Оптическая система объектива-трансфокатора со стабилизацией изображения - RU2423732C1

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

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 L_i - линза, r_i - 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.

Реферат

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.

Формула