Панкратическая система

Панкратическая система содержит афокальную систему с переменным угловым увеличением и оптический блок. Афокальная система выполнена с возможностью работы в прямом и обратном ходе лучей и имеет расположенные вдоль оптической оси в прямом ходе лучей первую группу линз и вторую группу линз, выполненных с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Оптический блок имеет третью группу линз и датчик. Оптический блок выполнен с возможностью перемещения в два положения. В первом положении оптический блок находится со стороны второй группы линз афокальной системы и излучение попадает в афокальную систему со стороны первой группы линз, проходит через афокальную систему в прямом ходе и попадает в оптический блок. Во втором положении оптический блок находится со стороны первой группы линз афокальной системы и излучение попадает в афокальную систему со стороны второй группы линз, проходит через афокальную систему в обратном ходе и попадает в оптический блок. Технический результат - создание компактной панкратической системы с увеличенной кратностью изменения фокусного расстояния и уменьшенными аберрациями. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области оптики, к системам с переменным фокусным расстоянием, а именно к панкратическим системам, и может применяться в видеокамерах, цифровых фотоаппаратах или подобных им оптоэлектронных устройствах, имеющих приемник изображения.

Панкратические системы широко распространены в настоящее время. Панкратическая система представляет собой оптическую систему с несколькими подвижными оптическими элементами для изменения основных характеристик (эффективного фокусного расстояния, угла обзора, линейного увеличения). Объективы с переменным фокусным расстоянием, входящие в состав панкратических систем, являются основными частями таких оптоэлектронных устройств как видеокамеры, цифровые фотокамеры, CCTV-камеры и другие. Общими требованиями, предъявляемыми к объективам являются: большая кратность изменения фокусного расстояния, большое относительно отверстие (светосила) и высокое качество изображения в пределах изменения фокусного расстояния, а также компактность. Вследствие сочетания таких трудносовместимых требований объектив представляет собой сложную оптическую систему с большим количеством линз. Для обеспечения продолжительного плавного изменения фокусного расстояния объектив содержит, по меньшей мере, две перемещаемые группы линз. Большая кратность изменения фокусного расстояния требует большего расстояния для перемещения групп и усложнения их конструкции. Таким образом, основная проблема при разработке объективов с изменяемым фокусным расстоянием заключается в совмещении различных оптических характеристик, качества изображения и малых размеров. Современные устройства с объективами, такие как профессиональные фотоаппараты или видеокамеры, требуют изображения очень высокого качества, близкого к дифракционному пределу. В то же время данные объективы должны обеспечивать большую кратность изменения фокусного расстояния и быть компактными.

В патенте США №7177092 [1] описан широкоугольный объектив с переменным фокусным расстоянием. Его эффективный диапазон изменения фокусного расстояния составляет 5.91~57.59 мм, а значит кратность изменения фокусного расстояния около 10^X. Данная оптическая система имеет 13 линз в пяти группах, и все группы выполнены с возможностью перемещения, обеспечивающего изменение фокусного расстояния. Общая длина (от первой поверхности до плоскости изображения) равна примерно 75 мм.

К недостаткам этого объектива можно отнести малую кратность изменения фокусного расстояния и большое число оптических групп, которое увеличивает габариты и усложняет конструкцию.

Наиболее близок к заявленному изобретению объектив из патента США №7085069 [2], который содержит 32 линзы в четырех группах, при этом вторая и четвертая группы выполнены с возможностью перемещения. Диапазон изменения фокусного расстояния составляет 6.78~175.69 мм, кратность изменения фокусного расстояния 26^X. При этом общая длина объектива равна 605 мм. Данный объектив выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостатки прототипа [2] - большое число линз и значительная общая длина.

Задачей заявляемого изобретения является создание компактной панкратической системы с увеличенной кратностью изменения фокусного расстояния и уменьшенными аберрациями.

