Оптическая система объектива-трансфокатора со стабилизацией изображения
Владельцы патента RU 2423732:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственная корпорация "Государственный оптический институт имени С.И. Вавилова (ФГУП "НПК "ГОИ им. С.И. Вавилова") (RU)
Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." (KR)
Оптическая система объектива-трансфокатора включает тринадцать линз, объединенных в четыре блока. Блоки 1, 3 и 4, отсчитываемые от объекта съемки, положительные, блок 2 - отрицательный и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Блок 1 состоит из четырех линз, причем внешняя поверхность первой линзы выполнена вогнутой в направлении плоскости изображения. Блок 3 состоит из трех менисковых линз, чьи вогнутые поверхности направлены в сторону плоскости изображения, и выполнен с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси. Блок 4 выполнен в виде выпукло-вогнутой склеенной линзы. Параметры линз и материалы, из которых они изготовлены, соответствуют значениям, указанным в приведенных в формуле изобретения таблицах. Технический результат - повышение степени коррекции монохроматической и хроматической аберраций для достижения значения пространственной частоты T(N=160)≥0,2 при угле стабилизации ±0,2°, диапазоне увеличений 10-20× и длине, практически равной максимальному фокусному расстоянию. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 9 табл.
Изобретение относится к конструкции оптических приборов, а именно - к конструкции высококачественных объективов-трансфокаторов с большим диапазоном увеличения, которые применяются в видеокамерах и иных съемочных устройствах и снабжены функцией оптической стабилизации изображения при вибрации или тряске.
Из уровня техники известны конструкции оптических систем в виде многокомпонентных объективов-трансфокаторов (zoom lens), которые обеспечивают масштабирование изображения и имеют конкретные характеристики по светосиле и ракурсу. Одна из таких конструкций описана в патенте США №6392816 [1]. В этом техническом решении предложена оптическая система со свойствами трансфокатора, состоящая из пяти линз или групп линз, причем изменение масштабирования обеспечивается продольным перемещением, по меньшей мере, двух линз или групп линз.
В данном решении не предусмотрено средств для борьбы с поперечным перемещением объектива, например, вследствие дрогнувшей руки оператора. В подобных конструкциях качество изображения во всем диапазоне фокусных расстояний определяется как модуляционная передаточная функция (MTF) на данной пространственной частоте T(N=140-160)≤0.2. В этом выражении безразмерная величина T представляет собой частотно-контрастную характеристику, определяемую как отношение величины контраста репродукции (изображения, получаемого с помощью воспроизводящей системы), к контрасту соответствующей области оригинала (воспроизводимого объекта). Значение частотно-контрастной характеристики Т зависит от пространственной частоты деталей оригинала N: чем больше частота N, тем ниже T. Поэтому частотно-контрастной характеристикой называют также график зависимости T от N, измеренный с помощью некоторого стандартного тест-объекта (см. http://ni.wikipedia, org/wiki/MTF) [2].
При введении бокового смещения линз, компенсирующего смещение изображения в пределах данного пространственного угла ±0.2°, значение MTF может уменьшаться до 0,1.
Конструкции, предусматривающие возможность стабилизации аппаратуры при съемке, также широко известны. В частности, одна из таких конструкций описана в патенте США №7126760 [2], в котором предложена оптическая система со свойствами трансфокатора и с перемещаемой в поперечном направлении линзой, обеспечивающей определенный стабилизирующий эффект. Существенным недостатком такой конструкции является ее большой вес, большое число линз (15 линз) и наличие шести асферических поверхностей, сложных в производстве. Отмеченный недостаток ограничивает сферу применения такой конструкции, Тем не менее, именно это решение является наиболее близким к изобретательскому замыслу, изложенному в настоящей заявке.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать такую конструкцию оптической системы, которая обеспечивала бы такую степень коррекции монохроматической и хроматической аберрации, при которой можно было бы достигнуть значения T(N=160)≥0,2 при угле стабилизации ±0,2° в светосильном объективе-трансфокаторе с диапазоном 10-20× и при длине, практически равной максимальному фокусному расстоянию.
