Объектив с переменным фокусным расстоянием
Владельцы патента RU 2276800:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро точного приборостроения" Российского агентства по обычным вооружениям (RU)
Объектив может быть использован в приборах, использующих несколько спектральных диапазонов. Объектив содержит четыре оптически связанных компонента, первый, второй и третий компоненты содержат по 3 линзы, а четвертый - 5 линз, причем второй и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В объективе отношения оптических сил линз к оптической силе первого компонента составляют соответственно 0.6-0.83, -(0.95-1.1), 1.32-1.45, -(3.2-3.4), -(2.3-2.5), 2.3-2.5, 1.29-1.39, -(1.67-1.77), 2.35-2.5, -(3.9-4.3), 3.0-3.3, 2.1-2.3, 2.1-2.4, -(3.0-3.4), при этом материалы линз имеют показатели преломления соответственно 1.55-1.65, 1.75-1.94, 1.54-1.66, 1.64-1.76, 1.47-1.57, 1.75-1.94, 1.43-1.57, 1.61-1.71, 1.43-1.53, 1.58-1.68, 1.54-1.66, 1.54-1.66, 1.54-1.66, 1.64-1.81, а коэффициенты дисперсии соответственно 45-55, 20-35, 55-72, 50-62, 54-71, 20-35, 71-85, 35-45, 75-95, 37-47, 55-72, 55-72, 55-72, 23-34. Технический результат - обеспечение качественного изображения в спектральном диапазоне от 0.45 до 0.9 мкм. 2 табл., 4 ил.
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в телевизионных камерах, кино- и фотокамерах, приборах ночного видения, комбинированных дневно-ночных приборах и других приборах, использующих несколько спектральных диапазонов.
Для работы ряда оптических приборов, использующих фотоприемники, например кремниевые телевизионные матрицы, электронно-оптические преобразователи, требуется обеспечение качественного изображения в спектральном диапазоне 0.48-0.9 мкм с возможностью плавного изменения увеличения, т.е. с переменным фокусным расстоянием.
Известны объективы с переменным фокусным расстоянием, содержащие четыре компонента (группы линз), первый и последний из которых неподвижны, второй и третий - подвижны [1]. Набор стекол выполняет задачу исправления хроматизма для двух или трех длин волн, что достаточно для видимого спектрального диапазона 0.48-0.64 мкм. Такие объективы могут быть исправлены и в ином спектральном диапазоне, например 0.6-0.9 мкм, но диапазон 0.48-0.9 мкм целиком исправить не в состоянии. Для перекрытия указанного диапазона исправления хроматизма на двух или трех длинах волн оказывается недостаточно. Таким образом, объектив имеет узкий спектральный диапазон.
Наиболее близким к предлагаемому объективу, т.е. прототипом, является панкратический объектив - компактный вариообъектив [2], в варианте реализации №5, работающий в видимом диапазоне спектра 0.48-0.65 мкм, с кратностью изменения фокусного расстояния 5.
Указанный объектив с переменным фокусным расстоянием содержит четыре компонента, причем первый, второй и третий компоненты содержат по три линзы, а четвертый - пять линз, второй и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
В объективе-прототипе отношение оптических сил линз компонентов к оптической силе первого компонента составляет -0.6759, 1.1876, 0.4793, -2.3642, -3.3851, 2.5232, 1.2986, 2.1694, -1.8747, -1.3680, 1.8206, -1.4076, 1.3618, 1.4753, при этом стекла линз имеют показатели преломления соответственно 1.8052, 1.6031, 1.6968, 1.7725, 1.6970, 1.8467, 1.7725, 1.6970, 1.8467, 1.6968, 1.8061, 1.8467, 1.5638, 1.6031, а коэффициенты дисперсии соответственно 25.4, 60.7, 55.5, 49.6, 48.5, 23.9, 49.6, 48.5, 23.9, 55.6, 40.9, 23.9, 60.7, 60.7. Апертурная диафрагма расположена между вторым и третьим компонентами, что обеспечивает малый диаметр входных линз при относительно больших поле зрения и относительном отверстии. Кроме того, в объективе-прототипе имеется стеклянный плоско-параллельный блок для размещения цветоделителя, не используемый в изобретении.
