Обзор панкратических объективов для телевизионных систем

УДК 531.383

ОБЗОР ПАНКРАТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ

В. А. Горячева

Рассмотрены общие принципы конструирования панкратических объективов. Приведены схемы некоторых панкратических объективов для телевизионных систем.

Ключевые слова: телевизионная система, панкратический объектив, компонент, аберрация.

Современный оптико-электронный прибор должен иметь большое поле зрения для обнаружения быстроперемещающихся предметов и слежения за ними и, одновременно, достаточное увеличение для распознавания предметов, находящихся на больших расстояниях. Выполнить эти требования одновременно невозможно. В связи с этим находят все более широкое применение панкратические объективы - оптические системы с плавным изменением увеличения и, соответственно, поля зрения.

Панкратическая система должна удовлетворять следующим условиям:

- во всем диапазоне изменения фокусного расстояния изображение должно оставаться неподвижным, оставаясь в плоскости фоточувствительного слоя приемной матрицы;

- во всем диапазоне изменения фокусного расстояния положение выходного зрачка не должно изменяться - это позволит минимизировать аберрации изображения;

- во всем диапазоне изменения фокусного расстояния должно обеспечиваться требуемое качество изображения.

Во многих панкратических объективах каждый компонент реализуется как ахромат. При этом небольшой остаточный хроматизм остается почти постоянным во всем диапазоне перемещения компонентов.

Проектируя четырехкомпонентный панкратический объектив, можно задать, например, чтобы первый и четвертый компоненты были неподвижные, а второй и третий - подвижные. Первый компонент должен обеспечивать постоянное положение фокуса объектива независимо от положения подвижных компонентов, а апертурная диафрагма должна располагаться вблизи четвертого компонента [3].

Изменение линейного увеличения, осуществляемое одной группой линз, изменяет расстояние между предметом и изображением для данной группы. Для тонкой линзы с фокусным расстоянием /'расстояние между предметом и изображением

I = I

' 1Л

2 - V--

V

V у У

где V- линейное увеличение (обычно величина V отрицательна) [1].

То есть перемещение компенсатора (компонента, сохраняющего положение фокуса) будет минимальным, если линейное увеличение системы изменяется симметрично относительно единичного увеличения. Например, если диапазон линейного увеличения системы составляет 4:1, линейное увеличение вариатора (компонента, осуществляющего изменение увеличения) изменяется от 0,5 до 2.

По такому принципу сконструирован объектив (патент США 685,945), схема которого приведена на рис. 1 [3].

Фокусное расстояние объектива изменяется в диапазоне 103...506 мм; относительное отверстие составляет 1:5,7; положение выходного зрачка меняется с изменением фокусного расстояния.

Первые четыре дублета составляют афокальную систему. Первый и четвертый дублеты одинаковы, так же, как и второй, и третий. Пятый дублет фокусирует коллимированный пучок и формирует действительное изображение. Все дублеты являются апохроматами, что автоматически корректирует хроматизм положения и увеличения, выраженные через коэффициенты Зейделя С и С2 соответственно во всем диапазоне перемещения компонентов. Сумма Петцваля не зависит от положения компонентов [3].

Рассматривая афокальную часть системы отдельно, можно найти положение единичного увеличения (рис. 1), в котором афокальная система является симметричной; если диафрагма расположена в центре афокальной системы, аберрации нечетных порядков равны нулю, то есть из рассматриваемых аберраций - сферическая аберрация, астигматизм, кривизна поля, соответственно 51, и Б4 - имеем постоянную аберрацию 54.

Рис. 1. Панкратический объектив

Все геометрические аберрации, скорректированные для конфигурации, имеющей увеличение л/5, скорректированы и для конфигурации с

увеличением 1Л/5.

Таким образом, для конфигурации с единичным увеличением рассматриваются сферическая аберрация и астигматизм, характеризуемые коэффициентами Зейделя 51, 53 соответственно, для конфигурации, имеющей увеличение л/5 - сферическая аберрация, кома, астигматизм и дисторсия,

203

выраженные через коэффициенты Зейделя Б1, Б2, Б3 и соответственно. Данный пример иллюстрирует три основных принципа конструирования панкратических систем [3]:

расположение компонентов - положительный-отрицательный-отрицательный-положительный - является подходящим для реализации широкого диапазона изменения увеличения;

каждый компонент является ахроматом;

последний неподвижный компонент исправляет аберрации предыдущей части объектива.

