ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМ ВХОДНЫМ ЗРАЧКОМ И УДЛИНЕННЫМ ЗАДНИМ ФОКАЛЬНЫМ ОТРЕЗКОМ Российский патент 1999 года по МПК G02B13/16 G02B9/12 G02B9/18 G02B9/20 G02B9/26 G02B11/12 G02B11/14 

Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для миниатюрных телевизионных камер, работающих на ПЗС-матрицах. Совершенство технологии производства ПЗС-матриц позволило получить целую линейку типоразмеров этих приемников. Для миниатюрных телевизионных камер наиболее употребительными являются матрицы 1/2", 1/3", 1/4". Они имеют размер пикселей в среднем несколько микрон, что предъявляет высокие требования к объективам по разрешению. В последнее время появились миниатюрные камеры на цветных матрицах, в которых необходимо устанавливать цветокорректирующие фильтры. Таким образом, объективы должны быть светосильными, широкоугольными и иметь задний отрезок, достаточный для размещения в нем цветокорректирующего фильтра.

Известен светосильный объектив (RU, патент, 2053531, кл. G 02 B 9/60, 1993 г.) с вынесенным входным зрачком, содержащий пять компонентов. Первый - положительная двояковыпуклая линза, второй и третий - положительный и отрицательный мениски соответственно, обращенные выпуклостью к пространству предметов, четвертый - двояковыпуклая линза, а пятый - двояковогнутая линза. Объектив имеет достаточно большой задний фокальный отрезок, в котором помещена пластинка 15 мм толщиной, однако он многокомпонентный и по габаритам не подходит для миниатюрной телевизионной камеры.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком (RU, патент, 2094833, кл. G 02 B 9/20, 13/02, 1996 г.). Объектив содержит три линзовых компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, который может быть выполнен склеенным. Второй компонент - положительная двояковыпуклая линза, третий - склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линзы.

Объектив имеет габариты, которые подходят для миниатюрной телевизионной камеры, однако малый задний фокальный отрезок не позволяет разместить в нем цветокорректирующий фильтр при установке на цветную камеру. Кроме того, большой вынос входного зрачка при таком большом угле поля зрения несомненно повлечет за собой сильное виньетирование крайних полевых пучков лучей и, как следствие, недопустимую для цветных камер неравномерность освещенности по полю.

Технической задачей изобретения является увеличение заднего фокального отрезка в телевизионном широкоугольном объективе с вынесенным входным зрачком и увеличении равномерности освещенности по полю.

Поставленная задача решается тем, что в объективе с вынесенным входным зрачком, содержащем три компонента, первый из которых - мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, который может быть выполнен склеенным; второй - положительная двояковыпуклая линза, третий компонент - склеенный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, первый компонент выполнен отрицательным, при этом второй радиус первого компонента по абсолютной величине составляет не менее суммарной толщины мениска по оси и расстояния до входного зрачка.

В частном случае, первый компонент может быть выполнен склеенным из двух менисков с радиусами одного знака, первый из которых - отрицательный, а второй - положительный, а также склеенным из двух линз - двояковогнутой - отрицательной и двояковыпуклой - положительной. Такая склейка позволяет исправить хроматизм увеличения в объективе, и увеличить задний фокальный отрезок.

В частных случаях, третий компонент может быть выполнен как с отрицательной, так и с положительной оптической силой. При этом выполняется следующее условие:
0,01 < F_об/|F₃| < 0,25
где F_об - фокусное расстояние всего объектива;
F₃ - фокусное расстояние третьего компонента.

В частном случае, фокусные расстояния линз третьего компонента равны по абсолютной величине.

Для уменьшения виньетирования крайних наклонных пучков лучей, что позволяет увеличить равномерность освещенности по полю путем допустимого уменьшения толщин линз по оси и по краю, между толщинами компонентов по оси и их фокусными расстояниями соблюдены следующие соотношения:
0,1 > D₁/|F₁| > 0,001,
D₂<0.3F₂,
D₃ < 0,1|F₃|,
где: D₁, D₂, D₃ - толщины компонентов;
F₁, F₂, F₃ - фокусные расстояния компонентов.

Получить малогабаритный объектив можно при выполнении следующего условия: длина объектива не должна превышать 2F_об, где F_об - фокусное расстояние объектива.

Для сохранения большого относительного отверстия первый компонент выполнен из оптического сверхтяжелого кронового стекла.

Как правило, разность показателей преломления пары стекол в склеенных компонентах составляет не менее 0,05 для длины волны 546.07 нм.

На фиг. 1 дана принципиальная схема объектива по п. 1 формулы. На фиг. 2 дана принципиальная схема объектива по п. 2 формулы. На фиг. 3 - принципиальная схема объектива по п. 3 формулы. На фиг. 4 приведены графики аберраций.

Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком и удлиненным задним фокальным отрезком на фиг. 1 содержит отрицательный мениск 1, положительную двояковыпуклую линзу 2, склеенный мениск 3 или 4, а также цветокорректирующий фильтр 5 и ПЗС-матрицу 6.

На фиг. 2 представлен объектив, в котором первый компонент-отрицательный мениск, склеенный из двух менисков 1 и 2 с радиусами одного знака. Второй компонент - двояковыпуклая линза 3, третий - склеенный мениск 4 и 5, а также цветокорректирующий фильтр 6 и матрица 7.