Недостатком объектива является узкий спектральный диапазон: 0.48-0.65 мкм. Объектив исправлен от хроматизма положения на двух длинах волн (ахромат), и хроматический сдвиг фокальной плоскости во всем спектральном диапазоне 0.48-0.65 мкм достигает 200 мкм. В спектральном диапазоне 0.48-0.9 мкм хроматический сдвиг фокальной плоскости достигает 2 мм (фиг.2), что не позволяет получить качественное изображение.
Изобретение решает задачу расширения спектрального диапазона объектива, т.е. обеспечения качественного изображения в спектральном диапазоне от 0.45 до 0.9 мкм.
Для решения указанной задачи необходимо обеспечить такое сочетание оптических сил, показателей преломления, коэффициентов дисперсий и частных дисперсий, чтобы общие оптические силы на всех длинах волн в пределах требуемого спектрального диапазона существенно не отличались. Критерием хроматической разности оптической силы объектива может служить хроматический сдвиг фокальной плоскости, который в расчетном диапазоне объектива-прототипа 0.48-0.65 мкм удерживается в пределах 200 мкм. Задача расширения спектрального диапазона при этом должна решаться так, чтобы функция передачи модуляции на основной длине волны, являющаяся основным критерием качества изображения, не ухудшалась.
Поставленная задача решается тем, что в известном объективе с переменным фокусным расстоянием, содержащем четыре оптически связанные компонента, в котором первый, второй и третий компоненты содержат по три линзы, а четвертый - пять линз, причем, второй и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, отношение оптических сил линз компонентов к оптической силе первого компонента составляет соответственно 0.6÷0.83, -(0.95÷1.1), 1.32÷1.45, -(3.2÷3.4), -(2.3÷2.5), 2.3÷2.5, 1.29÷1.39, -(1.67÷1.77), 2.35÷2.5, -(3.9÷4.3), 3.0÷3.3, 2.1÷2.3, 2.1÷2.4, -(3.0÷3.4), материалы линз имеют показатели преломления соответственно 1.55÷1,65, 1.75÷1.94, 1.54÷1.66, 1.64÷1.76, 1.47÷1.57, 1.75÷1.94, 1.43÷1.57, 1.61÷1.71, 1.43÷1.53, 1.58÷1,68, 1.54÷1.66, 1.54÷1.66, 1.54÷1.66, 1.64÷1.81, а коэффициенты дисперсии соответственно находятся в пределах 45÷55, 20÷35, 55÷72, 50÷62, 54÷71, 20÷35, 71÷85, 35÷45, 75÷95, 37÷47, 55÷72, 55÷72, 55÷72, 23÷34.
На фиг.1 приведена оптическая схема объектива.
На фиг.2 показан хроматический сдвиг положения фокальной плоскости объектива-прототипа в функции длины волны в спектральном диапазоне 0.48-0.9 мкм.
На фиг.3 показан хроматический сдвиг положения фокальной плоскости объектива в функции длины волны в спектральном диапазоне 0.48-0.9 мкм.
На фиг.4 показана функция передачи модуляции в линейном поле зрения 0,16 мм и 24 мм в спектральном диапазоне 0.48-0.9 мкм.
Объектив с переменным фокусным расстоянием (фиг.1) содержит четыре оптически связанные компонента 1-4. Компонент 1 включает линзы 5-7, компонент 2 - линзы 8-10, компонент 3 - линзы 12-14, компонент 4 - линзы 15-19. Между компонентами 2 и 3 расположена апертурная диафрагма 11. Компоненты 2 и 3 выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Фокусное расстояние объектива увеличивается за счет сближения компонентов 2 и 3.
В таблицах 1, 2 приведен пример реализации объектива на стеклах из каталога фирмы Шотт (Schott), соответствующих указанным сочетаниям показателей преломления и коэффициентов дисперсии.
