RU2787075C1 - Annular image formation lens with multiple fields of view - Google Patents
Annular image formation lens with multiple fields of view Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787075C1 RU2787075C1 RU2021135682A RU2021135682A RU2787075C1 RU 2787075 C1 RU2787075 C1 RU 2787075C1 RU 2021135682 A RU2021135682 A RU 2021135682A RU 2021135682 A RU2021135682 A RU 2021135682A RU 2787075 C1 RU2787075 C1 RU 2787075C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- optical element
- soe
- state
- switchable
- Prior art date
Links
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 title description 3
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 350
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 23
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 19
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 21
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 8
- 239000004986 Cholesteric liquid crystals (ChLC) Substances 0.000 description 7
- 230000036849 Clc Effects 0.000 description 5
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 1
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs
Настоящее изобретение относится в общем к области оптики, и более конкретно - к оптической системе объектива с несколькими полями зрения (с переменным фокусным расстоянием) для захвата изображения («изображающего объектива»), применяемого в устройствах формирования изображения, таких как фото/видеокамеры, входящих в состав компактных электронных устройств.The present invention relates generally to the field of optics, and more particularly to an optical system of a multi-field (zoom) lens for capturing an image ("imaging lens") used in imaging devices such as photo/video cameras, including in compact electronic devices.
Уровень техникиState of the art
С появлением компактных электронных вычислительных устройств, таких как, в качестве неограничивающего примера, мобильные телефоны, смартфоны, планшетные компьютеры, карманные персональные компьютеры (КПК), коммуникаторы, нетбуки, ноутбуки возникла необходимость в снабжении таких устройств средствами захвата изображения, такими как фото/видеокамеры, для реализации различных функций, связанных с захватом фото- и видеоизображений по команде пользователя, видеосвязью, распознаванием лица пользователя, «компьютерным зрением» и т.п. При этом возникла потребность в обеспечении возможности изменения поля зрения таких объективов («зумирования»). Традиционные объективы для фотокамер, в которых изменение фокусного расстояния (поля зрения) реализуется за счет подвижных элементов, в частности линз и групп линз, не подходят для использования в компактных электронных вычислительных устройствах ввиду своих больших размеров.With the advent of compact electronic computing devices such as, but not limited to, mobile phones, smartphones, tablet computers, personal digital assistants (PDAs), communicators, netbooks, laptops, it has become necessary to provide such devices with image capture means, such as photo/video cameras. , to implement various functions related to capturing photo and video images at the user's command, video communication, user face recognition, "computer vision", etc. At the same time, there was a need to provide the possibility of changing the field of view of such lenses (“zooming”). Traditional camera lenses, in which the focal length (field of view) is changed by moving elements, in particular lenses and lens groups, are not suitable for use in compact electronic computing devices due to their large size.
Следует отметить, что, как известно в области объективов с переменным фокусным расстоянием, для реализации изменения поля зрения (далее также сокращенно называемого FOV) необходимо либо обеспечить перемещение одного или более компонентов оптической системы для физического изменения фокусного расстояния объектива, либо использовать несколько объективов или камер, каждая из которых имеет свое значение фокусного расстояния, переключаясь между ними по мере необходимости под управлением программного обеспечения, с обеспечением по возможности плавного переключения между объективами (камерами) без заметного для пользователя «скачкообразного» изменения поля зрения объектива (камеры).It should be noted that, as is known in the field of zoom lenses, in order to implement a change in the field of view (hereinafter also abbreviated as FOV), it is necessary either to move one or more components of the optical system to physically change the focal length of the lens, or to use several lenses or cameras. , each of which has its own focal length value, switching between them as necessary under the control of the software, ensuring as smoothly as possible switching between lenses (cameras) without a “jumping” change in the field of view of the lens (camera) noticeable to the user.
В случае объектива с подвижными компонентами оптической системы необходима очень высокая точность сборки оптической системы и высокоточные элементы конструкции, которые могли бы обеспечить необходимые значения допусков в оптической системе для всего диапазона величин переменного фокусного расстояния. Возможен также комбинированный вариант, при котором для покрытия всего требуемого диапазона фокусных расстояний используется несколько переключаемых между собой объективов или камер, в каждом из которых используется группа подвижных элементов оптической системы. В таком случае используется несколько узлов с очень высокой точностью сборки, каждый из которых состоит из нескольких оптических элементов.In the case of a lens with moving components of the optical system, a very high precision of the assembly of the optical system and high-precision design elements are required that could provide the necessary tolerances in the optical system for the entire range of variable focal lengths. A combined version is also possible, in which to cover the entire required range of focal lengths, several interchangeable lenses or cameras are used, each of which uses a group of moving elements of the optical system. In this case, several assemblies with very high assembly accuracy are used, each of which consists of several optical elements.
В источнике US 8599497 (Raytheon Company, опубликовано 03.12.2013) раскрыт широкоугольный тонкопрофильный объектив с изменяемым полем зрения, в котором оптическая система с переменным фокусным расстоянием включает в себя множество субапертур, расположенных вокруг по меньшей мере участка внешней периферии одной из первой и второй обращенных внутрь поверхностей. Каждая субапертура включает в себя элемент, характеризующийся оптической силой. К недостаткам данного известного решения можно отнести достаточно низкое значение относительного отверстия объектива (высокое значение диафрагменного числа F#) и ограниченные возможности коррекции аберраций.US 8,599,497 (Raytheon Company, published Dec. 3, 2013) discloses a wide-angle, thin-profile zoom lens in which the zoom optical system includes a plurality of sub-apertures located around at least a portion of the outer periphery of one of the first and second facing lenses. inside surfaces. Each sub-aperture includes an element characterized by optical power. The disadvantages of this well-known solution include a rather low value of the relative aperture of the lens (high aperture value F #) and limited possibilities for correcting aberrations.
В источнике US 2010/0188856 (University of California, опубликовано 29.07.2010) раскрыт объектив с системами линз, содержащими множество отражательных линз, который включает в себя первую и вторую обращенные внутрь поверхности, каждая из которых является по меньшей мере частично отражающей. Объектив дополнительно включает в себя первое отверстие, которое расположено вокруг по меньшей мере участка внешней периферии одной из первой и второй обращенных внутрь поверхностей, и второе отверстие, расположенное вблизи центральной области объектива. Оптическое излучение, распространяющееся внутри объектива между упомянутыми первой и второй обращенными внутрь поверхностями, по меньшей мере дважды отражается на по меньшей мере одной из первой и второй обращенных внутрь поверхностях по мере его распространения между первым отверстием и вторым отверстием. К недостаткам данного известного решения также можно отнести достаточно низкое значение относительного отверстия объектива (высокое значение диафрагменного числа F#) и ограниченные возможности коррекции аберраций.US 2010/0188856 (University of California, published 07/29/2010) discloses a lens with lens systems containing a plurality of reflective lenses that includes first and second inward facing surfaces, each of which is at least partially reflective. The lens further includes a first opening that is located around at least a portion of the outer periphery of one of the first and second inwardly facing surfaces, and a second opening located near the central region of the lens. Optical radiation propagating inside the lens between said first and second inwardly facing surfaces is reflected at least twice on at least one of the first and second inwardly facing surfaces as it propagates between the first hole and the second hole. The disadvantages of this well-known solution also include a rather low value of the relative aperture of the lens (high aperture value F #) and limited possibilities for correcting aberrations.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.This section, which discloses various aspects and embodiments of the claimed invention, is intended to provide a brief description of the claimed objects of the invention and embodiments. A detailed description of technical means and methods that implement combinations of features of the claimed inventions is given below. Neither this disclosure nor the following detailed description and accompanying drawings should be construed as defining the scope of the claimed invention. The scope of legal protection of the claimed invention is determined solely by the attached claims.
