ОБЪЕКТИВ ТИПА ГАУССА Российский патент 2006 года по МПК G02B9/42 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может быть использовано в различных оптических системах, например в фото и видеокамерах.

Известен объектив типа Гаусса [Патент США №2532751, НКИ 350-222, опубл. 1950], состоящий из четырех компонентов: первого компонента - положительного одиночного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, второго компонента - сложного отрицательного мениска, обращенного внешней, выпуклой стороной к предмету, - склеенного из двух одиночных линз, по ходу лучей - положительной и отрицательной, третьего компонента - сложного отрицательного мениска, обращенного внешней, выпуклой стороной к изображению, - склеенного из двух одиночных линз, по ходу лучей - отрицательной и положительной; и четвертого компонента - одиночной двояковыпуклой линзы.

В объективе имеют место условия:

0,5F<λ<0,65F

0,1λ<Т'<0,4λ

0,1λ<T''<0,325λ

0,3λ<R₅<0,45λ

0,31λ<R₆<0,5λ

где λ - расстояние между внешними, выпуклыми поверхностями двух сложных отрицательных менисков;

Т' - толщина первого по ходу лучей сложного отрицательного мениска;

Т'' - толщина второго по ходу лучей сложного отрицательного мениска;

R₅, R₆ - радиусы пятой и шестой оптических поверхностей по ходу лучей;

F - фокусное расстояние всего объектива.

Однако этот объектив имеет малую технологичность, так как почти все радиусы оптических поверхностей - крутые; недостаточное качество изображения при пересчете на фокусное расстояние 52,2 мм; относительном отверстии 1:2 и угловом поле зрения 2W=46 град. и малый задний фокальный отрезок при фокусном расстоянии 52,2 мм (не более 33,1 мм).

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является объектив типа Гаусса [Патент США №2532752, НКИ 350-222, опубл. 1950], состоящий из четырех компонентов: первого компонента - положительного одиночного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, второго компонента - сложного отрицательного мениска, обращенного внешней, выпуклой стороной к предмету, - склеенного из двух одиночных линз, по ходу лучей - положительной и отрицательной, третьего компонента - сложного отрицательного мениска, обращенного внешней, выпуклой стороной к изображению - склеенного из двух одиночных линз, по ходу лучей - отрицательной и положительной, и четвертого компонента - одиночной двояковыпуклой линзы.

В объективе имеют место условия:

0,5F<λ<0,65F

0,1<T'<0,4λ

0,1λ<Т''<0,325λ

0,31<R₆<0,5λ

0,76R₆<R₅<0,95R₆

R₈/λ<1

R₈/λ<5

R₁₀/λ+1,192·R₈/λ-2,542·R₈/λ·R₁₀/λ<0, кроме того, R₁₀/λ больше величины R₈/λ меньше чем в 5 раз.

где λ - расстояние между внешними, выпуклыми поверхностями двух сложных отрицательных менисков;

Т' - толщина первого по ходу лучей сложного отрицательного мениска;

Т'' - толщина второго по ходу лучей сложного отрицательного мениска;

R₅, R₆, R₈, R₁₀ - радиусы пятой, шестой, восьмой и десятой оптических поверхностей по ходу лучей;

F - фокусное расстояние всего объектива.

Данный объектив имеет более высокое качество изображения, чем объектив типа Гаусса, описанный в патенте США №2532751.

Однако этот объектив имеет малую технологичность, так как почти все радиусы оптических поверхностей - крутые, что не позволяет при обработке оптических поверхностей закреплять на блоке одновременно большое количество линз; и малый задний фокальный отрезок при фокусном расстоянии 52,2 мм (не более 31,6 мм), что не позволяет его использовать в зеркальных фотоаппаратах.

Задачей заявляемого изобретения является создание объектива типа Гаусса с улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной технологичностью.

Технический результат - повышение технологичности и увеличение заднего фокального отрезка объектива типа Гаусса при очень высоком качестве изображения.

Это достигается тем, что в объективе типа Гаусса, состоящем из четырех компонентов по ходу лучей: первого компонента - положительного одиночного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, второго компонента - отрицательного мениска, склеенного из двух одиночных линз - положительной и отрицательной, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, третьего компонента - отрицательного мениска, склеенного из двух одиночных линз - отрицательной и положительной, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и четвертого компонента - одиночной двояковыпуклой линзы, кроме того, имеют место условия:

1,64<n₁, n₂, n₅, n₆<1,68

46<ν₁, ν₂<53

46<ν₅, ν₆<58

1,6<n₃<1,649

1,6<n₄<1,617

0≤f'/|R₄|<0,5

0≤f'/|R₇|<0,5,

в отличие от известного имеют место условия:

