4, 5, размещенные на криволинейных участках лицевой поверхности оптического элемента 1, выполняют две основные функции. Первой функцией является компенсация кривизны упомянутых криволинейных участков, обеспечивая плоскую лицевую поверхность. Расположение SOE на лицевой поверхности оптического элемента 1 проиллюстрировано на Фиг. 5, на которой показан вид в перспективе с лицевой стороны оптического элемента.
Вторая функция SOE 3, 4, 5 состоит в переключении между каналами соответствующих FOV, формируемых соответствующими фокальной системой с двумя зеркалами и одной или более афокальными системами с двумя зеркалами, интегрированными в оптический элемент 1, как описано выше.
Следует отметить, что вышеперечисленные две функции выполняются одновременно всеми SOE кроме последнего (расположенного ближе всех к внешнему краю лицевой поверхности оптического элемента), поскольку он расположен по существу на плоской поверхности оптического элемента, а не на криволинейном участке поверхности.
По меньшей мере в одном примерном варианте выполнения оптический материал, из которого выполнены SOE, является тем же материалом, из которого выполнен основной оптический элемент.
То, что по меньшей мере одна оптическая поверхность каждого SOE является плоской, позволяет падающему оптическому излучению, формирующему выбранное FOV, входить в SOE без аберраций. Другая оптическая поверхность SOE имеет такую же кривизну, что и вторая выпуклая оптическая поверхность соответствующей афокальной системы с двумя зеркалами, описанной выше. Кроме того, каждый SOE строго повторяет форму криволинейного участка лицевой поверхности оптического элемента 1, без каких-либо зазоров между поверхностью SOE и поверхностью криволинейного участка лицевой поверхности оптического элемента. Это позволяет исключить рефракцию оптического излучения, входящего в оптический элемент через соответствующий SOE.
Каждый SOE относится к соответствующему одному из каналов FOV ввиду того, что кривизна оптической поверхности для каждой афокальной системы является отличной. Однако, как указано выше, последний SOE (в качестве неограничивающего примера, размещенный ближе к внешнему краю оптического элемента 1) не обладает кривизной, поскольку все его поверхности являются по существу плоскими.
Переключение состояния («открытие»/«закрытие») каждого из переключаемых оптических элементов реализуется за счет особого оптического покрытия, нанесенного на одну из оптических поверхностей SOE (в частности, на вторую, в общем случае - вогнутую (плоскую для последнего SOE) оптическую поверхность).
За счет такого оптического покрытия соответствующая оптическая поверхность SOE имеет два состояния:
а) прозрачное
б) отражающее.
В состоянии а) SOE пропускает падающее оптическое излучение в основной оптический элемент заявляемого оптического узла. В состоянии б) SOE действует в качестве второго зеркала в соответствующей афокальной системе с двумя зеркалами, или блокирует оптическое излучение для данного канала FOV.
Кроме того, в одном или более неограничивающих вариантах выполнения изобретения SOE также может иметь электрохромное стекло на плоской оптической поверхности, соответствующей лицевой поверхности оптического элемента 1, которое дополнительно блокирует падающее оптическое излучение для данного канала FOV. Последний (в качестве неограничивающего примера, расположенный ближе всех к внешнему краю оптического элемента 1) SOE имеет только эту функцию.
По меньшей мере в одном неограничивающем варианте выполнения настоящего изобретения конструкция оптического элемента 1 характеризуется следующими признаками.
,
Лицевая и задняя стороны оптического элемента 1 имеют зеркальное покрытие 2, как показано на Фиг. 1и действуют в качестве зеркал.