Учитывая рассмотренные выше известные решения из уровня техники, объективная техническая проблема, решаемая изобретением, состоит в необходимости создания компактного объектива с переменным полем зрения (фокусным расстоянием), не имеющего движущихся компонентов оптической системы, характеризующегося простотой конструкции и сборки за счет исключения подвижных компонентов оптической системы, требующих высокой точности изготовления и сборки.Taking into account the known solutions from the prior art discussed above, the objective technical problem solved by the invention is the need to create a compact lens with a variable field of view (focal length) that does not have moving components of the optical system, characterized by simplicity of design and assembly by eliminating the moving components of the optical system requiring high precision manufacturing and assembly.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании объектива без подвижных оптических компонентов, оптическая система которого позволяет получить несколько полей зрения с высокой степенью коррекции аберраций.The problem solved by the present invention is to create a lens without moving optical components, the optical system of which allows to obtain multiple fields of view with a high degree of aberration correction.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении множества полей зрения оптического узла с возможностью переключения между упомянутым множеством полей зрения.The technical result achieved by using the present invention is to provide multiple fields of view of the optical node with the ability to switch between the said multiple fields of view.
В первом аспекте настоящего изобретения вышеуказанная задача решается оптическим узлом, содержащим оптический элемент и элемент коррекции кривизны плоскости изображения, причем оптический элемент выполнен в виде цельного основного оптического элемента; оптический элемент содержит интегрированную фокальную систему с двумя зеркалами, оптический элемент содержит меньшей мере одну интегрированную афокальную систему с двумя зеркалами, на лицевой стороне оптического элемента размещено множество переключаемых оптических элементов (SOE). Переключаемые оптические элементы (SOE) выполнены с возможностью переключения между первым и вторым состояниями, причем первое состояние является состоянием пропускания оптического излучения видимого спектра, и второе состояние является состоянием поглощения или отражения оптического излучения видимого спектра. Элемент коррекции кривизны плоскости изображения расположен за оптическим элементом.In the first aspect of the present invention, the above problem is solved by an optical assembly comprising an optical element and an image plane curvature correction element, wherein the optical element is made in the form of a single main optical element; the optical element contains an integrated focal system with two mirrors, the optical element contains at least one integrated afocal system with two mirrors, a plurality of switchable optical elements (SOE) are placed on the front side of the optical element. The switchable optical elements (SOE) are configured to switch between the first and second states, the first state being the transmission state of the visible spectrum optical radiation and the second state being the absorption or reflection state of the visible optical radiation. The image plane curvature correction element is located behind the optical element.
Фокальная система с двумя зеркалами содержит первую вогнутую отражающую оптическую поверхность и вторую выпуклую отражающую оптическую поверхность. По меньшей мере одна афокальная система с двумя зеркалами содержит по меньшей мере первую вогнутую отражающую оптическую поверхность и вторую выпуклую отражающую оптическую поверхность. На упомянутые отражающие оптические поверхности нанесены следующие покрытия: зеркальное на первую вогнутую поверхность, с возможностью изменения состояния между состоянием пропускания и состоянием отражения на вторую выпуклую поверхность. Как фокальная система, так и афокальные системы сформированы в упомянутом цельном основном оптическом элементе.The focal system with two mirrors contains the first concave reflective optical surface and the second convex reflective optical surface. At least one dual mirror afocal system comprises at least a first concave reflective optical surface and a second convex reflective optical surface. The following coatings are deposited on said reflective optical surfaces: a mirror coating on the first concave surface, with the possibility of changing the state between the state of transmission and the state of reflection on the second convex surface. Both the focal system and the afocal systems are formed in said integral main optical element.
Переключаемые оптические элементы выполнены с возможностью компенсации кривизны по меньшей мере одной вогнутой поверхности афокальной системы, образуя по существу плоскую лицевую поверхность оптического элемента. По меньшей мере на одной поверхности переключаемых оптических элементов нанесено отражающее оптическое покрытие, при этом сами переключаемые оптические элементы выполнены из того же оптического материала, что и основной оптический элемент. В одном или более вариантах выполнения по меньшей мере на одной поверхности переключаемых оптических элементов нанесено покрытие из электрохромного стекла.Switchable optical elements are configured to compensate for the curvature of at least one concave surface of the afocal system, forming a substantially flat front surface of the optical element. At least one surface of the switchable optical elements is coated with a reflective optical coating, while the switchable optical elements themselves are made of the same optical material as the main optical element. In one or more embodiments, at least one surface of the switchable optical elements is coated with electrochromic glass.
Переключаемые оптические элементы (SOE) имеют плоскую первую оптическую поверхность и вторую оптическую поверхность, кривизна которой соответствует кривизне отражающих оптических поверхностей фокальной системы с двумя зеркалами и/или по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами, и расположены на вторых отражающих оптических поверхностях фокальной системы с двумя зеркалами и/или по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами, образуя плоскую поверхность, которая расположена на нормали по отношению к оптическим осям. Оптический элемент имеет вогнутый центральный участок.Switchable optical elements (SOE) have a flat first optical surface and a second optical surface, the curvature of which corresponds to the curvature of the reflective optical surfaces of the focal system with two mirrors and/or at least one afocal system with two mirrors, and are located on the second reflective optical surfaces of the focal system with two mirrors and/or at least one afocal system with two mirrors, forming a flat surface, which is located on the normal with respect to the optical axes. The optical element has a concave central section.
Элемент коррекции кривизны плоскости изображения может быть выполнен в виде по меньшей мере одной линзы и размещен между оптическим элементом и датчиком изображения устройства формирования изображения, в котором используется оптический узел согласно изобретению.The image plane curvature correction element may be in the form of at least one lens and placed between the optical element and the image sensor of the imaging device using the optical assembly according to the invention.
Во втором аспекте настоящего изобретения вышеуказанная задача решается устройством формирования изображения, содержащим оптический узел по вышеуказанному первому аспекту.In the second aspect of the present invention, the above problem is solved by the imaging apparatus comprising the optical assembly of the above first aspect.
В третьем аспекте настоящего изобретения вышеуказанная задача решается способом формирования множества полей зрения изображающего объектива, причем способ содержит этапы, на которых: пропускают падающее оптическое излучение в цельный основной оптический элемент посредством по меньшей мере двух переключаемых оптических элементов (SOE), размещенных на лицевой поверхности оптического элемента, при этом оптическое излучение внутри оптического элемента претерпевает по меньшей мере однократное внутреннее отражение посредством интегрированной в оптический элемент фокальной системы с двумя зеркалами и интегрированной в оптический элемент по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами, и выводится на датчик изображения, формируя изображение с несколькими полями зрения (FOV) на датчике изображения, и переключают каждый из по меньшей мере двух SOE между открытым состоянием, в котором SOE пропускает оптическое излучение, и закрытым состоянием, в котором SOE и отражает и/или поглощает оптическое излучение, таким образом переключая соответствующие FOV на датчике изображения.In the third aspect of the present invention, the above problem is solved by a method for generating a plurality of fields of view of an imaging lens, the method comprising the steps of: passing incident optical radiation into a solid main optical element through at least two switchable optical elements (SOEs) placed on the front surface of the optical element. element, wherein the optical radiation inside the optical element undergoes at least one internal reflection by means of a focal system with two mirrors integrated into the optical element and at least one afocal system with two mirrors integrated into the optical element, and is output to the image sensor, forming an image with multiple fields of view (FOV) on the image sensor, and each of the at least two SOEs is switched between an open state in which the SOE transmits optical radiation and a closed state in which the SOE both reflects and/or absorbs optical radiation. optical radiation, thus switching the corresponding FOV on the image sensor.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.The drawings are given in this document to facilitate understanding of the essence of the present invention. The drawings are schematic and not to scale. The drawings are for illustrative purposes only and are not intended to define the scope of the present invention.