Технический результат достигается за счет усовершенствованной конструкции оптической системы со свойствами трансфокатора и с возможностью стабилизации захваченного изображения, при этом заявляемая оптическая система включает в себя тринадцать линз, объединенных в четыре блока, из которых блоки 1, 3 и 4, отсчитываемые от объекта съемки, имеют положительную рефракцию, а блок 2 имеет негативную рефракцию и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси; блок 1 состоит из четырех линз, причем внешняя поверхность первой линзы выполнена вогнутой в направлении плоскости изображения; блок 3 состоит из трех менисковых линз, чьи вогнутые поверхности направлены в сторону плоскости изображения; блок 4 выполнен в виде выпукло-вогнутой склеенной.линзы, при этом блок 3 выполнен с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси системы.
При реализации заявляемого изобретения предпочтительно выполнять блок 3 таким образом, чтобы его кратность увеличения лежала в диапазоне от -0,58 до -0,45.
При реализации заявляемого изобретения важно, чтобы апертурная диафрагма была зафиксирована по отношению к плоскости изображения.
Экспериментально найденные предпочтительные параметры используемых в заявляемом изобретении линз приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры линз
Термины в столбце «Материал» можно найти в каталогах оптических фирм http://glass.ifmo.ru/rus/prop.php?id=990 [3];
http://refractivemdex.info/index.php?group=HOYA&material [4];
http://www.knightoptical.com/php/browseCategory.php?cat=12&catClr=[5] и др.
Все асферические поверхности, используемые в данном примере реализации изобретения, выполнены с высокой точностью обработки. При этом основные параметры асферических поверхностей приведены в вышеприведенной таблице и рассчитывались по формуле:
Поведение блоков заявляемой системы при трансфокации иилюстрируется Таблицей 2.
A=0,7+δ C=7,846+t
B=32,47-δ D=3,73-t
Заявленные особенности конструкции блоков 1, 3 и 4, а также применение указанных в примере материалов при изготовлении линз позволили добиться существенных преимуществ по сравнению с прототипом [2], в частности уменьшилось число используемых линз и число асферических поверхностей, за счет чего уменьшилась общая длина объектива, улучшилось значение MTF, в частности оптическая стабилизация в диапазоне ±0,2° обеспечивает значение MTF на уровне >0,2.
Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения далее предлагаются соответствующие графические материалы.
На Фиг.1 представлен в разрезе общий вид объектива-трансфокатора согласно изобретению, где Li - линза, ri - радиус кривизны, блоки линз.
На Фиг.2 представлен в разрезе объектив-трансфокатор с диаграммой оптического канала, при настройке на первую конфигурацию (широкоугольный объектив).
На Фиг.3 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на первую конфигурацию (широкоугольный объектив).
На Фиг.4 представлен вид в разрезе объектива-трансфокатора с диаграммой оптического канала при настройке на вторую конфигурацию.
На Фиг.5 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на вторую конфигурацию.
На Фиг.6 представлен в разрезе вид объектива-трансфокатора с диаграммой оптического канала при настройке на третью конфигурацию.
На Фиг.7 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на третью конфигурацию.
На Фиг.8 представлен в разрезе вид объектива-трансфокатора с диаграммой оптического канала при настройке на четвертую конфигурацию.
На Фиг.9 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на четвертую конфигурацию.
На Фиг.10 представлен в разрезе вид объектива-трансфокатора с диаграммой оптического канала при настройке на пятую конфигурацию (телеобъектив).
На Фиг.11 представлены диаграммы аберрации объектива-трансфокатора согласно изобретению при настройке на пятую конфигурацию (телеобъектив).
Заявляемое изобретение может найти применение в проектировании объективов-трансфокаторов, используемых в съемочной аппаратуре, обеспечивая качественную съемку с руки или с движущейся платформы без привлечения средств механической или электронной стабилизации.