Более современный панкратический объектив (патент США 4,763,998) (рис. 2) также состоит из четырех компонентов и имеет перепад увеличения с 1 до 11,5 [3]. Последний неподвижный компонент более сложный, чем в предыдущем случае, фокусировка осуществляется перемещением передних компонентов. Диапазон изменения фокусного расстояния от 10 до 114,5 мм; линейное поле зрения в пространстве изображений составляет 35 мм; относительное отверстие 8=1:1,56, что обеспечивает высокую светосилу прибора.

Объектив имеет неисправленную дисторсию, варьируемую от 4 до 8 % в зависимости от фокусного расстояния.

Рис. 2. Панкратический объектив

Объектив (патент США 4,560,253) состоит из двух компонентов, причем первый компонент содержит одну асферику (рис.3, а) [3]. Первые три линзы объектива исправляют сферическую аберрацию.

Диапазон изменения фокусного расстояния объектива 36 ... 68 мм; относительное отверстие порядка 1:3,8; линейное поле в пространстве изображений 2_у'=35 мм; значение контраста на пространственной частоте 30 мм-1 для поля 2у'=16,4 мм составляет в меридиональной плоскости около 0,39; в сагиттальной плоскости - 0,17; для поля 2у-22,5 мм значение контраста в меридиональной плоскости составляет 0,43; в сагиттальной -0,15; для поля 2^-31,2 мм в меридиональной плоскости - 0,4; в сагиттальной - 0,55. Астигматизм и кривизна поля окончательно не скорректирова-

204

ны (рис. 3, б). При фокусном расстоянии 36 мм объектив имеет неисправленную дисторсию. Также с изменением фокусного расстояния изменяются положение выходного зрачка и длина объектива.

пространственные частоты

\=0; >=0 >-22.5

а б

Рис. 3. Панкратический объектив (патент США 4,560,253): а - оптическая схема; б - зависимость величины контраста

от поля для трех пространственных частот - 30; 15; 7,5

Другой объектив (патент США 5,296,969) состоит из четырёх компонентов (подвижными являются второй, четвертый) и имеет 2 асферики [3]. Четвёртый компонент осуществляет фокусировку системы, что позволяет уменьшить размер переднего компонента.

Диапазон изменения фокусного расстояния составляет /'=6,7...50,4 мм; относительное отверстие 8=1:1,54; линейное поле в пространстве изображений 2у'=25,5 мм. Значение контраста на пространственной частоте 50 мм-1 для поля 25,2 мм составляет в меридиональной плоскости около 0,25; в сагиттальной плоскости - 0,45. Кроме того, в данной системе не устранен астигматизм. Следует отметить, что при изменении фокусного расстояния изменяется положение выходного зрачка объектива.

На рис. 4 приведен 10-кратный механически компенсируемый объектив (10х МКПО) [4]. Фокусное расстояние изменяется в диапазоне от 15 до 150 мм; размер изображения 2у'=16 мм; относительное отверстие составляет 8=1:2,4, что обеспечивает высокую светосилу.

В данной системе не скорректированы дисторсия, кривизна поля, сферическая аберрация.

Светосильный объектив с диапазоном изменения фокусного расстояния Д/-100...200 мм при небольшой кратности имеет высокие частотно-контрастные характеристики. Так, на частоте 50 мм-1 величина контраста равна 0,7 [4].

Панкратический объектив нормальной светосилы с диапазоном изменения фокусного расстояния Д/-25...125 мм и светосильный панкрати-ческий объектив с диапазоном изменения фокусного расстояния

205

Д/-20...110 мм имеют подвижную апертурную диафрагму, в результате чего с изменением фокусного расстояния меняется освещенность изображения [4]. Также в данных системах неустранен астигматизм. Те же недос-таткиимеет панкратический объектив средней светосилы с диапазоном изменения фокусного расстояния Д/-12...234 мм [4].

Объектив «Алькор-7» имеет исправленные хроматические аберрации, дисторсию [2]. Относительное отверстие составляет 8=1:4, диапазон изменения фокусных расстояний Д/'=59,7...360 мм. Значение контраста на пространственной частоте 50 мм-1 равно 0,63.

