RU2411557C2

RU2411557C2 - Pancratic system

Info

Publication number: RU2411557C2
Application number: RU2009116483/28A
Authority: RU
Inventors: Семён Александрович Крутман (RU); Семён Александрович Крутман; Михаил Вячеславович ПОПОВ (RU); Михаил Вячеславович Попов
Original assignee: Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд."
Priority date: 2009-05-04
Filing date: 2009-05-04
Publication date: 2011-02-10
Also published as: RU2009116483A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: pancratic system has an afocal system with variable angular magnification and an optical unit. The afocal system is configured to work in forward and reverse beam paths and has on an optical axis in the forward beam path a first group of lenses and a second group of lenses configured to move along the optical axis. The optical unit has a third group of lenses and a sensor. The optical unit is configured to move in two positions. In the first position, the optical unit lies on the side of the second group of lenses of the afocal system and radiation falls into the afocal system on the side of the first group of lenses, passes through the afocal system in the forward beam path and falls into the optical unit. In the second position, the optical unit lies on the side of the first group of lenses of the afocal system and radiation falls into the afocal system on the side of the second group of lenses, passes through the afocal system in the reverse beam path and falls into the optical unit.

EFFECT: design of a compact pancratic system with high zoom ratio and low aberration.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики, к системам с переменным фокусным расстоянием, а именно к панкратическим системам, и может применяться в видеокамерах, цифровых фотоаппаратах или подобных им оптоэлектронных устройствах, имеющих приемник изображения.The invention relates to the field of optics, to systems with variable focal length, and in particular to panoramic systems, and can be used in video cameras, digital cameras or similar optoelectronic devices having an image receiver.

Панкратические системы широко распространены в настоящее время. Панкратическая система представляет собой оптическую систему с несколькими подвижными оптическими элементами для изменения основных характеристик (эффективного фокусного расстояния, угла обзора, линейного увеличения). Объективы с переменным фокусным расстоянием, входящие в состав панкратических систем, являются основными частями таких оптоэлектронных устройств как видеокамеры, цифровые фотокамеры, CCTV-камеры и другие. Общими требованиями, предъявляемыми к объективам являются: большая кратность изменения фокусного расстояния, большое относительно отверстие (светосила) и высокое качество изображения в пределах изменения фокусного расстояния, а также компактность. Вследствие сочетания таких трудносовместимых требований объектив представляет собой сложную оптическую систему с большим количеством линз. Для обеспечения продолжительного плавного изменения фокусного расстояния объектив содержит, по меньшей мере, две перемещаемые группы линз. Большая кратность изменения фокусного расстояния требует большего расстояния для перемещения групп и усложнения их конструкции. Таким образом, основная проблема при разработке объективов с изменяемым фокусным расстоянием заключается в совмещении различных оптических характеристик, качества изображения и малых размеров. Современные устройства с объективами, такие как профессиональные фотоаппараты или видеокамеры, требуют изображения очень высокого качества, близкого к дифракционному пределу. В то же время данные объективы должны обеспечивать большую кратность изменения фокусного расстояния и быть компактными.Pancratic systems are widespread at present. The pancratic system is an optical system with several movable optical elements for changing basic characteristics (effective focal length, viewing angle, linear magnification). Variable focal length lenses, which are part of pan-panoramic systems, are the main parts of such optoelectronic devices such as video cameras, digital cameras, CCTV cameras and others. The general requirements for lenses are: a large magnification of the focal length, a large relative aperture (aperture) and high image quality within the range of the focal length, as well as compactness. Due to the combination of such difficult-to-match requirements, the lens is a complex optical system with a large number of lenses. To ensure a continuous smooth change in focal length, the lens contains at least two movable groups of lenses. The greater the magnification of the change in focal length requires a greater distance for moving groups and complicating their design. Thus, the main problem in developing lenses with variable focal length is the combination of various optical characteristics, image quality and small size. Modern devices with lenses, such as professional cameras or camcorders, require very high quality images close to the diffraction limit. At the same time, these lenses should provide a large zoom ratio and be compact.

