Афокальная насадка для телевизионных камер и фотокамер

Афокальная насадка для телевизионных камер и фотокамер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к афокальным насадкам, предназначенным для увеличения фокусного расстояния объективов телевизионных камер и фотокамер с целью обеспечения высокого пространственного разрешения при регистрации объектов.

Уровень техники

Известна 4-линзовая афокальная насадка с угловым увеличением 1,5 крат для объективов видеокамер с внутренним положением входного зрачка (патент US 4171872 A, 23.10.1979, G02B 13/22).

Афокальная насадка содержит положительный двухлинзовый склеенный компонент и отрицательный двухлинзовый склеенный компонент. Недостатком этой насадки является относительно небольшое, не превышающее 1,5 крат, угловое увеличение. Для достижения больших значений увеличения масса первого склеенного компонента, выполненного в виде склейки двух линз, резко возрастает.

Известна телескопическая система Галилея 5-кратного увеличения, предназначенная для наблюдения объектов человеком (Carmen Menchaca and Daniel Malacara Design of Galilean-type telescope systems, APPLIED OPTICS / Vol.27, No.17/1 September 1988, pp.3715-3718). Существенным ограничением при использовании этой системы в качестве афокальной насадки фото- и телевизионных объективов является малый диаметр выходного зрачка, не превышающий 8 мм.

Наиболее близкой по технической сущности является 3-линзовая афокальная насадка с угловым увеличением Г=1,71 крат, предназначенная для объективов видеокамер (патент RU 2067309 C1, 27.09.2006, G02B 15/12; он же принят в качестве прототипа).

Данная афокальная насадка с угловым увеличением 1,71 крат содержит два компонента, причем первый положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, а второй, отрицательный компонент, состоит из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к объекту, и одиночной отрицательной линзы.

Угловое поле в пространстве изображений прототипа 2W′=7°. Угловое поле в пространстве объектов определяется увеличением насадки и составляет для прототипа 2 W = 2 W ' Г = 4,1 ∘ . Относительное отверстие афокальной насадки определяется отношением диаметра выходного зрачка D_ВЫХ.ЗР к фокусному расстоянию второго (отрицательного) компонента насадки f 2 ' и для прототипа составляет A = D В Ы Х . З Р . f 2 ' = 1 : 4 .

Кроме того, данная афокальная насадка предназначена для работы в спектральном диапазоне 486…610 нм. При этом насадка имеет высокое угловое разрешение в центре поля зрения пространства изображений - угловой размер пятна рассеяния составляет 2ΔW′=26 угл.сек=0,44 угл.мин, но низкое разрешение по полю изображения: при W′=1,8° угловой размер пятна рассеяния составляет 2ΔW=6 угл.мин, а при W′=3,5° составляет, соответственно, 2ΔW′=19 угл.мин. В пространстве объектов угловое разрешение 2 Δ W = 2 Δ W ' Г при W=0° составляет 2ΔW=0,26 угл.мин; при W=1,1° 2 Δ W = 2 Δ W ' Г = 3,5   у г л . м и н . и при W=2,05° соответственно 11 угл.мин.

В таблице 1 для прототипа для разных угловых полей представлены значения угловых размеров пятен рассеяния в пространстве изображений и в пространстве объектов.

Таблица 1
Насадка 1,7 крат
Пространство изображений	Пространство объектов
W′, угл.град.	2ΔW′, угл.мин	W = W ' Г угл.град.	2 Δ W = 2 Δ W ' Г , угл.мин
0	0,5	0	0,3
1,8	6	1,1	3,5
3,5	19	2,05	11

Данная насадка имеет следующие недостатки: низкое разрешение по полю изображений и вследствие малого углового увеличения низкое разрешение в пространстве объектов, а также малое относительное отверстие.

Повысить разрешение в пространстве объектов можно за счет повышения углового увеличения. Однако коррекционные возможности прототипа ограничены увеличением 1,71 крат.

