Широкоугольный объектив и устройство формирования изображений - RU2555203C1

Чертежи

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

По настоящей заявке испрашивается приоритет заявки на патент Японии № 2011-162213, зарегистрированной 25 июля 2011 г., полное содержание которой включено в настоящий документ в виде данной ссылки на нее, и основывается на ней.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к широкоугольному объективу для использования в устройстве формирования изображений и к устройству формирования изображений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно устройство формирования изображений, в котором две оптические системы формирования изображений, каждая из которых содержит широкоугольный объектив, имеющий угол поля зрения более 180 градусов, и датчик формирования изображений для формирования изображения с помощью широкоугольного объектива объединены таким образом, что соответствующие линзы пространства предметов расположены напротив друг друга, а изображения, получаемые с помощью соответствующих оптических систем формирования изображений, синтезируются для получения изображения в телесном угле 4π радиан (см. публикацию патента Японии № 3290993).

Такое устройство формирования изображений может одновременно получать видеоинформацию по всем направлениям; таким образом, оно может эффективно использоваться, например, для камеры охранной сигнализации или установленной в автомобиле камеры. В последнее время требуется уменьшать габариты такого устройства формирования изображений для использования его в качестве портативного устройства формирования изображений.

Чрезвычайно точная и достоверная информация может быть получена, например, при использовании малогабаритного устройства формирования изображений в переносном режиме для передачи новостного репортажа.

Предпочтительно отклонять излучение от изображения максимальной высоты в стороне от оптической оси в широкоугольном объективе, имеющем угол поля зрения 180 градусов или более, для использования в таком устройстве формирования изображений без использования острого угла для формирования на поверхности формирования изображений.

Однако если общая длина широкоугольного объектива, имеющего угол поля зрения 180 градусов или более, уменьшается, становится необходимым существенно отклонять световой луч от оси в периферийной области. В связи с этим разрешение в периферийной области поверхности формирования изображений снижается из-за различных аберраций.

Для сохранения высокого разрешения в периферийной области поверхности формирования изображений необходимо незначительно отклонять световой луч в периферийной области. В связи с этим общая длина объектива увеличивается, и такое устройство формирования изображений не пригодно для использования в переносном режиме.

В частности, в публикации патента Японии № 3290993 широкоугольный объектив не описан.

Известно, что предлагались различные широкоугольные объективы, имеющие широкий угол поля зрения и приемлемые характеристики. В частности, среди них широкоугольные объективы, описанные в публикациях заявок на патенты Японии №№ 2007-155977 и 2010-256627, имеют приемлемые характеристики.

Однако сложно уменьшить общую длину широкоугольного объектива, описанного в заявках на патенты Японии №№ 2007-155977 и 2010-256627. При использовании таких широкоугольных объективов в качестве двух широкоугольных объективов для применения в устройствах формирования изображений размер устройства увеличивается.

При использовании двух широкоугольных объективов, описанных в заявках на патенты Японии №№ 2007-155977 и 2010-256627, сложно уменьшить расстояние между оптическими осями двух широкоугольных объективов, при этом перекрывающиеся части изображений в периферийных областях соответствующих двух широкоугольных объективов смещены относительно друг друга из-за расхождения. Таким образом, в объединенной области синтезированного изображения может проявляться заметное ухудшение качества изображения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение сделано с учетом вышеуказанных обстоятельств. Целью настоящего изобретения является создание широкоугольного объектива для использования в устройстве формирования изображений, которое может получать синтезированное изображение, имеющее меньшее расхождение, и может обеспечивать оптические характеристики.

Целью настоящего изобретения также является создание малогабаритного устройства формирования изображений с использованием вышеуказанных двух широкоугольных объективов.

Чтобы достичь вышеуказанной цели, в одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается широкоугольный объектив, имеющий угол поля зрения более 180 градусов, содержащий в порядке следования от пространства предметов к пространству изображений переднюю группу, отражающую поверхность, и заднюю группу, причем передняя группа содержит три линзы, имеющие отрицательную преломляющую способность, отражающая поверхность выполнена с возможностью искривления оптической оси передней группы под углом 90 градусов в направлении задней группы, задняя группа содержит четыре линзы, имеющие положительную преломляющую способность, передняя главная точка установлена между второй линзой и третьей линзой от пространства предметов в передней группе, а фокусное расстояние f системы в целом и расстояние d между пересечением отражающей поверхности и оптической оси передней группы и передней главной точкой удовлетворяют нижеследующему условию (1):

(1) 7,0

Предпочтительно расстояние DA от крайней поверхности пространства предметов передней группы до отражающей поверхности и расстояние DB от отражающей поверхности до крайней поверхности пространства изображений задней группы удовлетворяют нижеследующему условию (2):

(2) DA

Предпочтительно отражающая поверхность, расположенная между передней группой и задней группой, является наклонной поверхностью прямоугольной призмы и выполнена с возможностью внутреннего отражения светового луча от передней группы в направлении задней группы, при этом коэффициент отражения nd относительно линии d материала прямоугольной призмы удовлетворяет нижеследующему условию (3):

(3) nd≥1,8.