На Фиг. 1 схематично показан вид в разрезе части оптического узла согласно изобретению;On FIG. 1 is a schematic sectional view of part of an optical assembly according to the invention;
На Фиг. 2 схематично представлены виды А, В, С, иллюстрирующие переключение полей зрения в оптическом узле согласно изобретению посредством соответствующих переключаемых оптических элементов;On FIG. 2 is a schematic view of views A, B, C illustrating the switching of fields of view in an optical assembly according to the invention by means of respective switchable optical elements;
На Фиг. 3 схематично проиллюстрированы фокальная система с двумя зеркалами и по меньшей мере одна афокальная система с двумя зеркалами, реализованные в примерном варианте выполнения оптического узла согласно изобретению;On FIG. 3 schematically illustrates a two-mirror focal system and at least one two-mirror afocal system implemented in an exemplary embodiment of an optical assembly according to the invention;
На Фиг. 4 схематично показан вид в разрезе части оптического узла согласно изобретению в варианте выполнения с обозначением поверхностей, на которые нанесено переключаемое оптическое покрытие;On FIG. 4 is a schematic sectional view of a part of an optical assembly according to the invention in an embodiment, showing the surfaces on which the switchable optical coating has been applied;
На Фиг. 5 показан вид в перспективе с лицевой стороны оптического узла по настоящему изобретению;On FIG. 5 is a front perspective view of the optical assembly of the present invention;
На Фиг. 6 проиллюстрировано переключение полей зрения (FOV) оптического узла согласно изобретению в зависимости от состояния переключаемых оптических элементов (SOE).On FIG. 6 illustrates the field of view (FOV) switching of an optical assembly according to the invention depending on the state of the switched optical elements (SOE).
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
В первом аспекте настоящее изобретение относится к оптической системе с несколькими полями зрения (с переменным фокусным расстоянием) для использования в устройстве формирования (захвата) изображения («изображающем объективе»). Упомянутая оптическая система также называется в контексте настоящего описания оптическим узлом. Объектив, содержащий такой оптический узел, можно назвать «кольцевым» изображающим объективом на основании формы выполнения переключаемых оптических элементов (SOE), которые в неограничивающих вариантах выполнения представляют собой по существу концентрические кольца, если смотреть на оптический узел со стороны лицевой поверхности (см. Фиг. 5).In a first aspect, the present invention relates to a multiple-field-of-view (zoom) optical system for use in an imaging (capturing) device ("imaging lens"). Said optical system is also referred to in the context of the present description as an optical assembly. A lens containing such an optical assembly may be referred to as a "ring" imaging lens based on the shape of the switchable optical elements (SOEs), which in non-limiting embodiments are substantially concentric rings when viewed from the front surface of the optical assembly (see FIG. . five).
На Фиг. 1 схематично показан вид в разрезе части оптического узла согласно изобретению. В основе оптического узла лежит оптический элемент 1, выполненный в виде цельного основного оптического элемента. Кроме того, в оптический узел также входит элемент 6 коррекции кривизны плоскости изображения.On FIG. 1 is a schematic sectional view of a portion of an optical assembly according to the invention. The basis of the optical node is the
На обозначенных поверхностях оптического элемента 1 нанесено зеркальное покрытие 2. Оптический элемент 1 обеспечивает формирование нескольких различных каналов поля зрения (FOV) за счет наличия одного или более криволинейных участков на лицевой поверхности оптического элемента 1.On the marked surfaces of the
В одном или более неограничивающих вариантах осуществления, криволинейные участки имеют форму концентрических окружностей на лицевой поверхности оптического элемента 1. Криволинейные участки представляют собой по существу кольцевые выемки на лицевой поверхности оптического элемента 1, имеющие по меньшей мере одну вогнутую поверхность и по меньшей мере одну плоскую поверхность, ориентированную параллельно к плоскости лицевой поверхности оптического элемента 1.In one or more non-limiting embodiments, the curved sections are in the form of concentric circles on the front surface of the
Упомянутые криволинейные участки поверхности оптического элемента 1 заполнены компенсирующими кривизну криволинейных участков переключаемыми оптическими элементами (SOE) 3, 4, 5, которые заполняют соответствующие криволинейные участки поверхности, компенсируя их кривизну таким образом, что их лицевые поверхности образуют одну по существу ровную поверхность с лицевой поверхностью оптического элемента 1. Said curved surface areas of the
Каждый переключаемый оптический элемент (SOE) 3, 4, 5 формирует свой канал поля зрения (FOV). Следует отметить, что в контексте настоящего описания в качестве неограничивающего примера рассматриваются варианты, в которых количество полей зрения и, соответственно, переключаемых оптических элементов составляет три, однако возможны и другие варианты выполнения, в которых количество полей зрения и, соответственно, переключаемых оптических элементов может составлять два или четыре и более.Each switchable optical element (SOE) 3, 4, 5 forms its own field of view (FOV) channel. It should be noted that in the context of the present description, as a non-limiting example, options are considered in which the number of fields of view and, accordingly, switchable optical elements is three, however, other embodiments are also possible in which the number of fields of view and, accordingly, switchable optical elements can be be two or four or more.
Также следует отметить, что в контексте настоящего описания переключаемый оптический элемент и канал поля зрения могут упоминаться взаимозаменяемо для удобства описания, при том, что каждый переключаемый оптический элемент (SOE) отвечает за соответствующий канал поля зрения (FOV).It should also be noted that in the context of the present description, a switchable optical element and a field of view channel may be referred to interchangeably for convenience of description, with each switchable optical element (SOE) being responsible for a respective field of view (FOV) channel.
Основной оптический элемент в заявляемом оптическом узле позволяет сформировать на датчике 7 изображения одновременно несколько изображений, соответствующих разным полям зрения (FOV). Переключаемые оптические элементы позволяют разделить эти изображения с разными FOV и получить на датчике требуемое изображение. Таким образом, поле зрения оптического узла изменяется по существу на датчике 7 изображения. Поскольку в изобретении обеспечивается множество (два или более) различных FOV, то такое изменение FOV представляет собой функцию изменения поля зрения («зумирования»).The main optical element in the claimed optical node allows you to form on the
Переключение каналов различных FOV происходит посредством соответствующих переключаемых оптических элементов (SOE). Каждый переключаемый оптический элемент содержит по меньшей мере одну поверхность, которая может изменять свои свойства пропускания и отражения и/или поглощения оптического излучения, за счет чего и происходит «переключение» переключаемых оптических элементов, вследствие которого переключаемые оптические элементы можно рассматривать как «открытые» или «закрытые» для оптического излучения. Такое «переключение» может быть реализовано за счет того, что на соответствующей поверхности SOE нанесено соответствующее покрытие, в качестве неограничивающего примера - покрытие, выполненное по типу жидкокристаллического переключаемого зеркала (LCSM) и электрохромного зеркала (ECM). Переключаемые зеркала с помощью электроники, управляюшей уровнями напряжения на прозрачных электродах, переключаются между отражающим полупрозрачным состоянием и почти прозрачным состоянием. Примером ECM может служить устройство из частиц, подвешенных в жидкости (Suspended Particles Display, SPD). В устройствах SPD эффект переключения достигается за счет электронной настройки поглощения света, контролируя ориентацию стержнеобразных частиц между двумя прозрачными электродами. Примером LCSM может служить CLC. Когда луч света распространяется вдоль оси спирали, брэгговское отражение происходит в диапазоне длин волн no*P ≤ λ ≤ ne * P (где P - шаг CLC, а no и ne - обыкновенные и необыкновенные показатели преломления жидкого кристалла). Когда свет с левой круговой поляризацией падает на CLC c правой закруткой спирали, он проходит без отражения. И наоборот, если левый циркулярно поляризованный свет падает на CLC с левой закруткой спирали, то он полностью отражается.The switching of the channels of the different FOVs takes place via the respective switchable optical elements (SOEs). Each switchable optical element contains at least one surface that can change its properties of transmission and reflection and/or absorption of optical radiation, due to which the "switching" of the switchable optical elements occurs, due to which the switchable optical elements can be considered as "open" or “closed” to optical radiation. Such "switching" can be realized by having an appropriate coating applied on the respective surface of the SOE, such as liquid crystal switchable mirror (LCSM) and electrochromic mirror (ECM) type coating as a non-limiting example. The switchable mirrors are electronically controlled by the voltage levels on the transparent electrodes to switch between a reflective translucent state and an almost transparent state. An example of an ECM is a Suspended Particles Display (SPD) device. In SPDs, the switching effect is achieved by electronically adjusting light absorption by controlling the orientation of the rod-like particles between two transparent electrodes. An example of an LCSM is the CLC. When a beam of light propagates along the axis of the helix, Bragg reflection occurs in the wavelength range no*P ≤ λ ≤ ne * P (where P is the CLC pitch and no and ne are the ordinary and extraordinary refractive indices of the liquid crystal). When left-handed circularly polarized light strikes a CLC with a right-handed helix, it passes without reflection. Conversely, if left-handed circularly polarized light is incident on the CLC with a left-handed helix, then it is completely reflected.