1. Оптическая система объектива-трансфокатора, включающая в себя тринадцать линз, объединенных в четыре блока, из которых блоки 1, 3 и 4, отсчитываемые от объекта съемки, имеют положительную рефракцию, а блок 2 имеет негативную рефракцию и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси; блок 1 состоит из четырех линз, причем внешняя поверхность первой линзы выполнена вогнутой в направлении плоскости изображения; блок 3 состоит из трех менисковых линз, чьи вогнутые поверхности направлены в сторону плоскости изображения; блок 4 выполнен в виде выпукло-вогнутой склеенной линзы, а блок 3 выполнен с возможностью поперечного смещения относительно оптической оси системы, при этом параметры линз и материалы, из которых изготовлены линзы, соответствуют значениям, указанным в нижеприведенных таблицах:
| Поверхность | Радиус (r) | Толщина | Материал | Nd | □d | Световой диаметр |
| 1 | 82,6866 | 1,4 | Fds9 | 1,846658 | 23,9 | 37 |
| 2 | 51,04025 | 5 | Fcdl | 1,496997 | 81,6 | 36 |
| 3 | -1386,419 | 0,3 | 35,6 | |||
| 4 | 60,66452 | 3,3 | Fcdl | 1,496997 | 81,6 | 34,4 |
| 5 | 225,72152 | 0,3 | 33,8 | |||
| 6 | 29,21217 | 4 | Fcdl | 1,496997 | 81,6 | 31,4 |
| 7 | 74,03293 | A | 30,8 | |||
| 8 | 57,62576 | 1 | Tafd30 | 1,882996 | 40,8 | 15,4 |
| 9 | 7,92549 | 4 | 11,6 | |||
| 10 | -17,86529 | 0,9 | Tafd5 | 1,834996 | 43 | 11,6 |
| 11 | 32,65467 | 0,7 | 11,6 | |||
| 12 | 22,26055 | 3 | Fds9 | 1,846658 | 23,9 | 11,8 |
| 13 | -24,77488 | 1 | Tafd5 | 1,834996 | 43 | 11,8 |
| 14 | -57,73435 | В | 11,8 | |||
| 15 | Диафрагма | 0,7 | 6,8-10,2 | |||
| 16 | 9,67514 | 2,5 | LacL3 | 1,664795 | 53,4 | 10,8 |
| 17 | 16,37449 | 2 | 10,2 | |||
| 18* | 7,6924497 (асфер.) | 2,9 | M-pcd4 | 1,61881 | 63,85 | 9,6 |
| 19 | -82,74007 | 0,5 | 9 | |||
| 20 | 71,59357 | 1 | L-nbh54 | 1,902 | 25,1 | 8,2 |
| 21* | 8,8146266 (асфер.) | C | 7,4 | |||
| 22 | 11,89249 | 3,2 | Lac 13 | 1,693501 | 53,3 | 8,4 |
| 23 | -21,11966 | 1 | F6 | 1,636352 | 35,3 | 8 |
| 24 | 33,93558 | D | 7,8 | |||
| 25 | □ | 0,3 | Bsc7 | 1,516798 | 64,2 | 6,6 |
| 26 | □ | 0,3 | 6,6 | |||
| 27 | □ | 0,5 | Bsc7 | 1.516798 | 64,2 | 6,4 |
| 28 | □ | 0,4 | 6,4 | |||
| Изображ. | □ | F | ||||
| Опорная дайна волны 546,07 нм | ||||||
| Конфигурация | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| А | 0,7 | 23,287 | 28,298 | 30,483 | 32,471 | |
| В | 32,47 | 9,883 | 4,872 | 2,687 | 0,699 | |
| С | 7,846 | 3,11 | 3,526 | 5,21 | 9,759 | |
| D | 3,73 | 8,466 | 8,05 | 6,366 | 1,817 | |
| BFL | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | |
| F | -0,0166 | 0,0174 | -0,008 | -0,025 | -0,0175 | |
| EFL | 5 | 23 | 40 | 53 | 75 | |
| Асферические константы поверхности | ||||||
| ASP 18 | ASP21 | |||||
| Кривизна | 0,1299976=1/r | 0,1134478=1/r | ||||
| k | -0,5611781 | -4,042887e-5 | ||||
| a | 0 | 0 | ||||
| b | 9,1680091е-5 | 5,3525709e-4 | ||||
| c | -3,6300519е-7 | 7,7200082e-6 | ||||
| d | 1,8933452e-8 | 6,0747594e-8 | ||||
| e | -2,2026398е-9 | 1,1527088e-8 | ||||
| f | - | -1,1796855e-9 | ||||
| Конфиг. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| ⊘ап. диафр. | 10,2 | 8,4 | 7,8 | 6,8 | 6,8 | |
| ⊘вх. зрачок | 2,65 | 9,85 | 16,02 | 18,9 | 25,9 | |
| Отнош. ал. f'/⊘вх. зрачка | 1,89 | 2,33 | 2,5 | 2,8 | 2,89 |
2. Оптическая система объектива-трансфокатора по п.1, отличающаяся тем, что блок 3 выполнен таким образом, чтобы его кратность увеличения лежала в диапазоне от -0,58 до -0,45.
3. Оптическая система объектива-трансфокатора, отличающаяся тем, что апертурная диафрагма зафиксирована по отношению к плоскости изображения.