На фиг. 3 представлен объектив, в котором первый компонент - отрицательный мениск, склеенный из двояковогнутой линзы 1 и двояковыпуклой линзы 2.

Второй компонент - двояковыпуклая линза 3, третий - склеенный мениск 4 и 5, а также цветокорректирующий фильтр 6 и матрица 7.

Расчетом достигается создание в пределах третьего компонента параллельного хода наклонных пучков лучей, в результате этого главные лучи имеют малые углы наклона, что уменьшает аберрации высших порядков.

Применение сверхтяжелых кронов в положительных линзах и тяжелых флинтов в отрицательных является одним из условий сохранения большого относительного отверстия. Однако в первом компоненте - отрицательном несклеенном мениске, - может быть применен и сверхтяжелый крон. При выполнении первого компонента склеенным для него и для третьего склеенного компонента выбираются чаще всего одинаковые пары стекол. Второй компонент выполняется из более легких стекол. Это сделано с целью сохранения конструктивной симметрии объектива. Разность показателей преломления между стеклом второго компонента и стеклом положительных линз первого или третьего компонента, соседних с ним, желательно иметь не более 0.15. Пример выполнения объектива с вынесенным входным зрачком приведен в таблице 1.

Конструктивные параметры такого объектива имеют следующие характеристики:
фокусное расстояние, мм - 4.75
относительное отверстие - 1/2
разрешающая способность, лин/мм в центре не менее - 125
на краю поля не менее - 60
максимальное угловое поле зрения, град - 93
минимальный задний фокальный отрезок при фокусировке на бесконечность, мм - 6.5
толщина коррекционного фильтра, мм - 4.0
объектив ароматизирован для диапазона дин волн, мкм - 0.434 - 0.800
максимальный вынос входного зрачка, мм - 1.0
По данной схеме могут быть созданы объективы с углами поля зрения от 80 градусов до 110 градусов в зависимости от необходимости установки на камеру с матрицей определенного типоразмера.

В таблице 2 представлены результаты коррекции аберраций объектива в меридиональном и сагиттальном сечениях по критерию пятна рассеяния.

Проведенный анализ структуры оптического изображения в геометрическом приближении показал, что полученные величины могут быть сравнимы, а на некоторых углах наклона существенно меньше размеров пикселей ПЗС-матриц, с которыми может работать объектив. Это значит, что данный объектив имеет высокое разрешение в широком диапазоне пространственных частот, которое позволяет ему работать с различными ПЗС-матрицами.

Среднеквадратические размеры пятна рассеяния по полю изображения даны в таблице 2.

Телевизионный широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком и удлиненным задним фокальным отрезком относится к области оптического приборостроения и применим для миниатюрных черно-белых и цветных камер на ПЗС-матрицах. Объектив с вынесенным входным зрачком содержит три компонента, первый из которых выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, в котором второй радиус по абсолютной величине составляет не менее суммарной толщины мениска по оси и расстояния до входного зрачка; второй компонент - положительная двояковыпуклая линза, а третий - склеенный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, который может быть выполнен как с положительной оптической силой, так и с отрицательной, Кроме того, первый отрицательный мениск может быть склеенным из двух менисков - отрицательного и положительного с радиусами одного знака, а также склеенным из двух линз - двояковогнутой и двояковыпуклой. Изобретение позволяет увеличить задний фокальный отрезок и равномерность освещенности по полю. 9 з.п.ф-лы., 4 ил., 2 табл.

1. Широкоугольный объектив с вынесением входным зрачком, состоящий из трех компонентов, первый из которых выполнен в виде мениска, обращенного вогнутость к пространству предметов, второй - двояковыпуклая линза, третий - склеенный мениск, обращенный выпуклость к пространству предметов, отличающийся тем, что первый компонент выполнен отрицательным мениском, при этом второй радиус по абсолютной величине составляет не менее суммы толщины мениска по оси и расстояния до входного зрачка. 2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из двух менисков с радиусами одного знака, причем первый из менисков отрицательный, а второй - положительный. 3. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из отрицательной двояковогнутой линзы и положительной двояковыпуклой линзы. 4. Объектив по п.1, отличающийся тем, что третий компонент выполнен с положительной оптической силой, при этом выполняется следующее условие:

где F_об - фокусное расстояние всего объектива;
Р₃ - фокусное расстояние третьего компонента. 5. Объектив по п.1, отличающийся тем, что третий компонент - склеенный мениск - выполнен с отрицательной оптической силой, при этом выполняется следующее условие:

где F_об - фокусное расстояние объектива;
Р₃ - фокусное расстояние третьего компонента. 6. Объектив по п.4 или 5, отличающийся тем, что фокусные расстояния линз третьего компонента равны по абсолютной величине. 7. Объектив по п.1, отличающийся тем, что между толщинами компонентов по оси и их фокусными расстояниями соблюдены следующие соотношения:

D2 < 0,3F2,

где D₁, D₂, D₃ - толщины компонентов;
F₁, F₂, F₃ - фокусные расстояния компонентов. 8. Объектив по п.1, отличающийся тем, что длина всего объектива не превышает 2F_об, где F_об - фокусное расстояние объектива. 9. Объектив по п.1, отличающийся тем, что первый компонент выполнен из оптического сверхтяжелого кронового стекла. 10. Объектив по пп.1-3, отличающийся тем, что разность показателей преломления пары стекол в склеенных компонентах составляет не менее 0,05 для длины волны 546,07 нм.