Состояния отражения зеркала с CLC эффективно переключаются с помощью прямоугольных волн низкого напряжения. Как правило, в течение 10 мс молекулы имеют достаточно времени, чтобы частично повернуться, чтобы получить наклонную текстуру, тем самым достигнув состояния частичного отражения. Также обычно в течение 20 мс молекулы вращаются полностью вертикально, чтобы получить в итоге полностью прозрачное состояние. В исходном состоянии холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) представляют собой зеркало Брэгга с полным отражением в диапазоне длин волн λ.The reflection states of a CLC mirror are efficiently switched using low voltage square waves. Typically, within 10 ms, the molecules have enough time to partially rotate to obtain a tilted texture, thereby achieving a partial reflection state. Also, within 20 ms, the molecules usually rotate completely vertically in order to end up with a completely transparent state. In the initial state, cholesteric liquid crystals (CLCs) are a Bragg mirror with total reflection in the wavelength range λ.
Обращаясь к Фиг. 2 и 6, далее будет описан принцип работы оптического узла в соответствии с изобретением на примере варианта выполнения, в котором используется три SOE и реализуется три поля зрения (FOV), соответственно.Referring to FIG. 2 and 6, the operating principle of the optical assembly according to the invention will now be described using an example of an embodiment that uses three SOEs and implements three fields of view (FOV), respectively.
На Фиг. 2 показаны виды A, B и C, на которых проиллюстрировано формирование первого поля зрения (FOV1), второго поля зрения (FOV2) и третьего поля зрения (FOV3), соответственно. На Фиг. 6 в виде таблицы проиллюстрировано переключение соответствующих полей зрения в зависимости от «открытого» и «закрытого» состояния соответствующих SOE.On FIG. 2 shows views A, B and C illustrating the formation of the first field of view (FOV1), the second field of view (FOV2) and the third field of view (FOV3), respectively. On FIG. 6 illustrates in tabular form the switching of the respective fields of view depending on the "open" and "closed" states of the respective SOEs.
Обращаясь к виду А на Фиг. 2, SOE 3 переключен в «открытый» («прозрачный») режим. Оптическое излучение, проходящее через SOE 3, подвергается внутреннему отражению внутри оптического элемента 1 и в конечном итоге попадает на датчик 7 изображения устройства формирования изображения, формируя изображение с полем зрения FOV1 (см. Фиг. 6). SOE 4 и 5 в данном случае находятся в «закрытом» состоянии (их соответствующие покрытия отражают и/или поглощают оптическое излучение).Referring to view A in Fig. 2,
В ситуации на виде В на Фиг. 2 в «открытом» состоянии находится SOE 4, а SOE 3 и 5 - в «закрытом» состоянии. Падающее оптическое излучение попадает в оптический элемент 1 через SOE 4 и подвергается отражению, в частности, от «закрытого» SOE 3, в результате попадая на датчик 7 изображения после многократного внутреннего отражения в пределах оптического элемента 1. Следует отметить, что данное внутреннее отражение обусловлено наличием на передней и задней поверхностях оптического элемента 1 зеркального покрытия 2. При этом на пути к датчику 7 изображения оптическое излучение подвергается внутреннему отражению большее количество раз, чем при открытом SOE 3, как показано на виде А по Фиг. 2. Таким образом удлиняется оптический путь излучения в пределах оптического элемента 1 и, соответственно, становится возможным реализовать увеличенное фокусное расстояние по сравнению со случаем, когда «открыт» SOE3. На датчике 7 изображения формируется изображение с другим полем зрения (FOV2) по сравнению с ситуацией на виде A по Фиг. 2.In the situation in view B in FIG. 2 in the "open" state is
В ситуации на виде C на Фиг. 2 в «открытом» состоянии находится SOE 5, а SOE 3 и 4 «закрыты». Соответственно, падающее оптическое излучение попадает в оптический элемент 1 через открытый SOE 5 и претерпевает еще более многократное внутреннее отражение в пределах оптического элемента 1 на пути к датчику 7 изображения. В данной ситуации оптический путь излучения является еще более длинным и, соответственно, на датчике 7 изображения формируется изображение с другим полем зрения (FOV3 на Фиг. 6) по сравнению с ситуациями, описанными выше с обращением к видам А и В по Фиг. 2.In the situation in view C in FIG. 2 in the "open" state is
Обращаясь к Фиг. 3, оптическая структура основного оптического элемента 1 в заявляемом узле может быть охарактеризована следующим образом.Referring to FIG. 3, the optical structure of the main
Первое (широкое) поле зрения обеспечивается фокальной системой с двумя зеркалами, реализуемой парой оптических поверхностей 9, включающей в себя центральную поверхность на лицевой стороне оптического элемента и соответствующую поверхность на задней стороне оптического элемента 1. Падающее излучение, попадающее в оптический элемент 1 через «открытый» SOE 3, попадает на вогнутую поверхность на задней стороне оптического элемента 1 (первую вогнутую поверхность), отражаясь от нее внутрь оптического элемента 1, становится сходящимся и отражается на центральную поверхность на лицевой стороне оптического элемента 1 (вторую выпуклую поверхность). Вторая выпуклая оптическая поверхность отражает оптическое излучение внутрь оптического элемента 1 и фокусирует его на датчике изображения.The first (wide) field of view is provided by a two-mirror focal system implemented by a pair of optical surfaces 9, including a central surface on the front side of the optical element and a corresponding surface on the rear side of the
Упомянутые две оптических поверхности имеют конструкцию на основе системы Ричи-Кретьена, которая характеризуется отсутствием комы третьего порядка и сферической аберрации. Астигматизм снижен до приемлемых значений благодаря асферизации зеркальных поверхностей. Кривизна изображения исправляется элементом коррекции кривизны плоскости изображения, расположенным между вторичным зеркалом (второй выпуклой поверхностью) и плоскостью изображения. Разработанная таким образом фокальная оптическая схема свободна от основных геометрических аберраций, что обеспечивает качество изображения в фокальной плоскости, ограниченное дифракцией.Said two optical surfaces are of Ritchey-Chrétien design, which is characterized by the absence of third-order coma and spherical aberration. Astigmatism is reduced to acceptable values due to the aspherization of mirror surfaces. Image curvature is corrected by an image plane curvature correction element located between the secondary mirror (second convex surface) and the image plane. The focal optical design thus developed is free from major geometric aberrations, which ensures image quality in the focal plane limited by diffraction.
Второе (более узкое) поле зрения обеспечивается за счет афокальной системы с двумя зеркалами, представленной парой оптических поверхностей 10 на Фиг. 3. Данная афокальная система с двумя зеркалами добавляется к описанной выше фокальной системе с двумя зеркалами и обеспечивает увеличение M1 изображения по сравнению с описанным выше первым (широким) полем зрения.The second (narrower) field of view is provided by the dual-mirror afocal system represented by the pair of
Падающее излучение, формирующее второе поле зрения (см. FOV2 по Фиг. 6) падает на первую вогнутую оптическую поверхность афокальной системы с двумя зеркалами, становится сходящимся и отражается на вторую оптическую поверхность. Вторая выпуклая оптическая поверхность делает оптическое излучение коллимированным и отражает его на первую оптическую поверхность фокальной системы с двумя зеркалами.The incident radiation forming the second field of view (see FOV2 of FIG. 6) is incident on the first concave optical surface of the two-mirror afocal system, becomes convergent, and is reflected onto the second optical surface. The second convex optical surface makes the optical radiation collimated and reflects it onto the first optical surface of the focal system with two mirrors.