Поставленная задача решена путем создания панкратической системы, содержащей афокальную систему с переменным угловым увеличением и оптический блок, причем афокальная система выполнена с возможностью работы в прямом и обратном ходе лучей и имеет расположенные вдоль оптической оси в прямом ходе лучей первую группу линз и вторую группу линз, выполненных с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а оптический блок имеет третью группу линз и датчик, причем оптический блок выполнен с возможностью перемещения в два положения, причем в первом положении оптический блок находится со стороны второй группы линз афокальной системы, при этом излучение попадает в авфокальную систему со стороны первой группы линз, проходит через афокальную систему в прямом ходе и попадает в оптический блок, а во втором положении оптический блок находится со стороны второй группы линз афокальной системы, при этом излучение попадает в афокальную систему со стороны второй группы линз, проходит через афокальную систему в обратном ходе и попадает в оптический блок.

Иными словами, технический результат достигается за счет использования афокальной системы, включающей в себя подвижные компоненты (группы линз), выполненные с возможностью плавного изменения углового увеличение системы, при этом в прямом ходе лучей афокальная система обеспечивает перепад видимых увеличений от г_S до 1^X, а в обратном ходе лучей перепад увеличений от 1^X до таким образом, общий перепад увеличений составит

а также за счет использования оптического блока, в состав которого включены датчик изображения, оптический фильтр и объектив (группа линз), при этом оптический блок выполнен с возможностью перемещения в два положения, обеспечивающих в каждом положении фокусировку излучения на датчике изображения при прямом/обратном ходе лучей в афокальной системе.

Для функционирования панкратической системы имеет смысл, чтобы афокальная система дополнительно имела вдоль оптической оси четвертую группу линз, расположенную между первой и второй группой линз, первый отражающий элемент, расположенный перед первой группой линз по ходу излучения в прямом ходе лучей, второй отражающий элемент, расположенный за второй группой линз по ходу излучения в прямом ходе лучей, пятую группу линз, расположенную перед первым отражающим элементом по ходу излучения в прямом ходе лучей, и ограничитель апертуры, расположенный между первой и четвертой группами линз, а оптический блок дополнительно имеет фильтр, расположенный между третьей группой линз и датчиком.

Для функционирования панкратической системы важно, чтобы третья, четвертая и пятая группы линз были неподвижны.

Для функционирования панкратической системы важно, чтобы первый и второй отражающий элементы были выполнены в виде зеркал.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующим чертежом.

На чертеже - схема панкратической системы согласно изобретению:

(вид 1.1) в первом положении оптического блока и при прямом распространении света;

(вид 1.2) во втором положении оптического блока и при обратном распространении света.

Рассмотрим вариант выполнения панкратической системы, представленный на чертеже (вид 1.1). Панкратическая система содержит две основные части: афокальную систему 1 с изменяемым фокусным расстоянием и перемещающийся оптический блок 2. Афокальная система 1 имеет расположенные вдоль оптической оси в прямом ходе лучей пятую группу 3 линз, второе зеркало 4, осуществляющее поворот оптической оси на угол 90°, первую подвижную группу 5 линз, выполненную с возможностью перемещения вдоль оптической оси, ограничитель 6 апертуры, четвертую неподвижную группу 7 линз, вторую подвижную группу 8 линз, выполненную с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первое зеркало 9, осуществляющее поворот оптической оси на угол 90°. Оптический блок 2 имеет третью группу 10 линз, фильтр 11 и датчик 12.

В первом положении (чертеж, вид 1.1) оптического блока 2 свет входит в панкратическую афокальную систему 1 через пятую группу 3 линз, отражается от второго наклонного зеркала 4, проходит через первую подвижную группу 5 линз, ограничитель 6 апертуры, четвертую неподвижную группу 7 линз и вторую подвижную группу 8 линз, затем отражается от первого наклонного зеркала 9 и достигает датчика 12, проходя через третью группу 10 линз (объектив) и фильтр 11. Панкратическая афокальная система 1 включает в себя две подвижные группы линз 5 и 8, которые обеспечивают изменение углового увеличения. Эффективное фокусное расстояние всей панкратической системы определяется в соответствии с выражением:

где Г_S - угловое увеличение афокальной части 1 в прямом ходе лучей;

- эффективное фокусное расстояние объектива 10.