| Таблица 1 | ||||
| Номер линзы | Отношение оптических сил линз компонентов к оптической силе первого компонента | Показатель преломления | Коэффициент дисперсии | Марка стекла фирмы Schott |
| 5 | 0.5987 | 1.6085 | 46.6 | N-BAF52 |
| 6 | -1.0101 | 1.8049 | 25.4 | SF6 |
| 7 | 1.4628 | 1.6201 | 63.5 | N-PSK53 |
| 8 | -3.3910 | 1.6967 | 55.4 | N-LAK14 |
| 9 | -2.6313 | 1.5084 | 61.2 | N-ZK7 |
| 10 | 2.6827 | 1.7550 | 27.6 | SF4 |
| 12 | 1.3796 | 1.5285 | 77.0 | N-PK51 |
| 13 | -1.7499 | 1.6540 | 39.6 | KZFSN5 |
| 14 | 2.4682 | 1.4970 | 81.6 | N-PK52 |
| 15 | -4.1840 | 1.6376 | 42.4 | N-KZFS11 |
| 16 | 3.3998 | 1.6201 | 63.5 | N-PSK53 |
| 17 | 2.3262 | 1.6201 | 63.5 | N-PSK53 |
| 18 | 2.2307 | 1.6201 | 63.5 | N-PSK53 |
| 19 | -3.3773 | 1.7281 | 28.5 | N-SF10 |
| Таблица 2 | ||
| Радиус поверхности | Толщина поверхности | Материал поверхности |
| 95.5 | 10 | N-BAF52 |
| 231.6 | 1 | |
| 106.3 | 5 | SF6 |
| 60.2 | 12 | N-PSK53 |
| 179 | 6.7 - 65.7 | |
| -153.1 | 3 | N-LAK14 |
| 55.7 | 6 | |
| -203.1 | 3 | N-ZK7 |
| 51.6 | 6.5 | SF6 |
| 237.2 | 63.8-4.8 | |
| ∞ | 63.5-2 | |
| 111.6 | 7 | N-PK51 |
| -221.6 | 1 | |
| 115.8 | 3 | KZFSN5 |
| 43.9 | 1 | |
| 45.2 | 12 | N-PK52 |
| -240 | 1-62.5 | |
| ∞ | 70 | |
| -45.3 | 8 | N-KZFS11 |
| 86.6 | 17 | N-PSK53 |
| -59 | 2 | |
| 78.6 | 11 | N-PSK53 |
| -158.4 | 2 | |
| 26.7 | 8 | N-PSK53 |
| 49.4 | 5 | N-SF10 |
| 22.3 | 20.0 |
Указанное сочетание отношений оптических сил, показателей преломления и коэффициентов дисперсий обеспечивает с точностью до 0.005% единую оптическую силу всей системы для четырех длин волн в заданном спектральном диапазоне при среднем значении фокусного расстояния (в положении среднего увеличения).
где Ф480; Ф590, Ф750,Ф880 - оптическая сила объектива на длине волны λ соответственно 480, 590, 750, 880 нм,
n - количество поверхностей в объективе
- матрица преломления поверхности i, с оптической силой Р, на длине волны [3],
- матрица переноса поверхности i, с толщиной Т на длине волны λ.
Показатели преломления на длинах волн 480, 750 и 880 нм связаны с задаваемыми каталогами стекол коэффициентом преломления на длине волны 590 нм и коэффициентом дисперсии и вычисляются по соответствующим формулам Шотта, Зельмеера, Герцбергера и т.п. Вид формулы для конкретной марки стекла задается каталогом.
Точные значения оптических сил, радиусов и толщин, с требуемым количеством значащих цифр, под конкретные значения показателей преломления и коэффициентов дисперсии набора стекол из конкретных плавок или каталогов производителей, заданных с точностью 4-6 значащих цифр после запятой, устанавливаются стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ оптических расчетов.
Анализ примера реализации объектива проведен в программе для расчетов оптических систем Zemax для фокусных расстояний 40, 68, 117 и 200 мм в диапазоне длин волн 0.48-0.9 мкм. Прототип в указанном диапазоне длин волн при фокусных расстояниях 40, 68, 117 и 200 мм имеет хроматический сдвиг положения фокальной плоскости до 2 мм (фиг.2).
В заявляемом объективе предложенная комбинация стекол и оптических сил ограничивает хроматический сдвиг положения фокальной плоскости в пределах 100 мкм (фиг.3), с учетом толщин линз и воздушных промежутков, для всех длин волн в диапазоне 0.48-0.9 мкм во всем диапазоне фокусных расстояний от 40 до 200 мм. При этом функция передачи модуляции (ФПМ) объектива по сравнению с прототипом не ухудшается. В приведенных графиках (фиг.4) в объективе, имеющем указанную комбинацию стекол линз, с относительным отверстием 1:3, линейным полем изображения 24 мм, в спектральном диапазоне 0.48-0.9 мкм, ФПМ на оси превышает 0.5 для частоты 50 мм-1 в диапазоне фокусных расстояний от 40 до 200 мм.