В патенте США №7177092 [1] описан широкоугольный объектив с переменным фокусным расстоянием. Его эффективный диапазон изменения фокусного расстояния составляет 5.91~57.59 мм, а значит кратность изменения фокусного расстояния около 10^X. Данная оптическая система имеет 13 линз в пяти группах, и все группы выполнены с возможностью перемещения, обеспечивающего изменение фокусного расстояния. Общая длина (от первой поверхности до плоскости изображения) равна примерно 75 мм.US Pat. No. 7,171,092 [1] describes a wide-angle zoom lens. Its effective range for changing the focal length is 5.91 ~ 57.59 mm, which means that the magnification of the change in focal length is about 10 ^X. This optical system has 13 lenses in five groups, and all groups are made with the possibility of movement, providing a change in focal length. The total length (from the first surface to the image plane) is approximately 75 mm.

К недостаткам этого объектива можно отнести малую кратность изменения фокусного расстояния и большое число оптических групп, которое увеличивает габариты и усложняет конструкцию.The disadvantages of this lens include the small magnification of the focal length and a large number of optical groups, which increases the size and complicates the design.

Наиболее близок к заявленному изобретению объектив из патента США №7085069 [2], который содержит 32 линзы в четырех группах, при этом вторая и четвертая группы выполнены с возможностью перемещения. Диапазон изменения фокусного расстояния составляет 6.78~175.69 мм, кратность изменения фокусного расстояния 26^X. При этом общая длина объектива равна 605 мм. Данный объектив выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.Closest to the claimed invention, the lens from US patent No. 7085069 [2], which contains 32 lenses in four groups, while the second and fourth groups are made with the possibility of movement. The range of the focal length is 6.78 ~ 175.69 mm, the focal length is 26 ^X. The total length of the lens is 605 mm. This lens is selected as a prototype of the claimed invention.

Недостатки прототипа [2] - большое число линз и значительная общая длина.The disadvantages of the prototype [2] - a large number of lenses and a significant overall length.

Задачей заявляемого изобретения является создание компактной панкратической системы с увеличенной кратностью изменения фокусного расстояния и уменьшенными аберрациями.The task of the invention is the creation of a compact pancratic system with an increased rate of change in focal length and reduced aberrations.

Поставленная задача решена путем создания панкратической системы, содержащей афокальную систему с переменным угловым увеличением и оптический блок, причем афокальная система выполнена с возможностью работы в прямом и обратном ходе лучей и имеет расположенные вдоль оптической оси в прямом ходе лучей первую группу линз и вторую группу линз, выполненных с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а оптический блок имеет третью группу линз и датчик, причем оптический блок выполнен с возможностью перемещения в два положения, причем в первом положении оптический блок находится со стороны второй группы линз афокальной системы, при этом излучение попадает в авфокальную систему со стороны первой группы линз, проходит через афокальную систему в прямом ходе и попадает в оптический блок, а во втором положении оптический блок находится со стороны второй группы линз афокальной системы, при этом излучение попадает в афокальную систему со стороны второй группы линз, проходит через афокальную систему в обратном ходе и попадает в оптический блок.The problem is solved by creating a pancratic system containing an afocal system with variable angular magnification and an optical unit, and the afocal system is configured to work in the forward and reverse rays and has a first group of lenses and a second group of lenses located along the optical axis in the direct path of the rays, made with the possibility of movement along the optical axis, and the optical unit has a third group of lenses and a sensor, and the optical unit is made with the possibility of moving in two positions, and in In the first position, the optical unit is located on the side of the second group of lenses of the afocal system, while the radiation enters the avfocal system on the side of the first group of lenses, passes through the afocal system in the forward direction and enters the optical unit, and in the second position, the optical unit is on the side of the second group the lenses of the afocal system, while the radiation enters the afocal system from the side of the second group of lenses, passes through the afocal system in the reverse direction and enters the optical unit.

