АФОКАЛЬНАЯ НАСАДКА ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ КАМЕР И ФОТОКАМЕР
AFOCAL ATTACHMENT FOR TV CAMERAS AND PHOTOGRAPHIC CAMERAS

Область изобретения
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к афокальным насадкам, предназначенным для увеличения фокусного расстояния объективов телевизионных камер и фотокамер с целью обеспечения высокого пространственного разрешения при регистрации объектов.
Уровень техники
Известна 4-линзовая афокальная насадка с угловым увеличением 1,5 крат для объективов видеокамер с внутренним положением входного зрачка (патент US 4171872 A, 23.10.1979, G02B 13/22).
Афокальная насадка содержит положительный двухлинзовый склеенный компонент и отрицательный двухлинзовый склеенный компонент. Недостатком этой насадки является относительно небольшое, не превышающее 1,5 крат, угловое увеличение. Для достижения больших значений увеличения масса первого склеенного компонента, выполненного в виде склейки двух линз, резко возрастает.
Известна телескопическая система Галилея 5-кратного увеличения, предназначенная для наблюдения объектов человеком (Carmen Menchaca and Daniel Malacara Design of Galilean-type telescope systems, APPLIED OPTICS / Vol.27, No.17/1 September 1988, pp.3715-3718). Существенным ограничением при использовании этой системы в качестве афокальной насадки фото- и телевизионных объективов является малый диаметр выходного зрачка, не превышающий 8 мм.
Наиболее близкой по технической сущности является 3-линзовая афокальная насадка с угловым увеличением Г=1,71 крат, предназначенная для объективов видеокамер (патент RU 2067309 C1, 27.09.2006, G02B 15/12; он же принят в качестве прототипа).
Данная афокальная насадка с угловым увеличением 1,71 крат содержит два компонента, причем первый положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, а второй, отрицательный компонент, состоит из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к объекту, и одиночной отрицательной линзы.
<mrow><mn>2</mn><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mn>4,1</mn></mrow><mo>∘</mo></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mo>.</mo><mi>З</mi><mi>Р</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>:</mo><mn>4</mn></mrow>
ВЫХ.ЗР
Угловое поле в пространстве изображений прототипа 2W′=7°. Угловое поле в пространстве объектов определяется увеличением насадки и составляет для прототипа
. Относительное отверстие афокальной насадки определяется отношением диаметра выходного зрачка D к фокусному расстоянию второго (отрицательного) компонента насадки
и для прототипа составляет
.
<mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>3,5</mn><mtext> </mtext><mi>у</mi><mi>г</mi><mi>л</mi><mo>.</mo><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow>
Кроме того, данная афокальная насадка предназначена для работы в спектральном диапазоне 486…610 нм. При этом насадка имеет высокое угловое разрешение в центре поля зрения пространства изображений - угловой размер пятна рассеяния составляет 2ΔW′=26 угл.сек=0,44 угл.мин, но низкое разрешение по полю изображения: при W′=1,8° угловой размер пятна рассеяния составляет 2ΔW=6 угл.мин, а при W′=3,5° составляет, соответственно, 2ΔW′=19 угл.мин. В пространстве объектов угловое разрешение
при W=0° составляет 2ΔW=0,26 угл.мин; при W=1,1°
и при W=2,05° соответственно 11 угл.мин.
В таблице 1 для прототипа для разных угловых полей представлены значения угловых размеров пятен рассеяния в пространстве изображений и в пространстве объектов.
Таблица 1
Насадка 1,7 крат
Пространство изображений
Пространство объектов
W′, угл.град.
2ΔW′, угл.мин
<maths num="6"><math display="block"><mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac></mrow></math><img file="00000006.tif" he="12" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>угл.град.
<maths num="7"><math display="block"><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac></mrow></math><img file="00000007.tif" he="12" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, угл.мин
0
0,5
0
0,3
1,8
6
1,1
3,5
3,5
19
2,05
11
Данная насадка имеет следующие недостатки: низкое разрешение по полю изображений и вследствие малого углового увеличения низкое разрешение в пространстве объектов, а также малое относительное отверстие.