Предпочтительно передняя группа содержит - в порядке следования от пространства предметов - отрицательную менисковую линзу, отрицательную линзу, изготовленную из пластического материала, и отрицательную менисковую линзу, задняя группа содержит - в порядке следования от пространства предметов - двояковыпуклую линзу, склеенную линзу из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы и двояковыпуклую линзу, изготовленную из пластического материала, апертурная диафрагма размещается между прямоугольной призмой и задней группой, отрицательная линза, изготовленная из пластического материала, в передней группе и двояковыпуклая линза, изготовленная из пластического материала, в задней группе имеют асферические поверхности на обеих поверхностях, а остальные линзы за исключением линз, изготовленных из пластического материала, являются сферическими линзами соответственно.

Чтобы достичь вышеуказанной цели, в одном варианте осуществления настоящего изобретения также предлагается устройство формирования изображений, включающее в себя две оптические системы формирования изображений, содержащие широкоугольный объектив, имеющий угол поля зрения более 180 градусов, и датчик формирования изображений, который формирует изображение с помощью широкоугольного объектива, при этом указанные две оптические системы формирования изображений объединены таким образом, что линзы пространства предметов расположены напротив друг друга, а изображения, получаемые с помощью соответствующих оптических систем формирования изображений, синтезируются для получения изображения в телесном угле 4π радиан, причем широкоугольный объектив для использования в каждой из указанных двух оптических систем формирования изображений является широкоугольным объективом по любому из пп. 1-4, а расстояние d1 между пересечением отражающей поверхности и оптической оси передней группы и передней главной точкой в широкоугольном объективе одной оптической системы формирования изображений, расстояние d2 между пересечением отражающей поверхности и оптической оси передней группы и передней главной точкой в широкоугольном объективе другой оптической системы формирования изображений и фокусное расстояние f широкоугольного объектива каждой оптической системы формирования изображений удовлетворяют нижеследующему условию (4):

(4) 16≤(d1+d2)/f<21.

Предпочтительно у широкоугольных объективов для использования в указанных двух оптических системах формирования изображений d1=d2.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи включены для обеспечения более полного понимания настоящего изобретения, при этом они входят в состав данного описания и составляют его часть. Чертежи иллюстрируют некоторый вариант осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципа изобретения.

Фиг. 1 является видом, описывающим оптическую конструкцию устройства формирования изображений в соответствии с некоторым вариантом осуществления.

Фиг. 2 является видом, иллюстрирующим сферическую аберрацию примера.

Фиг. 3 является видом, иллюстрирующим кривизну поля примера.

Фиг. 4 является видом, иллюстрирующим кому примера.

Фиг. 5 является видом, иллюстрирующим особенность оптической передаточной функции (ОПФ) примера.

Фиг. 6 является видом, иллюстрирующим особенность оптической передаточной функции (ОПФ) примера.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Далее описывается вариант осуществления.

Фиг. 1 является видом, иллюстрирующим основной узел устройства формирования изображений.

На фиг. 1 ссылочными позициями А, В обозначены оптические системы формирования изображений соответственно.

Каждая из двух оптических систем А, В формирования изображений содержит широкоугольный объектив, имеющий угол поля зрения более 180 градусов, и датчик формирования изображений, который формирует изображение с помощью широкоугольного объектива.

Оптическая система А формирования изображений содержит переднюю группу, включающую в себя линзы LA1-LA3, прямоугольную призму РА, образующую отражающую поверхность, и заднюю группу, включающую в себя линзы LA4-LA7. Апертурная диафрагма SA размещается в пространстве предметов линзы LA4.

Оптическая система В формирования изображений содержит переднюю группу, включающую в себя линзы LB1-LB3, прямоугольную призму PB, образующую отражающую поверхность, и заднюю группу, включающую в себя линзы LB4-LB7. Апертурная диафрагма SB размещается в пространстве предметов линзы LB4.

Линзы LA1-LA3, составляющие переднюю группу оптической системы А формирования изображений, включают в себя в порядке следования от пространства предметов отрицательную менисковую линзу (LA1), изготовленную из стеклянного материала, отрицательную линзу (LA2), изготовленную из пластического материала, и отрицательную менисковую линзу (LA3), изготовленную из стеклянного материала.

