ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМ ВХОДНЫМ ЗРАЧКОМ Российский патент 2003 года по МПК G02B9/34 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице.

Известен объектив с вынесенным входным зрачком [1], содержащий четыре компонента, из которых первый компонент представляет собой одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент выполнен из одиночной положительной линзы, третий компонент состоит из двусклеенного отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и четвертый компонент выполнен из одиночной положительной линзы.

Недостатком объектива является невысокое относительное отверстие объектива (не более 1: 2,5) и удаление входного зрачка не более 1,2 фокусного расстояния объектива.

Наиболее близким к предлагаемому объективу является четырехлинзовый апохроматический объектив [2], содержащий отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, одиночную положительную линзу, отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительную линзу, причем положительные линзы выполнены из флюорита. Данная конструкция объектива обеспечивает исправление вторичного спектра и сферохроматических аберраций. Однако недостатком прототипа является недостаточное удаление входного зрачка менее фокусного расстояния объектива, небольшое относительное отверстие (1:2,5), а также невысокое значение коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения, что не позволяет получить на ПЗС-матрице изображение объектов малого контраста. Использование флюорита с большим коэффициентом линейного расширения приводит к терморасстраиваемости объектива.

Задачей изобретения является увеличение относительного отверстия объектива, увеличение удаления входного зрачка, а также повышение качества изображения за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения.

Объектив с вынесенным входным зрачком содержит четыре компонента, первый из которых отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент - положительная линза, выполненная в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент представляет собой положительную линзу, склеенную из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из положительной и отрицательной линз, причем толщина первого компонента составляет не менее 0,4 фокусного расстояния объектива, а отношение оптических сил первого и третьего компонентов по абсолютной величине не превышает 1,03 и составляет 0,2 оптической силы всего объектива, оптическая сила четвертого компонента составляет 0,14 оптической силы всего объектива, входной зрачок удален от первой поверхности первого компонента объектива на расстояние не менее 1,3 фокусного расстояния объектива.

Конструкция первого компонента, содержащего отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и имеющего толщину не менее 0,4 фокусного расстояния объектива, позволяет получить удаление входного зрачка объектива не менее 1,3 фокусного расстояния объектива и обеспечивает значение кривизны изображения не более 0,007 мм.

Выполнение второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью пространству предметов, третьего компонента в виде положительной линзы, склеенной из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и четвертого компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из положительной и отрицательной линз, позволило увеличить относительное отверстие объектива до 1:2.

Для получения высоких значений коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения за счет коррекции аберраций широких наклонных пучков и комы соотношение оптических сил первого и третьего компонентов по абсолютной величине выбраны примерно равными, а именно 1,03.

Выбор формы и оптической силы четвертого компонента, составляющей 0,14 оптической силы всего объектива, позволил получить хорошо исправленную сферическую аберрацию, что обеспечило высокие значения коэффициента передачи модуляции для точки на оси при относительном отверстии не менее 1:2.

Предлагаемый объектив работает в широком спектральном диапазоне λ=500... 900 нм, имеет фокусное расстояние 30 мм, относительное отверстие 1:2 и удаление входного зрачка от первой поверхности не менее 40 мм. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N= 60 мм^-1 в точке на оси (у'=0) не менее 0,73, на краю поля зрения (у'=3,2 мм) не менее 0,58.

Такие значения коэффициентов передачи модуляции позволили получить концентрацию энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселу ПЗС-матрицы размером 0,0085х0,0085 мм, не менее 82% для точки на оси и не менее 70% для края поля.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива.

На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n_е- показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии е.

На фиг.3 - график поперечной сферической аберрации объектива.

На фиг. 4 - графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=12^o.

На фиг. 5 - график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на оси.

На фиг. 6 - график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на краю поля зрения 2W=12^o.

Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей 1 коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения.

Объектив с вынесенным входным зрачком (фиг.1) состоит из четырех компонентов 1-4. Первый компонент содержит отрицательный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент представляет собой положительную линзу 2, выполненную в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент содержит положительную линзу 3, склеенную из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент содержит положительный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенный из положительной и отрицательной линз. Объектив содержит светофильтры 5, 6, 7, выделяющие спектральный диапазон в соответствии с таблицей. При расчете объектива учтена толщина защитного стекла ПЗС-матрицы. Выбор спектрального диапазона, согласованного с ПЗС-матрицей, позволил отказаться от применения флюорита во втором и четвертом компонентах, заменив его на стекла с малым коэффициентом линейного расширения, например, ТК14 и ТК23, что обеспечивает малую величину терморасстраиваемости объектива и позволяет работать в диапазоне температур от -60^o до 50^o без дополнительной перефокусировки.

Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W= 12^o проходит через вынесенный входной зрачок объектива, удаленный на расстояние 40 мм от первой поверхности и, преломившись через поверхности линз компонентов 1, 2, 3, 4 и светофильтров 5, 6 и 7, фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица.

Для объективов, работающих с ПЗС-матрицей, параметрами, характеризующими качество изображения, являются широкая область спектра (от 500 до 900 нм), относительное отверстие, значение коэффициентов передачи модуляции на частоте, определяемой размером пиксела, а также концентрация энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной одному пикселу ПЗС-матрицы.

Графики аберраций, приведенные на фиг.3 и 4, а также графики полихроматической частотно-контрастной характеристики для точки на оси и для края поля зрения, приведенные на фиг.4 и 5, подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения, что позволяет получить изображение объектов с малым контрастом (К=0,1).

В предлагаемом объективе выполнение второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третьего компонента в виде двусклеенной положительной линзы и четвертого компонента в виде положительного двусклеенного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, выбор толщины первого мениска, а также и определенного соотношения оптических сил первого и третьего компонентов, позволили увеличить относительное отверстие до 1:2, обеспечить удаление входного зрачка объектива до 1,3 фокусного расстояния, получить изображение объектов с малым контрастом на ПЗС-матрице.

Источники информации
1. А.с. SU 877452, МКИ G 02 B 9/60, публикация 1981 г.

2. A.c. SU 200806, МКИ G 02 B 3/01, публикация 1967 г. - прототип.

Объектив содержит четыре компонента, первый из которых отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент - положительный склеенный из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенный из положительной и отрицательной линз. Толщина первого компонента составляет не менее 0,4 фокусного расстояния объектива, а отношение оптических сил первого и третьего компонентов по абсолютной величине не превышает 1,03 и составляет 0,2 оптической силы всего объектива. Оптическая сила четвертого компонента составляет 0,14 оптической силы всего объектива. Входной зрачок удален от первой поверхности первого компонента объектива на расстояние не менее 1,3 фокусного расстояния объектива. Обеспечивается увеличение относительного отверстия объектива, увеличение удаления входного зрачка, а также повышение качества изображения за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения. 6 ил., 1 табл.

Объектив с вынесенным входным зрачком, содержащий четыре компонента, первый из которых отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент - положительная линза, отличающийся тем, что положительная линза второго компонента выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент представляет собой положительную линзу, склеенную из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из положительной и отрицательной линз, причем толщина первого компонента составляет не менее 0,4 фокусного расстояния объектива, а отношение оптических сил первого и третьего компонентов по абсолютной величине не превышает 1,03 и составляет 0,2 оптической силы всего объектива, оптическая сила четвертого компонента составляет 0,14 оптической силы всего объектива, входной зрачок удален от первой поверхности первого компонента объектива на расстояние не менее 1,3 фокусного расстояния объектива.