ВАРИООБЪЕКТИВ
VARIABLE FOCUS LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам с переменным фокусным расстоянием, и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице.
Известен вариообъектив[1], содержащий пять компонентов, причем первый, четвертый и пятый компоненты положительные, а второй и третий компоненты отрицательные и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Первый компонент содержит положительную двусклеенную линзу и положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент содержит одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двусклеенную линзу, состоящую из двояковогнутой линзы и положительного мениска. Третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент содержит две положительные линзы. Пятый компонент содержит две группы линз, первая группа включает положительную линзу, отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, вторая группа линз содержит положительную линзу, отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительную линзу.
Апертурная диафрагма расположена между четвертым и пятым компонентами. Данная конструкция объектива обеспечивает почти 8-кратное изменение фокусного расстояния. Недостатком вариообъектива является относительно невысокое качество изображения по всему полю зрения для всего диапазона фокусных расстояний (сферическая аберрация составляет 0,05 мм, астигматизм 0,13 мм, дисторсия не менее 3%).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по техническому решению является объектив с переменным фокусным расстоянием [2], предназначенный для использования в видеокамерах с формированием изображения на ПЗС-матрице. Вариообъектив содержит четыре компонента, из которых первый и четвертый компоненты положительные, а второй и третий компоненты отрицательные и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Первый компонент содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, и положительный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Второй компонент содержит две отрицательные линзы, вторая из которых склеена из отрицательного и положительного менисков, обращенных вогнутой поверхностью к пространству изображений. Третий компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, содержащей положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, и двояковогнутую линзу. Четвертый компонент содержит две группы линз, отстоящих друг от друга на расстоянии не менее половины заднего фокального отрезка, из которых первая по ходу луча группа включает последовательно двусклеенную линзу и два положительных мениска, обращенных вогнутыми поверхностями к пространству изображений, вторая группа содержит положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, и положительную двусклеенную линзу. Апертурная диафрагма расположена перед четвертым компонентом. Данная конструкция объектива обеспечивает высокое качество изображений для поля зрения 2W не более 21°. Относительная дисторсия для максимального угла поля зрения достигает 2%. Недостатком прототипа является то, что его оптическая схема не позволяет увеличить поле зрения при сохранении высокого качества изображения.
Задачей изобретения является увеличение поля зрения и уменьшение относительной дисторсии при одновременном сохранении высокого качества изображения во всем диапазоне изменений фокусных расстояний вариообъектива, составляющем не менее 5,5 крат.
1
2
3
2
1
4
Вариообъектив содержит четыре компонента и апертурную диафрагму, расположенную перед четвертым компонентом, первый и четвертый компоненты которого положительные, а второй и третий компоненты отрицательные и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом первый компонент содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы, и положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй компонент содержит две отрицательные линзы, одна из которых выполнена двояковогнутой, другая - мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, третий компонент выполнен в виде отрицательной линзы, склеенной из положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, и двояковогнутой линзы, четвертый компонент содержит четыре положительные линзы, первая из которых выполнена двусклеенной, вторая - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, в отличие от прототипа, в первом компоненте между положительной двусклеенной линзой и положительным мениском введена положительная линза, первой отрицательной линзой второго компонента является мениск, второй отрицательной линзой является двояковогнутая линза, после которой введен положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, двусклеенная линза четвертого компонента содержит двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, между второй и третьей положительными линзами введен отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, после третьей положительной линзы, выполненной двояковыпуклой, введены два отрицательных мениска, обращенных выпуклой поверхностью к пространству изображений, четвертая положительная линза выполнена двояковыпуклой, в четвертом компоненте расстояние между вторым отрицательным мениском и двояковыпуклой линзой составляет не менее 0,34 фокусного расстояния этого компонента, отношения фокусных расстояний первого f' и второго f' компонентов, третьего f' и второго f' компонентов, первого f' и четвертого f' компонентов составляют:
1
2
-2,4<f'/f'<-2,3
3
2
0,7<f'/f'<0,73
1
4
l,7<f'/f'<1,8.
Введение дополнительной положительной линзы в первый компонент, а также введение дополнительного положительного мениска во второй компонент позволило увеличить поле зрения по сравнению с прототипом. Введение отрицательного мениска между второй и третьей положительными линзами четвертого компонента, а также двух отрицательных менисков после его третьей положительной линзы и выбор расстояния между вторым отрицательным мениском и четвертой положительной линзой не менее 0,34 фокусного расстояния четвертого компонента позволило исправить относительную дисторсию до величины не более 0,8% во всем диапазоне изменений фокусных расстояний, а также исправить сферическую аберрацию при большом фокусном расстоянии. Конструкция второго компонента и его перемещение позволяет исправить полевые аберрации широких наклонных пучков в области малых фокусных расстояний. Выбор отношений фокусных расстояний первого и второго компонентов, третьего и второго компонентов, первого и четвертого компонентов, удовлетворяющих следующим соотношениям:
1
2
-2,4<f'/f'<-2,2
3
2
0,7<f'/f'<0,75
1
4
l,7<f'/f'<1,8,
позволил получить конструкцию вариообъектива с диапазоном изменения фокусных расстояний не менее 5,8 крат при сохранении высокого качества изображения.
