СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2002 года по МПК G02B13/14 G02B9/60 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, и может быть использовано в приборах ночного видения, в частности, работающих с приемниками на основе ПЗС-матриц с размерами 1/3", 1/2".

Известны конструкции светосильных объективов, описанные, например, в выложенных заявках Японии 58-196516(А), кл. G 02 В 13/02, опубл. 16.11.83 г. и 2-304408(А), кл. G 02 В 13/02, опубл. 18.12.90 г. Они содержат 4 или 5 линз и имеют относительное отверстие около 1:4,1 и 1:3,45 при значительной длине конструкции.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является четырехкомпонентный объектив, описанный в выложенной заявке Японии 55-124115(А), кл. G 02 В 13/02, опубл. 25.09.80 г. Он содержит следующие последовательно расположенные компоненты:
- первый и второй компоненты - положительные мениски, обращенные выпуклостью к предмету,
- третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению,
- четвертый компонент - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету.

Имеют место следующие соотношения:



где f - фокусное расстояние объектива,
f₁₂ - фокусное расстояние первого, второго компонентов,
f₁₂₃ - фокусное расстояние первого, второго, третьего компонентов,
d₁, d₂, d₃, d₄, d₅, d₆ - толщины и воздушные промежутки в объективе,
r₆ - второй радиус кривизны линзы третьего компонента,
n₁, n₂, n₃, n₄ - показатели преломления материалов линз,
ν₁, ν₂, ν₃, ν₄ - коэффициенты Аббе материалов линз компонентов.

Данный объектив имеет малое относительное отверстие 1;2,8.

Задачей изобретения является создание светосильного объектива с относительным отверстием не менее 1:1,7 и угловым полем в пространстве предметов больше 18 град. при одновременном хорошем качестве изображения точки на оси и по полю.

Технический результат, обусловленный указанной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем четыре компонента, первый и четвертый из которых - положительные, второй - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, в отличие от известного первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, а четвертый содержит двояковыпуклую линзу, перед которой введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и склеенный с ней, при этом имеют место следующие соотношения:
0,55 f' < f'₁₂ < 0,7 f',
11,5 f' < f'₁₂₃ < 13,5 f',
0,5 f' < f'₄ < 0,65 f',
0,4 'f < d₁+d₂+d₃+d₄+d₅ < 0,6 f',
0,65 < r₃/r₄ < 0,75,
0,22 f' < r₆ < 0,3 f',
где f' - фокусное расстояние всего объектива,
f'₁₂ - фокусное расстояние первого, второго компонентов,
f'₁₂₃ - фокусное расстояние первого, второго, третьего компонентов,
f'₄ - фокусное расстояние четвертого компонента,
d₁, d₂, d₃, d₄, d₅ - толщины и воздушные промежутки в объективе,
r₃, r₄ - радиусы кривизны линзы второго компонента.

r₆ - второй радиус кривизны линзы третьего компонента.

На фиг. 1 изображена оптическая схема объектива, на фиг.2 и 3 - графики аберраций объектива.

Объектив (фиг. 1) содержит последовательно расположенные по ходу луча четыре компонента: первый - двояковыпуклая линза 1, второй - положительный мениск 2, обращенный выпуклостью к предмету, третий компонент - отрицательный мениск 3, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - отрицательный мениск 4, обращенный вогнутостью к изображению, склеенный с двояковыпуклой линзой 5. Апертурная диафрагма расположена за третьим компонентом 3.

Объектив работает следующим образом. Параллельный световой поток от объекта, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит последовательно через линзы 1, 2, 3, 4, 5 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического изображения (не показан).

В качестве конкретного примера реализации изобретения рассчитан объектив с конструктивными данными, представленными в таблице.

Фокусное расстояние объектива
f' = 25,01 мм
Фокусное расстояние первого компонента
f'₁ = 26,14 мм
Фокусное расстояние второго компонента
f'₂ = 42,74 мм
Фокусное расстояние третьего компонента
f'₃ = -8,69 мм
Фокусное расстояние четвертого компонента
f'₄ = 13,21 мм
Фокусное расстояние первого, второго компонентов
f'₁₂ = 16,11 мм
Фокусное расстояние первого, второго, третьего компонентов
f'₁₂₃ = 316,53 мм
Задний фокальный отрезок
S'_F' = 10,36 мм.

В объективе соблюдены следующие соотношения:
13,755 мм < f'₁₂ = 16,11 мм < 17,507 мм,
287,61 мм < f'₁₂₃ = 316,53 мм < 337,635 мм,
12,505 мм < f'₄ = 13,21 мм < 16,256 мм,
10 мм < d₁+d₂+d₃+d₄+d₅ < 12,65 мм < 15,01 мм,
0,65 < r₃/r₄ = 0,6966 < 0,75,
5,502 мм < r₆ = 6,368 мм < 7,503 мм.

Рассчитанный объектив имеет следующие характеристики:
относительное отверстие 1:1,7
угловое поле в пространстве предметов 2ω=18^o24'
спектральный диапазон (0,6...0,75...1,0)мкм
линейное поле изображения 2y'=8 мм
длина оптической системы
L=Σd+S'_F'=24,75+10,36=35,11мм=1,4f',
где Σd - сумма толщин и воздушных промежутков в объективе,
S'_F' - задний фокальный отрезок,
продольная сферическая аберрация(по зоне) - (-0,016) мм
меридиональная кривизна изображения - 0,071 мм
сагиттальная кривизна изображения - (-0,053) мм
дисторсия - (-0,72)%
Апертурная диафрагма расположена за линзой 3 на расстоянии 2,2 мм от нее, диаметр апертурной диафрагмы равен 7,4 мм.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата по сравнению с ближайшим аналогом: увеличено относительное отверстие объектива до 1:1,7 при угловом поле в пространстве предметов 18^o24' и хорошем качестве изображения точки на оси и по полю:
продольная сферическая аберрация (по зоне) - (-0,016) мм
меридиональная кривизна изображения - 0,071 мм
сагиттальная кривизна изображения - (-0,053) мм
дисторсия - (-0,72)%,

Светосильный объектив содержит четыре компонента. Первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, второй - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, а четвертый содержит двояковыпуклую линзу, перед которой введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и склеенный с ней. При этом выполняются указанные в формуле изобретения соотношения между фокусными расстояниями объектива и его компонентов, толщинами и воздушными промежутками, а также радиусами кривизны. Обеспечивается создание светосильного объектива с относительным отверстием не менее 1:1,7 и угловым полем в пространстве предметов больше 18^o при одновременном хорошем качестве изображения точки на оси и по полю. 3 ил., 1 табл.

Светосильный объектив, содержащий четыре компонента, первый и четвертый из которых - положительные, второй - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, а четвертый содержит двояковыпуклую линзу, перед которой введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и склеенный с ней, при этом имеют место следующие соотношения:
0,55f'<f'₁₂<0,7f',
11,5f'<f'₁₂₃<13,5f',
0,5f'<f'₄<0,65f',
0,4f'<d₁+d₂+d₃+d₄+d₅<0,6f',
0,65<r₃/r₄<0,75,
0,22f'<r₆<0,3f',
где f' - фокусное расстояние всего объектива;
f'₁₂ - фокусное расстояние первого, второго компонентов;
f'₁₂₃ - фокусное расстояние первого, второго, третьего компонентов;
f'₄ - фокусное расстояние четвертого компонента;
d₁, d₂, d₃, d₄, d₅ - толщины и воздушные промежутки в объективе;
r₃, r₄ - радиусы кривизны линзы второго компонента;
r₆ - второй радиус кривизны линзы третьего компонента.