CZ2012280A3 - Objektiv s promennou ohniskovou vzdáleností - Google Patents

Abstract

Optická soustava objektivu má promennou ohniskovou vzdálenost a pri její zmene je zachována konstantní vzdálenost (D) mezi predmetovým ohniskem (F) a obrazovým ohniskem (F´). Pocet clenu (1, 2, 3, 4) optické soustavy objektivu je tri nebo ctyri, pricemz kazdý clen (1, 2, 3, 4) objektivu muze být vytvoren z nekolika optických prvku, jako jsou cocky, zrcadla nebo difrakcní elementy. Tohoto cíle se pri zvolené pozadované konstantní vzdálenosti (D) a známých lámavostech (.fi..sub.i.n.) optických prvku a lámavosti (.fi.) celé soustavy dosáhne zmenami vzdálenosti (d.sub.i.n.) mezi jednotlivými optickými cleny (1, 2, 3, 4).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká objektivu s proměnnou ohniskovou vzdáleností, tzv. pankratického objektivu, který má konstantní vzdáleností mezi svým předmětovým a obrazovým ohniskem.

Dosavadní stav

V současné době jsou k dispozici objektivy proměnnou ohniskovou vzdáleností, pankratické objektivy, které však nemají konstantní vzdáleností mezi svým předmětovým a obrazovým ohniskem, nýbrž se tato vzdálenost se změnou ohniskové vzdálenosti objektivu mění. Jejich nevýhodou je, že je nelze použít v optických systémech pro zpracování informace a v optických měřících systémech majících telecentrický chod paprsků jak na straně předmětové, tak i na straně obrazové.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností podle předkládaného vynálezu. Jeho podstatou je, že jeho optická soustava je tvořena třemi optickými členy, které ležící na společné optické ose a vzdálenost mezi předmětovým a obrazovým ohniskem této optické soustavy je při změně ohniskové vzdálenosti objektivu konstantní. První až třetí optický člen mají dané lámavosti φ-ι, φ₂, q>3 a lámavost celé optické soustavy je φ. Vzdálenost di mezi prvním a druhým optickým členem a vzdálenost d₂ mezi druhým a třetím optickým členem je měnitelná v závislosti na lámavosti celé optické soustavy a zvolených lámavostech jednotlivých optických členů a na zvolené vzdálenosti D mezi předmětovým a obrazovým ohniskem a je dána vztahy

- δ + y(d_} +d₂)-a = yD • · · ·· • · · · · ·· • ······ ····«« • · · ·9

9 9 9 9 999 l< <

« ♦t •€ fl

9l

9 9 f € · t a

χ = -φ, kde ~d₂<PÁ<Pi + φ₂)-8_ιφ_χ(φ₂ + φ₃) + φ_χ +<Pi + <P₃], ^ = ^1^2^2^3 -^1(^2 +^3)-^2^3 +1·

V druhém provedení je objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností tvořen optickou soustavou, která má čtyři optické členy ležící na společné optické ose a opět vzdálenost D mezi předmětovým a obrazovým ohniskem této optické soustavy je při změně ohniskové vzdálenosti objektivu konstantní. Optické členy mají dané lámavosti φ₂, φ₃ a φ₄ a lámavost celé optické soustavy je φ. Jedna vzdálenost mezi kterýmikoli dvěma optickými členy je pevně zvolená. Zbývající dvě vzdálenosti jsou měnitelné v závislosti na lámavosti celé optické soustavy, na zvolených lámavostech jednotlivých optických členů a na zvolené vzdálenosti mezi předmětovým a obrazovým ohniskem této optické soustavy a jsou dány vztahy

-8 + y(d₃ + d₂ + d₃) - a = yD, a

Y = ~<P>

kde • ·

-.3a = φ_χφ₂ά_χά₂ - φ_χά₂ - φ_χά₃ - φ₂ά₂ - φ₂ά₃ - φ₃ά₃ - φ_χά_χ + φ_χφ₂ά_χά₃ + φ_χφ₃ά_χά₃ + φ_χφ₃ά₂ά₃+ φ₂φ₃ά₂ά₃ - φ_χφ₂φ₃ά_χά₂ά₃ +1

