CZ2012896A3

CZ2012896A3 - Objektiv s promennou ohniskovou vzdáleností

Info

Publication number: CZ2012896A3
Application number: CZ20120896A
Authority: CZ
Inventors: Miks@Antonín; Novák@Jirí; Novák@Pavel
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze - fakulta stavební
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-12-04
Also published as: CZ304175B6

Abstract

Objektiv s promennou ohniskovou vzdáleností je tvoren tremi optickými cleny (1, 2, 3), lezícími na spolecné optické ose. Vzdálenost (s) predmetové roviny (.ksi.) od prvního optického clenu (1), vzdálenost (s´) obrazové roviny (.ksi.´) od tretího optického clenu (3), vzdálenost (p) roviny (.pi.) vstupní pupily od prvního optického clenu (1) a vzdálenost (p´) roviny (.pi.´) výstupní pupily od tretího optického clenu (3) jsou pro zvolený rozsah hodnot prícného zvetsení objektivu m [m.sub.min, .n.m.sub.max.n.] konstantní. Optické cleny (1, 2, 3) jsou tvoreny jednou nebo více cockami, z nichz alespon jedna má plynule promennou ohniskovou vzdálenost. Vzdálenost (d.sub.1.n.) mezi prvním optickým clenem (1) a druhým optickým clenem (2), jakoz i vzdálenost (d.sub.2.n.) mezi druhým optickým clenem (2) a tretím optickým clenem (3) je konstantní. Lámavosti (.fi..sub.1.n.), (.fi..sub.2.n.), (.fi..sub.3.n.) jednotlivých optických clenu (1, 2, 3) objektivu pro ruzná prícná zvetsení (m) a celková lámavost objektivu .fi. jsou dány vztahy dle obr.

Description

Objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností

Oblast techniky

Vynález se týká objektivu s proměnnou ohniskovou vzdáleností, který se skládá z optických členů s plynule proměnnou ohniskovou vzdáleností, které se při změně zvětšení neposouvají a zaujímají pevné místo v prostoru, a jehož pozice předmětové a obrazové roviny i roviny vstupní a výstupní pupily zůstává neměnná pro různá zvětšení. Jedná se tedy o dvojnásobně konjugovaný objektiv.

Dosavadní stav techniky

Základním požadavkem na optické systémy s proměnnou ohniskovou vzdáleností je požadavek neměnnosti polohy obrazové roviny vzhledem k nějakému pevnému bodu při změně jejich ohniskové vzdálenosti respektive zvětšení. Při změně ohniskové vzdálenosti optické soustavy však také dochází ke změně polohy vstupní a výstupní pupily optické soustavy. U současných optických soustav je změna ohniskové vzdálenosti a neměnnost polohy obrazové roviny dosahována změnou polohy jednotlivých členů optické soustavy. Při tom však většinou dochází ke změně polohy pupil této optické soustavy. V současné době jsou komerčně k dispozici objektivy s proměnnou ohniskovou vzdáleností, které běžně nemají konstantní vzdálenost mezi polohou vstupní a výstupní pupily.

Je známé například řešení dle PV 2012-280, „Objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností“, které popisuje objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností, jehož vzdálenost mezi předmětovým a obrazovým ohniskem zůstává konstantní při změně zvětšeni. Avšak pozice předmětové a obrazové roviny i roviny vstupní a výstupní pupily nezůstává při změně zvětšení objektivu neměnná. Změna zvětšení je realizována mechanickým posuvem jednotlivých členů objektivu vůči sobě. Možnosti použití daného řešení jsou omezeny na případy, kdy je vyžadováno, aby vzdálenost mezi předmětovým a obrazovým ohniskem zůstávala konstantní, například v systémech pro optické zpracování informace. Avšak toto řešení není možno využít pro speciální optické soustavy např. v mikroskopii, kdy je požadováno, aby byla neměnná jak vzdálenost mezi předmětem a obrazem, tak i poloha pupil objektivu.