Иными словами, технический результат достигается за счет использования афокальной системы, включающей в себя подвижные компоненты (группы линз), выполненные с возможностью плавного изменения углового увеличение системы, при этом в прямом ходе лучей афокальная система обеспечивает перепад видимых увеличений от г_S до 1^X, а в обратном ходе лучей перепад увеличений от 1^X до

таким образом, общий перепад увеличений составитIn other words, the technical result is achieved through the use of an afocal system, including moving components (groups of lenses), made with the possibility of a smooth change in the angular increase of the system, while in the direct path of the rays the afocal system provides a difference in visible magnifications from r _S to 1 ^X , and in the reverse direction of the rays, the difference in magnifications from 1 ^X to

thus, the total difference in increases will be

а также за счет использования оптического блока, в состав которого включены датчик изображения, оптический фильтр и объектив (группа линз), при этом оптический блок выполнен с возможностью перемещения в два положения, обеспечивающих в каждом положении фокусировку излучения на датчике изображения при прямом/обратном ходе лучей в афокальной системе.and also through the use of an optical unit, which includes an image sensor, an optical filter and a lens (group of lenses), while the optical unit is made with the ability to move in two positions, providing in each position focusing radiation on the image sensor with forward / reverse rays in the afocal system.

Для функционирования панкратической системы имеет смысл, чтобы афокальная система дополнительно имела вдоль оптической оси четвертую группу линз, расположенную между первой и второй группой линз, первый отражающий элемент, расположенный перед первой группой линз по ходу излучения в прямом ходе лучей, второй отражающий элемент, расположенный за второй группой линз по ходу излучения в прямом ходе лучей, пятую группу линз, расположенную перед первым отражающим элементом по ходу излучения в прямом ходе лучей, и ограничитель апертуры, расположенный между первой и четвертой группами линз, а оптический блок дополнительно имеет фильтр, расположенный между третьей группой линз и датчиком.For the functioning of the pancratic system, it makes sense that the afocal system additionally has along the optical axis a fourth group of lenses located between the first and second group of lenses, a first reflecting element located in front of the first group of lenses in the direct direction of the radiation, a second reflecting element located behind the second group of lenses in the direction of radiation in the forward direction of the rays, the fifth group of lenses located in front of the first reflecting element in the direction of radiation in the direct direction of the rays, and the aperture limiter, located embedded between the first and fourth groups of lenses, and the optical unit further has a filter located between the third group of lenses and the sensor.

Для функционирования панкратической системы важно, чтобы третья, четвертая и пятая группы линз были неподвижны.For the functioning of the pancratic system, it is important that the third, fourth and fifth groups of lenses are stationary.

Для функционирования панкратической системы важно, чтобы первый и второй отражающий элементы были выполнены в виде зеркал.For the functioning of the pancratic system, it is important that the first and second reflective elements are made in the form of mirrors.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующим чертежом.For a better understanding of the claimed invention the following is a detailed description with the corresponding drawing.

На чертеже - схема панкратической системы согласно изобретению:In the drawing is a diagram of a pancratic system according to the invention:

(вид 1.1) в первом положении оптического блока и при прямом распространении света;(view 1.1) in the first position of the optical unit and in direct light propagation;

(вид 1.2) во втором положении оптического блока и при обратном распространении света.(view 1.2) in the second position of the optical unit and with the back propagation of light.