Линзы LA4-LA7, составляющие заднюю группу, включают в себя в порядке следования от пространства предметов двояковыпуклую линзу (LA4), изготовленную из стеклянного материала, склеенную линзу из двояковыпуклой линзы (LA5) и двояковогнутой линзы (LA6), изготовленных из стеклянного материала, и двояковыпуклую линзу (LA7), изготовленную из пластического материала.

Линзы LB1-LB3, составляющие переднюю группу оптической системы B формирования изображений, включают в себя в порядке следования от пространства предметов отрицательную менисковую линзу (LB1), изготовленную из стеклянного материала, отрицательную линзу (LB2), изготовленную из пластического материала, и отрицательную менисковую линзу (LB3), изготовленную из стеклянного материала.

Линзы LB4-LB7, составляющие заднюю группу, включают в себя в порядке следования от пространства предметов двояковыпуклую линзу (LB4), изготовленную из стеклянного материала, склеенную линзу из двояковыпуклой линзы (LB5) и двояковогнутой линзы (LB6), изготовленных из стеклянного материала, и двояковыпуклую линзу (LB7), изготовленную из пластического материала.

В этих оптических системах А, В формирования изображений отрицательные линзы LA2, LB2 передней группы, изготовленные из пластического материала, и двояковыпуклые линзы LA7, LB7 задней группы, изготовленные из пластического материала, имеют асферическую поверхность на обеих своих поверхностях. Остальные линзы, изготовленные из стеклянного материала, являются соответственно сферическими линзами.

Передняя главная точка в каждом широкоугольном объективе установлена между второй линзой LA2, LB2 и третьей линзой LA3, LB3.

Расстояние между пересечением отражающей поверхности и оптической оси передней группы и передней главной точкой составляет d1 на фиг. 1 в широкоугольном объективе оптической системы А формирования изображений, а расстояние между пересечением отражающей поверхности и оптической оси передней группы и передней главной точкой составляет d2 в широкоугольном объективе оптической системы В формирования изображений.

Эти расстояния d1, d2 являются расстоянием d в широкоугольном объективе, при этом удовлетворяется условие (1) 7,0

Уменьшение параметра d/f в условии (1) означает увеличение фокусного расстояния f системы в целом или уменьшение расстояния d между пересечением отражающей поверхности и оптической оси передней группы и передней главной точкой.

При увеличении фокусного расстояния f увеличивается общая длина широкоугольного объектива по оптической оси. Следовательно, если устанавливается соответствующая величина фокусного расстояния с учетом уменьшения габаритов, расстояние d в этом случае снижается.

После уменьшения d расстояние между линзой LA3 (LB3) и призмой РА (РВ) сокращается, поэтому ограничение по толщине линзы LA3 (LB3) для обеспечения требуемой преломляющей способности становится жестким. Если нижнее граничное значение условия (1) понижается, требуемая толщина и форма линзы LA3 (LB3) не могут быть обеспечены, и становится сложным обрабатывать линзу LA3 (LB3).

Для уменьшения габаритов устройства формирования изображений предпочтительно, чтобы оптические системы А, В формирования изображений на фиг. 1 были как можно ближе друг к другу в направлении вправо и влево на фиг. 1. Поскольку отражающие поверхности являются наклонными поверхностями прямоугольной призмы РА, РВ, для уменьшения габаритов целесообразно, чтобы наклонные поверхности были как можно ближе друг к другу.

Увеличение параметра d/f в условии (1) означает увеличение расстояния d между пересечением отражающей поверхности и оптической оси передней группы и передней главной точкой. Это означает увеличение размера передней группы.

Такое увеличение размера передней группы усложняет снижение габаритов устройства формирования изображений. В этом случае в качестве способа предотвращения увеличения размера устройства формирования изображений из-за увеличения передней группы оптические системы А, В формирования изображений располагаются смещенными в направлении вверх и вниз на фиг. 1 в состоянии, в котором наклонные поверхности призм РА, РВ расположены вблизи друг друга.

Однако при такой конструкции оптические оси передних групп широкоугольных объективов оптических систем формирования изображений смещены в направлении вверх и вниз на фиг. 1 таким образом, что влияние вышеуказанного расхождения возрастает, если такое смещение превышает определенный уровень.

Если параметр d/f меньше, чем верхняя граница в условии (1), в пределах допустимого диапазона может обеспечиваться увеличение размера передней группы при одновременном эффективном управлении влиянием расхождения.