Existuje několik návrhů objektivů s proměnnou ohniskovou vzdáleností, jež zachovávají neměnnou polohu pupil optické soustavy i obrazové a předmětové roviny, například řešení dle US patentu 3619035 „Zoom Lens Systém for Mantaining Two Paris of Conjugate Planeš Fixed“ z roku 1971. Uvedeného účinku je však dosahováno změnou poloh jednotlivých členů optické soustavy, přičemž ohniskové vzdálenosti jednotlivých členů optické soustavy se nemění. Nevýhodou tohoto způsobu je nutnost mechanického pohybu jednotlivých optických členů objektivu, složitější a finančně nákladnější optomechanická konstrukce objektivu, což odstraňuje navrhované řešení dle tohoto návrhu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody nutnosti mechanického posuvu optických členů a složité optomechanické konstrukce odstraňuje objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností podle předkládaného vynálezu. Optická soustava objektivu je tvořena třemi optickými členy, které leží na společné optické ose. Vzdálenost s předmětové roviny od prvního optického členu, vzdálenost s' obrazové roviny od třetího optického členu, vzdálenost p roviny vstupní pupily od prvního členu a vzdálenost p' roviny výstupní pupily od třetího členu jsou pro zvolený rozsah hodnot příčného zvětšení objektivu m e [m_inin,m_maK ] konstantní. Podstatou nového řešení je, že optické členy jsou tvořeny jednou nebo více čočkami, z nichž alespoň jedna má plynule proměnnou ohniskovou vzdálenost. Zároveň platí, že vzdálenost di mezi prvním optickým a druhým optickým členem, jakož i vzdálenost d₂ mezi druhým a třetím optickým členem je konstantní. Lámavosti φι, φ₂, ψ3 jednotlivých optických členů objektivu pro různá příčná zvětšení m a celková lámavost objektivu φ jsou dány následujícími vztahy:

_ - <p₃d₂ +(s-d_t )((p₂ + φ₃ - φ,φ₃ί/₂)) -1 φ, * m((p₃č/, - (1 - <p//₂)(1 - φ,ίή)) (d. +rf₃) ps'p'sm <p₂ —--1---1—~ , dyP d'd₂m(p-s) dyl/s-pj (s' + d,)(1 - φ-,ίή) + d. - ms φ. =-------í--------, s'(d_} + d/1 -φ₂<ή) φ = (φ, + φ₂ + φ₃)-(p^í/j -φ₂φ₃ί/₂ -φ,φ₃(ί/, + d₂) + φ_ιφ₂φ₃<7₁ύ₂

Z výše uvedeného vyplývá, že změna ohniskové vzdálenosti se realizuje pomocí optických členů, například na bázi kapalinových mechanických či elektroaktivních čoček, jejichž ohnisková vzdálenost se dá plynule měnit bez změny jejich pozice či geometrického uspořádání.

Výhodou uvedeného řešení je, že pozice předmětové i obrazové roviny, pozice vstupní a výstupní pupily i vzájemná pozice jednotlivých optických členů objektivu zůstává, při změně ohniskové vzdálenosti objektivu, neměnná. Navrhované řešení odstraňuje nedostatky dřívějších řešení, kde se musely jednotlivé členy optické soustavy vzhledem k sobě posouvat podél optické osy, zatímco v uvedeném řešení se členy optické soustavy neposouvají a zaujímají pevné místo v prostoru. Tímto řešením je též zjednodušena optomechanická konstrukce objektivu, může být snížena celková délka objektivu a též je možno dosáhnout větších rozsahů zvětšení.

Objasnění výkresů

Objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností, s neměnnou pozicí jednotlivých optických členů a neměnnou pozicí předmětové a obrazové roviny a stejně tak i roviny vstupní a výstupní pupily je uveden na přiloženém výkrese.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na přiloženém výkrese je příkladně znázorněno jedno z možných řešení tohoto objektivu, a to objektiv tvořený třemi optickými členy s plynule proměnnou ohniskovou vzdáleností respektive lámavostí, umístěnými na společné optické ose. Jedná se o první optický člen 1, který má lámavost gji, druhý optický člen 2 mající lámavost ¢2 a třetí optický člen 3 s lámavostí φ₃. Lámavost celé optické soustavy je

Každý z optických členů 1, 2 a 3 může být tvořen jednou nebo více čočkami, z nichž alespoň jedna má proměnnou ohniskovou vzdálenost. Bod A^f je obrazem bodu A a spojnice těchto bodů je optická osa optické soustavy. Bod P' je střed výstupní pupily a bod P je střed vstupní pupily optické soustavy objektivu. Poloha předmětové roviny ς, obrazové roviny c^, roviny vstupní pupily π a roviny výstupní pupily ť zůstává neměnná při změně ohniskové vzdálenosti objektivu, jež je realizována změnou lámavostí tří optických členů 1, 2, 3 objektivu, jejichž vzájemná pozice je konstantní, tj. vzdálenost di mezi prvním optickým členem 1 a druhým optickým členem 2 a vzdálenost d? mezi druhým optickým členem 2 a třetím optickým členem 3 je neměnná. Pro vzájemnou vzdálenost AA' rovin ξ a platí