Повысить разрешение в пространстве объектов можно за счет повышения углового увеличения. Однако коррекционные возможности прототипа ограничены увеличением 1,71 крат.
Раскрытие изобретения
Для устранения указанных недостатков в афокальной насадке, состоящей из двух компонентов, в которой первый компонент является положительным и выполнен в виде одиночной положительной линзы (1), а второй компонент является отрицательным и выполнен в виде одиночной отрицательной линзы (4), в первый компонент дополнительно введен афокальный коррекционный компонент однократного увеличения, расположенный на оптической оси между положительной линзой (1) и отрицательной линзой (4), и выполненный в виде последовательно расположенных по ходу лучей вогнуто-выпуклого отрицательного мениска (2) и выпукло-вогнутого положительного мениска (3) с равными оптическими силами, касающимися друг с другом выпуклыми поверхностями, причем фокусные расстояния менисков (2) и (3) равны фокусному расстоянию положительной линзы (1) первого компонента:
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
;
расстояние между положительной линзой (1) первого компонента и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента равно половине фокусного расстояния положительной линзы (1) первого компонента:
<mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
расстояние между менисками:
2,3
d=0;
фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно:
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>4</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mi>Г</mi></mfrac></mrow>
,
и она удалена от точки касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента на расстояние:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>d</mi><mrow><mn>3,4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>4</mn></msub><mo>'</mo><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>−</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mi>Г</mi></mfrac><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>Г</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Г</mi><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
где Г - увеличение афокальной насадки.
Данные формулы получены без учета толщин линз, т.е. для тонких оптических компонентов. Для компонентов с реальными толщинами эти формулы являются приближенными.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена оптическая схема афокальной насадки с 5-кратным угловым увеличением в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для осевого пучка лучей W=0°.
На фиг.3 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для внеосевого пучка лучей W=0,36°.
На фиг.4 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для внеосевого пучка лучей W=0,7°.
В качестве примера предлагаемой афокальной насадки приводится насадка 5-кратного увеличения.
Параметры компонентов насадки с увеличением 5 крат, рассчитанные по формулам для тонких оптических компонентов:
фокусное расстояние насадки 1, 2, 3, 4:
f′=∞;
фокусное расстояние положительной линзы (1) первого компонента:
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>216,5</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
расстояние между положительной линзой (1) первого компонента и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):
<mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>108,25</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
фокусное расстояние отрицательного мениска (2) афокального коррекционного компонента (2, 3):
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>216,5</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
фокусное расстояние положительного мениска (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>216,5</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
расстояние между менисками (2) и (3):
2,3
d=0;
фокусное расстояние афокального коррекционного компонента (2, 3):
2,3
f′=∞;
расстояние между точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента и отрицательной линзой (4) второго компонента:
<mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mn>3,4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>Г</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Г</mi><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>64,95</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно:
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>4</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mi>Г</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>43,3</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
.
В таблице 2 представлены конструктивные параметры предлагаемой насадки, оптическая схема которой приведена на фиг.1.
Таблица 2
№ поверхности
Радиус кривизны
Толщина
Стекло
Световой диаметр
1
109,516
23
ОК4
126,5
2
-786,57
78,64
126,4
3
-87,375
5
ТФ10
72,6
4
-181,765
0
73,1
5
46,952
8
БФ7
68,7
6
69,842
69,22
67,3
7
-239,785
4
КФ6
25,05
8
24,205
40
22,15
Плоскость выходного зрачка
17,6
Параметры компонентов насадки с реальными толщинами элементов: фокусное расстояние насадки (1), (2), (3), (4):
<mrow><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mn>8,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>5</mn></msup><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
фокусное расстояние положительной линзы (1) первого компонента:
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>216,5</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
расстояние между положительной линзой первого компонента (1) и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):
1,2
d=102 мм;
фокусное расстояние отрицательного мениска (2) афокального коррекционного компонента (2, 3):
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>213,4</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
фокусное расстояние положительного мениска (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>218,9</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
расстояние между менисками (2) и (3):
2,3
d=0;
фокусное расстояние афокального коррекционного компонента (2, 3):
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>2,3</mn></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>5054</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
расстояние между точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента и отрицательной линзой (4) второго компонента:
3,4
d=77 мм;
фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>4</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>43,7</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
;
увеличение афокальной насадки
x
Г=5.