Условие (4) 16≤(d10+d2)/f<21 состоит в управлении соотношением d/f - отношением расстояния d и фокусного расстояния f - применительно к устройству формирования изображений. Если данный параметр превышает нижнюю границу условия (4) при одновременном управлении влиянием расхождения, отражающие поверхности призм РА, РВ мешают друг другу. Если данный параметр превышает верхнюю границу, влиянием расхождения нельзя пренебрегать.

Условие (3) nd≥1,8 устанавливает, что в качестве материала призм РА, РВ используется материал, коэффициент nd преломления которого относительно линии d больше 1,8.

Призмы РА, РВ осуществляют внутреннее отражение излучения от передней группы в направлении задней группы таким образом, что световой путь формирующего светового луча проходит в призме. Если материал призмы имеет высокий коэффициент преломления, удовлетворяющий условию (3), длина светового пути в призме становится больше, чем реальная длина светового пути, и расстояние, по которому изгибается световой луч, может увеличиться.

Длина светового пути между передней группой и задней группой в передней группе, призме и задней группе может стать больше, чем механическая длина светового пути; таким образом, габариты широкоугольного объектива могут быть уменьшены.

Благодаря размещению призм РА, РВ вблизи апертурных диафрагм SA, SB может использоваться малогабаритная призма, при этом расстояние между широкоугольными объективами может быть уменьшено.

Призмы РА, РВ размещаются между передней группой и задней группой. Роль передней группы широкоугольного объектива состоит в получении светового луча, имеющего угол поля зрения более 180 градусов, а задняя группа эффективно выполняет коррекцию аберраций при формировании изображений.

Влияние производственных отклонений и погрешностей размещения может быть предотвращено при размещении призм, как описано выше.

Как описано выше, угол широкого поля зрения включает в себя отражающую поверхность между передней группой и задней группой, при этом передняя группа и задняя группа выполнены таким образом, что образуют прямой угол. При использовании такой конструкции обеспечивается общая длина, требуемая для получения широкоугольного объектива с высокими характеристиками.

При использовании указанных двух широкоугольных объективов для устройства формирования изображений участки отражающих поверхностей размещаются вблизи друг друга в направлении, перпендикулярном оптической оси передней группы, при этом влияние расхождения может быть существенно уменьшено.

Кроме того, поскольку передняя главная точка установлена между второй линзой и третьей линзой в передней группе, размер отражающей поверхности может быть существенно уменьшен.

В связи с этим благодаря использованию указанных двух широкоугольных объективов для устройства формирования изображений может быть получено предпочтительное устройство формирования изображений, имеющее существенно уменьшенное расхождение.

Пример

Ниже описывается конкретный пример широкоугольного объектива.

Данный пример иллюстрирует широкоугольный объектив для использования в оптических системах А, В формирования изображений устройства формирования изображений, приведенного на фиг. 1. А именно указанные два широкоугольных объектива для использования в оптических системах А, В формирования изображений являются одинаковыми, d1=d2.

В нижеследующем примере f обозначает фокусное расстояние системы в целом, No обозначает F-число, а ω обозначает угол полуполя.

Поверхности имеют номера 1-23 в порядке следования от пространства предметов. Номера обозначают поверхность линзы, поверхности падения и излучения и отражающую поверхность призмы, поверхность апертурной диафрагмы, поверхность фильтра и принимающую излучение поверхность датчика формирования изображений.

R обозначает радиус кривизны каждой поверхности и обозначает радиус кривизны для параксиальных лучей на асферической поверхности.

D обозначает расстояние между поверхностями, nd обозначает коэффициент преломления линии d, а υd обозначает число Аббе. Расстояние до предмета - бесконечность. Единица длины - мм.

Пример

f=0,75, No=2,14, ω=190 градусов

Поверхности, содержащие * (обе поверхности второй линзы в передней группе и обе поверхности последней линзы в задней группе), в приведенных выше данных являются асферическими поверхностями.

Форма асферической поверхности задается нижеследующим известным уравнением с помощью обратной величины радиуса кривизны для параксиальных лучей (параксиальной кривизны) С, высоты Н относительно оптической оси, конической постоянной К и асферического коэффициента каждого порядка, при этом Х является величиной асферичности поверхности в направлении оптической оси.

X=CH²/[1+√(1-(1+K)C²H²)]+A4·H⁴+A6·H⁶+A8·H⁸+A10·H¹⁰+A12·H¹²+A14·H¹⁴

Форма задается путем применения радиуса кривизны для параксиальных лучей, конической постоянной и коэффициента асферичности поверхности.

Ниже перечислены данные асферической поверхности из приведенного выше примера.