Обращаясь к Фиг. 4, в одном или более неограничивающих вариантах выполнения оптического узла по изобретению, на вогнутые оптические поверхности, расположенные на криволинейных участках лицевой поверхности оптического элемента 1, может быть нанесено жидкокристаллическое переключаемое зеркальное покрытие (LCSM). На Фиг. 4 позицией 2 обозначено зеркальное покрытие на поверхности задней стороны оптического элемента 1. Позицией А на Фиг. 4 обозначен вогнутый участок в центре лицевой поверхности оптического элемента 1, на который также нанесено зеркальное покрытие 2. Позициями B, C и D обозначены вогнутые оптические поверхности на криволинейных участках лицевой стороны оптического элемента 1, на которые нанесено LCSM. Эти поверхности могут находиться в одном из двух состояний. В одном состоянии они пропускают оптическое излучение (фотопическая пропускающая способность >87%), в другом состоянии они действуют в качестве зеркал (фотопическая отражательная способность >87%).
По отношению к выбираемым каналам поля зрения (FOV1-FOV3), обеспечиваемым соответствующими SOE 3, 4, 5, как показано на Фиг. 4, состояния LCSM характеризуются следующим образом:
FOV1 (SOE 3): B - пропускание, C и D - отражение;
FOV2 (SOE 4): C - пропускание, B и D - отражение;
FOV3 (SOE 5): D - пропускание, B и C - отражение.
Таким образом, в одном или более неограничивающих вариантах выполнения оптического узла по изобретению упомянутое «переключение» каналов FOV может быть реализовано за счет использования LCSM, состояния которого могут изменяться между состоянием пропускания и состоянием отражения. Однако LCSM в качестве оптического материала, реализующего такое переключение, имеет некоторые недостатки, такие как, в частности, несовершенство разграничения состояний пропускания и отражения, возникновение «шума» и артефактов изображения. В этой связи для по меньшей мере частичной компенсации данных недостатков LCSM может использоваться упомянутое выше электрохромное стекло, размещаемое перед каждым SOE, формирующим соответствующий канал FOV.
Как упомянуто выше, на задней стороне оптического элемента 1 и поверхности A нанесено зеркальное покрытие, и они действуют как зеркала.
Еще в одном варианте выполнения на поверхности B и C по Фиг. 4 может быть нанесено полупрозрачное покрытие (пропускание оптического излучения 50%, отражение оптического излучения 50%). Поверхность B пропускает оптическое излучение, соответствующее каналу FOV1, отражает излучение, соответствующее каналам FOV2 и FOV3. Поверхность C пропускает излучение, соответствующее каналу FOV2, отражает излучение, соответствующее каналу FOV3.
В этом варианте выполнения электрохромное стекло (ECG) нанесено на первые оптические поверхности (расположенные в плоскости лицевой стороны оптического элемента 1) SOE 3, 4, 5. Электрохромное стекло выполнено с возможностью переключения между состоянием, в котором оно пропускает падающее оптическое излучение (состоянием пропускания) и состоянием, в котором оно поглощает падающее оптическое излучение (состоянием поглощения). В состоянии, при котором ECG только одного из SOE пропускает падающее оптическое излучение, а ECG остальных SOE поглощают оптическое излучение, на датчик изображения устройства формирования изображения поступает оптическое излучение, соответствующее только одному каналу FOV.
По отношению к выбираемым каналам поля зрения (FOV1-FOV3), обеспечиваемым соответствующими SOE 3, 4, 5, как показано на Фиг. 4, состояния ECG характеризуются следующим образом:
FOV1: B - пропускание, C и D - поглощение;
FOV2: C - пропускание, B и D - поглощение;
FOV3: D - пропускание, B и C - поглощение.
К недостаткам полупрозрачного покрытия можно отнести то, что оно обладает лишь 50% эффективностью, вследствие чего пропускная способность системы сильно снижена (ввиду значительных потерь света) и может иметь артефакты. Данные недостатки в определенной мере компенсируются за счет использования ECG, как описано выше. При этом использование полупрозрачного покрытия обеспечивает наиболее дешевый вариант реализации оптической системы согласно изобретению.
В неограничивающем примерном варианте выполнения оптический узел согласно изобретению содержит два переключаемых оптических элемента (SOE 3 и SOE 4), которые соответствуют двум каналам FOV - FOV1 и FOV2, соответственно.
