ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОБЪЕКТИВА-ТРАНСФОКАТОРА СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ
IMAGE STABILISED ZOOM LENS SYSTEM

Изобретение относится к конструкции оптических приборов, а именно - к конструкции высококачественных объективов-трансфокаторов с большим диапазоном увеличения, которые применяются в видеокамерах и иных съемочных устройствах и снабжены функцией оптической стабилизации изображения при вибрации или тряске.
Из уровня техники известны конструкции оптических систем в виде многокомпонентных объективов-трансфокаторов (zoom lens), которые обеспечивают масштабирование изображения и имеют конкретные характеристики по светосиле и ракурсу. Одна из таких конструкций описана в патенте США №6392816 [1]. В этом техническом решении предложена оптическая система со свойствами трансфокатора, состоящая из пяти линз или групп линз, причем изменение масштабирования обеспечивается продольным перемещением, по меньшей мере, двух линз или групп линз.
(N=140-160)
В данном решении не предусмотрено средств для борьбы с поперечным перемещением объектива, например, вследствие дрогнувшей руки оператора. В подобных конструкциях качество изображения во всем диапазоне фокусных расстояний определяется как модуляционная передаточная функция (MTF) на данной пространственной частоте T≤0.2. В этом выражении безразмерная величина T представляет собой частотно-контрастную характеристику, определяемую как отношение величины контраста репродукции (изображения, получаемого с помощью воспроизводящей системы), к контрасту соответствующей области оригинала (воспроизводимого объекта). Значение частотно-контрастной характеристики Т зависит от пространственной частоты деталей оригинала N: чем больше частота N, тем ниже T. Поэтому частотно-контрастной характеристикой называют также график зависимости T от N, измеренный с помощью некоторого стандартного тест-объекта (см. http://ni.wikipedia, org/wiki/MTF) [2].
При введении бокового смещения линз, компенсирующего смещение изображения в пределах данного пространственного угла ±0.2°, значение MTF может уменьшаться до 0,1.
Конструкции, предусматривающие возможность стабилизации аппаратуры при съемке, также широко известны. В частности, одна из таких конструкций описана в патенте США №7126760 [2], в котором предложена оптическая система со свойствами трансфокатора и с перемещаемой в поперечном направлении линзой, обеспечивающей определенный стабилизирующий эффект. Существенным недостатком такой конструкции является ее большой вес, большое число линз (15 линз) и наличие шести асферических поверхностей, сложных в производстве. Отмеченный недостаток ограничивает сферу применения такой конструкции, Тем не менее, именно это решение является наиболее близким к изобретательскому замыслу, изложенному в настоящей заявке.
(N=160)
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать такую конструкцию оптической системы, которая обеспечивала бы такую степень коррекции монохроматической и хроматической аберрации, при которой можно было бы достигнуть значения T≥0,2 при угле стабилизации ±0,2° в светосильном объективе-трансфокаторе с диапазоном 10-20× и при длине, практически равной максимальному фокусному расстоянию.
Технический результат достигается за счет усовершенствованной конструкции оптической системы со свойствами трансфокатора и с возможностью стабилизации захваченного изображения, при этом заявляемая оптическая система включает в себя тринадцать линз, объединенных в четыре блока, из которых блоки 1, 3 и 4, отсчитываемые от объекта съемки, имеют положительную рефракцию, а блок 2 имеет негативную рефракцию и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси; блок 1 состоит из четырех линз, причем внешняя поверхность первой линзы выполнена вогнутой в направлении плоскости изображения; блок 3 состоит из трех менисковых линз, чьи вогнутые поверхности направлены в сторону плоскости изображения; блок 4 выполнен в виде выпукло-вогнутой склеенной.линзы, при этом блок 3 выполнен с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси системы.
При реализации заявляемого изобретения предпочтительно выполнять блок 3 таким образом, чтобы его кратность увеличения лежала в диапазоне от -0,58 до -0,45.
При реализации заявляемого изобретения важно, чтобы апертурная диафрагма была зафиксирована по отношению к плоскости изображения.
Экспериментально найденные предпочтительные параметры используемых в заявляемом изобретении линз приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры линз
Термины в столбце «Материал» можно найти в каталогах оптических фирм http://glass.ifmo.ru/rus/prop.php?id=990 [3];
http://refractivemdex.info/index.php?group=HOYA&material [4];
http://www.knightoptical.com/php/browseCategory.php?cat=12&catClr=[5] и др.
Все асферические поверхности, используемые в данном примере реализации изобретения, выполнены с высокой точностью обработки. При этом основные параметры асферических поверхностей приведены в вышеприведенной таблице и рассчитывались по формуле:
Поведение блоков заявляемой системы при трансфокации иилюстрируется Таблицей 2.
A=0,7+δ C=7,846+t
B=32,47-δ D=3,73-t
Заявленные особенности конструкции блоков 1, 3 и 4, а также применение указанных в примере материалов при изготовлении линз позволили добиться существенных преимуществ по сравнению с прототипом [2], в частности уменьшилось число используемых линз и число асферических поверхностей, за счет чего уменьшилась общая длина объектива, улучшилось значение MTF, в частности оптическая стабилизация в диапазоне ±0,2° обеспечивает значение MTF на уровне >0,2.
Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения далее предлагаются соответствующие графические материалы.
i
i
На Фиг.1 представлен в разрезе общий вид объектива-трансфокатора согласно изобретению, где L - линза, r - радиус кривизны, блоки линз.
На Фиг.2 представлен в разрезе объектив-трансфокатор с диаграммой оптического канала, при настройке на первую конфигурацию (широкоугольный объектив).
На Фиг.3 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на первую конфигурацию (широкоугольный объектив).
На Фиг.4 представлен вид в разрезе объектива-трансфокатора с диаграммой оптического канала при настройке на вторую конфигурацию.
На Фиг.5 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на вторую конфигурацию.
На Фиг.6 представлен в разрезе вид объектива-трансфокатора с диаграммой оптического канала при настройке на третью конфигурацию.
На Фиг.7 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на третью конфигурацию.
На Фиг.8 представлен в разрезе вид объектива-трансфокатора с диаграммой оптического канала при настройке на четвертую конфигурацию.
На Фиг.9 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на четвертую конфигурацию.
На Фиг.10 представлен в разрезе вид объектива-трансфокатора с диаграммой оптического канала при настройке на пятую конфигурацию (телеобъектив).
На Фиг.11 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на пятую конфигурацию (телеобъектив).
Заявляемое изобретение может найти применение в проектировании объективов-трансфокаторов, используемых в съемочной аппаратуре, обеспечивая качественную съемку с руки или с движущейся платформы без привлечения средств механической или электронной стабилизации.