Позицией 11 на Фиг. 3 обозначена еще одна афокальная система с двумя зеркалами, формирующая изображение еще с одним полем зрения (FOV3), но с другим значением увеличения изображения (Mn). В целом принцип действия данной афокальной системы с двумя зеркалами, обозначенными позицией 11, аналогичен описанной выше афокальной системе с двумя зеркалами, при этом упомянутая еще одна афокальная система с двумя зеркалами отражает коллимированное оптическое излучение на первую оптическую поверхность описанной выше афокальной системы с двумя зеркалами.
Описанное выше сочетание фокальной системы с двумя зеркалами и по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами обеспечивает каскадную оптическую систему, основанную на сочетании фокальных и афокальных частей, за счет которого обеспечивается компактность оптической системы и возможность формирования множества различных FOV. Оптическая система с возможностью «зумирования», формирующая множество FOV, обладает малой толщиной. Кроме того, важным техническим эффектом является обеспечение возможности создания оптической системы с возможностью переключения полей зрения на основе одного цельного основного оптического элемента, исключая группы подвижных оптических элементов и необходимость использования множества объективов/камер для разных полей зрения.The above-described combination of a two-mirror focal system and at least one two-mirror afocal system provides a cascaded optical system based on a combination of focal and afocal portions, which makes the optical system compact and capable of forming many different FOVs. The optical system with the ability to "zoom" forming a plurality of FOV has a small thickness. In addition, an important technical effect is the possibility of creating an optical system with the ability to switch fields of view based on one solid main optical element, excluding groups of movable optical elements and the need to use multiple lenses/cameras for different fields of view.
Переключаемые оптические элементы (SOE) 3, 4, 5, размещенные на криволинейных участках лицевой поверхности оптического элемента 1, выполняют две основные функции. Первой функцией является компенсация кривизны упомянутых криволинейных участков, обеспечивая плоскую лицевую поверхность. Расположение SOE на лицевой поверхности оптического элемента 1 проиллюстрировано на Фиг. 5, на которой показан вид в перспективе с лицевой стороны оптического элемента.Switchable optical elements (SOE) 3, 4, 5, placed on the curved sections of the front surface of the
Вторая функция SOE 3, 4, 5 состоит в переключении между каналами соответствующих FOV, формируемых соответствующими фокальной системой с двумя зеркалами и одной или более афокальными системами с двумя зеркалами, интегрированными в оптический элемент 1, как описано выше.The second function of the
Следует отметить, что вышеперечисленные две функции выполняются одновременно всеми SOE кроме последнего (расположенного ближе всех к внешнему краю лицевой поверхности оптического элемента), поскольку он расположен по существу на плоской поверхности оптического элемента, а не на криволинейном участке поверхности.It should be noted that the above two functions are performed simultaneously by all but the last SOE (located closest to the outer edge of the front surface of the optical element), since it is located on a substantially flat surface of the optical element, and not on a curved surface area.
По меньшей мере в одном примерном варианте выполнения оптический материал, из которого выполнены SOE, является тем же материалом, из которого выполнен основной оптический элемент.In at least one exemplary embodiment, the optical material from which the SOEs are made is the same material from which the main optical element is made.
То, что по меньшей мере одна оптическая поверхность каждого SOE является плоской, позволяет падающему оптическому излучению, формирующему выбранное FOV, входить в SOE без аберраций. Другая оптическая поверхность SOE имеет такую же кривизну, что и вторая выпуклая оптическая поверхность соответствующей афокальной системы с двумя зеркалами, описанной выше. Кроме того, каждый SOE строго повторяет форму криволинейного участка лицевой поверхности оптического элемента 1, без каких-либо зазоров между поверхностью SOE и поверхностью криволинейного участка лицевой поверхности оптического элемента. Это позволяет исключить рефракцию оптического излучения, входящего в оптический элемент через соответствующий SOE.That at least one optical surface of each SOE is planar allows the incident optical radiation forming the selected FOV to enter the SOE without aberrations. The other optical surface SOE has the same curvature as the second convex optical surface of the corresponding two-mirror afocal system described above. In addition, each SOE strictly follows the shape of the curved portion of the front surface of the
Каждый SOE относится к соответствующему одному из каналов FOV ввиду того, что кривизна оптической поверхности для каждой афокальной системы является отличной. Однако, как указано выше, последний SOE (в качестве неограничивающего примера, размещенный ближе к внешнему краю оптического элемента 1) не обладает кривизной, поскольку все его поверхности являются по существу плоскими.Each SOE refers to a corresponding one of the FOV channels because the curvature of the optical surface for each afocal system is different. However, as mentioned above, the last SOE (as a non-limiting example, located closer to the outer edge of the optical element 1) does not have curvature, since all of its surfaces are essentially flat.
Переключение состояния («открытие»/«закрытие») каждого из переключаемых оптических элементов реализуется за счет особого оптического покрытия, нанесенного на одну из оптических поверхностей SOE (в частности, на вторую, в общем случае - вогнутую (плоскую для последнего SOE) оптическую поверхность).The switching of the state ("opening"/"closing") of each of the switched optical elements is realized by a special optical coating deposited on one of the optical surfaces of the SOE (in particular, on the second, in the general case - concave (flat for the last SOE) optical surface ).
За счет такого оптического покрытия соответствующая оптическая поверхность SOE имеет два состояния:Due to this optical coating, the corresponding optical surface SOE has two states:
а) прозрачноеa) transparent
б) отражающее.b) reflective.
В состоянии а) SOE пропускает падающее оптическое излучение в основной оптический элемент заявляемого оптического узла. В состоянии б) SOE действует в качестве второго зеркала в соответствующей афокальной системе с двумя зеркалами, или блокирует оптическое излучение для данного канала FOV.In state a) SOE transmits the incident optical radiation into the main optical element of the inventive optical assembly. In state b), the SOE acts as a second mirror in the corresponding dual-mirror afocal system, or blocks optical emission for a given FOV channel.
Кроме того, в одном или более неограничивающих вариантах выполнения изобретения SOE также может иметь электрохромное стекло на плоской оптической поверхности, соответствующей лицевой поверхности оптического элемента 1, которое дополнительно блокирует падающее оптическое излучение для данного канала FOV. Последний (в качестве неограничивающего примера, расположенный ближе всех к внешнему краю оптического элемента 1) SOE имеет только эту функцию.In addition, in one or more non-limiting embodiments of the invention, the SOE may also have an electrochromic glass on a flat optical surface corresponding to the front surface of the
По меньшей мере в одном неограничивающем варианте выполнения настоящего изобретения конструкция оптического элемента 1 характеризуется следующими признаками.In at least one non-limiting embodiment of the present invention, the design of the
Лицевая и задняя стороны оптического элемента 1 имеют зеркальное покрытие 2, как показано на Фиг. 1, и действуют в качестве зеркал.The front and back sides of the
Обращаясь к Фиг. 4, в одном или более неограничивающих вариантах выполнения оптического узла по изобретению, на вогнутые оптические поверхности, расположенные на криволинейных участках лицевой поверхности оптического элемента 1, может быть нанесено жидкокристаллическое переключаемое зеркальное покрытие (LCSM). На Фиг. 4 позицией 2 обозначено зеркальное покрытие на поверхности задней стороны оптического элемента 1. Позицией А на Фиг. 4 обозначен вогнутый участок в центре лицевой поверхности оптического элемента 1, на который также нанесено зеркальное покрытие 2. Позициями B, C и D обозначены вогнутые оптические поверхности на криволинейных участках лицевой стороны оптического элемента 1, на которые нанесено LCSM. Эти поверхности могут находиться в одном из двух состояний. В одном состоянии они пропускают оптическое излучение (фотопическая пропускающая способность >87%), в другом состоянии они действуют в качестве зеркал (фотопическая отражательная способность >87%).Referring to FIG. 4, in one or more non-limiting embodiments of the optical assembly of the invention, a liquid crystal switchable mirror coating (LCSM) may be applied to the concave optical surfaces located on the curved portions of the front surface of the
По отношению к выбираемым каналам поля зрения (FOV1-FOV3), обеспечиваемым соответствующими SOE 3, 4, 5, как показано на Фиг. 4, состояния LCSM характеризуются следующим образом:With respect to the selectable field of view channels (FOV1-FOV3) provided by the
FOV1 (SOE 3): B - пропускание, C и D - отражение;FOV1 (SOE 3): B - transmission, C and D - reflection;
FOV2 (SOE 4): C - пропускание, B и D - отражение;FOV2 (SOE 4): C - transmission, B and D - reflection;
FOV3 (SOE 5): D - пропускание, B и C - отражение.FOV3 (SOE 5): D - transmission, B and C - reflection.