Рассмотрим вариант выполнения панкратической системы, представленный на чертеже (вид 1.1). Панкратическая система содержит две основные части: афокальную систему 1 с изменяемым фокусным расстоянием и перемещающийся оптический блок 2. Афокальная система 1 имеет расположенные вдоль оптической оси в прямом ходе лучей пятую группу 3 линз, второе зеркало 4, осуществляющее поворот оптической оси на угол 90°, первую подвижную группу 5 линз, выполненную с возможностью перемещения вдоль оптической оси, ограничитель 6 апертуры, четвертую неподвижную группу 7 линз, вторую подвижную группу 8 линз, выполненную с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первое зеркало 9, осуществляющее поворот оптической оси на угол 90°. Оптический блок 2 имеет третью группу 10 линз, фильтр 11 и датчик 12.Consider the embodiment of the pancratic system shown in the drawing (view 1.1). The panoramic system contains two main parts: an afocal system 1 with a variable focal length and a moving optical unit 2. The afocal system 1 has a fifth lens group 3 located along the optical axis in the forward direction of the rays, a second mirror 4, which rotates the optical axis by an angle of 90 °, a first movable lens group 5 arranged to move along the optical axis, an aperture limiter 6, a fourth fixed lens group 7, and a second movable lens group 8 arranged to move along pticheskoy axis, the first mirror 9, by turning the optical axis by an angle of 90 °. The optical unit 2 has a third group of 10 lenses, a filter 11 and a sensor 12.

В первом положении (чертеж, вид 1.1) оптического блока 2 свет входит в панкратическую афокальную систему 1 через пятую группу 3 линз, отражается от второго наклонного зеркала 4, проходит через первую подвижную группу 5 линз, ограничитель 6 апертуры, четвертую неподвижную группу 7 линз и вторую подвижную группу 8 линз, затем отражается от первого наклонного зеркала 9 и достигает датчика 12, проходя через третью группу 10 линз (объектив) и фильтр 11. Панкратическая афокальная система 1 включает в себя две подвижные группы линз 5 и 8, которые обеспечивают изменение углового увеличения. Эффективное фокусное расстояние всей панкратической системы определяется в соответствии с выражением:In the first position (drawing, view 1.1) of the optical unit 2, light enters the pancratic afocal system 1 through the fifth lens group 3, is reflected from the second inclined mirror 4, passes through the first movable lens group 5, the aperture limiter 6, the fourth stationary lens group 7 and the second movable group of lenses 8, then reflected from the first inclined mirror 9 and reaches the sensor 12, passing through the third group of 10 lenses (lens) and filter 11. Pancreatic afocal system 1 includes two movable groups of lenses 5 and 8, which provide Changing the angular magnification. The effective focal length of the entire panocratic system is determined in accordance with the expression:

где Г_S - угловое увеличение афокальной части 1 в прямом ходе лучей;where G _S is the angular increase in the afocal part 1 in the direct course of the rays;

- эффективное фокусное расстояние объектива 10.

- effective focal length of the lens 10.

Элементы 5 и 8 при перемещении из начальных положений в направлении, обозначенном стрелками на Фиг.1, обеспечивают плавное изменение углового увеличения M (например, 0.1^X~1^X). При этом перепад изменения фокусного расстояния всей панкратической системы, в соответствии с (1), также равна М.Elements 5 and 8, when moving from the initial positions in the direction indicated by the arrows in FIG. 1, provide a smooth change in the angular increase of M (for example, 0.1 ^X ~ 1 ^X ). In this case, the difference in the focal length of the entire pancratic system, in accordance with (1), is also equal to M.

После чего оптический блок 2 перемещается во второе положение, показанное на чертеже (вид 1.2). В этом состоянии панкратическая система функционирует в обратном ходе лучей, и ее угловое увеличение выражается как:After that, the optical unit 2 is moved to the second position shown in the drawing (view 1.2). In this state, the pancratic system functions in the reverse ray path, and its angular increase is expressed as:

где Г_R - угловое увеличение афокальной части 1 в обратном порядке.where Г _R is the angular increase in the afocal part 1 in the reverse order.

В данном состоянии, подвижные группы линз 5 и 8 перемещаются из текущих положений (чертеж, вид 1.2) обратно в начальные положения (чертеж, вид 1.1) и также обеспечивают изменение углового увеличения м (1^X~10^X). В соответствии с выражением (1) общее изменение величины фокусного расстояния всей панкратической системы в обратном ходе также равно M. Поэтому общий перепад фокусных расстояний заявленной системы с переменным фокусным расстоянием в обоих состояниях равен M².In this state, the movable groups of lenses 5 and 8 move from their current positions (drawing, view 1.2) back to their initial positions (drawing, view 1.1) and also provide a change in the angular magnification m (1 ^X ~ 10 ^X ). In accordance with expression (1), the total change in the magnitude of the focal length of the entire panocratic system in the reverse is also equal to M. Therefore, the total difference in the focal lengths of the claimed system with a variable focal length in both states is equal to M ² .

