RU2185645C2

RU2185645C2 - Panoramic catadioptric lens

Info

Publication number: RU2185645C2
Application number: RU99127519/28A
Authority: RU
Inventors: А.В. Куртов; В.А. Соломатин
Original assignee: Московский государственный университет геодезии и картографии
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2002-07-20

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: panoramic catadioptric lens has one optical element including four surfaces and aperture diaphragm. First surface is convex refracting surface, second surface is concave reflection surface, third surface is convex reflection surface, fourth surface is plane- refracting surface. Aperture diaphragm is aligned with fourth surface. First three surfaces are spherical surfaces. Clear aperture of first and second surfaces are equal and amount to ( 0.95-0.98 ) double radius of first surface. Clear aperture of third surface can make ( 0.1-0.9 ) diameter of fourth surface. Point of joining of first and second surfaces can have form of cylindrical belt having width 5-10 mm. EFFECT: simplified design of lens with maintenance or increase of flied of vision without any loss in quality of image. 2 cl, 4 dwg, 1 photo

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к обзорно-панорамным системам, предназначенным для наблюдения предметов, расположенных в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места. The invention relates to optical instrumentation, namely to panoramic panoramic systems designed to observe objects located in a spatial angle of 360 degrees in azimuth and tens of degrees in elevation.

Известны три типовых решения такой задачи: беззеркальные системы, системы, содержащие одну, и системы, содержащие две зеркальные поверхности. Примерами первой группы служат объектив Гилля*, состоящий из отрицательного компонента с большой кривизной поверхности и расположенного на большом расстоянии от него положительного, фокусирующего компонента или объектив по патенту US Patent 4070098 (G 02 B 17/08), состоящий из 25 преломляющих поверхностей. Ко второй группе можно отнести разработанную в конце прошлого века кольцевую отражающую линзу Манжена*, где в качестве отражающего элемента используется параболический тороид; к этой же группе относится и объектив, описанный Слюсаревым (Г.Г. Слюсарев. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969). Three typical solutions to this problem are known: mirrorless systems, systems containing one, and systems containing two mirror surfaces. Examples of the first group are a Gill lens *, consisting of a negative component with a large curvature of the surface and a positive focusing component located at a great distance from it, or a lens according to US Patent 4070098 (G 02 B 17/08), consisting of 25 refractive surfaces. The second group includes the Manzhen * annular reflective lens * developed at the end of the last century, where a parabolic toroid is used as a reflective element; the lens described by Slyusarev belongs to the same group (GG Slyusarev. Methods of calculating optical systems. L .: Mashinostroenie, 1969).

Патентуемая система относится к третьей группе - двухзеркальным системам. The patented system belongs to the third group - two-mirror systems.

Известен конический объектив Гончаренко (авт. свид 173978. Бюл. Изобр. 16, 1965, (G 02 B 17/08)), выполненный из двух конических зеркал, оси которых совпадают друг с другом, а вершины направлены в одну сторону. Первая поверхность по ходу лучей в сагиттальном сечении выпуклая и обладает отрицательной оптической силой, вторая - вогнутая и имеет положительную оптическую силу. The well-known conical lens Goncharenko (author certificate 173978. Bull. Inventory 16, 1965, (G 02 B 17/08)), made of two conical mirrors, the axes of which coincide with each other, and the vertices are directed in one direction. The first surface along the rays in the sagittal section is convex and has a negative optical power, the second is concave and has a positive optical power.

Этот объектив обладает тем недостатком, что использование конических зеркал приводит к неравномерности увеличения по полю, и, как следствие, неравномерной дисторсии. This lens has the disadvantage that the use of conical mirrors leads to uneven magnification in the field, and, as a consequence, uneven distortion.

Единой подгруппой выступают системы данной группы, построенные по схожей схеме. Вершины сферических отражающих поверхностей направляются в одном направлении, но первой по ходу луча ставится вогнутая отражающая поверхность, обладающая положительной оптической силой, а вторая поверхность - выпуклая отражающая, обладает отрицательной оптической силой. Кроме того, перед первой по ходу луча отражающей поверхностью ставится еще одна - дополнительная преломляющая поверхность. По ходу луча она является выпуклой, т.е. с отрицательной оптической силой, и, следовательно, обеспечивает дополнительное увеличение углового поля. Четвертая поверхность в зависимости от конструкции может быть различной формы. Конструктивно объектив выполняется в виде единого компонента. A single subgroup is the system of this group, built according to a similar scheme. The vertices of the spherical reflective surfaces are directed in one direction, but the first in the direction of the beam is a concave reflective surface with positive optical power, and the second surface is convex reflective, has negative optical power. In addition, in front of the first reflective surface along the beam, one more is placed - an additional refracting surface. It is convex along the ray, i.e. with negative optical power, and therefore provides an additional increase in the angular field. The fourth surface, depending on the design, can be of various shapes. Structurally, the lens is implemented as a single component.