Таким образом, в одном или более неограничивающих вариантах выполнения оптического узла по изобретению упомянутое «переключение» каналов FOV может быть реализовано за счет использования LCSM, состояния которого могут изменяться между состоянием пропускания и состоянием отражения. Однако LCSM в качестве оптического материала, реализующего такое переключение, имеет некоторые недостатки, такие как, в частности, несовершенство разграничения состояний пропускания и отражения, возникновение «шума» и артефактов изображения. В этой связи для по меньшей мере частичной компенсации данных недостатков LCSM может использоваться упомянутое выше электрохромное стекло, размещаемое перед каждым SOE, формирующим соответствующий канал FOV.Thus, in one or more non-limiting embodiments of the optical assembly of the invention, said FOV channel "switching" may be implemented by using an LCSM whose states may change between a transmit state and a reflective state. However, LCSM as an optical material that implements such switching has some disadvantages, such as, in particular, the imperfection of the separation of transmission and reflection states, the occurrence of "noise" and image artifacts. In this regard, to at least partially compensate for these disadvantages of LCSM, the above-mentioned electrochromic glass can be used, placed in front of each SOE forming the corresponding FOV channel.
Как упомянуто выше, на задней стороне оптического элемента 1 и поверхности A нанесено зеркальное покрытие, и они действуют как зеркала.As mentioned above, the rear side of the
Еще в одном варианте выполнения на поверхности B и C по Фиг. 4 может быть нанесено полупрозрачное покрытие (пропускание оптического излучения 50%, отражение оптического излучения 50%). Поверхность B пропускает оптическое излучение, соответствующее каналу FOV1, отражает излучение, соответствующее каналам FOV2 и FOV3. Поверхность C пропускает излучение, соответствующее каналу FOV2, отражает излучение, соответствующее каналу FOV3.In yet another embodiment, on surfaces B and C of FIG. 4, a translucent coating can be applied (transmission of optical radiation 50%, reflection of optical radiation 50%). Surface B transmits optical radiation corresponding to the FOV1 channel, reflects the radiation corresponding to the FOV2 and FOV3 channels. Surface C transmits the radiation corresponding to the FOV2 channel, reflects the radiation corresponding to the FOV3 channel.
В этом варианте выполнения электрохромное стекло (ECG) нанесено на первые оптические поверхности (расположенные в плоскости лицевой стороны оптического элемента 1) SOE 3, 4, 5. Электрохромное стекло выполнено с возможностью переключения между состоянием, в котором оно пропускает падающее оптическое излучение (состоянием пропускания) и состоянием, в котором оно поглощает падающее оптическое излучение (состоянием поглощения). В состоянии, при котором ECG только одного из SOE пропускает падающее оптическое излучение, а ECG остальных SOE поглощают оптическое излучение, на датчик изображения устройства формирования изображения поступает оптическое излучение, соответствующее только одному каналу FOV.In this embodiment, electrochromic glass (ECG) is applied to the first optical surfaces (located in the plane of the front side of the optical element 1)
По отношению к выбираемым каналам поля зрения (FOV1-FOV3), обеспечиваемым соответствующими SOE 3, 4, 5, как показано на Фиг. 4, состояния ECG характеризуются следующим образом:With respect to the selectable field of view channels (FOV1-FOV3) provided by the
FOV1: B - пропускание, C и D - поглощение;FOV1: B - transmission, C and D - absorption;
FOV2: C - пропускание, B и D - поглощение;FOV2: C - transmission, B and D - absorption;
FOV3: D - пропускание, B и C - поглощение.FOV3: D - transmission, B and C - absorption.
К недостаткам полупрозрачного покрытия можно отнести то, что оно обладает лишь 50% эффективностью, вследствие чего пропускная способность системы сильно снижена (ввиду значительных потерь света) и может иметь артефакты. Данные недостатки в определенной мере компенсируются за счет использования ECG, как описано выше. При этом использование полупрозрачного покрытия обеспечивает наиболее дешевый вариант реализации оптической системы согласно изобретению.The disadvantages of a translucent coating include the fact that it has only 50% efficiency, as a result of which the throughput of the system is greatly reduced (due to significant light losses) and may have artifacts. These shortcomings are compensated to some extent by the use of ECG, as described above. In this case, the use of a translucent coating provides the cheapest implementation of the optical system according to the invention.
В неограничивающем примерном варианте выполнения оптический узел согласно изобретению содержит два переключаемых оптических элемента (SOE 3 и SOE 4), которые соответствуют двум каналам FOV - FOV1 и FOV2, соответственно.In a non-limiting exemplary embodiment, the optical assembly of the invention comprises two switchable optical elements (
Для получения на датчике изображения устройства формирования изображения, содержащего оптический узел согласно изобретению, изображения с полем зрения FOV1 SOE 4 блокирует падающее оптическое излучение, а SOE 3 пропускает оптическое излучение. Оптическое излучение канала FOV1 входит в оптический элемент 1 через плоскую поверхность и проходит через вогнутую поверхность без рефракции ввиду того, что оптические материалы SOE 3 и оптического элемента 1 являются одинаковыми. При этом излучение, проходящее через SOE 3, отражается от зеркального покрытия задней поверхности оптического элемента 1 и от зеркального покрытия на обращенной внутрь оптического элемента 1 стороне оптической поверхности А по Фиг. 4 и, выходя из оптического элемента 1, попадает на поверхность датчика изображения устройства формирования изображения, в котором реализован оптический узел согласно изобретению.In order to obtain on the image sensor of the image forming apparatus containing the optical assembly according to the invention, images with a field of
Для формирования канала FOV2 SOE 3 блокирует падающее оптическое излучение, а SOE 4 пропускает падающее оптическое излучение. При этом, поскольку в данном варианте выполнения SOE 4 является ближайшим SOE к внешнему краю лицевой стороны оптического элемента 1, SOE 4 является плоским и не имеет вогнутой оптической поверхности. Оптическое излучение, соответствующее каналу FOV2, поступает в оптический элемент 1 через плоскую поверхность SOE 4. Затем оно отражается от соответствующей вогнутой поверхности задней стороны оптического элемента 1 и от обращенной внутрь оптического элемента 1 стороны вогнутой оптической поверхности А по Фиг. 4, которая вместе с упомянутой вогнутой поверхностью задней стороны оптического элемента 1 образует афокальную систему с двумя зеркалами с увеличением M. После отражения от упомянутой оптической поверхности А SOE 3 оптическое излучение повторяет путь оптического излучения, соответствующего каналу FOV1, и в конечном итоге попадает на поверхность датчика изображения устройства формирования изображения, в котором реализован оптический узел согласно изобретению.To form the FOV2 channel,
Вышеописанные варианты выполнения оптической системы согласно изобретению представляют собой лишь некоторые из примеров конструкции цельного основного оптического элемента 1. Ниже в Таблице 1 приведены конструктивные параметры, позволяющие создать цельный основной оптический элемент 1, реализующий одну фокальную систему с двумя зеркалами и две афокальные системы с двумя зеркалами в пределах одного цельного оптического элемента.The embodiments of the optical system according to the invention described above are only some of the examples of the design of a one-piece main
Испытания показали, что примерные варианты реализации оптической системы согласно изобретению реализуют, например, три канала FOV на одном датчике изображения с достижением достаточного качества изображения для размеров пикселя большинства современных датчиков изображения.Tests have shown that exemplary embodiments of the optical system of the invention implement, for example, three FOV channels on a single image sensor, achieving sufficient image quality for the pixel sizes of most modern image sensors.