В заявленной панкратической системе в первом положении оптический блок 2 находится напротив второй подвижной группы 8 линз афокальной системы 1, при этом афокальная система 1 работает в прямом ходе лучей; а во втором положении оптический блок 2 находится напротив первой подвижной группы 5 линз афокальной системы, при этом афокальная система 1 работает в обратном ходе лучей. Таким образом, получают объектив с первым диапазоном изменения фокусного расстояния при первом положении оптического блока 2 и датчика 12 и первом направлении света, и объектив со вторым диапазоном изменения фокусного расстояния при втором положении оптического блока 2 и датчика 12 и противоположном направлении света.In the claimed pancratic system in the first position, the optical unit 2 is opposite the second movable group 8 of the lenses of the afocal system 1, while the afocal system 1 operates in the direct direction of the rays; and in the second position, the optical unit 2 is opposite the first movable group 5 of lenses of the afocal system, while the afocal system 1 operates in the reverse direction of the rays. Thus, a lens is obtained with a first focal length range at the first position of the optical unit 2 and the sensor 12 and the first light direction, and a lens with a second focal length range at the second position of the optical unit 2 and the sensor 12 and the opposite direction of light.

Заявленная панкратическая система с переменным фокусным расстоянием обеспечивает перепад фокусных расстояний, равный M², при этом ее габариты и число линз сравнимы с обычными системами с перепадом фокусных расстояний M. Таким образом, заявленная панкратическая система может применяться в видеокамерах для увеличения диапазона изменения фокусного расстояния, а также в цифровых фотоаппаратах для уменьшения числа линз и размеров при том же диапазоне изменения фокусного расстояния.The claimed pan-zoom system with variable focal length provides a focal length difference of M ² , while its dimensions and the number of lenses are comparable to conventional systems with a differential focal length M. Thus, the claimed pan-zoom system can be used in video cameras to increase the range of the focal length, as well as in digital cameras to reduce the number of lenses and sizes with the same range of changes in focal length.

Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.Although the above embodiment of the invention has been set forth to illustrate the present invention, it is clear to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible without departing from the scope and meaning of the present invention disclosed in the attached claims.

Claims

1. A pancratic system comprising an afocal system with variable angular magnification and an optical unit, the afocal system configured to operate in the forward and reverse rays and has a first lens group and a second lens group arranged along the optical axis in the forward beam path movement along the optical axis, and the optical unit has a third group of lenses and a sensor, the optical unit being configured to move in two positions, and in the first position, the optical unit finds I am on the side of the second group of lenses of the afocal system, while the radiation enters the afocal system from the side of the first group of lenses, passes through the afocal system in the forward direction and enters the optical unit, and in the second position the optical unit is on the side of the first group of lenses of the afocal system, in this case, the radiation enters the afocal system from the side of the second group of lenses, passes through the afocal system in the reverse direction, and enters the optical unit.

2. The pancratic system according to claim 1, characterized in that the afocal system further has along the optical axis a fourth group of lenses located between the first and second group of lenses, a first reflecting element located in front of the first group of lenses in the direction of radiation in the direct direction of the rays and performing rotation of the optical axis by 90 °, the second reflecting element located behind the second group of lenses along the radiation in the direct course of the rays and rotating the optical axis by 90 °, the fifth group of lenses located in front of the first reflecting an element along the radiation in the direct path of the rays, and an aperture limiter located between the first and fourth groups of lenses, and the optical unit additionally has a filter located between the third group of lenses and the sensor.

3. The pancratic system according to claim 2, characterized in that the third, fourth and fifth groups of lenses are stationary.

4. The pancratic system according to claim 2, characterized in that the first and second reflective elements are made in the form of mirrors.