ОБЪЕКТИВ Российский патент 2008 года по МПК G02B9/34 G02B11/20 

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

Известен объектив [1] из пяти компонентов и спектроделительного блока, выполненного с возможностью пропускания излучения в спектральном диапазоне длин волн от 500 нм до 900 нм и отражения излучения длиной волны 1067 нм или 1570 нм, расположенного на оптической оси объектива между четвертым и пятым компонентами, первый компонент выполнен в виде отрицательного двусклеенного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент содержит положительную линзу, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент содержит положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, пятый компонент выполнен в виде положительной двусклеенной линзы, установленной с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси. Данная конструкция объектива обеспечивает высокое качество изображений в широком спектральном диапазоне, а также возможность одновременной регистрации изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике. Недостатком объектива является его большая длина: расстояние от первой поверхности объектива до плоскости изображений составляет 1.7 фокусного расстояния объектива.

Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив [2], состоящий из четырех компонентов. Первый компонент выполнен в виде положительной линзы. Второй компонент содержит отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Третий компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент содержит положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов.

Данная конструкция объектива имеет небольшую длину, не превышающую 1.1 фокусного расстояния объектива, а также высокое качество изображений в спектральном диапазоне 660 нм ... 920 нм. Однако недостатком прототипа является невозможность одновременной регистрации изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике, а также относительно небольшой спектральный диапазон, в котором ахроматизован объектив.

Задачей изобретения является повышение качества изображения в спектральном диапазоне длин волн λ=575 нм ... 850 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения при сохранении небольшой длины объектива, а также возможность одновременной регистрации изображений на ПЗС-матрице и фотоприемнике.

Объектив из четырех компонентов, расположенных на оптической оси, первый компонент которого - положительная линза, второй компонент - отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, в отличие от прототипа, содержит расположенный между третьим и четвертым компонентами спектроделительный блок, первый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, установлен с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси и оптически связан с гранью спектроделительного блока, выделяющей спектральный диапазон 575 нм ... 850 нм, при этом расстояние между третьим и четвертым компонентами вдоль оптической оси составляет не менее 0.6 фокусного расстояния объектива, сумма оптических сил всех компонентов не превышает 0.0014 мм^-1, а показатели преломления стекол линз третьего и четвертого компонентов не превышают 1.6.

Конструкция первого компонента, выполненного в виде положительной двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, а также применение в линзах третьего и четвертого компонентов стекол линз с показателями преломления, не превышающими 1.6, обеспечивает исправление хроматических аберраций в спектральном диапазоне от 575 нм до 850 нм.

Выполнение второго компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третьего компонента в виде двояковыпуклой линзы, позволило исправить сферохроматические аберрации и обеспечило высокую коррекцию аберраций осевого пучка.

Выполнение четвертого компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, расположенного на расстоянии не менее 0.6 фокусного расстояния объектива от последней поверхности третьего компонента, выбор сумм оптических сил всех компонентов, не превышающих 0.0014 мм^-1, позволяет исправить кривизну изображения по всему полю, аберрации наклонных пучков и получить высокую коррекцию качества изображения по всему полю зрения.

Введение спектроделительного блока, расположенного между третьим и четвертым компонентами, выполненного с возможностью разделения спектрального интервала от 575 нм до 850 нм и длины волны излучения 1570 нм, позволяет использовать объектив как для формирования изображения на ПЗС-матрице, так и для регистрации возвратного излучения лазерного дальномера на площадке фотоприемника.

Четвертый компонент объектива установлен с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси, что позволяет эффективно использовать его для фокусировки объектива от 50 м до бесконечности при нахождении плоскости наилучшей установки на ПЗС-матрице и для компенсации терморасстраиваемости объектива.

В предлагаемом объективе спектроделительный блок выполнен таким образом, что отражает излучение в спектральном диапазоне от λ=575 нм до λ=850 нм и пропускает излучение с длиной волны λ=1570 нм, объектив имеет фокусное расстояние 130.5 мм, относительное отверстие 1:2.6, входной зрачок диаметром 50 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 0.77, на краю поля зрения (у'=3.2 мм) не менее 0.68.

Такие значения коэффициентов передачи модуляции позволили получить концентрацию энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселу ПЗС-матрицы размером 0.0085×0.0085 мм, не менее 86% для точки на оси и не менее 79% 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 ниже.