33,83<ν₃<38

33,83<ν₄<35

0,5L<|R₆|<0,7L

1,02|R₆|<R₅<1,2|R₆|,

кроме того, линза четвертого компонента и положительная линза третьего компонента может быть выполнена из лантанового стекла, а также может иметь место равенство:

R₁=|R₁₀|,

где L - расстояние между выпуклыми поверхностями второго и третьего компонентов;

R₁, R₄, R₅, R₆, R₇, R₁₀ - радиусы первой, четвертой, пятой, шестой, седьмой и десятой оптических поверхностей;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

n₁, n₂, n₃, n₄, n₅, n₆ - показатели преломления материала первой, второй, третьей, четвертой, пятой и шестой линзы для линии D;

ν₁, ν₂, ν₃, ν₄, ν₅, ν₆ - коэффициент дисперсии для линии D материала первой, второй, третьей, четвертой, пятой и шестой линзы.

На фиг.1 представлена оптическая схема предложенного объектива в первом варианте конкретного исполнения, а на фиг.2 представлена оптическая схема предложенного объектива во втором варианте конкретного исполнения.

Объектив состоит из четырех компонентов по ходу лучей: первого компонента - положительного одиночного мениска 1, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, второго компонента - отрицательного мениска, склеенного из двух одиночных линз - положительной 2 и отрицательной 3, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, третьего компонента - отрицательного мениска, склеенного из двух одиночных линз - отрицательной 4 и положительной 5, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и четвертого компонента - одиночной двояковыпуклой линзы 6.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив.

Объектив работает следующим образом: световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения или фотопленка (не показаны).

В соответствии с предложенным решением рассчитаны два конкретных варианта объектива типа Гаусса, исправленные в спектральном диапазоне от 400 до 700 нм.

Конструктивные параметры объектива по первому варианту приведены в табл.1.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние52,2 ммотносительное отверстие1:2угол поля зрения46 град.задний фокальный отрезок38,15 мм

Таблица 1Радиусы, ммТолщины, ммМарка стеклаПоказатель преломления n_DКоэфф. дисперсии ν_DСветовой диаметр, ммR₁=44,264    26 d₁=2,7TK21n₁=1,6568ν₁=51,11 R₂=143,56    25,7 d₂=2,2 1  R₃=23,879    24,2 d₃=5,8TK21n₂=1,6568ν₂=51,11 R₄=220,274    22,5 d₄=4,45БФ24n₃=1,6344ν₃=36,76 R₅=15,74    18,1 d₅=9,35 1  R₆=-15,17    17,5 d₆=2,25Ф19n₄=1,613369ν₄=34,28 R₇=311,937    19,6 d₇=5,6СТК3n₅=1,6594ν₅=57,33 R₈=-21,23    20,7 d₈=0,2 1  R₉=115,61    23,6 d₉=3,75TK21n₆=1,6568ν₆=51,11 R₁₀=-44,264    24,2

апертурная диафрагма расположена за линзой 3 на расстоянии 4,3 мм.

В предлагаемом варианте изобретения имеют место равенства:

|R₆|=0,5526L

R₅=1,0376|R₆|

f'/|R₄|=0,2372

f'/|R₇|=0,1675

R₁=|R₁₀|,

где L - расстояние между выпуклыми поверхностями второго и третьего компонентов;

R₁, R₄, R₅, R₆, R₇, R₁₀ - радиусы первой, четвертой, пятой, шестой, седьмой и десятой оптических поверхностей;

f' - фокусное расстояние всего объектива.

Конструктивные параметры объектива по второму варианту приведены в табл.2.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние52,2 ммотносительное отверстие1:2угол поля зрения46 град.задний фокальный отрезок38,11 мм

апертурная диафрагма расположена за линзой 3 на расстоянии 4,3 мм.

В предлагаемом варианте изобретения имеют место равенства:

|R₆|=0,543L

R₅=1,1023|R₆|

f'/|R₄|=0

f'/|R₇|=0

где L - расстояние между внешними, выпуклыми поверхностями двух сложных отрицательных менисков;

R₄, R₅, R₆, R₇ - радиусы четвертой, пятой, шестой и седьмой оптических поверхностей;

f' - фокусное расстояние всего объектива.

Как следует из табл.1 и 2, отрицательная линза 4 третьего компонента изготовлена из стекла марки Ф19 или Ф9, обладающего особым ходом дисперсии. Материалы, отличающиеся по v более чем на ±3 единицы от стекол с обычным ходом дисперсии при равных значениях относительных частных дисперсий p_F'g=(n_g-n_F')/(n_F'-n_C'), принято считать особыми (см. §2 Оптические материалы с особым ходом дисперсии..., Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. - Л., Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. стр.11.), а положительная линза 5 третьего компонента выполнена из лантанового стекла марки СТК3. Аналогично линза 6 четвертого компонента может быть выполнена из лантанового стекла.