Графики (фиг.3, 4) свидетельствуют, что в предложенном объективе обеспечивается качественное изображение в требуемом диапазоне спектра 0.48-0.9 мкм.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной самим заявителем зависимости между оптическими силами, материалом и спектральными показателями преломления линз. В настоящее время не известны объективы с переменным фокусным расстоянием, работающие в широком спектральном диапазоне или методы их синтеза.
Известны методы синтеза объективов с постоянным фокусным расстоянием, демонстрирующие возможность исправления хроматизма на четырех длинах волн для тонких линз при малых относительных отверстиях, допускающих параксиальное приближение при расчете [4, 5]. Соответствующие объективы именуются суперапохроматами, суперахроматами или четырехцветными апохроматами. В таких объективах, используются тройки стекол, как и в апохроматах, но за счет использования специальных методов выбора марок стекол, исправление на четвертой длине волны происходит автоматически при обеспечении условия апохроматизации. Для синтеза таких объективов, составляется система из четырех уравнений с тремя неизвестными оптическими силами отдельных тонких линз:
где φi - оптическая сила i-й линзы
νi - коэффициент Аббе i-й линзы,
pi - частная дисперсия на третьей корректируемой длине волны,
р'i - частная дисперсия на четвертой корректируемой длине волны.
Первое уравнение задает общую оптическую силу тройки тонких линз, имеющих оптическую силу φi, второе и третье уравнения задают условие апохроматизации на трех длинах волн для стекол, имеющих коэффициент Аббе νi и частную дисперсию для третьей корректируемой длины волны pi, четвертое уравнение вводит условие исправления хроматизма на четвертой длине волны, для которой частная дисперсия равна р'i. Поскольку общего решения системы четырех уравнений с тремя неизвестными не существует, задача в [3, 4] решается отысканием марок стекол, в которых отношения частных дисперсий трех стекол на двух длинах волн к коэффициенту Аббе связаны линейной зависимостью. В таком случае четвертое уравнение становится линейно зависимым от третьего и ранг системы уравнений понижается до третьего, имеющего общее решение для трех неизвестных. Указанные методы синтеза, основывающиеся на параксиальном приближении, не могут применяться к системам с относительным отверстием, превышающим 1:5.
Эти методы не могут применяться также к системам переменного увеличения, в которых значительное изменение оптической силы производится изменением расстояний между компонентами, не учитываемым упомянутыми методами.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявленный объектив обеспечивает качественное изображение в спектральном диапазоне от 0.45 до 0.9 мкм.
Список использованной литературы
1. Laikin, Lens Design, Marcel Dekker Inc., New York, ISBN 0-8247-0507-06. Fig.30-1.
2. Патент США №4763998, дата приоритета 23.01.1986 г., дата публикации 16.08.1988, МПК G 02 B 15/14, 9/64.
3. А.Джеррард, Д.Берч. Введение в матричную оптику, М., Мир, 1978.
4. М.Г.Шпякин. Расчет четырехцветных тонких апохроматов. Оптико-механическая промышленность, 1978, №2, стр.15.
5. Патент США №5210646, дата приоритета 19.11.1990 г., дата публикации 11.05.1993, МПК G 02 B 9/04.
Объектив с переменным фокусным расстоянием, содержащий четыре оптически связанных компонента, в котором первый, второй и третий компоненты содержат по три линзы, а четвертый - пять линз, причем второй и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, отличающийся тем, что отношения оптических сил линз к оптической силе первого компонента составляют соответственно 0,6-0,83, -(0,95-1,1), 1,32-1,45, -(3,2-3,4), -(2,3-2,5), 2,3-2,5, 1,29-1,39, -(1,67 -1,77), 2,35-2,5, -(3,9-4,3), 3,0-3,3, 2,1-2,3, 2,1-2,4, -(3,0-3,4), при этом материалы линз имеют показатели преломления соответственно 1,55-1,65, 1,75-1,94, 1,54-1,66, 1,64-1,76, 1,47-1,57, 1,75-1,94, 1,43-1,57, 1,61-1,71, 1,43-1,53, 1,58-1,68, 1,54-1,66, 1,54-1,66, 1,54-1,66, 1,64-1,81, а коэффициенты дисперсии соответственно 45-55, 20-35, 55-72, 50-62, 54-71, 20-35, 71-85, 35-45, 75-95, 37-47, 55-72, 55-72, 55-72, 23-34.