Таблица 1. Конструктивные параметры оптического элемента с корректором кривизны плоскости изображенияTable 1. Design parameters of an optical element with an image plane curvature corrector
АД1
HELL
АД - апертурная диафрагмаAD - aperture diaphragm
n - показатель преломления для длины волны d=0,586 мкм;n is the refractive index for the wavelength d=0.586 µm;
ν - число Аббе.ν is the Abbe number.
Используемые в оптическом расчете поверхности являются асферическими, описываемые уравнением:The surfaces used in the optical calculation are aspherical, described by the equation:
Где r - радиальная координата;Where r is the radial coordinate;
c - величина кривизны поверхности, где c=1/R, R - радиус кривизны поверхности;c - surface curvature value, where c=1/R, R - surface curvature radius;
k - коническая постоянная;k - conic constant;
A4… A10- асферические коэффициенты.A 4 ... A 10 - aspherical coefficients.
Основным критерием качества изображения для оптических систем рассматриваемого типа является модуль передаточной функции (MTF).The main criterion for image quality for optical systems of this type is the transfer function modulus (MTF).
Для датчиков изображения обычного типа, которые в контексте настоящего изобретения могут быть представлены датчиком типа CMOS (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) или CCD (устройства с зарядовой связью) целевая частота составляет 200 линий на мм. При этом значение MTF для данной частоты должно составлять более 0,2 (критерий Рэлея).For image sensors of the conventional type, which in the context of the present invention can be represented by a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) or CCD (Charge Coupled Device) type sensor, the target frequency is 200 lines per mm. In this case, the MTF value for a given frequency should be more than 0.2 (Rayleigh criterion).
Экспериментальные исследования показали, что оптический узел согласно изобретению обеспечивает качество изображения, удовлетворяющее вышеуказанным критериям - значение MTF для целевой частоты в 200 линий на мм во всех случаях реализации изобретения не опускалось ниже 0,2, то есть во всех случаях удовлетворялся критерий Рэлея, упомянутый выше. В качестве неограничивающего примера, исследования показали, что при реализации изобретения три FOV (FOV1-FOV3) обеспечивали, например, следующие углы обзора:Experimental studies have shown that the optical assembly according to the invention provides an image quality that satisfies the above criteria - the MTF value for a target frequency of 200 lines per mm in all cases of the invention did not fall below 0.2, that is, in all cases the Rayleigh criterion mentioned above was satisfied . As a non-limiting example, studies have shown that when implementing the invention, three FOVs (FOV1-FOV3) provided, for example, the following viewing angles:
FOV1: 10,6 градусов (диафрагменное число F# - 2,5)FOV1: 10.6 degrees (F# - 2.5)
FOV2: 6,6 градусов (F# - 3,16)FOV2: 6.6 degrees (F# - 3.16)
FOV3: 4,6 градусов (F# - 3,44)FOV3: 4.6 degrees (F# - 3.44)
Переключение состояний SOE обеспечивается под управлением контроллера устройства формирования изображения, в котором реализован оптический узел согласно изобретению, путем соединения SOE с одним или более блоками управления посредством электронных контактов, проводников и т.п. Блоки управления могут представлять собой один или более процессоров, микропроцессоров, ASIC и т.п., как известно специалистам в данной области техники, которые могут управлять оптическим узлом согласно изобретению под управлением соответствующего программного обеспечения, микропрограммного обеспечения, программного элемента, модуля и т.п., сохраненного на одном или более машиночитаемых носителях, как известно специалистам в данной области техники.Switching the states of the SOE is provided under the control of the controller of the imaging apparatus in which the optical assembly according to the invention is implemented by connecting the SOE to one or more control units via electronic contacts, conductors, or the like. The control units may be one or more processors, microprocessors, ASICs, etc., as known to those skilled in the art, that can control the optical node according to the invention under the control of appropriate software, firmware, program element, module, etc. stored on one or more computer-readable media, as is known to those skilled in the art.
Еще в одном аспекте изобретения может быть предусмотрен способ формирования множества полей зрения изображающего объектива, причем способ содержит этапы, на которых пропускают падающее оптическое излучение в цельный основной оптический элемент посредством по меньшей мере двух переключаемых оптических элементов (SOE), размещенных на лицевой поверхности оптического элемента, при этом оптическое излучение внутри оптического элемента претерпевает по меньшей мере однократное внутреннее отражение посредством интегрированной в оптический элемент фокальной системы с двумя зеркалами и интегрированной в оптический элемент по меньшей мере одной афокальной системы с двумя зеркалами и выводится на датчик изображения, формируя изображение с несколькими полями зрения (FOV) на датчике изображения, причем каждый из по меньшей мере двух SOE выполнен с возможностью переключения между пропусканием оптического излучения и отражением и/или поглощением оптического излучения, обеспечивая таким образом переключение соответствующих FOV.In yet another aspect of the invention, a method for generating a plurality of fields of view of an imaging lens may be provided, the method comprising the steps of passing incident optical radiation into an integral main optical element through at least two switchable optical elements (SOE) located on the front surface of the optical element , while the optical radiation inside the optical element undergoes at least one internal reflection by means of a focal system with two mirrors integrated into the optical element and at least one afocal system with two mirrors integrated into the optical element and is output to the image sensor, forming an image with several fields vision (FOV) on the image sensor, and each of at least two SOE is configured to switch between transmission of optical radiation and reflection and/or absorption of optical radiation, thus providing switching corresponding FOV.
Способ формирования множества полей зрения изображающего объектива реализуется описанным выше оптическим узлом согласно описанному выше первому аспекту настоящего изобретения и может применяться в устройстве формирования изображения согласно второму описанному выше аспекту настоящего изобретения.The method for generating a plurality of fields of view of an imaging lens is implemented by the above-described optical assembly according to the above-described first aspect of the present invention, and can be applied to the imaging apparatus according to the second aspect of the present invention described above.
На первом этапе способа падающее оптическое излучение, на основе которого формируется изображение по меньшей мере с одним полем зрения (FOV) на датчике изображения, пропускается одним из по меньшей мере двух SOE, переключенным в состояние пропускания оптического излучения. Переключение между соответствующими полями зрения на датчике изображения осуществляется в зависимости от «открытого» и «закрытого» состояния соответствующих SOE.In the first step of the method, incident optical radiation, on the basis of which an image with at least one field of view (FOV) is formed on the image sensor, is transmitted by one of at least two SOEs switched to the state of optical radiation transmission. Switching between the respective fields of view on the image sensor is carried out depending on the "open" and "closed" states of the respective SOEs.