Для получения на датчике изображения устройства формирования изображения, содержащего оптический узел согласно изобретению, изображения с полем зрения FOV1 SOE 4 блокирует падающее оптическое излучение, а SOE 3 пропускает оптическое излучение. Оптическое излучение канала FOV1 входит в оптический элемент 1 через плоскую поверхность и проходит через вогнутую поверхность без рефракции ввиду того, что оптические материалы SOE 3 и оптического элемента 1 являются одинаковыми. При этом излучение, проходящее через SOE 3, отражается от зеркального покрытия задней поверхности оптического элемента 1 и от зеркального покрытия на обращенной внутрь оптического элемента 1 стороне оптической поверхности А по Фиг. 4 и, выходя из оптического элемента 1, попадает на поверхность датчика изображения устройства формирования изображения, в котором реализован оптический узел согласно изобретению.
Для формирования канала FOV2 SOE 3 блокирует падающее оптическое излучение, а SOE 4 пропускает падающее оптическое излучение. При этом, поскольку в данном варианте выполнения SOE 4 является ближайшим SOE к внешнему краю лицевой стороны оптического элемента 1, SOE 4 является плоским и не имеет вогнутой оптической поверхности. Оптическое излучение, соответствующее каналу FOV2, поступает в оптический элемент 1 через плоскую поверхность SOE 4. Затем оно отражается от соответствующей вогнутой поверхности задней стороны оптического элемента 1 и от обращенной внутрь оптического элемента 1 стороны вогнутой оптической поверхности А по Фиг. 4, которая вместе с упомянутой вогнутой поверхностью задней стороны оптического элемента 1 образует афокальную систему с двумя зеркалами с увеличением M. После отражения от упомянутой оптической поверхности А SOE 3 оптическое излучение повторяет путь оптического излучения, соответствующего каналу FOV1, и в конечном итоге попадает на поверхность датчика изображения устройства формирования изображения, в котором реализован оптический узел согласно изобретению.
Вышеописанные варианты выполнения оптической системы согласно изобретению представляют собой лишь некоторые из примеров конструкции цельного основного оптического элемента 1. Ниже в Таблице 1 приведены конструктивные параметры, позволяющие создать цельный основной оптический элемент 1, реализующий одну фокальную систему с двумя зеркалами и две афокальные системы с двумя зеркалами в пределах одного цельного оптического элемента.
Испытания показали, что примерные варианты реализации оптической системы согласно изобретению реализуют, например, три канала FOV на одном датчике изображения с достижением достаточного качества изображения для размеров пикселя большинства современных датчиков изображения.
Таблица 1. Конструктивные параметры оптического элемента с корректором кривизны плоскости изображения
<b>Радиус кривизны R, мм</b>
<b>Осевое расстояние d, мм</b>
<b>Оптический материал, n; ν</b>
<b>Коническая постоянная, K</b>
<b>Асферический коэфф A4</b>
<b>Асферический коэфф A6</b>
<b>Асферический коэфф A8</b>
<b>Асферический коэфф A10</b>
1АД
∞
6,3518
1,86; 40,578
2**
-36,8117
-5,2887
ЗЕРКАЛО
-1,00E+00
3**
-26,2319
4,9648
ЗЕРКАЛО
-1,00E+00
4*
-28,1310
-5,3338
ЗЕРКАЛО
-1,00E+00
5*
-17,4579
5,0836
ЗЕРКАЛО
-1,00E+00
6
-19,3837
-5,6338
ЗЕРКАЛО
-2,15E+00
7
-21,4135
3,1561
ЗЕРКАЛО
-5,16E+01
1,90E-04
-1,42E-05
8
6,4373
0,9543
-1,52E+01
1,82E-03
-3,05E-03
2,73E-04
9
5,5788
0,3392
1,67; 19,245
1,06E+01
-1,07E-01
3,73E-02
-3,07E-03
-1,41E-03
10
2,0266
0,3157
1,39E+00
-1,44E-01
6,47E-02
-1.65E-02
7,47E-03
11
3,7308
0,5311
1,73; 40,508
-1,25E+01
-3,82E-02
-1,30E-02
-3,63E-03
4,42E-03
12
-4,8640
0,0701
-2,47E+37
-6,11E-02
-8,83E-03
7,21E-03
-1,03E-05
13
20,8070
0,5664
1,74; 49,296
-3,91E+02
-3,98E-02
-7,67E-03
1,32E-05
-2,17E-03
14
-7,6181
0,1154
2,91E+01
-2,39E-02
-3,01E-02
1,14E-02
-1,12E-03
15
∞
0,1000
1,517; 64,198
16
∞
0,1000
17
∞
АД - апертурная диафрагма
n - показатель преломления для длины волны d=0,586 мкм;
ν - число Аббе.