В табл.3 приведены аберрации для λ=0,589 мкм предложенного объектива типа Гаусса по первому и второму вариантам конкретного исполнения.

Предложенный объектив имеет очень высокое качество изображения. Фотографическая разрешающая способность предложенного объектива для точки на оси не менее 70 мм^-1 и в пределах поля зрения не менее 45 мм^-1.

В предложенном объективе из 10 оптических поверхностей 9 являются более пологими, чем в ближайшем аналоге, благодаря чему предложенный объектив более технологичен, так как при обработке поверхностей линз можно разместить большее количество линз на блоке.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан объектив типа Гаусса с повышенной технологичностью и увеличенным задним фокальным отрезком при очень высоком качестве изображения.

Таблица 2Радиусы, ммТолщины, ммМарка, стеклаПоказатель преломления n_DКоэфф. дисперсии ν_DСветовой диаметр, ммR₁=48,028    26 d₁=3,71TK21n₁=1,6568ν₁=51,11 R₂=157,192    25,5 d₂=2,36 1  R₃=24,36    24,2 d₃=9,16TK21n₂=1,6568ν₂=51,11 R₄=∞    20,7 d₄=1,5БФ24n₃=1,6344ν₃=36,76 R₅=16,142    18,1 d₅=9,03 1  R₆=-14,644    17,5 d₆=1,99Ф9n₄=1,6137ν₄=34,57 R₇=∞    19,7 d₇=5,29СТК3n₅=1,6594ν₅=57,33 R₈=-20,363    20,7 d₈=0,15 1  R₉=116,416    23,3 d₉=4,53TK21n₆=1,6568ν₆=51,11 R₁₀=-42,205    24,2

Таблица 3Вид аберрацииПредложенный объектив по первому варианту (не более)Предложенный объектив по второму вар. (не более)Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:20,02 мм0,03 ммПоперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=46 град.0,019 мм0,021 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=46 град.0,1 мм 0,08 ммМеридиональный астигматический отрезок Х'_м для поля зрения 2W=46 град.-0,345 мм-0,387 ммСагиттальный астигматический отрезок X'_s для поля зрения 2W=46 град.-0,097 мм-0,1 ммДисторсия для поля зрения 2W=46 град.-2,1%-2%

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может быть использовано в различных оптических системах, например в фото и видеокамерах. Объектив состоит из первого компонента - положительного одиночного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, второго компонента - отрицательного мениска, склеенного из двух одиночных линз - положительной и отрицательной, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, третьего компонента - отрицательного мениска, склеенного из двух одиночных линз - отрицательной и положительной, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и четвертого компонента - одиночной, двояковыпуклой линзы. В формуле изобретения приведены математические соотношения, связывающие расстояние между выпуклыми поверхностями второго и третьего компонентов, радиусы оптических поверхностей, фокусное расстояние объектива, показатели преломления материала линз и их коэффициенты дисперсии. Технический результат - повышение технологичности и увеличение заднего фокального отрезка объектива типа Гаусса при высоком качестве изображения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Объектив типа Гаусса, состоящий из четырех компонентов по ходу лучей: первого компонента - положительного одиночного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, второго компонента - отрицательного мениска, склеенного из двух одиночных линз - положительной и отрицательной, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, третьего компонента - отрицательного мениска, склеенного из двух одиночных линз - отрицательной и положительной, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и четвертого компонента - одиночной, двояковыпуклой линзы, кроме того, имеют место условия:

1,64<n₁, n₂, n₅, n₆<1,68,

46<ν₁,ν₂<53,

46<ν₅, ν₆<58,

1,6<n₃<1,649,

1,6<n₄<1,617,

0≤f'/|R₄|<0,5

0≤f'/|R₇|<0,5,

отличающийся тем, что имеют место условия:

33,83<ν₃<38

33,83<ν₄<35

0,5L<|R₆|<0,7L,

1,02|R₆|<R₅<1,2|R₆|,

где L - расстояние между выпуклыми поверхностями второго и третьего компонентов;

R₄, R₅, R₆, R₇ - радиусы четвертой, пятой, шестой и седьмой оптических поверхностей;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

n₁, n₂, n₃, n₄, n₅, n₆ - показатели преломления материала первой, второй, третьей, четвертой, пятой и шестой линз для линии D;

ν₁, ν₂, ν₃, ν₄, ν₅, ν₆ - коэффициенты дисперсии для линии D материала первой, второй, третьей, четвертой, пятой и шестой линз.

R₁=|R₁₀|

где R₁, R₁₀ - радиусы первой и десятой оптических поверхностей.