Элементы 5 и 8 при перемещении из начальных положений в направлении, обозначенном стрелками на Фиг.1, обеспечивают плавное изменение углового увеличения M (например, 0.1^X~1^X). При этом перепад изменения фокусного расстояния всей панкратической системы, в соответствии с (1), также равна М.

После чего оптический блок 2 перемещается во второе положение, показанное на чертеже (вид 1.2). В этом состоянии панкратическая система функционирует в обратном ходе лучей, и ее угловое увеличение выражается как:

где Г_R - угловое увеличение афокальной части 1 в обратном порядке.

В данном состоянии, подвижные группы линз 5 и 8 перемещаются из текущих положений (чертеж, вид 1.2) обратно в начальные положения (чертеж, вид 1.1) и также обеспечивают изменение углового увеличения м (1^X~10^X). В соответствии с выражением (1) общее изменение величины фокусного расстояния всей панкратической системы в обратном ходе также равно M. Поэтому общий перепад фокусных расстояний заявленной системы с переменным фокусным расстоянием в обоих состояниях равен M².

В заявленной панкратической системе в первом положении оптический блок 2 находится напротив второй подвижной группы 8 линз афокальной системы 1, при этом афокальная система 1 работает в прямом ходе лучей; а во втором положении оптический блок 2 находится напротив первой подвижной группы 5 линз афокальной системы, при этом афокальная система 1 работает в обратном ходе лучей. Таким образом, получают объектив с первым диапазоном изменения фокусного расстояния при первом положении оптического блока 2 и датчика 12 и первом направлении света, и объектив со вторым диапазоном изменения фокусного расстояния при втором положении оптического блока 2 и датчика 12 и противоположном направлении света.

Заявленная панкратическая система с переменным фокусным расстоянием обеспечивает перепад фокусных расстояний, равный M², при этом ее габариты и число линз сравнимы с обычными системами с перепадом фокусных расстояний M. Таким образом, заявленная панкратическая система может применяться в видеокамерах для увеличения диапазона изменения фокусного расстояния, а также в цифровых фотоаппаратах для уменьшения числа линз и размеров при том же диапазоне изменения фокусного расстояния.

Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

1. Панкратическая система, содержащая афокальную систему с переменным угловым увеличением и оптический блок, причем афокальная система выполнена с возможностью работы в прямом и обратном ходе лучей и имеет расположенные вдоль оптической оси в прямом ходе лучей первую группу линз и вторую группу линз, выполненные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а оптический блок имеет третью группу линз и датчик, причем оптический блок выполнен с возможностью перемещения в два положения, причем в первом положении оптический блок находится со стороны второй группы линз афокальной системы, при этом излучение попадает в афокальную систему со стороны первой группы линз, проходит через афокальную систему в прямом ходе и попадает в оптический блок, а во втором положении оптический блок находится со стороны первой группы линз афокальной системы, при этом излучение попадает в афокальную систему со стороны второй группы линз, проходит через афокальную систему в обратном ходе и попадает в оптический блок.

2. Панкратическая система по п.1, отличающаяся тем, что афокальная система дополнительно имеет вдоль оптической оси четвертую группу линз, расположенную между первой и второй группой линз, первый отражающий элемент, расположенный перед первой группой линз по ходу излучения в прямом ходе лучей и осуществляющий поворот оптической оси на 90°, второй отражающий элемент, расположенный за второй группой линз по ходу излучения в прямом ходе лучей и осуществляющий поворот оптической оси на 90°, пятую группу линз, расположенную перед первым отражающим элементом по ходу излучения в прямом ходе лучей, и ограничитель апертуры, расположенный между первой и четвертой группами линз, а оптический блок дополнительно имеет фильтр, расположенный между третьей группой линз и датчиком.

3. Панкратическая система по п.2, отличающаяся тем, что третья, четвертая и пятая группы линз являются неподвижными.

4. Панкратическая система по п.2, отличающаяся тем, что первый и второй отражающий элементы выполнены в виде зеркал.