ОБЪЕКТИВ Российский патент 2003 года по МПК G02B9/60 

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

Известен четырехлинзовый апохроматический объектив [1], 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 аналога является 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.

Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив [2], состоящий из пяти компонентов. Первый компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и склеенного из отрицательной и положительной линз. Второй компонент содержит одиночную двояковыпуклую линзу. Третий компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент содержит положительную одиночную линзу. Пятый компонент выполнен в виде апланатического мениска. Положительные линзы второго и четвертого компонентов выполнены из флюорита.

Данная конструкция объектива обеспечивает исправление вторичного спектра и сферохроматических аберраций. Однако недостатком прототипа является недостаточное относительное отверстие (1:2,5), а также невысокое значение коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения в широком спектральном диапазоне λ=500...900 нм, а также наличие по крайней мере двух линз, изготовленных из флюорита, обладающего большим коэффициентом линейного расширения, что приводит к терморасстраиваемости объектива, достигающей значительных величин для объективов с фокусными расстояниями более 100 мм.

Задачей изобретения является увеличение относительного отверстия объектива, повышение качества изображения в широком спектральном диапазоне λ=500. . . 900 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения и обеспечение малой терморасстраиваемости объектива.

Объектив содержит первый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенного из отрицательной и положительной линз, второй компонент - из одиночной положительной линзы, третий компонент - из одиночного отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент - из положительной одиночной линзы, и пятый компонент, причем второй компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, между четвертым и пятым компонентами введен спектроделительный блок, пропускающий излучение в спектральном диапазоне λ=500...900 нм и отражающий излучение λ=1067 нм или λ= 1570 нм, а толщина спектроделительного блока составляет не менее 0,3 фокусного расстояния всего объектива, пятый компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из положительной и отрицательной линз, расположен на расстоянии не менее 0,47 фокусного расстояния объектива от последней поверхности четвертого компонента, и установлен с возможностью юстировочных перемещений вдоль оптической оси, оптическая сила первого компонента составляет не более 0,2 оптической силы всего объектива по абсолютной величине, а его толщина по оптической оси составляет не менее 0,2 фокусного расстояния объектива, оптические силы второго и четвертого компонентов отличаются на величину, не превышающую 0,0002, и составляют 0,8 оптической силы всего объектива, причем все линзы объектива изготовлены из оптического стекла с коэффициентами линейного расширения, не превышающими 82•10^-7гpaд^-l, разность коэффициентов линейного расширения положительной и отрицательной линз первого компонента составляет 9•10^-7гpaд^-1, а положительной и отрицательной линз пятого компонента составляет 14•10^-7 град^-1.

Конструкция первого компонента, содержащего отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, склеенный из отрицательной и положительной линз, имеющий оптическую силу не более 0,2 оптической силы всего объектива и толщину не менее 0,2 фокусного расстояния объектива, обеспечивает высокую коррекцию аберраций широких наклонных пучков, при которой кружок рассеяния не превышает 0,004 мм для края поля зрения.

Выполнение второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертого компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и пятого компонента, содержащего положительную линзу, склеенную из положительной и отрицательной линз, позволило увеличить относительное отверстие объектива до 1:1,7.

Для получения высоких значений коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения за счет коррекции аберраций широких наклонных пучков, комы и сферической аберрации оптические силы второго и четвертого компонентов выбраны примерно равными, отличающимися на величину не более 0,0002 и составляющими 0,8 оптической силы всего объектива.

Для объективов, имеющих фокусные расстояния более 100 мм и работающих при больших перепадах температур (от минус 60^o до 50^o) большое значение имеет терморасстраиваемость объектива, которая во многом зависит от марок стекла, применяемого в объективе. В предлагаемом объективе изготовление всех линз из оптического стекла с коэффициентами линейного расширения, не превышающими 82•10^-7гpaд^-l, и разностью коэффициентов линейного расширения положительной и отрицательной линз первого компонента - 9•10^-7гpaд^-l, a положительной и отрицательной линз пятого компонента - 14•10^-7град^-1, обеспечило малую терморасстраиваемость объектива: изменение заднего отрезка при перепаде температур от минус 60^o до 50^o на величину не более 0,18 мм, что составляет 0,15% фокусного расстояния объектива.

Введение спектроделительного блока, расположенного между четвертым и пятым компонентами, пропускающего излучение с λ=500...900 нм и отражающего излучение с λ=1067 нм или λ=1570 нм, позволяет использовать объектив как для формирования изображения на ПЗС-матрице, так и для регистрации возвратного излучения лазерного дальномера на площадке фотоприемника, расположенного по ходу отраженного луча спектроделителем.

Пятый компонент объектива, расположенный на расстоянии не менее 0,47 фокусного расстояния объектива от последней поверхности четвертого компонента, имеет увеличение β=-0,64^x, что позволяет эффективно использовать его для компенсации терморасстраиваемости объектива и для фокусировки объектива при нахождении плоскости наилучшей установки на ПЗС-матрице, при этом юстировочное перемещение компонента примерно в два раза больше смещения плоскости изображения, что позволяет делать более точную наводку в плоскость наилучшей установки.

Предлагаемый объектив работает в широком спектральном диапазоне: спектроделительный блок пропускает излучение с α=500...900 нм и отражает излучение с λ= 1067 нм или λ=1570 нм, имеет фокусное расстояние 121,5 мм, относительное отверстие 1: 1,7, входной зрачок диаметром 70 мм совпадает с первой поверхностью объектива. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N=60 мм^-1 в точке на оси (у'=0) не менее 0,65, на краю поля зрения (у'=3,2 мм) не менее 0,53.

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 75% для точки на оси и не менее 63% 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 приведен график поперечной сферической аберрации объектива.

На фиг. 4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=3 град.

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

На фиг. 6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на краю поля зрения 2W=3 град.

Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения, приведенной в конце описания.

Объектив (фиг. 1) состоит из пяти компонентов 1-5, спектроделительного блока 6, светофильтров 7, 8. Первый компонент содержит отрицательный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, и склеенный из отрицательной и положительной линз, его толщина составляет 25 мм, а оптическая сила равна -0,00142. Второй компонент представляет собой положительную линзу 2, выполненную в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Третий компонент содержит отрицательный мениск 3, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска 4, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Оптическая сила второго компонента практически равна оптической силе четвертого компонента и составляет 0,8 оптической силы всего объектива. Пятый компонент выполнен в виде положительной линзы 5, склеенной из положительной и отрицательных линз, расположен на расстоянии не менее 0,47 фокусного расстояния объектива от последней поверхности четвертого компонента и установлен с возможностью юстировочных перемещений вдоль оптической оси. Между четвертым и пятым компонентами расположен спектроделительный блок 6, пропускающий излучение в спектральном диапазоне λ=500...900 нм и отражающий излучение λ=1067 нм или λ=1570 нм. Все линзы объектива изготовлены из оптического стекла с коэффициентами линейного расширения, не превышающими 82•10^-7град^-1, причем отрицательная линза первого компонента изготовлена из оптического стекла марки ТФ1, а его положительная линза изготовлена из оптического стекла марки ТК21, разность коэффициентов линейного расширения этих стекол составляет 9•10^-7гpaд^-l, положительная линза пятого компонента изготовлена из оптического стекла марки К8, а отрицательная линза этого компонента изготовлена из оптического стекла марки ТФ1, разность коэффициентов линейного расширения этих стекол составляет 14•10^-7град^-1, что обеспечивает малую терморасстраиваемость объектива. Объектив содержит светофильтры 7, 8, выделяющие спектральный диапазон в соответствии с таблицей. При расчете объектива учтена толщина защитного стекла ПЗС-матрицы.

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.5 и 6, 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 выбор конструкции второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертого компонента также в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и пятого компонента, выполненного в виде положительной линзы, склеенной из положительной и отрицательной линз, выбор толщины и оптической силы первого компонента, равных оптических сил второго и четвертого компонентов, выбор других марок стекол по сравнению с прототипом, в том числе отказ от применения флюорита, позволили расширить спектральный диапазон работы объектива и обеспечили малую величину терморасстраиваемости объектива, которая компенсируется перемещением одного пятого компонента, а также увеличить относительное отверстие до 1:1,7 и получить изображение объектов с малым контрастом на ПЗС-матрице.

Объектив работает следующим образом. Параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=3^o проходит через входной зрачок объектива, диаметром 70 мм, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись через поверхности линз компонентов 1, 2, 3, 4, попадает в спектроделительный блок 6, после которого излучение с λ=500...900 нм, пройдя через спектроделительный блок 6, попадает на пятый компонент объектива, преломляется через его линзы, светофильтры 7 и 8 и фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица. Пучок лучей с λ=1067 нм или λ=1570 нм отражается спектроделительным блоком 6 и фокусируется на площадке фотоприемника.

Источники информации
1. А.с. SU 200806, 1967 г., МКИ G 02 B 3/01.

2. A.c. SU 430345, 1974 г., МКИ G 02 B 11/32 - прототип.

Объектив содержит первый компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенный из отрицательной и положительной линз, второй компонент - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, и пятый компонент - положительная линза, склеенная из положительной и отрицательной линз и расположенная на расстоянии не менее 0,47 фокусного расстояния объектива от четвертого компонента с возможностью юстировочных перемещений. Между четвертым и пятым компонентами введен спектроделительный блок, толщина которого составляет не менее 0,3 фокусного расстояния всего объектива. Оптические силы и коэффициенты линейного расширения компонентов соответствуют указанным в формуле изобретения соотношениям. Обеспечивается увеличение относительного отверстия, повышение качества изображения в широком спектральном диапазоне λ=500...900 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения и обеспечение малой терморасстраиваемости объектива. 6 ил., 1 табл.

Объектив, содержащий первый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенного из отрицательной и положительной линз, второй компонент - из одиночной положительной линзы, третий компонент - из одиночного отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент - из положительной одиночной линзы, и пятый компонент, отличающийся тем, что между четвертым и пятым компонентами введен спектроделительный блок, пропускающий излучение в спектральном диапазоне λ= 500 ...900 нм и отражающий излучение λ=1067 нм или λ=1570 нм, причем толщина спектроделительного блока составляет не менее 0,3 фокусного расстояния всего объектива, второй компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, пятый компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из положительной и отрицательной линз, расположен на расстоянии не менее 0,47 фокусного расстояния объектива от последней поверхности четвертого компонента и установлен с возможностью юстировочных перемещений вдоль оптической оси, оптическая сила первого компонента составляет не более 0,2 оптической силы всего объектива по абсолютной величине, а его толщина по оптической оси составляет не менее 0,2 фокусного расстояния объектива, оптические силы второго и четвертого компонентов отличаются на величину, не превышающую 0,0002, и составляют 0,8 оптической силы всего объектива, причем все линзы объектива изготовлены из оптического стекла с коэффициентами линейного расширения, не превышающими 82•10^-7 град^-1, разность коэффициентов линейного расширения положительной и отрицательной линз первого компонента составляет 9•10^-7 град^-1, а положительной и отрицательной линз пятого компонента составляет 14•10^-7 град^-1.