Υ = <P\<Pid\ - (φ_χ + φ₂ + φ₃ + ρ₄) + <Ρι<ΡΑ + <P₃<P₃d₂ + φ_χφ,ά_χ + φ_χφ,ά₂ + φ₂φ₃ά₂ + + + ΦιψΑ + Φ₃Φ& ~ <mP₃d_xd₂ - φ_χφ₂φ^ά_χά₂ - φ_χφ₂φ^ά_χά₃ - , φ_χφ₃φ^_χά₃-φ_χφ₃φ₄(1₂(1₃-φ₂φ₃φ^ά₂ά₃·Υφ_χφ₂φ₃φ^ά_χά₂(1₃ ^δ = ?>2íMA ~ PA ~ (p₃d₂ - φ^_χ - φ$₂ - φ^ά₃ - φ₂ά_χ + φ₂φ^_χά₂ + φ₂φ^_χά₃ + φ₃φ^_χά₃ + φ₃φ₄ά₂ά₃ - φ₂φ₃φ^_χά₂ά₃ +1

Vobou výše uvedených provedeních může být každý z optických členů vytvořen z několika čoček a/nebo zrcadel a/nebo difrakčních elementů.

Podstatou vynálezu je tedy v obou případech objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností, tedy pankratický objektiv, který má konstantní vzdáleností mezi svým předmětovým a obrazovým ohniskem.

Výhodou uvedeného řešení je, že vzdálenost mezi svým předmětovým a obrazovým ohniskem zůstává, při změně ohniskové vzdálenosti objektivu, konstantní.

Objasnění výkresů

Objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností a s konstantní vzdáleností mezi svým předmětovým a obrazovým ohniskem v obou předkládaných provedeních je uveden na Obr. 1 a Obr. 2.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na Obr. 1 je příkladně znázorněno jedno z možných řešení tohoto objektivu, a to objektiv tvořený čtyřmi optickými členy, umístěnými na společné optické ose. Jedná se o první optický člen 1, který má lámavost (gi, druhý optický člen 2 mající

- 4 ~ lámavost 22, třetí optický člen 3 s lámavostí 23 a čtvrtý optický člen 4 s lámavostí g>4. Lámavost celé optické soustavy je φ. Mezi předmětovým ohniskem F a obrazovým ohniskem F' této optické soustavy je vzdálenost D, která je předem zvolená a je při změně ohniskové vzdálenosti objektivu konstantní. Bod A' je obrazem bodu A a spojnice těchto bodů je optická osa optické soustavy.

Význam dalších symbolů uvedených na Obr. 1 je následující, ξ je rovina, ve které se nachází zobrazovaný předmět, tedy předmětová rovina a ξ' je rovina, ve které se nachází obraz předmětu vytvořený objektivem, tedy obrazová rovina. Vzdálenost předmětu od prvního optického členu 1 objektivu je označena jako s, sl značí vzdálenost obrazu od posledního, zde tedy čtvrtého optického členu 4 objektivu, s_r značí vzdálenost předmětového ohniska F od prvního optického členu 1 objektivu a s'_F. značí vzdálenost obrazového ohniska F od posledního, čtvrtého optického členu 4 objektivu. Dále jsou zde vyznačeny vzdálenosti mezi jednotlivými optickými prvky objektivu, a to di mezí prvním optickým členem 1 a druhým optickým členem 2, dg mezi druhým optickým členem 2 a třetím optickým členem 3 a c/3 mezi třetím optickým členem 3 a čtvrtým optickým členem 4. Jedna z těchto vzdáleností mezi kterýmikoli dvěma sousedními optickými členy (1,2), (2,3), (3,4) je pevně zvolená a zbývající dvě vzdálenosti jsou měnitelné v závislosti na lámavostí φ celé optické soustavy, na zvolených lámavostech 2i> <££> 24 jednotlivých optických členů 1, 2,3,4 a na zvolené vzdálenosti D. Změnou vzdáleností těchto di, dg a se dosáhne změny ohniskové vzdálenosti objektivu složeného ze čtyř optických členů, přičemž vzdálenost D mezi ohnisky tohoto objektivu zůstane konstantní.

