ДЕСЯТИКРАТНЫЙ УЛЬТРАКОМПАКТНЫЙ ВАРИООБЪЕКТИВ С МАКРОРЕЖИМОМ
TEN-FOLD ULTRA-COMPACT VARIFOCAL LENS WITH MACRO-MODE

Изобретение относится к области оптики, а более конкретно - к конструированию объективов с переменным фокусным расстоянием (часто обозначаемым терминами «вариообъектив» или «зум»), которые широко применяются в профессиональной и любительской фото- и видеоаппаратуре.
Известны различные конструкции вариообъективов, при этом некоторые из них отличаются большим диапазоном финансовых расстояний, сохраняя относительно небольшие линейные размеры. Совместить два этих признака достаточно сложно из-за особенностей конструкции многолинзовой оптической системы, обеспечивающей возможность получения качественных снимков в режиме ТЕЛЕ и МАКРО.
Среди наиболее удачных конструкций следует упомянуть патент США №6762886 [1], в котором описана конструкция десятикратного широкоугольного объектива с переменным фокусным расстоянием (см. Фиг.8). Объектив имеет следующие основные характеристики:
- перепад фокусных расстояний: 10х
- фокусное расстояние: 46/4,4 мм
- угловое поле: 68,58/7,462 град
- подвижные компоненты: 2 и 4
- число линз: 13
- число асферических поверхностей: 3.
Недостатком такой конструкции является наличие значительного числа линз, из которых три имеют асферические поверхности, что усложняет производство таких объективов и вызывает проблемы с миниатюризацией объективов, выполненных по такой схеме.
В качестве наиболее близкого к заявляемому изобретению можно сослаться на техническое решение, описанное в патенте США №6982835 [2]. В этом документе предложен объектив с переменным фокусным расстоянием, составленный из четырех групп линз (компонентов). Основные характеристики решения [2], схема которого приведена на Фиг.9, несколько отличаются от решения [1], а именно:
- перепад фокусных расстояний: 10х
- фокусное расстояние: 49,5/5,18 мм
- угловое поле: 63,5/6,82 град
- подвижные компоненты: 2 и 4
- число линз: 14
- число асферических поверхностей: 4
- полная длина: 85,49 мм.
Решение [2] имеет те же недостатки, что и решение [1], причем число линз и число асферических поверхностей даже несколько больше, чем в [1]. Тем не менее представляется возможным выбрать решение [2] в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать конструкцию объектива с переменным фокусным расстоянием, причем число линз и асферических поверхностей должно быть меньше, чем в прототипе [2], при сохранении или превышении функциональных возможностей объектива по схеме прототипа [2].
Технический результат достигнут за счет разработки объектива с переменным фокусным расстоянием (вариообъектива), состоящего из четырех последовательно расположенных вдоль оптической оси компонентов: первого положительного компонента, второго отрицательного компонента, третьего и четвертого положительных компонентов, отличающегося тем, что
- первый компонент является неподвижным в режиме зуммирования и подвижным в макрорежиме и представляет собой склейку положительной и отрицательной линз;
- второй компонент является подвижным и составлен из двояковогнутой отрицательной линзы и склейки положительной и отрицательной линз;
- затвор с апертурной диафрагмой, снабженной двумя фиксированными отверстиями, расположен между вторым и третьим подвижными компонентами и выполнен с возможностью перемещения совместно с третьим компонентом;
- расстояние от центра затвора до CCD матрицы (аббревиатура от английского термина «Charge-Coupled Device», известна также как ПЗС-матрица) лежит в диапазоне 0,42…0,50 общей длины объектива;
- третий компонент является подвижным и составлен из склейки положительной и отрицательной линз, а также отрицательного мениска;
- четвертый компонент является подвижным и составлен из склейки отрицательной и положительной менисковых линз и положительной линзы.
Для нормального функционирования заявляемого объектива важно, чтобы в режиме зуммирования перемещение третьего компонента имело колебательный характер с двумя экстремальными значениями.
Для нормального функционирования заявляемого объектива важно, чтобы в макрорежиме первый, второй и третий компоненты вариообъектива перемещались совместно, при этом точная фокусировка объектива для разных фокусных расстояний и разных дальностей съемки обеспечивается за счет независимого перемещения четвертого компонента от цепи автофокусировки.
Такое техническое решение позволило создать ультракомпактный вариообъектив с большим перепадом фокусного расстояния и макрорежимом. При этом было достигнуто значительное упрощение оптической схемы за счет уменьшения числа линз до одиннадцати (по сравнению с четырнадцатью в конструкции прототипа [2]) и асферических поверхностей (две вместо четырех) с поддержанием обеспечиваемого в прототипе [2] качества изображения, в том числе и при большом угловом поле (>60 град в широкоугольном режиме). Уменьшение общего числа линз и числа асферических поверхностей упрощает производство таких вариообъективов. По сравнению с размерами конструкции-прототипа (85,49 мм) заявляемая конструкция при ее экспериментальной реализации имела полную длину, не превышающую 33 мм в рабочем состоянии. Кроме того, заявленная конструкция позволяет выполнить ее складной, причем в сложенном виде ее размер не превышал 14,5 мм.