Раскрытие изобретения

Для устранения указанных недостатков в афокальной насадке, состоящей из двух компонентов, в которой первый компонент является положительным и выполнен в виде одиночной положительной линзы (1), а второй компонент является отрицательным и выполнен в виде одиночной отрицательной линзы (4), в первый компонент дополнительно введен афокальный коррекционный компонент однократного увеличения, расположенный на оптической оси между положительной линзой (1) и отрицательной линзой (4), и выполненный в виде последовательно расположенных по ходу лучей вогнуто-выпуклого отрицательного мениска (2) и выпукло-вогнутого положительного мениска (3) с равными оптическими силами, касающимися друг с другом выпуклыми поверхностями, причем фокусные расстояния менисков (2) и (3) равны фокусному расстоянию положительной линзы (1) первого компонента:

− f 2 ' = f 3 ' = f 1 ' ;

расстояние между положительной линзой (1) первого компонента и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента равно половине фокусного расстояния положительной линзы (1) первого компонента:

d 1,2 = 1 2 f 1 '

расстояние между менисками:

d_2,3=0;

фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно:

f 4 ' = − f 1 ' Г ,

и она удалена от точки касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента на расстояние:

d 3,4 = f 1 ' − d 1,2 − f 4 ' = f 1 ' − f 1 ' 2 − f 1 ' Г = = f 1 ' 2 Г ( Г − 2 )

где Г - увеличение афокальной насадки.

Данные формулы получены без учета толщин линз, т.е. для тонких оптических компонентов. Для компонентов с реальными толщинами эти формулы являются приближенными.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена оптическая схема афокальной насадки с 5-кратным угловым увеличением в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для осевого пучка лучей W=0°.

На фиг.3 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для внеосевого пучка лучей W=0,36°.

На фиг.4 представлено распределение энергии E(W) в угловом пятне рассеяния в пространстве объектов ΔW для внеосевого пучка лучей W=0,7°.

В качестве примера предлагаемой афокальной насадки приводится насадка 5-кратного увеличения.

Параметры компонентов насадки с увеличением 5 крат, рассчитанные по формулам для тонких оптических компонентов:

фокусное расстояние насадки 1, 2, 3, 4:

f′=∞;

фокусное расстояние положительной линзы (1) первого компонента:

f 1 ' = 216,5   м м ;

расстояние между положительной линзой (1) первого компонента и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):

d 1,2 = 1 2 f 1 ' = 108,25   м м ;

фокусное расстояние отрицательного мениска (2) афокального коррекционного компонента (2, 3):

f 2 ' = − f 1 ' = − 216,5   м м ;

фокусное расстояние положительного мениска (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):

f 3 ' = f 1 ' = 216,5   м м ;

расстояние между менисками (2) и (3):

d_2,3=0;

фокусное расстояние афокального коррекционного компонента (2, 3):

f′_2,3=∞;

расстояние между точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента и отрицательной линзой (4) второго компонента:

d 3,4 = f 1 ' 2 Г = ( Г − 2 ) = 64,95   м м ;

фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно:

f 4 ' = − f 1 ' Г = 43,3   м м .

В таблице 2 представлены конструктивные параметры предлагаемой насадки, оптическая схема которой приведена на фиг.1.

Таблица 2
№ поверхности	Радиус кривизны	Толщина	Стекло	Световой диаметр
1	109,516	23	ОК4	126,5
2	-786,57	78,64		126,4
3	-87,375	5	ТФ10	72,6
4	-181,765	0		73,1
5	46,952	8	БФ7	68,7
6	69,842	69,22		67,3
7	-239,785	4	КФ6	25,05
8	24,205	40		22,15
Плоскость выходного зрачка				17,6

Параметры компонентов насадки с реальными толщинами элементов: фокусное расстояние насадки (1), (2), (3), (4):

f ' = 8,6 ⋅ 10 5   м м ;

фокусное расстояние положительной линзы (1) первого компонента:

f 1 ' = 216,5   м м ;

расстояние между положительной линзой первого компонента (1) и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):

d_1,2=102 мм;

фокусное расстояние отрицательного мениска (2) афокального коррекционного компонента (2, 3):

f 2 ' = − 213,4   м м ;

фокусное расстояние положительного мениска (3) афокального коррекционного компонента (2, 3):

f 3 ' = 218,9   м м ;

расстояние между менисками (2) и (3):

d_2,3=0;

фокусное расстояние афокального коррекционного компонента (2, 3):

f 2,3 ' = − 5054   м м ;

расстояние между точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента и отрицательной линзой (4) второго компонента:

d_3,4=77 мм;

фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно

f 4 ' = − 43,7   м м ;

увеличение афокальной насадки

Г=5^x.

Как следует из приведенных параметров компонентов насадки, они близки к теоретическим параметрам.