Используемые в оптическом расчете поверхности являются асферическими, описываемые уравнением:
Где r - радиальная координата;
c - величина кривизны поверхности, где c=1/R, R - радиус кривизны поверхности;
k - коническая постоянная;
4
10
A… A- асферические коэффициенты.
Основным критерием качества изображения для оптических систем рассматриваемого типа является модуль передаточной функции (MTF).
Для датчиков изображения обычного типа, которые в контексте настоящего изобретения могут быть представлены датчиком типа CMOS (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) или CCD (устройства с зарядовой связью) целевая частота составляет 200 линий на мм. При этом значение MTF для данной частоты должно составлять более 0,2 (критерий Рэлея).
Экспериментальные исследования показали, что оптический узел согласно изобретению обеспечивает качество изображения, удовлетворяющее вышеуказанным критериям - значение MTF для целевой частоты в 200 линий на мм во всех случаях реализации изобретения не опускалось ниже 0,2, то есть во всех случаях удовлетворялся критерий Рэлея, упомянутый выше. В качестве неограничивающего примера, исследования показали, что при реализации изобретения три FOV (FOV1-FOV3) обеспечивали, например, следующие углы обзора:
FOV1: 10,6 градусов (диафрагменное число F# - 2,5)
FOV2: 6,6 градусов (F# - 3,16)
FOV3: 4,6 градусов (F# - 3,44)
Переключение состояний SOE обеспечивается под управлением контроллера устройства формирования изображения, в котором реализован оптический узел согласно изобретению, путем соединения SOE с одним или более блоками управления посредством электронных контактов, проводников и т.п. Блоки управления могут представлять собой один или более процессоров, микропроцессоров, ASIC и т.п., как известно специалистам в данной области техники, которые могут управлять оптическим узлом согласно изобретению под управлением соответствующего программного обеспечения, микропрограммного обеспечения, программного элемента, модуля и т.п., сохраненного на одном или более машиночитаемых носителях, как известно специалистам в данной области техники.
Еще в одном аспекте изобретения может быть предусмотрен способ формирования множества полей зрения изображающего объектива, причем способ содержит этапы, на которых пропускают падающее оптическое излучение в цельный основной оптический элемент посредством по меньшей мере двух переключаемых оптических элементов (SOE), размещенных на лицевой поверхности оптического элемента, при этом оптическое излучение внутри оптического элемента претерпевает по меньшей мере однократное внутреннее отражение посредством интегрированной в оптический элемент фокальной системы с двумя зеркалами и интегрированной в оптический элемент по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами и выводится на датчик изображения, формируя изображение с несколькими полями зрения (FOV) на датчике изображения, причем каждый из по меньшей мере двух SOE выполнен с возможностью переключения между пропусканием оптического излучения и отражением и/или поглощением оптического излучения, обеспечивая таким образом переключение соответствующих FOV.
Способ формирования множества полей зрения изображающего объектива реализуется описанным выше оптическим узлом согласно описанному выше первому аспекту настоящего изобретения и может применяться в устройстве формирования изображения согласно второму описанному выше аспекту настоящего изобретения.