ТРЕТЬЯ ПОВЕРХНОСТЬ

4-й: 0,001612

6-й: -5,66534е-6

8-й: -1,99066е-7

10-й: 3,69959е-10

12-й: 6,47915е-12

ЧЕТВЕРТАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

4-й: -0,00211

6-й: 1,66793е-4

8-й: 9,34249е-6

10-й: -4,44101е-7

12-й: -2,96463е-10

ШЕСТНАДЦАТАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

4-й: -0,006934

6-й: -1,10559е-3

8-й: 5,33603е-4

10-й: -1,09372е-4

12-й: 1,80753е-5

14-й: -1,52252е-7

СЕМНАДЦАТАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

4-й: 0,041954

6-й: -2,99841е-3

8-й: -4,27219е-4

10-й: 3,426519е-4

12-й: -7,19338е-6

14-й: -1,69417е-7

В вышеуказанных асферических поверхностях, например, -1,69417е-7 означает -1,69417×10^-7. Кроме того, 4-14-й означают А4-А14 соответственно.

Значения параметров соответствующих условий приведены ниже.

Значение параметра условия (1)

d=d1=d2=6

f=0,75

d/f=8

Значение параметра условия (2)

DA=8,87

DB=14,76

Значение параметра условия (3)

nd=1,834000

Значение параметра условия (4)

(d1+d2)/f=16

В связи с этим широкоугольный объектив и устройство формирования изображений в данном примере удовлетворяют условиям (1)-(4).

Расстояние между оптическими осями (расстояние между передними главными точками в направлении вверх и вниз на фиг. 1) может быть уменьшено на 14 мм по сравнению с широкоугольным объективом с использованием параллельных световых путей без искривления их.

Как описано выше, длины световых путей световых лучей, проходящих через периферию и центр широкоугольного объектива, имеющего угол поля зрения 180 градусов или более, изменяются в соответствии с разностью толщин линз, вызывая ухудшение качества изображения. Среди трех линз передней группы в широкоугольном объективе в данном примере вторая линза часто имеет разность толщин между частью вблизи оптической оси и периферией линзы. Поэтому асферические поверхности применяются к обеим поверхностям второй линзы в качестве пластической линзы, чтобы скорректировать вторую линзу.

Кроме того, благодаря использованию асферических поверхностей на обеих поверхностях последней линзы задней группы в качестве пластической линзы предпочтительно корректируются аберрации, создаваемые в пространстве предметов этой линзы.

У четырех линз задней группы хроматическая аберрация предпочтительно корректируется путем склеивания второй двояковыпуклой линзы и третьей двояковогнутой линзы.

Фиг. 2 иллюстрирует сферическую аберрацию широкоугольного объектива из данного примера.

Фиг. 3 иллюстрирует кривизну поля широкоугольного объектива из данного примера.

Фиг. 4 иллюстрирует кому широкоугольного объектива из данного примера.

Фиг. 5 и фиг. 6 являются видами, каждый из которых иллюстрирует особенность ОПФ. Горизонтальная ось отображает пространственную частоту на фиг. 5 и угол полуполя в градусах на фиг. 6.

Как ясно из этих чертежей, характеристики широкоугольного объектива из данного примера чрезвычайно высоки.

Устройство формирования изображений, к которому применимо устройство формирования изображений в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя устройство формирования изображений, фотографирующее панорамное изображение. В частности, такое панорамное изображение пригодно для формирования изображения в угле 360 градусов по горизонтали, изображения в сферическом теле с углом 360 градусов, то есть сфотографированного по всем направлениям изображения, и т. п.

Такое устройство формирования изображений, фотографирующее панорамное изображение, может называться всенаправленным устройством формирования изображений или устройством формирования изображений полной небесной сферы. Изображение, сфотографированное устройством формирования изображений в соответствии с настоящим изобретением, может являться неподвижным изображением или динамическим изображением.

Несмотря на то что выше описан вариант осуществления, включающий в себя пример настоящего изобретения, настоящее изобретение этим не ограничивается. Следует учесть, что в описанный вариант осуществления специалистом могут вноситься изменения в пределах объема настоящего изобретения.

Реферат

Объектив имеет угол поля зрения более 180 градусов и содержит переднюю группу, отражающую поверхность и заднюю группу. Передняя группа содержит три отрицательные линзы, отражающая поверхность изменяет направление оптической оси на угол 90 градусов, задняя группа содержит четыре положительные линзы. Передняя главная точка расположена между второй и третьей линзами в передней группе. Фокусное расстояние f объектива и расстояние d между пересечением отражающей поверхности и оптической оси и передней главной точкой удовлетворяют условию 7,0

Формула