Расчет афокальной насадки 5-кратного увеличения проведен для таких же угловых полей в пространстве изображений, как и у прототипа, но при увеличенном относительном отверстии:

спектральный диапазон Δλ=486…610 нм;

угловое поле в пространстве изображений - 2W′=7°;

относительное отверстие A = D В Ы Х . З Р . f 4 ' = 1 : 2,5 .

При этом из-за углового увеличения предлагаемой насадки Г=5^x угловое поле в пространстве объектов - 2 W = 2 W ' Г = 1,4 ∘ .

На фиг.2, 3 и 4 представлены графики распределений энергии в угловом пятне рассеяния насадки в пространстве объектов для угловых полей W=0°, W=0,36° и W=0,1°. Из этих графиков следует, что по уровню энергии E=0,7 в пространстве объектов угловой размер пятна рассеяния при W=0° равен 2ΔW=0,06 угл.мин. (в пространстве изображений 2ΔW′=0,3 угл.мин), при W=0,36° равен 2ΔW=0,36 угл.мин (в пространстве изображений 2ΔW′=1,8 угл.мин) и W=0,7° равен 2ΔW=3 угл.мин (в пространстве изображений 2ΔW′=15 угл.мин).

В таблице 3 приведены значения углового размера пятна рассеяния предлагаемой насадки 2ΔW в пространстве изображений для заданного углового поля W′ и в пространстве объектов 2 Δ W = 2 Δ W ' Г для заданного углового поля W = W ' Г .

Таблица 3
Насадка 5 крат
Пространство изображений	Пространство объектов
W′, угл.град.	2ΔW′, угл.мин	W = W ' Г , угл.град.	2 Δ W = 2 Δ W ' Г , угл.мин
0	о,з	0	0,06
1,8	1,8	0,36	0,36
3,5	15	0,7	3

Из сравнения таблиц 1 и 3 следует, что в пространстве объектов угловая разрешающая способность предлагаемой насадки 5-кратного увеличения в центре поля увеличена в 5 раз, в середине поля - почти в 10 раз, а на краю поля - почти в 4 раза. При этом относительное отверстие увеличено в 1,6 раза, что подтверждает положительный эффект от предлагаемого изобретения.

Специалистам в данной области техники понятно, что при таком подходе к технической задаче, который предусматривает данное решение, также могут быть получены афокальные насадки и с другим увеличением, кроме вышеуказанного 5-кратного увеличения, рассмотренного на конкретном примере - т.е. при таком подходе к конструктивному выполнению афокальной насадки, вышеуказанном выборе определенных линз, вышеуказанном выборе их определенных фокусных расстояний, вышеуказанном выборе определенных расстояний между ними, но путем изменения увеличения Г афокальной насадки в другое количество крат.

Наличие признаков, отличающих предлагаемую насадку от прототипа, подтверждает соответствие данного предложения критерию «новизна», а именно такое сочетание всех признаков устройства, не известное из научно-технической и патентной литературы, говорит о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Афокальная насадка, состоящая из двух компонентов, в которой первый компонент является положительным и выполнен в виде одиночной положительной линзы (1), а второй компонент является отрицательным и выполнен в виде одиночной отрицательной линзы (4), отличающаяся тем, что в первый компонент дополнительно введен афокальный коррекционный компонент однократного увеличения, расположенный на оптической оси между положительной линзой (1) и отрицательной линзой (4) и выполненный в виде последовательно расположенных по ходу лучей вогнуто-выпуклого отрицательного мениска (2) и выпукло-вогнутого положительного мениска (3) с равными оптическими силами, касающимися друг с другом выпуклыми поверхностями, причем фокусные расстояния менисков (2) и (3) равны фокусному расстоянию положительной линзы (1) первого компонента: − f 2 ' = f 3 ' = f 1 ' ;расстояние между положительной линзой (1) первого компонента и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента равно половине фокусного расстояния положительной линзы (1) первого компонента: d 1,2 = 1 2 f 1 ' ,расстояние между менисками (2) и (3) равно:d_2,3=0;фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно: f 4 ' = − f 1 ' Г ,и она удалена от точки касания поверхностей менисков (2) и (3) афокального коррекционного компонента на расстояние: d 3,4 = f 1 ' 2 Г ( Г − 2 ) ,где Г - увеличение афокальной насадки.