eng
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.3.224.231
В статье дано описание конструкции объективов с фиксированным фокусным расстоянием и с внутренней фокусировкой, которая осуществляется с помощью одной линзы. Такие объективы найдут применение в приборах наблюдения, приборах ночного видения, устройствах машинного зрения, в фотографии и некоторых других областях. Представлены объективы с фиксированным фокусным расстоянием: широкоугольный с фокусным расстоянием 16 мм и светосилой F / 1,8, с фокусным расстоянием 26 мм и светосилой F / 1,2; с фокусным расстоянием 50 мм и светосилой F / 1,4; с фокусным расстоянием 100 мм и светосилой F / 2,8; с фокусным расстоянием 200 мм и светосилой F / 4, а также для сравнения объектив с переменным фокусным расстоянием 10–300 мм и светосилой F / 1,6–4,5.
В статье дано описание конструкции объективов с фиксированным фокусным расстоянием и с внутренней фокусировкой, которая осуществляется с помощью одной линзы. Такие объективы найдут применение в приборах наблюдения, приборах ночного видения, устройствах машинного зрения, в фотографии и некоторых других областях. Представлены объективы с фиксированным фокусным расстоянием: широкоугольный с фокусным расстоянием 16 мм и светосилой F / 1,8, с фокусным расстоянием 26 мм и светосилой F / 1,2; с фокусным расстоянием 50 мм и светосилой F / 1,4; с фокусным расстоянием 100 мм и светосилой F / 2,8; с фокусным расстоянием 200 мм и светосилой F / 4, а также для сравнения объектив с переменным фокусным расстоянием 10–300 мм и светосилой F / 1,6–4,5.
Теги: inner focusing lens machine vision night vision devices photography surveillance devices television lens машинное зрение объективы c внутренней фокусировкой приборы наблюдения приборы ночного видения фотография
Объективы с внутренней фокусировкой
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
В статье дано описание конструкции объективов с фиксированным фокусным расстоянием и с внутренней фокусировкой, которая осуществляется с помощью одной линзы. Такие объективы найдут применение в приборах наблюдения, приборах ночного видения, устройствах машинного зрения, в фотографии и некоторых других областях. Представлены объективы с фиксированным фокусным расстоянием: широкоугольный с фокусным расстоянием 16 мм и светосилой F / 1,8, с фокусным расстоянием 26 мм и светосилой F / 1,2; с фокусным расстоянием 50 мм и светосилой F / 1,4; с фокусным расстоянием 100 мм и светосилой F / 2,8; с фокусным расстоянием 200 мм и светосилой F / 4, а также для сравнения объектив с переменным фокусным расстоянием 10–300 мм и светосилой F / 1,6–4,5.
Ключевые слова: объективы c внутренней фокусировкой, приборы наблюдения, приборы ночного видения, машинное зрение, фотография
Статья получена: 01.04.2025
Статья принята: 21.04.2025
Введение
В современных приборах наблюдения активно применяются телевизионные объективы с переменным фокусным расстоянием. Диапазон фокусных расстояний может изменятся в широких пределах (10–60 крат) в зависимости от назначения прибора. Применение зум-объективов в наблюдательных приборах связано с выполнением двух функций: обзора наблюдаемого пространства, когда используется широкое поле зрения и максимального приближения объекта при использовании узкого поля зрения.
Так как в зум-объективах стремятся иметь приемлемое качество изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний, то получить максимальное разрешение объекта в узком поле не удается. Альтернативным решением для получения максимального качества изображения являются объективы с фиксированным фокусом.
Отличительной особенностью объективов с фиксированным фокусным расстоянием, имеющих приемлемое качество изображения, является простота конструкции – минимальное количество линз, а фокусировка осуществляется с помощью одной линзы.
В работах [1–3, 5–9] дано описание конструкции объективов с внутренней фокусировкой, в которых для достижения высокого качества изображения применяются асферические линзы. В представленных в этой статье объективах с фиксированным фокусным расстоянием все линзы сферические [4], что существенно упрощает их производство и сборку.
Объективы c фокусом 16 мм, 50 мм рассчитаны для камер с форматом 2 / 3″ (диагональ 11 мм), объектив с фокусом 26 мм для приборов ночного видения, работающих с электронно-оптическим пребразователем ф18 мм, объектив с фокусом 100 мм для камеры с форматом 4 / 3″ (диагональ 21,6 мм), а объектив с фокусом 200 мм для формата 1″ (диагональ 16 мм).