Существо заявляемого изобретения поясняется далее с привлечением графических материалов.
Фиг.1. Оптическая схема реализованного объектива в сложенном состоянии (полная длина L=14,3 мм) согласно изобретению.
Фиг.2. ТЕЛЕ режим (f=40,821 mm)
Фиг.3. ТЕЛЕ + МАКРО режим @ L=1600 mm
Фиг.4. ТЕЛЕ + МАКРО режим @ L=800 mm
Фиг.5. ШИРОКОУГОЛ режим (f'=4,300 mm)
Фиг.6. ШИРОКОУГОЛ + МАКРО режим @ L=200 mm
Фиг.7. ШИРОКОУГОЛ + МАКРО режим @ L=100 mm
Фиг.8. Схема аналога [1]
Фиг.9. Схема прототипа [2].
Объектив с переменным фокусным расстоянием состоит из последовательно расположенных на оптической оси компонента 1, который является неподвижным при зуммировании и подвижным при макрорежиме, подвижных компонентов 2 и 4, подвижного компонента 3, перемещающегося по колебательному закону.
Компонент 1 представляет собой двухлинзовую склейку. Компонент 2 выполнен в виде отрицательной линзы и склейки из двух линз. Компоненты 3 и 4 выполнены в виде одиночной линзы и склейки из двух линз. Одиночная линза компонента 3 выполнена в виде мениска, а компонента 4 - в виде двояковыпуклой линзы.
Компоненты 2 и 4 установлены с возможностью смещения вдоль оптической оси по заданному закону в зависимости от требуемой величины фокального расстояния объектива.
Апертурная диафрагма 5 затвора размещена между слабо подвижным компонентом 3 и подвижным компонентом 2. Для иллюстрации на Фиг.1 показаны также инфракрасный фильтр 6 и CCD матрица 7.
Особенностью компонента 1 является его способность оставаться неподвижным при работе в режиме зуммирования и перемещаться вдоль оптической оси при работе в макрорежиме.
Ниже приведен пример конкретного выполнения объектива с переменным фокусным расстоянием согласно настоящему изобретению.
В таблице 1 приведены конструктивные параметры объектива - радиусы R кривизны поверхностей, толщины промежутков D между компонентами и марки стекол линз. Номера поверхностей приведены в возрастающем порядке от внешней поверхности компонента 1.
В таблице 2 приведены коэффициенты асферичности двух поверхностей.
В таблице 3 приведены размеры переменных воздушных промежутков для нескольких ZOOM-позиций. Апертурная диафрагма 5, расположенная между компонентами 2 и 3, имеет два рабочих диаметра ~1,39 мм и ~1,47 мм.
Таблица 1
№
Радиус кривизны поверхности (R)
Размер промежутка (D)
Марка стекла
1*
11,482
4,01
N-PSK57
2
-19,051
0,43
S-NPH1
3
-48,410
D1 (переменный)
4
-40,958
0,40
FPL51
5
22,306
0,05
6
31,516
1,82
S-NPH1
7
-14,269
0,40
LAH65
8
3,445
D2 (переменный)
9
∞ (stop)
0,50
10
7,591
0,40
S-NPH1
11
6,422
0,69
LAL18
12
-42,851
0,05
13
10,562
0,42
N-PK52A
14
11,125
D3 (переменный)
15
-4,194
0,40
S-NPH1
16
-8,507
1,11
S-FPL51
17
-3,952
0,05
18
410,164
0,89
S-FPL51
19*
-6,803
D4 (переменный)
20
∞
0,30
21
∞
0,20
Примечание: поверхности, к номерам которых в первой колонке таблицы 1 добавлена *, являются асферическими. Коэффициенты асферичности приведены в таблице 2.
Таблица 2
№
К
А4
А6
А8
А10
1
-0,429632
-2,23847е-05
3,32662е-07
-6,55779е-09
3,70183е-11
19
5,7268е-3
2,3664е-03
-4,81251e-05
1,24282е-05
-3,86598е-07
Таблица 3
F
D1
D2
D3
D4
Описание позиции
1
40,820
8,73
2,12
8,53
1,00
ТЕЛЕ
2
44,351
8,73
2,12
9,50
2,03
ТЕЛЕ + МАКРО (800)
3
4,300
0,08
10,77
1,75
7,78
ШИРОКОУГОЛ
4
4,270
0,08
10,77
1,58
8,00
ШИРОКОУГОЛ + МАКРО (100)
Изготовленный согласно изобретению объектив предназначен для использования в мобильных телефонах и ультракомпактных фотокамерах для получения цветных снимков с различным масштабом. При этом такой объектив имеет следующие характеристики:
- перепад фокусного расстояния: 10х
- фокусное расстояние: 40,82…4,30 мм
- диафрагменное число F#: 3,03…4,39
- угловое поле 2w, градусов: 7.9…67.26
- диапазон длин волн: видимый
- СКО волновой аберрации <1λ.
Следует отметить, что описанный вариант реализации изобретения приведен лишь в порядке иллюстрации, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации этого технического решения, не выходящие за рамки притязаний, изложенных в формуле изобретения.