Как следует из приведенных параметров компонентов насадки, они близки к теоретическим параметрам.
Расчет афокальной насадки 5-кратного увеличения проведен для таких же угловых полей в пространстве изображений, как и у прототипа, но при увеличенном относительном отверстии:
спектральный диапазон Δλ=486…610 нм;
угловое поле в пространстве изображений - 2W′=7°;
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi><mo>.</mo><mi>З</mi><mi>Р</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>4</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>:</mo><mn>2,5</mn></mrow>
относительное отверстие
.
x
<mrow><mn>2</mn><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mn>1,4</mn></mrow><mo>∘</mo></msup></mrow>
При этом из-за углового увеличения предлагаемой насадки Г=5 угловое поле в пространстве объектов -
.
На фиг.2, 3 и 4 представлены графики распределений энергии в угловом пятне рассеяния насадки в пространстве объектов для угловых полей W=0°, W=0,36° и W=0,1°. Из этих графиков следует, что по уровню энергии E=0,7 в пространстве объектов угловой размер пятна рассеяния при W=0° равен 2ΔW=0,06 угл.мин. (в пространстве изображений 2ΔW′=0,3 угл.мин), при W=0,36° равен 2ΔW=0,36 угл.мин (в пространстве изображений 2ΔW′=1,8 угл.мин) и W=0,7° равен 2ΔW=3 угл.мин (в пространстве изображений 2ΔW′=15 угл.мин).
<mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac></mrow>
В таблице 3 приведены значения углового размера пятна рассеяния предлагаемой насадки 2ΔW в пространстве изображений для заданного углового поля W′ и в пространстве объектов
для заданного углового поля
.
Таблица 3
Насадка 5 крат
Пространство изображений
Пространство объектов
W′, угл.град.
2ΔW′, угл.мин
<maths num="28"><math display="block"><mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac></mrow></math><img file="00000027.tif" he="12" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, угл.град.
<maths num="29"><math display="block"><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Г</mi></mfrac></mrow></math><img file="00000007.tif" he="12" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, угл.мин
0
о,з
0
0,06
1,8
1,8
0,36
0,36
3,5
15
0,7
3
Из сравнения таблиц 1 и 3 следует, что в пространстве объектов угловая разрешающая способность предлагаемой насадки 5-кратного увеличения в центре поля увеличена в 5 раз, в середине поля - почти в 10 раз, а на краю поля - почти в 4 раза. При этом относительное отверстие увеличено в 1,6 раза, что подтверждает положительный эффект от предлагаемого изобретения.
Специалистам в данной области техники понятно, что при таком подходе к технической задаче, который предусматривает данное решение, также могут быть получены афокальные насадки и с другим увеличением, кроме вышеуказанного 5-кратного увеличения, рассмотренного на конкретном примере - т.е. при таком подходе к конструктивному выполнению афокальной насадки, вышеуказанном выборе определенных линз, вышеуказанном выборе их определенных фокусных расстояний, вышеуказанном выборе определенных расстояний между ними, но путем изменения увеличения Г афокальной насадки в другое количество крат.
Наличие признаков, отличающих предлагаемую насадку от прототипа, подтверждает соответствие данного предложения критерию «новизна», а именно такое сочетание всех признаков устройства, не известное из научно-технической и патентной литературы, говорит о соответствии критерию «изобретательский уровень».