Za účelem zjištění vzájemných vzdáleností jednotlivých optických členů objektivu jsou zavedeny následující veličiny:

« = Ψ^Α - φ_χά₂ - φΑ - φ₂ά₂ - φ₂ά₂ - φΑ - φ_χά_χ + φ_χφ₂άΑ + φ_χφΑ^ά3 + φ_χφΑ^3 + φ₂φ₂ά₂ά₂ - φ_χφ₂φΑ^Α +1 γ = φ_χφ₂ά_χ ~{φ_χ+φ₂+φ₂+(/)^ + ψ_χψΑ + φ_χφΑ + φ_χφΑ + <M>A + ΦιΦΑ + φ_χφΑ + <Pi<pA+ΦιφΑ + <Ρι<ρΑ - w/p^A - <m>A^d ₂ - φ^ψΑ^ - · (²) ⁽Ρ\⁽Ρ/ΡΑ^'ί ~ Ψ^Φ/Ρ^Α ~ ΦϊΦ^Φ^Ι^ί • · · · · · ₄ » · · · · « l• · · · · · · <

• ····♦· ······ _t • · · · · « ····· _t· « _e< d = φ₂φΑΑ - φ^\ - φΑι - <ρΑ - <ρΑι - φΑ - φΑ+ΦιΦ^Α + φ₂φΝΑ +

ΦιΦ^Α+φ^φΑ^ - (m>A^d2<h+¹ kde (/ = 1,2,3/4) značí lámavosti jednotlivých členů objektivu, d_k (k =1,2,3) značí vzdálenosti mezi jednotlivými členy objektivu a φ značí celkovou lámavost objektivu. Zvolí-li se hodnoty lámavosti φ, (i = 1,2,3,4) jednotlivých členů objektivu, celková lámavost objektivu φ, vzdálenost D mezi předmětovým ohniskem F a obrazovým ohniskem F objektivu a jedna ze vzdáleností d_k (k =1,2,3), potom zbývající dvě vzdálenosti se určí řešením rovnic (4) a (5)

-d + y(d_x+d₂+d₃)-a = /D, (4) χ = -φ, (5) kde veličiny α,γ a δ jsou dány vztahy (1), (2) a (3).

Na Obr. 2 je příkladně znázorněno další možné řešení tohoto objektivu a to objektiv tvořený třemi optickými členy, tedy prvním optickým členem 1, druhým optickým členem 2 a třetím optickým členem 3, které leží na společné optické ose. Význam jednotlivých symbolů je stejný jako na Obr. 1.

Vynechá-li se ve výše uvedené optické soustavě jeden, kterýkoli optický člen, například čtvrtý optický člen 4, tedy to znamená, že se ve vztazích (1) - (5) lámavost <24 čtvrtého optického členu 4 položí rovna nule a rovněž tak je nulová i vzdálenost dg mezi třetím optickým členem 3 a čtvrtým optickým členem 4, tedy optická soustava se redukuje na tříčlennou, pak vztahy platné pro tříčlennou optickou soustavu jsou a = c/,č/₂9,9₂-í/₂(9,+9₂)-í/,9,+1, (6) γ = -[ί/,^φ,φ^ - í/₂9₃ (9ι + Φ₂ )~<ήφι (φ₂ + Φ₃) + Φι + Φ₂ + Φ₃ L (⁷) δ = ί/_ιί/₂9₂φ₃ -<ή(φ₂ +φ₃)~^₂φ₃ +1 >

(8) • ·

Při volbě hodnot lámavostí <p_t (i = 1,2,3) jednotlivých optických členů 1, 2, 3 objektivu, celkové lámavosti £ objektivu a vzdálenosti D mezi předmětovým ohniskem F a obrazovým ohniskem F objektivu, potom zbývající dvě vzdálenosti d_k (k =1,2), se získají řešením rovnic (9) a (10)

-δ + γ(ά, +ά₂)-α = γΰ,(9) / = -?.(10) kde veličiny α,γ a δ jsou dány vztahy (6), (7) a (8). Úpravou vztahů (9) a (10) se pro výpočet vzdáleností 4 a 4 získají rovnice (11) a (12). Vzdálenost 4 se určí z rovnice (11)

4(45,-44)+4(4(4-4-5.)+4521+4^44=0,(11) kde veličiny v rovnici (11) jsou dány jako = ΦιΦ2Φ3. 4=Φι(Φ2+φ₃)> 4=Φ3(Φι+Φ2). 4=ρ-φ.

Τ’ = Φ1+Φ2+Φ3. 5,=9,92+9293, 5₂=2-φΖ), a vzdálenost 4 se určí z rovnice (12)

4=(4-44)/(4-44). (12)

Takto je zabezpečeno, že při změně ohniskové vzdálenosti objektivu zůstává vzdálenost D mezi předmětovým ohniskem F a obrazovým ohniskem F dané optické soustavy konstantní. Je samozřejmé, že každý z optických členů v obou provedeních může být vytvořen z několika čoček a/nebo zrcadel a/nebo difrakčních elementů.

Průmyslová využitelnost

Optická soustava podle vynálezu najde uplatnění v oblasti průmyslové metrologie a v systémech pro optické zpracování informace.

