Оптическая система объектива-трансфокатора со стабилизацией изображения

Оптическая система объектива-трансфокатора со стабилизацией изображения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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.