Известна конструкция, предложенная Дональдом и Вильямом Бучел (Donald and William Buchele) (U.S. Patent 2638033, 1953 г., (G 02 B 17/08)). В патенте закреплены две двухзеркальные конструкции грибовидной формы, т.е. диаметр второй поверхности существенно меньше диаметра первой. В одной конструкции в качестве второй отражающей поверхности используется плоскость, во второй - асферическая поверхность. В качестве четвертой поверхности в обеих конструкциях используется выпуклая (по ходу луча) сфера. A known construction proposed by Donald and William Buchele (U.S. Patent 2638033, 1953, (G 02 B 17/08)). Two two-mirror mushroom-shaped structures are fixed in the patent, i.e. the diameter of the second surface is significantly smaller than the diameter of the first. In one design, a plane is used as the second reflecting surface, in the second an aspherical surface. A convex (along the beam) sphere is used as the fourth surface in both structures.

Недостатком конструкции является наличие асферической поверхности. The disadvantage of the design is the presence of an aspherical surface.

Известна конструкция Яна Повелла (lan Powell) (U.S. Patent 5473474, 1995 г., (G 02 B 17/08)). Патент закрепляет грибовидную конструкцию, состоящую из четырех поверхностей. Три первые поверхности соответственно преломляющая и две отражающих имеют асферическую форму. В качестве четвертой поверхности в конструкции используется плоскость. The construction of Ian Powell (U.S. Patent 5473474, 1995, (G 02 B 17/08)) is known. The patent secures a mushroom-shaped structure consisting of four surfaces. The first three surfaces, respectively, are refractive and two reflective, have an aspherical shape. A plane is used as the fourth surface in the structure.

Ближайшим аналогом является конструкция Пола Грегусса (Pal Greguss) (U. S. Patent 4566763, 1986 г., (G 02 B 17/08)). Объектив с равными диаметрами отражающих поверхностей (обычной, негрибовидной конструкции) состоит из четырех поверхностей. Три первые поверхности соответственно преломляющая и две отражающих имеют асферическую форму. В качестве четвертой поверхности в конструкции используется плоскость. Диаметр третьей поверхности выбирается большим либо равным диаметру четвертой поверхности. The closest analogue is the construction of Paul Greguss (Pal Greguss) (U. S. Patent 4566763, 1986, (G 02 B 17/08)). A lens with equal diameters of reflective surfaces (ordinary, non-mushroom-shaped construction) consists of four surfaces. The first three surfaces, respectively, are refractive and two reflective, have an aspherical shape. A plane is used as the fourth surface in the structure. The diameter of the third surface is selected to be greater than or equal to the diameter of the fourth surface.

Недостатком системы является наличие асферических поверхностей и меньшее угловое поле по сравнению с аналогами. The disadvantage of the system is the presence of aspherical surfaces and a smaller angular field in comparison with analogues.

Задачей изобретения является упрощение конструкции за счет исключения асферических поверхностей, при сохранении или увеличении поля обзора (углового поля) без потерь в качестве изображения. The objective of the invention is to simplify the design by eliminating aspherical surfaces, while maintaining or increasing the field of view (angular field) without loss of image quality.

Поставленная задача решается тем, что в панорамном зеркально-линзовом объективе, содержащим один оптический компонент, включающий четыре поверхности, первая из которых - преломляющая выпуклая, вторая - отражающая вогнутая, третья - отражающая выпуклая, четвертая - плоская преломляющая и апертурную диафрагму, совмещенную с четвертой поверхностью, причем световые диаметры первой и второй поверхности одинаковы, первые три поверхности выполнены сферическими, световые диаметры первой и второй поверхности составляют (0,95-0,98) удвоенного радиуса кривизны первой поверхности, световой диаметр третьей поверхности составляет (0,1-0,9) светового диаметра четвертой поверхности, а место соприкосновения первой и второй поверхности выполнено в виде цилиндрического пояска шириной (5-10) мм. The problem is solved in that in a panoramic mirror-lens lens containing one optical component, including four surfaces, the first of which is convex refractive, the second is concave reflective, the third is convex reflective, the fourth is flat refractive and aperture aperture, combined with the fourth surface, and the light diameters of the first and second surfaces are the same, the first three surfaces are spherical, the light diameters of the first and second surfaces are (0.95-0.98) doubled radius and the curvature of the first surface, the light diameter of the third surface is (0.1-0.9) the light diameter of the fourth surface, and the contact point of the first and second surfaces is made in the form of a cylindrical girdle with a width of (5-10) mm.

Краткое описание чертежей
Данное изобретение поясняется подробным описанием конкретного примера его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
на фиг.1 - схематическое изображение панорамного объектива;
на фиг.2 - конструктивные параметры объектива (табл. 1);
на фиг.3 - приведены аберрации осевого пучка (табл. 2);
на фиг.4 - приведены аберрации главного пучка (табл. 3).Brief Description of the Drawings
The invention is illustrated by a detailed description of a specific example of its implementation with reference to the accompanying drawings, which depict:
figure 1 is a schematic illustration of a panoramic lens;
figure 2 - design parameters of the lens (table. 1);
figure 3 - shows the aberration of the axial beam (table. 2);
figure 4 - shows the aberration of the main beam (table. 3).