Светосильный панкратический объектив (патент 5,424,869 США) имеет диапазон изменения фокусных расстояний Д/'=5,3...30,7 мм; линейное поле 2у'=5 мм; значение контраста на пространственной частоте 50 мм-1 равно 0,65 [3]. Система имеет неисправленную дисторсию.

Объектив (патент 2289833 РФ) относится к объективам с переменным фокусным расстоянием [5].

Второй и четвертый компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а сумма оптических сил компонентов не превышает 0,00036 мм-1.

Объектив работает в спектральном диапазоне Х=770...910 нм, фокусное расстояние объектива изменяется в пределах от 13,6 до 80 мм, относительное отверстие 8=1:2,6.1:2,5, поле зрения 2ш=26°29,х240...4035,х3026'. Сферохроматизм не более 0,016 мм, астигматизм не более 0,016 мм, относительная дисторсия 1 %, аберрации широких пучков не более 0,02 мм.

Оптическая схема такой системы не позволяет получить диапазон изменения фокусных расстояний объектива более 5-кратного при сохранении требуемого качества изображения.

Объектив (патент 2262727 РФ, рис. 5) может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице [6].

206

Второй и третий компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Обеспечивается расширение диапазона изменений фокусных расстояний панкратического объектива при одновременном сохранении высокого качества изображения.

Рис. 5. Панкратический объектив

Объектив имеет рабочий диапазон Х=500...900 нм; фокусное расстояние /-23...276 мм; задний фокальный отрезок объектива 31,7 мм; относительное отверстие 1:2,5.1:2,5; поле зрения 2ш=20°22\..1°40\ Сферическая аберрация не превышает 0,01 мм, астигматизм - не более 0,02 мм, относительная дисторсия 2 %, аберрации широких пучков - не более 0,018 мм. Объектив позволяет получить большой перепад фокусных расстояний при сохранении требуемого качества изображения.

Характеристики рассмотренных панкратических объективов приведены в табл.1 и табл.2.

В табл. 2 приводится число С, выражающее приближенную зависимость между оптическими характеристиками и габаритами, рассчитанное по следующей формуле [2]:

С =_7тах _

С 12 • Г ,

Ь _ ' тах

4~т

где /'тах - максимальное фокусное расстояние системы; е - относительное отверстие; т - кратность изменения фокусных расстояний; Ь- общая длина системы. Константа С характеризует добротность системы.

В табл. 1 используются следующие обозначения: /'тп - минимальное значение фокусного расстояния, выраженное в миллиметрах; /'тах - максимальное значение фокусного расстояния; А/' - диапазон изменения фокусных расстояний; Ы/'тах - отношение общей длины системы к максимальному значению фокусного расстояния; К - диафрагменное число; 2_у' - линейное поле зрения системы в пространстве изображений; Т- меридиональная плоскость; £ - сагиттальная плоскость.

Таблица 1

Характеристики панкратических объективов

№ п/п Наименование объектива Число компонентов/ номер подвижного компонента Число линз/число асферик (если имеются) Ь, мм У тт-, мм У М№ мм 2у', мм