Величина контраста в объективах составляет не менее 0,5 при разрешении 80 лин / мм, что позволяет получать детальное изображение удаленных объектов. Ближняя дистанция фокусировки составляет от 2,5 м (в объективах 16 мм и 26 мм) до 25 м (в объективах 100 мм и 200 мм).
Перемещение фокусирующей линзы и изменение размера апертурной диафрагмы в объективах осуществляется с помощью моторизованных приводов: механизма автофокусировки и управления ирисовой диафрагмой.
Конструкция
На рис. 1–6 показаны вид объективов с внутренней фокусировкой и графики оптической передаточной функции.
На рис. 1 показан вид и график оптической передаточной функции 6‑линзового объектива с фокусным расстоянием 16 мм и светосилой F / 1,8. Это ретрофокусный объектив, у которого апертурная диафрагма расположена между 3‑й и 4‑й линзами. Угловое поле зрения объектива 40°, разрешение 80 лин / мм. Фокусировка объектива на дистанцию до 2,5 м осуществляется с помощью подвижки 3‑й линзы на 0,3 мм. При этом качество изображения остается вполне приемлемым.
Компактный и легкий 5‑линзовый объектив с фокусным расстоянием 26 мм, светосилой F / 1,2 и длиной 35 мм показан на рис. 2. Этот объектив предназначен для ночных приборов, работающих с элетронно-оптическими преобразователями в области спектра 0,4–0,9 мкм. Угловое поле зрения объектива 40°, разрешение 40 лин / мм. Фокусировка объектива на дистанцию до 2,5 м осуществляется с помощью подвижки 4‑й положительной линзы на 0,15 мм.
5‑линзовый объектив Петцваля с фокусом 50 мм, представленный на рис. 3, имеет светосилу F / 1,4. Апертурная диафрагма расположена перед фронтальной линзой. Угловое поле зрения объектива 12,5°, а фокусировка объектива на дистанцию 10 м получается путем подвижки 4‑й линзы на ~0,2 мм.
8‑линзовый ретрофокусный объектив с фокусом 100 мм и светосилой F / 2,8 показан на рис. 4. Угловое поле зрения объектива 12°, подвижка 4‑й одиночной линзы ~0,2 мм осуществляет фокусировку на дистанцию 10 м.
На рис. 5 показан 8‑линзовый телеобъектив с фокусом 200 мм. Благодаря применению специальной комбинации стекол его длина не превышает 200 мм. Качество изображения объектива практически не меняется при перефокусировке с бесконечности до дистанции 25 м. Величина подвижки 4‑й одиночной линзы ~0,4 мм.
Объектив рассчитан для работы в широком спектральном диапазоне (видимый и инфракрасный). На рис. 5 показан график оптической передаточной функции объектива для видимого спектрального диапазона 0,4–0,7 мкм.
На рис. 6 показаны графики оптической передаточной функции для короткого (0,4–0,9 мкм) и среднего инфракрасного (0,4–1,6 мкм) спектральных диапазонов. Модификация для ИК-диапазона (нир и свир) выполняется с помощью подвижки последней склейки объектива и нанесения на линзы соответствующего просветляющего покрытия.
Для сравнения с объективами с внутренней фокусировкой на рис. 7 показан вид 30х зум-объектива. Объектив состоит из 4‑х групп. Первая и третья группы линз неподвижны. Для коррекции аберраций в конструкции объектива использованы три асферические линзы. Изменение фокусного расстояния в объективе происходит при помощи перемещения второй и четвертой групп линз, а фокусировка – с помощью подвижки отрицательной линзы, находящейся в третьей неподвижной группе. Ближняя дистанция фокусировки составляет ~200 фокусных расстояний (2–60 м).
На рис. 8 показан график оптической передаточной функции зум-объектива для двух положений. Разрешение объектива в положении f′ = 10 мм сравнительно высокое (контраст >0,5), в положении f′ = 300 мм разрешение существенно падает (контраст <0,3), что значительно ниже, чем в объективе с фиксированным фокусным расстоянием. Основные характеристики объективов с внутренней фокусировкой приведены в таблице.
Заключение
Объективы с внутренней фокусировкой при сравнительно простой конструкции имеют приемлемое качество изображения и могут быть хорошей заменой сложных и дорогостоящих объективов с переменным фокусом, применяемых в оптических приборах различного назначения.
REFERENCES
Choi and J. Ryu. Design of wide angle and large aperture optical system with inner focus for compact system camera applications. Appl. Sci. 2020;10:179.
US Patent 2017/0293117, 2017.10.12 Wide-angle lens and imaging unit. / K. Katou et al.
DE Patent 102015112992, 2016.09.01. Fotografisches Weitwinkelobjektiv mit Innenfokussierung. /Shyshkin I.
DE Patent 102014103935, 2015.09.24. Fotografisches Objektiv. / Shyshkin I.
WO Patent 2015106908., 2015.07.23. Photographic lens. / Wang L., Shyshkin I.
US Patent 2014347743, 2014.11.27. Photographic wide angle lens system with internal focusing / Wang L., Shyshkin I.
Park S. C., Lee W. S. Paraxial design method based on an analytic calculation and its application to a three-group inner-focus zoom system. J. Korean Phys. Soc. 2014;64:1671–1676.
US Patent 8503096, 2013.08.06. Inner focus lens, interchangeable lens apparatus and camera system /Imaoka T., Hoshi K., Hagimori H.
US Patent 2005/0248857, 2005.11.10. Large aperture ratio internal focusing telephoto lens / Wada M.
АВТОРЫ
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н; e-mail: shipoflens@mail.ru; НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. т. н., НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива. Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
В статье дано описание конструкции объективов с фиксированным фокусным расстоянием и с внутренней фокусировкой, которая осуществляется с помощью одной линзы. Такие объективы найдут применение в приборах наблюдения, приборах ночного видения, устройствах машинного зрения, в фотографии и некоторых других областях. Представлены объективы с фиксированным фокусным расстоянием: широкоугольный с фокусным расстоянием 16 мм и светосилой F / 1,8, с фокусным расстоянием 26 мм и светосилой F / 1,2; с фокусным расстоянием 50 мм и светосилой F / 1,4; с фокусным расстоянием 100 мм и светосилой F / 2,8; с фокусным расстоянием 200 мм и светосилой F / 4, а также для сравнения объектив с переменным фокусным расстоянием 10–300 мм и светосилой F / 1,6–4,5.
Ключевые слова: объективы c внутренней фокусировкой, приборы наблюдения, приборы ночного видения, машинное зрение, фотография
Статья получена: 01.04.2025
Статья принята: 21.04.2025
Введение
В современных приборах наблюдения активно применяются телевизионные объективы с переменным фокусным расстоянием. Диапазон фокусных расстояний может изменятся в широких пределах (10–60 крат) в зависимости от назначения прибора. Применение зум-объективов в наблюдательных приборах связано с выполнением двух функций: обзора наблюдаемого пространства, когда используется широкое поле зрения и максимального приближения объекта при использовании узкого поля зрения.
Так как в зум-объективах стремятся иметь приемлемое качество изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний, то получить максимальное разрешение объекта в узком поле не удается. Альтернативным решением для получения максимального качества изображения являются объективы с фиксированным фокусом.
Отличительной особенностью объективов с фиксированным фокусным расстоянием, имеющих приемлемое качество изображения, является простота конструкции – минимальное количество линз, а фокусировка осуществляется с помощью одной линзы.
В работах [1–3, 5–9] дано описание конструкции объективов с внутренней фокусировкой, в которых для достижения высокого качества изображения применяются асферические линзы. В представленных в этой статье объективах с фиксированным фокусным расстоянием все линзы сферические [4], что существенно упрощает их производство и сборку.
Объективы c фокусом 16 мм, 50 мм рассчитаны для камер с форматом 2 / 3″ (диагональ 11 мм), объектив с фокусом 26 мм для приборов ночного видения, работающих с электронно-оптическим пребразователем ф18 мм, объектив с фокусом 100 мм для камеры с форматом 4 / 3″ (диагональ 21,6 мм), а объектив с фокусом 200 мм для формата 1″ (диагональ 16 мм).
Величина контраста в объективах составляет не менее 0,5 при разрешении 80 лин / мм, что позволяет получать детальное изображение удаленных объектов. Ближняя дистанция фокусировки составляет от 2,5 м (в объективах 16 мм и 26 мм) до 25 м (в объективах 100 мм и 200 мм).
Перемещение фокусирующей линзы и изменение размера апертурной диафрагмы в объективах осуществляется с помощью моторизованных приводов: механизма автофокусировки и управления ирисовой диафрагмой.
Конструкция
На рис. 1–6 показаны вид объективов с внутренней фокусировкой и графики оптической передаточной функции.
На рис. 1 показан вид и график оптической передаточной функции 6‑линзового объектива с фокусным расстоянием 16 мм и светосилой F / 1,8. Это ретрофокусный объектив, у которого апертурная диафрагма расположена между 3‑й и 4‑й линзами. Угловое поле зрения объектива 40°, разрешение 80 лин / мм. Фокусировка объектива на дистанцию до 2,5 м осуществляется с помощью подвижки 3‑й линзы на 0,3 мм. При этом качество изображения остается вполне приемлемым.
Компактный и легкий 5‑линзовый объектив с фокусным расстоянием 26 мм, светосилой F / 1,2 и длиной 35 мм показан на рис. 2. Этот объектив предназначен для ночных приборов, работающих с элетронно-оптическими преобразователями в области спектра 0,4–0,9 мкм. Угловое поле зрения объектива 40°, разрешение 40 лин / мм. Фокусировка объектива на дистанцию до 2,5 м осуществляется с помощью подвижки 4‑й положительной линзы на 0,15 мм.
5‑линзовый объектив Петцваля с фокусом 50 мм, представленный на рис. 3, имеет светосилу F / 1,4. Апертурная диафрагма расположена перед фронтальной линзой. Угловое поле зрения объектива 12,5°, а фокусировка объектива на дистанцию 10 м получается путем подвижки 4‑й линзы на ~0,2 мм.
8‑линзовый ретрофокусный объектив с фокусом 100 мм и светосилой F / 2,8 показан на рис. 4. Угловое поле зрения объектива 12°, подвижка 4‑й одиночной линзы ~0,2 мм осуществляет фокусировку на дистанцию 10 м.
На рис. 5 показан 8‑линзовый телеобъектив с фокусом 200 мм. Благодаря применению специальной комбинации стекол его длина не превышает 200 мм. Качество изображения объектива практически не меняется при перефокусировке с бесконечности до дистанции 25 м. Величина подвижки 4‑й одиночной линзы ~0,4 мм.
Объектив рассчитан для работы в широком спектральном диапазоне (видимый и инфракрасный). На рис. 5 показан график оптической передаточной функции объектива для видимого спектрального диапазона 0,4–0,7 мкм.
На рис. 6 показаны графики оптической передаточной функции для короткого (0,4–0,9 мкм) и среднего инфракрасного (0,4–1,6 мкм) спектральных диапазонов. Модификация для ИК-диапазона (нир и свир) выполняется с помощью подвижки последней склейки объектива и нанесения на линзы соответствующего просветляющего покрытия.
Для сравнения с объективами с внутренней фокусировкой на рис. 7 показан вид 30х зум-объектива. Объектив состоит из 4‑х групп. Первая и третья группы линз неподвижны. Для коррекции аберраций в конструкции объектива использованы три асферические линзы. Изменение фокусного расстояния в объективе происходит при помощи перемещения второй и четвертой групп линз, а фокусировка – с помощью подвижки отрицательной линзы, находящейся в третьей неподвижной группе. Ближняя дистанция фокусировки составляет ~200 фокусных расстояний (2–60 м).
На рис. 8 показан график оптической передаточной функции зум-объектива для двух положений. Разрешение объектива в положении f′ = 10 мм сравнительно высокое (контраст >0,5), в положении f′ = 300 мм разрешение существенно падает (контраст <0,3), что значительно ниже, чем в объективе с фиксированным фокусным расстоянием. Основные характеристики объективов с внутренней фокусировкой приведены в таблице.
Заключение
Объективы с внутренней фокусировкой при сравнительно простой конструкции имеют приемлемое качество изображения и могут быть хорошей заменой сложных и дорогостоящих объективов с переменным фокусом, применяемых в оптических приборах различного назначения.
REFERENCES
Choi and J. Ryu. Design of wide angle and large aperture optical system with inner focus for compact system camera applications. Appl. Sci. 2020;10:179.
US Patent 2017/0293117, 2017.10.12 Wide-angle lens and imaging unit. / K. Katou et al.
DE Patent 102015112992, 2016.09.01. Fotografisches Weitwinkelobjektiv mit Innenfokussierung. /Shyshkin I.
DE Patent 102014103935, 2015.09.24. Fotografisches Objektiv. / Shyshkin I.
WO Patent 2015106908., 2015.07.23. Photographic lens. / Wang L., Shyshkin I.
US Patent 2014347743, 2014.11.27. Photographic wide angle lens system with internal focusing / Wang L., Shyshkin I.
Park S. C., Lee W. S. Paraxial design method based on an analytic calculation and its application to a three-group inner-focus zoom system. J. Korean Phys. Soc. 2014;64:1671–1676.
US Patent 8503096, 2013.08.06. Inner focus lens, interchangeable lens apparatus and camera system /Imaoka T., Hoshi K., Hagimori H.
US Patent 2005/0248857, 2005.11.10. Large aperture ratio internal focusing telephoto lens / Wada M.
АВТОРЫ
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н; e-mail: shipoflens@mail.ru; НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. т. н., НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива. Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Отзывы читателей