AA — —s + + í/-, + .$ — konst., kde vzdálenost předmětu od prvního optického členu 1 objektivu je označena jako s, £ značí vzdálenost obrazu od posledního, třetího optického členu 3 objektivu. Dále jsou zde vyznačeny vzdálenosti mezi jednotlivými optickými prvky objektivu, a to d± mezí prvním optickým členem 1 a druhým optickým členem 2, d? mezi druhým optickým členem 2 a třetím optickým členem 3. Obdobně pro vzdálenost PP' rovin π a π vstupní a výstupní pupily objektivu platí

PP' = -p + d, + d₂ + p' = konst., kde p značí vzdálenost roviny vstupní pupily π od prvního optického členu 1 objektivu a y označuje vzdálenost roviny výstupní pupily π¹ od posledního, třetího optického členu 3 objektivu.

Při realizaci tohoto řešení se předem volí vzdálenost d± mezi prvním optickým členem 1 a druhým optickým členem 2 objektivu a vzdálenost d₂ mezi druhým optickým členem 2 a třetím optickým členem 3 objektivu. Tyto vzdálenosti poté určují celkovou délku objektivu a nemění se. Podle požadavků kladených na výsledný objektiv, tj. podle toho, kde se má nacházet předmětová a obrazová rovina respektive rovina vstupní a výstupní pupily, se také zvolí vzdálenost s předmětové roviny od prvního členu, vzdálenost £ obrazové roviny od třetího členu, vzdálenost p roviny vstupní pupily od prvního členu a vzdálenost £ roviny výstupní pupily od třetího členu. Dále se zvolí rozsah hodnot příčného zvětšení objektivu m e [rn_min,m_niax], při kterém má objektiv pracovat a splňovat na něj kladené požadavky. Na základě takto předem zvolených zobrazovacích parametrů se pro každou hodnotu zvětšení m z intervalu [z«_lllin ,/«_max ] vypočítávají lámavosti ¢1, ¢2, ¢3 jednotlivých optických členů objektivu a celková lámavost objektivu φ . Lámavosti ¢^, ¢2, ¢3 jednotlivých optických členů 1, 2, 3 objektivu pro různá příčná zvětšení m a celková lámavost objektivu φ jsou dány následujícími vztahy:

_ w(l - φ₃ί/₂ + (s - d_} )(φ, + φ₃ - φ₂φ₃ί/₂)) -1

Φ] —, ms(9,7 -(1- φ₃ί/₂)0 ^- Φ₂^ι)) (d, + d,) ps'p'sm φ, = —---— +---------+----, d_}d₂ d_}d₂m(p-s) d_id₂(s'- p') (s¹ + df(l~<y,d_í) + d_] ~ms s'(d_í + 6/,(1-9,6/,) φ = ((pj +φ₂ + 9,)-9,9,6/, -9,9,6/, -9,9,(6/, + 6/,) + 9,9,9,6/,6/,.

Takto je zabezpečeno, že při změně ohniskové vzdálenosti respektive zvětšení objektivu zůstávají neměnné polohy předmětu, obrazu, vstupní a výstupní pupily a zároveň nedochází ke změně polohy jednotlivých optických členů objektivu.

Průmyslová využitelnost

Optická soustava podle vynálezu najde uplatnění zejména v oblasti mikroskopie, optických systémech pro analýzu struktury objektů využívajících metodu fázového kontrastu a metodu temného pole, v oftalmologických přístrojích a optických soustavách puškohledů.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

Objektiv s proměnnou ohniskovou vzdáleností, jehož optická soustava je tvořena třemi optickými členy (1,2,3), ležícími na společné optické ose, a jehož vzdálenost (s) předmětové roviny (ξ) od prvního optického členu (1), vzdálenost (sflobrazové roviny (ξ') od třetího optického členu (3), vzdálenost (p) roviny (π) vstupní pupily od prvního optického členu (1) a vzdálenost (p'j roviny (π¹) výstupní pupily od třetího optického členu (3) jsou pro zvolený rozsah hodnot příčného zvětšení objektivu m & [r»_mjn,m_max ] konstantní, vyznačující se tím, že optické členy (1,2,3) jsou tvořeny jednou nebo více čočkami, z nichž alespoň jedna má plynule proměnnou ohniskovou vzdálenost, a vzdálenost (di) mezi prvním optickým členem (1) a druhým optickým členem (2), jakož i vzdálenost (d₂) mezi druhým optickým členem (2) a třetím optickým členem (3) je konstantní, a lámavosti (φ_Ί), (φ₂), (qh) jednotlivých optických členů (1,2,3) objektivu pro různá příčná zvětšení (m) a celková lámavost objektivu φ jsou dány následujícími vztahy: