ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМ ВХОДНЫМ ЗРАЧКОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G02B9/34 G02B9/60 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к телевизионным объективам, и может быть использовано как с телевизионными трубками, так и с ПЗС-приемниками для получения визуальной информации от внешних объектов.

Известен объектив с вынесенным входным зрачком по патенту США N 4396254, МПК G 02 B 11/60, опубликованному 08.02.1983, содержащий семь компонентов, первый из которых двояковогнутая линза, второй - положительный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, третий и четвертый - отрицательные мениски, обращенные вогнутостью соответственно к изображению и объекту, пятый - двояковыпуклая линза, шестой - двояковогнутая линза и седьмой - двояковыпуклая линза. Известный объектив имеет угловое поле 24 угловых градуса, относительное отверстие 1:12,38 при фокусном расстоянии 100 мм.

Недостаток известного объектива - малое угловое поле и неудовлетворительное качество изображения, а также неравномерность качества изображения по полю (более высокое качество изображения на оси, значительное падение качества к краю поля).

Наиболее близким по техническому решению к заявленному является объектив с вынесенным зрачком, описанный на стр. 214 в книге Milton Laikin. Lens Design. Marcel Dekker Inc., 1995, который выбран авторами за прототип, см. фиг. 5, где представлена копия оптической схемы объектива-прототипа и графики частотно-контрастных характеристик (ЧКХ) объектива-прототипа для осевой точки предмета и края поля.

Объектив-прототип содержит четыре компонента, первый из которых положительный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, второй положительный компонент, склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, третий компонент - отрицательный, а четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Известный объектив имеет угловое поле в пространстве предметов 33,5 угловых градуса, относительное отверстие 1:12,5 при фокусном расстоянии 100 мм и низкое качество изображения на краю поля, особенно в меридианальном сечении, так, по критерию ЧКХ на частоте 65 лмм контраст составляет не более 5%.

К недостаткам прототипа относится неравномерное качество изображения по полю, являющееся следствием недостаточной коррекции аберраций.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение равномерно высокого качества изображения по всему полю изображения за счет устранения аберраций.

Решение указанной задачи достигается тем, что в объективе с вынесенным входным зрачком, содержащем четыре компонента, первая поверхность первого компонента обращена вогнутостью к объекту, второй компонент положительный, последняя поверхность третьего компонента обращена вогнутостью в сторону изображения, а четвертый компонент выполнен в виде мениска, причем первый компонент отрицательный и выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, второй - двояковыпуклая линза, третий компонент положительный, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а четвертый - отрицательный, обращенный вогнутостью к объекту.

Выполнение первого компонента отрицательным и склееным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, в отличие от одиночного положительного мениска, предлагаемого в прототипе, позволяет увеличить коррекционные возможности первого компонента, что приводит к улучшению как непосредственно коррекции аберраций, так и повышению равномерности их распределения по полю изображения, особенно за счет коррекции аберрации кривизны и вторичного спектра.

Второй компонент - двояковыпуклая линза, в отличие от склеенного положительного компонента в прототипе обладает большим значением оптической силы и снижает высоту падения лучей на третий компонент, за счет чего существенно уменьшаются аберрации высших порядков и улучшается равномерность их распределения по полю изображения.

Третий компонент выполняется как положительный, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз в отличие от одиночного мениска в прототипе, что способствует увеличению параметров для коррекции аберраций, в частности астигмо-хроматизма, что приводит к улучшению качества изображения и повышению равномерности качества изображения по полю изображения.

Четвертый компонент - отрицательный, обращенный вогнутостью к объекту в отличие от положительного мениска, ориентированного вогнутостью к изображению у прототипа, что способствует улучшению коррекции кривизны 5-го порядка и комы высшего порядка и приводит к улучшению качества изображения и повышению равномерности качества изображения по полю изображения.

Вариантом решения поставленной задачи является объектив с вынесенным входным зрачком, у которого, в отличие от первого варианта, первый компонент выполнен склеенным из отрицательного и положительного менисков, а третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой и двояковогнутой одиночных линз, установленных с зазором между ними не более 1 мм.

Выполнение первого компонента из отрицательного и положительного менисков позволяет получить коррекцию аберраций и повысить равномерность их распределения по полю изображения, при этом такое исполнение, в отличие от первого варианта по предлагаемому техническому решению, одновременно обеспечивает достижение большего фокусного расстояния объектива, т.е. большего масштаба изображения при сохранении его линейного размера неизмененным.

Второй компонент объектива выполнен как и в первой варианте и используется в соответствии с изложенным выше.

Выполнение третьего компонента в виде двояковыпуклой и двояковогнутой одиночных линз, установленных с зазором между ними не более 1 мм, позволяет увеличить коррекционные возможности первого компонента, что приводит к улучшению как непосредственно коррекции аберраций, так и повышению равномерности их распределения по полю изображения, особенно за счет коррекции аберрации кривизны и вторичного спектра. Такое исполнение, в отличие от первого варианта по предлагаемому техническому решению, одновременно обеспечивает достижение большего фокусного расстояния объектива, т.е. большего масштаба изображения при сохранении его линейного размера неизменным.

Четвертый компонент объектива выполнен как и в первом варианте и используется в соответствии с изложенным выше.

Указанная совокупность для каждого из вариантов позволяет подучить необходимое и достаточное количество параметров оптической схемы, позволяющих получить равномерно высокое качество изображения по всему изображению.

Совокупность всех признаков в каждом из вариантов позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации объектива с вынесенным входным зрачком, имеющим равномерно высокое качество изображения по всему изображению.

Сущность изобретения для обоих вариантов поясняется чертежами:
- на фиг.1, 2 представлены оптические схемы объектива с вынесенным входным зрачком для вариантов 1 и 2 соответственно,
- на фиг.3, 4 представлены ЧКХ объективов с вынесенным входным зрачком для вариантов 1 и 2 соответственно.

Объектив с вынесенным входным зрачком, представленный на фиг.1, содержит последовательно расположенные по ходу луча апертурную диафрагму 1, являющуюся одновременно входным зрачком объектива, склеенные между собой двояковогнутую 2 и двояковыпуклую 3 линзы, двояковыпуклую линзу 4, склеенные между собой двояковыпуклую 5 и двояковогнутую 6 линзы, а также отрицательный мениск 7, обращенный вогнутостью к объекту.

Объектив с вынесенным входным зрачком, представленный на фиг.2, содержит последовательно расположенные по ходу луча апертурную диафрагму 1, являющуюся одновременно входным зрачком объектива, склеенные между собой отрицательный 2 и положительный 3 мениски, обращенные вогнутостью к объекту, двояковыпуклую линзу 4, двояковыпуклую линзу 5, двояковогнутую линзу 6 и отрицательный мениск 7, обращенный вогнутостью к объекту.

Объектив по обоим представленным вариантам работает следующим образом: световой поток от бесконечно удаленного объекта последовательно проходит через все элементы объектива 1-7, после которого изображение образуется в фокальной плоскости объектива, которое затем совмещается со светочувствительным слоем приемника - телевизионной трубки или ПЗС-матрицы (на чертежах не показаны).

Примером конкретной реализации предлагаемого объектива по варианту 1 является объектив с вынесенным входным зрачком, имеющим фокусное расстояние 50,0 мм, угловое поле 60 угловых градусов, относительное отверстие 1:12,5, линейное поле изображения 50 мм, объектив работает в видимом диапазоне спектра.

Примером конкретной реализации предлагаемого объектива по варианту 2 является объектив с вынесенным входным зрачком, имеющим фокусное расстояние 100,0 мм, угловое поле 30 угловых градусов, относительное отверстие 1:12,5, линейное поле изображения 50 мм.

Конструктивные параметры объектива с вынесенный входным зрачком по вариантам 1 и 2 представлены в таблицах 1 и 2, а параксиальные характеристики - в таблицах 3 к 4 соответственно.

Техническими преимуществами предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом являются:
- для варианта 1:
получение высококачественного изображения равномерно по полю изображения, так, по критерию ЧКХ для 50 лин/мм контраст для точек на оси составляет 0,55, что практически соответствует дифракционному качеству изображения, а для края поля изображения - 0,4 (для сравнения, у прототипа для 50 лин/мм контраст для точки на оси - 0,45, а для края поля изображения - 0,12);
- для варианта 2:
получение высококачественного изображения равномерно по полю изображения, так, по критерию ЧКХ для частоты 50 дин/мм контраст для точки на оси составляет 0,5, что весьма близко к дифракционному качеству изображения, а для края поля - 0,4.

Реализация технических преимуществ предлагаемого технического решения повышает информативность заявленных вариантов объектива, что позволяет использовать его в качестве сканирующего телевизионного объектива, обладающего улучшенным качеством изображения по всему полю изображения.

Объектив по варианту 1 рекомендуется применять, когда требуется большее поле в пространстве объектов, а объектив по варианту 2 применяется в том случае, когда требуется больший масштаб изображения. При этом в обоих вариантах размер поля изображения одинаковый - 52 мм, что позволяет использовать объективы по предлагаемым вариантам в качестве двух сменных объективов для одного сканера, что расширяет функциональные возможности использования телевизионного сканирующего устройства.

Объектив с вынесенным входным зрачком по каждому из двух вариантов содержит четыре компонента, второй компонент - двояковыпуклая линза, последняя поверхность третьего компонента обращена вогнутостью в сторону изображения, а четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту. В объективе по первому варианту первый компонент отрицательный и выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, а третий компонент положительный, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. В объективе по второму варианту первый компонент выполнен склеенным из отрицательного и положительного менисков и обращен вогнутостью к объекту, а третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой и двояковогнутой одиночных линз, установленных с зазором между ними не более 1 мм. Обеспечивается равномерно высокое качество изображения по всему полю изображения за счет устранения аберраций. 2 с.п.ф-лы, 5 ил., 4 табл.

1. Объектив с вынесенным входным зрачком, содержащий четыре компонента, первая поверхность первого компонента обращена вогнутостью к объекту, второй компонент положительный, последняя поверхность третьего компонента обращена вогнутостью в сторону изображения, а четвертый компонент выполнен в виде мениска, отличающийся тем, что первый компонент отрицательный и выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, второй - двояковыпуклая линза, третий компонент - положительный склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а четвертый - отрицательный, обращенный вогнутостью к объекту.2. Объектив с вынесенным входным зрачком, содержащий четыре компонента, первый компонент содержит положительный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, второй компонент - положительный, последняя поверхность третьего компонента обращена вогнутостью в сторону изображения, а четвертый компонент выполнен в виде мениска, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из отрицательного и положительного менисков, второй - двояковыпуклая линза, третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой и двояковогнутой одиночных линз, установленных с зазором между ними не более 1 мм, а четвертый - отрицательный, обращенный вогнутостью к объекту.