Предлагаемый вариообъектив работает в спектральном диапазоне λ=(680…820)нм, фокусное расстояние объектива изменяется в пределах от 38,7 мм до 226,3 мм, относительное отверстие 1:4. Угол поля зрения 2W=31°…5,4°. Относительная дисторсия во всем диапазоне изменений углов полей зрения не превышает 0,8%. Сферохроматическая аберрация не превышает 0,016 мм, астигматизм не более 0,06 мм, аберрации широких пучков не более 0,018 мм во всем диапазоне изменений фокусных расстояний.
На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого вариообъектива.
e
е
На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз вариообъектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n- показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), v- число Аббе для линии е, f' -  фокусное расстояние вариообъектива.
На фиг.3 приведены графики относительной дисторсии для минимального и максимального фокусного расстояния вариообъектива.
На фиг.4 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на оси для фокусного расстояния f'=38,7 мм.
На фиг.5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W=31° для фокусного расстояния f'=38,7 мм.
На фиг.6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на оси для фокусного расстояния f'=226,3 мм.
На фиг.7 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) в точке на краю поля зрения 2W/=5,42° для фокусного расстояния f'=38,7 мм.
Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения, приведенной ниже.
λ, мкм
680
725
766,5
775
820
С
0,1
0,8
1
0,8
0,1
Вариообъектив (фиг.1) состоит из четырех компонентов 1-4. Компонент 1 содержит положительную линзу, склеенную из отрицательного мениска 5, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы 6, двояковыпуклую линзу 7, положительный мениск 8, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов. Компонент 1 положительный и неподвижный и его фокусное расстояние равно 142,7 мм.
Компонент 2 содержит отрицательный мениск 9, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, двояковогнутую линзу 10 и положительный мениск 11, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов. Фокусное расстояние компонента - 60,9 мм. Перемещением вдоль оптической оси этого компонента достигается изменение фокусного расстояния объектива.
Компонент 3 выполнен в виде отрицательной линзы, склеенной из положительного мениска 12, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, и двояковогнутой линзы 13. Его фокусное расстояние равно -43,8 мм. Перемещение вдоль оптической оси этого компонента обеспечивает неподвижность плоскости изображений во всем диапазоне изменения фокусных расстояний объектива.
Компонент 4 содержит первую положительной линзу, склеенную из двояковыпуклой линзы 14 и двояковогнутой линзы 15, вторую положительную линзу, выполненную в виде положительного мениска 16, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, отрицательный мениск 17, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, третью положительную линзу, выполненную двояковыпуклой линзой 18, два отрицательных мениска 19,20, обращенных выпуклой поверхностью к пространству изображений, четвертую положительную линзу, выполненную двояковыпуклой линзой 21. Расстояние между отрицательным мениском 20 и четвертой положительной линзой 21 равно 29,2 мм, что составляет 0,357 фокусного расстояния четвертого компонента. Компонент 4 положителен и неподвижен. Фокусное расстояние компонента равно 81,9 мм.
Фокусные расстояния компонентов приведены для λ=766,5 нм.
Апертурная диафрагма расположена перед четвертым компонентом. Рабочая область спектра (680…820)нм выделяется светофильтром 22.
В положении, при котором второй и третий компоненты занимают крайнее левое положение, вариообъектив имеет минимальное фокусное расстояние 38,8 мм. При перемещении компонента 2 вправо к компоненту 3 на расстояние 49,1 мм, а компонента 3 вправо по направлению к неподвижному компоненту 4 на расстояние 27,4 мм фокусное расстояние объектива плавно увеличивается до 226,9 мм.
max
max
Выбор отношений фокусных расстояний первого и второго компонентов равных  2,34, отношений фокусных расстояний третьего и второго компонентов равных 0,719, а отношений фокусных расстояний первого и четвертого компонентов равных 1,743 позволил получить конструкцию вариообъектива с диапазоном изменения фокусных расстояний не менее 5,8 крат при сохранении высокого качества изображения, при этом длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения равна 279,9 мм, что составляет l,23f', где f' - максимальный фокус вариообъектива.
Вариообъектив имеет следующие характеристики:
- фокусное расстояние
38,83…226,96 мм
- относительное отверстие
1:4…1:4
- поле зрения
2W=31°…5°22'
При фокусном расстоянии f'=38,83 мм сферическая аберрация составляет 0,005 мм, сферохроматизм не более 0,02 мм, астигматизм не более 0,04 мм, относительная дисторсия не более 0,5%.
При фокусном расстоянии f=226,96 мм сферическая аберрация не более 0,005 мм, сферохроматизм не более 0,015 мм, астигматизм не более 0,02 мм, относительная дисторсия не более 0,6%. Значения аберраций приведены в единой плоскости изображения.
Таким образом, предложенный вариообъектив позволяет получить увеличение поля зрения, уменьшение относительной дисторсии при одновременном сохранении высокого качества изображения во всем диапазоне изменений фокусных расстояний вариообъектива, составляющем не менее 5,8 крат, по сравнению с прототипом.
Источники информации
1. Патент US №5061051, опубл. 1990 г., МКИ G02B 15/00.
2. Патент BY №8411, опубл. 2005 г., МКИ G02B 15/16 (прототип).