1 Панкр. объектив, Д/'=25.125 мм 5/ 2.4 21 476 25 125 52

2 Патент 2289833 РФ 4/ 2; 3 12 367 13,6 80 7

3 Панкр. объектив, Д/'=20...110 мм 4/ 2; 3 14 404,5 20 110 32

4 Панкратический объектив, 100.200 мм 5/ 2.4 14 367 100 200 62

5 Патент 685,945 США 4/ 2; 3 10 636 103 506 42

6 10х МКПО 4/ 2; 3 14 311 15 150 32

7 Панкр. объектив, Д/'=12...234 мм 4/ 2; 3 15 303,5 12 234 16

8 Алькор-7 5/ 2.4 15 412,7 59,7 360 12

9 Патент 2262727 РФ 4/ 2; 3 16 367 23 276 8,5

10 Патент 4,560,253 США 2/ 1; 2 6/1 98 36 68 32

11 Патент 5,424,869 США 4/ 2; 4 9 54 5,3 30,7 5

12 Патент 4,763,998 США 4/ 2; 4 16/2 159 10 114 11

13 Патент 5,296,969 США 4/ 2; 4 9 60 6,7 50,4 25,5

Оптические характеристики панкратических объективов - кратность, пределы абсолютных значений изменения фокусных расстояний, относительное отверстие, углы поля зрения - целиком зависят от числа компонентов, входящих в систему и ее габаритов [2]. Так, четырехкомпо-нентные светосильные малогабаритные системы с двух-трехкратным изменением фокусных расстояний содержат 9 - 14 линз, а объективы с широким интервалом изменения фокусных расстояний (восьмидесятикратным) содержат 15 - 18 линз и более. Константа С, характеризующая добротность системы, для хороших объективов имеет значение выше 0,4 [2].

Таблица 2

Относительные характеристики панкратических объективов,

отн.ед.

№ п/п Наименование объектива Ь//[ ШйХ Ш К Значение контраста на пространственной частоте 50 мм-1 С

в центре поля на краю поля

Т 5

1 Панкр. объектив, Д/-25...125 мм 3,8 5,0 4,0 0,75 0,25 0,55 0,08

2 Патент 2289833 РФ 4,6 5,9 2,6 0,49 0,35 0,63 0,09

3 Панкр. объектив, Д/-20...110 мм 3,7 5,5 2,0 0,6 0,3 0,4 0,16

4 Панкратический объектив, 100...200 мм 1,8 2,0 5,0 0,7 0,7 0,5 0,20

5 Патент 685,945 США 1,3 4,9 5,7 0,6 0,3 0,5 0,25

6 10х МКПО 2,1 10,0 2,4 0,6 0,25 0,2 0,25

7 Панкр. объектив, Д/-12...234 мм 1,3 19,5 2,9 0,65 0,55 0,65 0,34

8 Алькор-7 1,2 6,0 4,0 0,63 0,55 0,6 0,38

9 Патент 2262727 РФ 1,3 12,0 2,5 0,7 0,28 0,47 0,41

10 Патент 4,560,253 США 1,4 1,9 3,8 0,6 0,3 0,45 0,46

11 Патент 5,424,869 США 1,8 5,8 1,7 0,65 0,35 0,45 0,47

12 Патент 4,763,998 США 1,4 11,4 1,6 0,7 0,3 0,4 0,60

13 Патент 5,296,969 США 1,2 7,5 1,5 0,75 0,3 0,45 0,86

К примеру, панкратический объектив, стоящий под пунктом 9, относится к объективам хорошего качества, а с помощью четырехкомпо-нентных объективов (пункты 11 - 13), имеющих большую кратность изменения фокусных расстояний и большое относительное отверстие, можно получить более высокое качество изображения.

Полученное значение коэффициента C, равное 0,86, объектива пункта 13 можно объяснить большой кратностью объектива, его высокой светосилой и близким значением максимального фокусного расстояния к общей длине объектива, а малые значения коэффициента C объективов пунктов 1-3 - большой величиной отношения общей длины системы к максимальному значению фокусного расстояния Llf'max.

В заключение следует отметить, что методы расчета панкратиче-ских объективов разработаны в недостаточной мере и формирование каталога из существующих панкратических объективов позволит создать определенный метод синтеза таких систем.

Список литературы

1. Пахомов И.И. Панкратические системы. М.: Машиностроение, 1976. 160 с.

2. Волосов Д.С. Фотографическая оптика: Теория, основы проектирования, оптические характеристики: учебное пособие для киновузов. 2-е изд. М.: Искусство, 1978. 543 с.

3. M.J. Kidger. Intermediate optical design. p.cm. SPIE Press monograph; PM134. 2004.

4. M. Laikin. Lens design. 4th ed. p.cm. Optical science and engineering series, 121. 2006.

5. Вариообъектив: пат. 2289833 РФ. Опубл. 20.12.2006.

6. Вариообъектив: пат. 2262727 РФ. Опубл. 20.10.2005.

Горячева Варвара Александровна, асп., irina-goriacheva31 aramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ZOOM LENSES OF TELEVISION SYSTEMS REVIEW V.A. Goryacheva

General principles of zoom lenses design are considered. Some zoom lenses of television systems are given.

Key words: television system, zoom lens, component, aberration.

Goryacheva Varvara Alexandrovna, postgraduate, irina-goriacheva31 a ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University