Например, обращаясь вновь к Фиг. 1-5, если SOE 3 переключен в «открытый» («прозрачный») режим, падающее оптическое излучение проходит в оптический элемент 1 через SOE 3. Если в «открытом» состоянии находится SOE 4, а SOE 3 и 5 - в «закрытом» состоянии, падающее оптическое излучение попадает в оптический элемент 1 через SOE 4. Если в «открытом» состоянии находится SOE 5, а SOE 3 и 4 «закрыты», падающее оптическое излучение попадает в оптический элемент 1 через открытый SOE 5.For example, referring again to FIG. 1-5, if
На следующем этапе способа оптическое излучение, пропущенное внутрь оптического элемента, подвергается по меньшей мере одному внутреннему отражению внутри оптического элемента. При этом для формирования первого (широкого) поля зрения в способе согласно изобретению используется фокальная система с двумя зеркалами, интегрированная в оптический элемент и реализуемая парой оптических поверхностей, включающей в себя центральную поверхность на лицевой стороне оптического элемента и соответствующую поверхность на задней стороне оптического элемента. Для формирования второго (или третьего и т.п.) более узкого поля зрения в способе согласно изобретению задействуется по меньшей мере одна афокальная система с двумя зеркалами, реализация и принцип работы которой пояснены выше и проиллюстрированы, в частности, на Фиг. 3. Следует отметить, что в оптическом элементе согласно изобретению предусмотрена по меньшей мере одна афокальная система с двумя зеркалами, при этом количество афокальных систем может быть различным в зависимости от конкретной реализации изобретения и, соответственно, изобретение может обеспечивать соответствующее количество полей зрения на датчике изображения устройства формирования изображения.At the next stage of the method, the optical radiation passed inside the optical element is subjected to at least one internal reflection inside the optical element. At the same time, to form the first (wide) field of view, the method according to the invention uses a focal system with two mirrors integrated into the optical element and implemented by a pair of optical surfaces, including a central surface on the front side of the optical element and a corresponding surface on the rear side of the optical element. To form a second (or third, etc.) narrower field of view, the method according to the invention employs at least one afocal system with two mirrors, the implementation and principle of which are explained above and illustrated, in particular, in FIG. 3. It should be noted that the optical element according to the invention provides at least one afocal system with two mirrors, while the number of afocal systems may vary depending on the specific implementation of the invention and, accordingly, the invention can provide an appropriate number of fields of view on the image sensor imaging devices.
На следующем этапе способа осуществляется переключение полей зрения, формируемых на датчике изображения посредством оптического излучения, попавшего в оптический элемент и подвергнутого по меньшей мере одному внутреннему отражению в пределах оптического элемента, как описано выше. Упомянутое переключение реализуется соответствующими переключающими оптическими элементами (SOE) путем их «переключения» из «открытого» состояния в «закрытое» и наоборот за счет использования в SOE и/или оптическом элементе по меньшей мере одной оптической поверхности, выполненной с возможностью изменения свойств пропускания и/или блокирования (отражения, поглощения) оптического излучения в ответ на управляющие сигналы электрического тока низкого напряжения, выдаваемые, например, процессором, управляющим устройством формирования изображения, как описано выше.At the next stage of the method, the fields of view formed on the image sensor are switched by means of optical radiation that has entered the optical element and is subjected to at least one internal reflection within the optical element, as described above. Said switching is realized by the respective switching optical elements (SOE) by "switching" from the "open" state to the "closed" state and vice versa by using in the SOE and/or the optical element at least one optical surface configured to change the transmission properties and /or blocking (reflection, absorption) of optical radiation in response to control signals of low voltage electric current, issued, for example, by a processor controlling an image forming device, as described above.
Вышеописанное техническое решение обеспечивает достижение следующих технических эффектов. Поскольку в предлагаемой оптической системе (оптическом узле) изменение полей зрения («зумирование») осуществляется без использования подвижных компонентов оптической системы, требующих высокой точности выполнения, юстировки, наличия одного или более моторов и т.п., предлагаемая оптическая система обеспечивает возможность создания особенно компактного устройства формирования изображения, пригодного для использования в современных компактных пользовательских вычислительных устройствах, таких как, в качестве неограничивающего примера, смартфоны, планшетные компьютеры, портативные персональные компьютеры (ноутбуки, нетбуки). Также изобретение может использоваться в таких устройствах формирования изображения, как компактные фото/видеокамеры с относительно большим диапазоном изменения фокусных расстояний (зумирования). При этом, как показано выше, изобретение обеспечивает достаточно высокое качество изображения с минимальными геометрическими аберрациями. Кроме того, отсутствие подвижных компонентов в оптической системе упрощает сборку и процесс изготовления устройства формирования изображения, содержащего такую оптическую систему.The above technical solution provides the achievement of the following technical effects. Since in the proposed optical system (optical assembly) the field of view (“zooming”) is changed without the use of moving components of the optical system, which require high precision, alignment, the presence of one or more motors, etc., the proposed optical system provides the ability to create especially a compact imaging device suitable for use in modern compact user computing devices such as, as a non-limiting example, smartphones, tablet computers, portable personal computers (laptops, netbooks). Also, the invention can be used in imaging devices such as compact photo/video cameras with a relatively large range of focal lengths (zoom). At the same time, as shown above, the invention provides a sufficiently high image quality with minimal geometric aberrations. In addition, the absence of moving components in the optical system simplifies the assembly and manufacturing process of the imaging device containing such an optical system.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.Those skilled in the art will appreciate that what has been described and shown in the drawings above are only some of the possible examples of techniques and facilities by which embodiments of the present invention may be implemented. The above detailed description of embodiments of the invention is not intended to limit or determine the scope of legal protection of the present invention.
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.Other embodiments that may be within the scope of the present invention may be contemplated by those skilled in the art upon careful reading of the foregoing description with reference to the accompanying drawings, and all such obvious modifications, alterations and/or equivalent substitutions are deemed to be within the scope of the present invention. All prior art references cited and discussed in this document are hereby incorporated into this specification by reference as far as applicable.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.While the present invention has been described and illustrated with reference to various embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes may be made to its form and specific details without departing from the scope of the present invention, which is defined only the following claims and their equivalents.
Claims (24)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220091264A KR20230084004A (en) | 2021-12-03 | 2022-07-22 | Imaging lens and method for creating multi field of view |
US17/994,786 US20230176350A1 (en) | 2021-12-03 | 2022-11-28 | Multiple fields-of-view lens |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2787075C1 true RU2787075C1 (en) | 2022-12-28 |
Family
ID=
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU275454A1 (en) * | Е. Н. Гончаренко , Г. Ф. Бел ков |
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU275454A1 (en) * | Е. Н. Гончаренко , Г. Ф. Бел ков |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI667493B (en) | Imaging optical system | |
JP3896988B2 (en) | Imaging lens device | |
JP4138671B2 (en) | Zoom lens and electronic still camera using the same | |
US10359608B2 (en) | Bifocal lens and imaging device including same | |
EP2090916B1 (en) | Retrofocus objective using lenses exhibiting relative partial dispersion | |
US8243370B2 (en) | Zoom lens and image pickup apparatus | |
KR101720770B1 (en) | Lens Optical System and Digital Camera Module Comprising the Same | |
JP3564057B2 (en) | Zoom lens and optical device using the same | |
KR20160000759A (en) | Slim telephoto lens system | |
JP2004093649A (en) | Zoom lens and electronic imaging device having the same | |
US8736973B2 (en) | Zoom lens and image pickup apparatus equipped with zoom lens | |
EP4024112A1 (en) | Lens module and electronic device | |
JP2007108614A (en) | Photographic optical system, photographic lens unit, and camera | |
JP2006162829A (en) | Wide angle imaging lens and imaging apparatus | |
US7864441B2 (en) | Zoom lens and image pickup apparatus using the same | |
JP2004264343A (en) | Electronic image pickup device equipped with zoom lens | |
US8681432B2 (en) | Zoom lens and image pickup apparatus equipped with zoom lens | |
CN113302536B (en) | Image capturing apparatus | |
RU2787075C1 (en) | Annular image formation lens with multiple fields of view | |
JP2004333769A (en) | Zoom lens and imaging equipment using same | |
JP2006047420A (en) | Variable power imaging optical system and imaging device having the same | |
JP3788441B2 (en) | Imaging lens device | |
JP2022072586A (en) | Imaging optical system and imaging apparatus | |
CN113302535A (en) | Image capturing apparatus | |
JP2017219642A (en) | Catadioptric system and imaging apparatus equipped with the same |