На первом этапе способа падающее оптическое излучение, на основе которого формируется изображение по меньшей мере с одним полем зрения (FOV) на датчике изображения, пропускается одним из по меньшей мере двух SOE, переключенным в состояние пропускания оптического излучения. Переключение между соответствующими полями зрения на датчике изображения осуществляется в зависимости от «открытого» и «закрытого» состояния соответствующих SOE.
Например, обращаясь вновь к Фиг. 1-5, если SOE 3 переключен в «открытый» («прозрачный») режим, падающее оптическое излучение проходит в оптический элемент 1 через SOE 3. Если в «открытом» состоянии находится SOE 4, а SOE 3 и 5 - в «закрытом» состоянии, падающее оптическое излучение попадает в оптический элемент 1 через SOE 4. Если в «открытом» состоянии находится SOE 5, а SOE 3 и 4 «закрыты», падающее оптическое излучение попадает в оптический элемент 1 через открытый SOE 5.
На следующем этапе способа оптическое излучение, пропущенное внутрь оптического элемента, подвергается по меньшей мере одному внутреннему отражению внутри оптического элемента. При этом для формирования первого (широкого) поля зрения в способе согласно изобретению используется фокальная система с двумя зеркалами, интегрированная в оптический элемент и реализуемая парой оптических поверхностей, включающей в себя центральную поверхность на лицевой стороне оптического элемента и соответствующую поверхность на задней стороне оптического элемента. Для формирования второго (или третьего и т.п.) более узкого поля зрения в способе согласно изобретению задействуется по меньшей мере одна афокальная система с двумя зеркалами, реализация и принцип работы которой пояснены выше и проиллюстрированы, в частности, на Фиг. 3. Следует отметить, что в оптическом элементе согласно изобретению предусмотрена по меньшей мере одна афокальная система с двумя зеркалами, при этом количество афокальных систем может быть различным в зависимости от конкретной реализации изобретения и, соответственно, изобретение может обеспечивать соответствующее количество полей зрения на датчике изображения устройства формирования изображения.
На следующем этапе способа осуществляется переключение полей зрения, формируемых на датчике изображения посредством оптического излучения, попавшего в оптический элемент и подвергнутого по меньшей мере одному внутреннему отражению в пределах оптического элемента, как описано выше. Упомянутое переключение реализуется соответствующими переключающими оптическими элементами (SOE) путем их «переключения» из «открытого» состояния в «закрытое» и наоборот за счет использования в SOE и/или оптическом элементе по меньшей мере одной оптической поверхности, выполненной с возможностью изменения свойств пропускания и/или блокирования (отражения, поглощения) оптического излучения в ответ на управляющие сигналы электрического тока низкого напряжения, выдаваемые, например, процессором, управляющим устройством формирования изображения, как описано выше.
Вышеописанное техническое решение обеспечивает достижение следующих технических эффектов. Поскольку в предлагаемой оптической системе (оптическом узле) изменение полей зрения («зумирование») осуществляется без использования подвижных компонентов оптической системы, требующих высокой точности выполнения, юстировки, наличия одного или более моторов и т.п., предлагаемая оптическая система обеспечивает возможность создания особенно компактного устройства формирования изображения, пригодного для использования в современных компактных пользовательских вычислительных устройствах, таких как, в качестве неограничивающего примера, смартфоны, планшетные компьютеры, портативные персональные компьютеры (ноутбуки, нетбуки). Также изобретение может использоваться в таких устройствах формирования изображения, как компактные фото/видеокамеры с относительно большим диапазоном изменения фокусных расстояний (зумирования). При этом, как показано выше, изобретение обеспечивает достаточно высокое качество изображения с минимальными геометрическими аберрациями. Кроме того, отсутствие подвижных компонентов в оптической системе упрощает сборку и процесс изготовления устройства формирования изображения, содержащего такую оптическую систему.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.