Заявленный объект содержит (фиг.1):
- выпуклую преломляющую поверхность 1;
- вогнутую отражающую поверхность 2;
- выпуклую отражающую поверхность 3;
- плоскую преломляющую поверхность 4;
- апертурную диафрагму 5;
- цилиндрический поясок 6.The claimed object contains (figure 1):
- convex refractive surface 1;
- concave reflective surface 2;
- convex reflective surface 3;
- flat refractive surface 4;
- aperture diaphragm 5;
- cylindrical belt 6.

Конструктивные параметры объектива представлены в табл. 1 на фиг.2. The design parameters of the lens are presented in table. 1 in FIG. 2.

Предмет находится на бесконечности. Апертурная диафрагма совпадает с четвертой поверхностью. Ее диаметр AD=19. Относительное отверстие D/f'=l:1.7
Линейное поле: 2Y= 0 угловое: 2w= 179^o55'00". Введена дефокусировка, Δ = 0.6.
Параксиальные характеристики:
f=-4.004 sf=16.306 sh=20.31
f'=4.004 sf'=-31.61 sh'=-35.61
Входной зрачок: sp=15.8 Dp=2.4
Выходной зрачок: sp'=0 Dp'=19
Увеличение в зрачках Вр=-7.9
Положение предмета и изображения: s1=∝ s'=-31.61
Аберрации осевого пучка представлены в таблице 2 на фиг.3.The subject is at infinity. The aperture diaphragm coincides with the fourth surface. Its diameter is AD = 19. Relative aperture D / f '= l: 1.7
Linear field: 2Y = 0 angular: 2w = 179 ^o 55'00 ". Defocusing introduced, Δ = 0.6.
Paraxial characteristics:
f = -4.004 sf = 16.306 sh = 20.31
f '= 4.004 sf' = - 31.61 sh '= - 35.61
Entrance pupil: sp = 15.8 Dp = 2.4
Exit pupil: sp '= 0 Dp' = 19
The increase in the pupils Bp = -7.9
The position of the subject and image: s1 = ∝ s' = - 31.61
Axial beam aberrations are presented in table 2 in figure 3.

Аберрации главного пучка представлены в таблице 3 на фиг.4. The aberrations of the main beam are presented in table 3 in figure 4.

Объектив работает следующим образом. The lens works as follows.

Излучение от предмета, находящегося вблизи горизонта, преломляется, попадает на край второй поверхности. Отражаясь от нее, излучение попадает на край третьей поверхности, строя мнимое изображение предмета в зените. Radiation from an object located near the horizon is refracted, falls on the edge of the second surface. Reflecting from it, the radiation hits the edge of the third surface, creating an imaginary image of the object at its zenith.

Излучение от предмета вблизи зенита, преломившись на первой поверхности, попадает на внутреннюю часть второй поверхности и отражается от нее на внутреннюю же часть третьей поверхности, строя мнимое изображение в зените. Radiation from an object near the zenith, being refracted on the first surface, falls on the inside of the second surface and is reflected from it on the inside of the third surface, creating an imaginary image at the zenith.

На третьей поверхности излучение как от предмета, расположенного вблизи горизонта, так и от предмета, расположенного вблизи зенита, отражается на угол, близкий к 180^o и строит изображение предмета в надир.On the third surface, radiation from both an object located near the horizon and an object located near the zenith is reflected at an angle close to 180 ^o and builds an image of the object in nadir.

Таким образом, на выходе система формирует мнимое, кольцевое плоское изображение пространства предметов. Thus, at the output, the system forms an imaginary, annular flat image of the space of objects.

Зеркально-линзовый панорамный объектив может использоваться в качестве:
- панорамного объектива для фотоаппаратов;
- объектива систем, исследующих внутренние полости поверхностей (трубы, колодцы, стволы артиллерийских орудий, сопла ракет и т.д.);
- объектива систем панорамного обзора или слежения (системы охраны, системы наведения и сопровождения);
Пример панорамного изображения, полученного объективом "Сакура", в качестве панорамной насадки к объективу "Мир 1В", представлен на прилагаемой фотографии (на фиг.5).Mirror-lens panoramic lens can be used as:
- panoramic lens for cameras;
- the lens of systems examining the internal cavities of surfaces (pipes, wells, artillery barrels, missile nozzles, etc.);
- the lens of panoramic viewing or tracking systems (security systems, guidance and tracking systems);
An example of a panoramic image obtained by the Sakura lens as a panoramic nozzle to the Mir 1B lens is shown in the attached photograph (in FIG. 5).

Claims

1. A panoramic mirror-lens lens containing one optical component including four surfaces, the first of which is convex refractive, the second is concave reflective, the third is convex reflective, the fourth is flat refractive, and the aperture is combined with the fourth surface, and light the diameters of the first and second surfaces are equal, characterized in that the first three surfaces are spherical, and the light diameter of the first and second surfaces is 0.95-0.98 double the radius of the first turn henna.

2. The panoramic mirror-lens lens according to claim 1, characterized in that the light diameter of the third surface is 0.1-0.9 of the diameter of the fourth surface.

3. The panoramic mirror-lens lens according to claim 1, characterized in that the junction of the first and second surfaces is made in the form of a cylindrical girdle with a width of 5-10 mm.