Таблицаλ, мкм575600650750850С0.131.00.850.370.07

Объектив (фиг.1) состоит из четырех компонентов 1-4, спектроделительного блока 5, расположенного между третьим и четвертым компонентами, светофильтра 6. Первый компонент содержит положительную двусклеенную линзу 1, состоящую из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, оптическая сила равна 0.00265 мм^-1. Второй компонент представляет собой отрицательный мениск 2, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, его оптическая сила равна - 0.00591 мм^-1. Третий компонент содержит двояковыпуклую линзу 3, ее оптическая сила равна 0.0131 мм^-1. Четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска 4, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, установлен с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси, при этом юстировочное перемещение компонента составляет не более ±1.2 мм, а его оптическая сила равна - 0.00852 мм^-1. Расстояние между третьим и четвертым компонентами, приведенное к воздуху, равно 81.9 мм, что составляет 0.62 фокусного расстояния объектива. Показатель преломления стекла третьего компонента не превышает 1.5, а четвертого компонента - 1.6. Между третьим и четвертым компонентами расположен спектроделительный блок 5, отражающий излучение в спектральном диапазоне λ=575 нм ... 850 нм и пропускающим излучение с длиной волны λ=1570 нм. Объектив содержит светофильтр 6, выделяющий спектральный диапазон в соответствии с таблицей. При расчете объектива учтена толщина защитного стекла ПЗС-матрицы. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения ПЗС-матрицы по оптической оси равна 150.4 мм, что составляет 1.15 фокусного расстояния объектива.

Для объективов, работающих с ПЗС-матрицей, параметрами, характеризующими качество изображения, являются область спектра (от 575 нм до 850 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).

Выбор конструкции компонентов объектива, их оптических сил, сумма которых не превышает 0.0014 мм^-1, применение в линзах третьего и четвертого компонентов стекол линз с показателями преломления, не превышающими 1.6, выбор расстояния между этими компонентами не менее 0.6 фокусного расстояния объектива, введение спектроделительного блока, отражающего излучение в спектральном диапазоне длин волн λ=575 нм ... 850 нм и пропускающего излучение с длиной волны λ=1570 нм, установка четвертого компонента с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси, по сравнению с прототипом, позволили повысить качество изображения в спектральном диапазоне длин волн от 575 нм до 850 нм при сохранении небольшой длины объектива, а также позволяет использовать объектив как для формирования изображения на ПЗС-матрице, так и для регистрации возвратного излучения лазерного дальномера на площадке фотоприемника, расположенного по ходу пропускания спектроделителя.

Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=3° проходит через входной зрачок объектива диаметром 50 мм, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись через поверхности линз компонентов 1, 2, 3, попадает в спектроделительный блок 5, после которого излучение с длинами волн λ=575 нм ...850 нм, отразившись от гипотенузной грани спектроделительного блока, попадает на компонент 4 объектива, преломляется через его поверхности, светофильтр 6, и фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица. Пучок лучей с λ=1570 нм проходит через спектроделительный блок 5 и фокусируется на площадке фотоприемника.

Источники информации

1. Патент BY №6385, публикация 2001 г., МПК G02B 9/00.

2. Патент RU №2175774, публикация 2001 г., МПК G02B 13/14 - прототип.

Объектив содержит четыре компонента, расположенных на оптической оси, первый из которых положительная двусклеенная линза, состоящая из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, второй - отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третий - двояковыпуклая линза, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов. Между третьим и четвертым компонентами расположен спектроделительный блок. Четвертый компонент установлен с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси и оптически связан с гранью спектроделительного блока, выделяющей спектральный диапазон 575 нм ... 850 нм. Расстояние между третьим и четвертым компонентами вдоль оптической оси составляет не менее 0.6 фокусного расстояния объектива. Сумма оптических сил всех компонентов не превышает 0.0014 мм^-1. Показатели преломления стекол линз третьего и четвертого компонентов не превышают 1.6. Технический результат - повышение качества изображения в спектральном диапазоне длин волн λ=575 нм ... 850 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения при сохранении небольшой длины объектива. 6 ил., 1 табл.

Объектив из четырех компонентов, расположенных на оптической оси, первый компонент которого положительная линза, второй компонент - отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, отличающийся тем, что содержит расположенный между третьим и четвертым компонентами спектроделительный блок, первый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, установлен с возможностью юстировочных перемещений вдоль оптической оси и оптически связан с гранью спектроделительного блока, выделяющей спектральный диапазон 575 ... 850 нм, при этом расстояние между третьим и четвертым компонентами вдоль оптической оси составляет не менее 0,6 фокусного расстояния объектива, сумма оптических сил всех компонентов не превышает 0,0014 мм^-1, а показатели преломления стекол линз третьего и четвертого компонентов не превышают 1,6.