Claims (3)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností vyznačující se tím, že jeho optická soustava je tvořena třemi optickými členy (1,2,3) ležícími na společné optické ose a vzdálenost (D) mezi předmětovým ohniskem (F) a obrazovým ohniskem (F') této optické soustavy je při změně ohniskové vzdálenosti objektivu konstantní, a kde první optický člen (1) má lámavost (φι), druhý

Cl) (3) optický člen má lámavost (φ₂), třetí optický člen má lámavost (<p₃) a lámavost celé optické soustavy je (φ), přičemž vzdálenost (dQ mezi prvním optickým členem (1) a druhým optickým členem (2) a vzdálenost (d₂) mezi druhým optickým členem (2) a třetím optickým členem (3) je měnitelná v závislosti na lámavosti (φ) celé optické soustavy, na zvolených lámavostech (φ^ φ₂₎ φ₃) jednotlivých optických členů (1,2,3) a na zvolené vzdálenosti (D) a je dána vztahy

- δ + /(i/, + J₂) - a = yD a

γ = ~φ· kde a = ά_χά₂φ_χφ₂ -d₂(^ + φ₂)-ά_χφ_χ +1, / = -(^2^2^3 ~^d2(PÁ(P\ +^)-^^(^2 +^3) + ^1 +P2 + P₃l δ = ά_χά₂φ₂φ₃ -d_x(φ₂ + φ/)-ά₂φ₃+\.

2. Objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností vyznačující se tím, že jeho optická soustava je tvořena čtyřmi optickými členy (1,2,3,4) ležícími na společné optické ose a vzdálenost (D) mezi předmětovým ohniskem (F) a obrazovým ohniskem (F') této optické soustavy je při změně ohniskové vzdálenosti objektivu konstantní, a kde první optický člen (1) má lámavost « 8 • · ♦ t « • *· * · · « · · •· • · · ·· (<Pi), druhý optický člen (2) má lámavost (φ₂), třetí optický člen (3) má lámavost (φ₃), čtvrtý optický člen (4) má lámavost (φ₄) a lámavost celé optické soustavy je (φ), přičemž jedna vzdálenost (d_k), kde k=1,2,3, mezi kterýmikoli dvěma optickými členy (1,2), (2,3), (3,4) je pevně zvolená a zbývající dvě vzdálenosti jsou měnitelné v závislosti na lámavosti (φ) celé optické soustavy, na zvolených lámavostech (φ^ φ₂, φ₃, φ₄) jednotlivých optických členů (1,2,3,4) a na zvolené vzdálenosti (D) a jsou dány vztahy

- δ + /(ίή + d₂ + tř₃) - a = γΰ, a

γ = -φ, kde a = φ_χφ₂ά_χά₂ - φ_χά₂ - φ_χά₃ - φ₂ά₂ - φ₂ά₃ - φ₃ά₃ - φ_χά_χ + φ_χφ₂ά_χά₃ + φ_χφ₃ά_χά₃ + φ_χφ₃ά₂ά₃ + φ₂φ₃ά₂ά₃ - φ_χφ₂φ₃ά_χά₂ά₃ +1 / = <Ρ\<ΡΑ-(^+^+^+^) + φ_χφ₃ά_χ + φ_χφ₃ά₂ + φ_χφ,ά_χ + φ_χφ₄ά₂ + φ₂φ₃ά₂ + <Ρ\<ΡΑ + Φι,φΑ + <Ρ₂<ΡΑ + <P₃<Pdh - φ\φ₂φ^^₂ - φ_χφ₂φ₄ά_χά₂ - φ_χφ₂φ₄ά_χά₃ - , ~ ^1^3^4^2^3 ^— ^2^3^4^2^3 + ^1^2^3^4^1^2^3

3 = <P₂<P₃d_xd₂ - <p₃d_x - (p₃d₂ - φ₄ά_χ - φ₄ά₂ - φ,ά₃ - φ₂ά_χ + φ₂φ₄ά_χά₂ + φ₂φ₄ά_χά₃ + . ^3^4^1^3 + Ψ₃Ψ^₂^₃ ~ ^<P2⁽P3⁽Pi3_xd₂d₃ +1

3. Objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností podle nároku 1 nebo 2.

c vyznačující se tím, že každý z optických členů (1,2,3) respektive (1,2,3,4) je vytvořen z několika čoček a/nebo zrcadel a/nebo difrakčních elementů.