СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2009 года по МПК G02B9/60 G02B11/30 G02B13/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных приборах, в частности в телекамерах, работающих с приемной матрицей, например, в ИК-диапазоне длин волн.

Известен светосильный фотографический объектив (SU 1691806; G02B 9/36, 11/20; публ. 1991 г.), содержащий четыре компонента. Первый компонент по ходу лучей - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и состоящий из склеенных положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к изображению. Третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету. Четвертый компонент - положительный, состоящий из склеенных отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению и двояковыпуклой линзы. Апертурная диафрагма расположена между вторым и третьим компонентами.

Характеристики объектива:

фокусное расстояние 52 мм относительное отверстие 1:1,9 угол поля зрения 45°

Этот объектив имеет малое относительное отверстие.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив (SU 1527604; G02B 9/62, 11/32; публ. 1989 г.), содержащий шесть линз в четырех компонентах. Первый из них по ходу лучей - положительный, состоящий из одиночных двояковыпуклой и двояковогнутой линзы, второй - двояковыпуклая линза, третий - положительный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению.

Расстояние d₂ между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:

0,5 f'<d₂<f',

где f' - фокусное расстояние объектива.

Радиусы кривизны второй R₂ поверхности двояковыпуклой линзы первого компонента и первой поверхности R₃ его двояковогнутой линзы удовлетворяют условию:

|R₃|<|R₂|.

Объектив работает в диапазоне длин волн от 700 до 900 нм.

Характеристики объектива:

фокусное расстояние 250 мм относительное отверстие 1:1,25 угол поля зрения 5°

Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет малое относительное отверстие.

Технический результат заявляемого изобретения - повышение относительного отверстия при высоком качестве изображения и повышение технологичности изготовления объектива за счет равенства кривизны части оптических поверхностей и замены сферических поверхностей плоскими.

Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех компонентов, первого компонента по ходу лучей - положительного и состоящего из одиночных двояковыпуклой и отрицательной линзы, второго компонента - одиночной положительной линзы, третьего компонента - положительного, склеенного из двояковыпуклой и отрицательной линз и четвертого компонента - обращенного вогнутостью к изображению мениска, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, в отличие от известного, отрицательные линзы первого и третьего компонентов по ходу лучей - вогнутоплоские, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента, двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной и из одного материала, а четвертый компонент - мениск - выполнен положительным.

В объективе расстояние d₄ между первым и вторым компонентами может удовлетворять условию:

F'<d₄<1,5f',

где f' - фокусное расстояние объектива.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива. Светосильный объектив состоит из шести линз в четырех компонентах. Первый компонент по ходу лучей - положительный, состоит из одиночных двояковыпуклой 1 и вогнутоплоской линзы 2; в нем радиус кривизны второй поверхности R₂ двояковыпуклой линзы 1 по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности R₃ вогнутоплоской линзы 2. Второй компонент - одиночный положительный мениск 3, обращенный выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны R₆ равен радиусу кривизны первой поверхности R₃ вогнутоплоской линзы 2 первого компонента. Третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы 4 и вогнутоплоской линзы 5. Двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов 1 и 4 выполнены каждая - симметричной, т.е. R₁=R₂ и R₇=R₈, и из одного материала, в частности из лантанового стекла. Показатель преломления двояковыпуклых линз первого и третьего компонентов более 1,63 и менее 1,71 для линии е. Коэффициент дисперсии стекла для линии е более 56,7 и менее 71. Четвертый компонент - обращенный вогнутостью к изображению мениск 6, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности R₁₀ больше радиуса кривизны R₁₁ вогнутой поверхности. Мениск 6 выполнен положительным за счет увеличения его толщины d₁₀.

Здесь для мениска 6 применена известная формула линзы конечной толщины («Справочник конструктора оптико-механических приборов» под ред. Кругера М.Я. и Панова В.А., Л., изд-во «Машиностроение», 1968 г, с.111), связывающая фокусное расстояние линзы f'₄, ее показатель преломления n, радиусы кривизны R₁₀ и второй R₁₁ оптических поверхностей и ее толщины d₁₀:

1/f'₄=(n-1)·(1/R₁₀-1/R₁₁)+(n-1)² _·d₁₀/(n·R₁₀·R₁₁).

Из этой формулы следует, что при увеличении толщины d₁₀ отрицательного мениска с выпуклым радиусом первой оптической поверхности R₁₀ и вогнутым R₁₁ второй оптической поверхности с некоторой величины толщины d₁₀, фокусное расстояние мениска становится положительным. При этом уменьшаются значения аберраций всего объектива, включающего такой положительный мениск, в частности четвертой суммы Зейделя, что позволяет повысить относительное отверстие объектива. Повышению относительного отверстия объектива способствует также то, что мениск 6 теперь является дополнительным положительным компонентом. За мениском 6 может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин. Расстояние d₄ между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:

f'<d₄<1,5f'.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив. 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 (не показан).

В соответствии с предложенным решением рассчитана конструкция светосильного объектива, исправленного в спектральном диапазоне от 650 до 900 нм. Его конструктивные параметры приведены в табл.1.

Таблица 1 Радиус, мм Толщина, мм Марка стекла Показатель преломления n_е Коэфф. дисперсии v_e Световой диаметр, мм R₁=165,96         60   d₁=8,5 СТК3 1,662237 57,09   R₂=-165,96         59,6   d₂=14,4   1     R₃=-83,37         53,2   d₃=4,5 ТФ5 1,761712 27,32   R₄=∞         53,4   d₄=74,5   1     R₅=-1000         57,8   d₅=8 ЛК3 1,489118 69,87   R₆=-83,37         58   d₆=14,7   1     R₇=69.5         52,7   d₇=14,1 СТК3 1,662237 57,09   R₈=-69,5         50,9   d₈=4,3 ТФ5 1,761712 27,32   R₉=∞         47,4   d₉=1,5   1     R₁₀=31,99         41,3   d₁₀=21,2 К8 1,518294 63,83   R₁₁=25,82         24,8   d₁₁=6   1     R_l2=∞         22   d₁₂=1.2 КС13 1,525 63,83   R₁₃=∞         22   d₁₃=12,26   1     R₁₄=∞         10   d₁₄=1 К8 1,518294 63,83   R₁₅=∞         10

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние 67,65 мм относительное отверстие 1:1,1 угол поля зрения 5°11' задний фокальный отрезок 3,5 мм апертурная диафрагма расположена   за линзой 2 на расстоянии 62,8 мм.

В рассчитанном объективе выполнено условие d₄=1,101 f', где f' - фокусное расстояние всего объектива для длины волны 766,49 нм. А фокусное расстояние четвертого компонента - мениска 6 для длины волны 766,49 нм f'₄=1616,4 мм, т.е. мениск 6 выполнен положительным. Двояковыпуклая линза третьего компонента выполнена из лантанового стекла СТКЗ группы сверхтяжелых кронов.

В табл.2 приведены аберрации для длины волны 766,49 нм рассчитанного объектива.

Таблица 2 Вид аберрации Значение аберрации рассчитанного объектива, не более Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:1,1 0,008 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=5°11'. 0,013 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=5°11' 0,014 мм Меридиональный астигматический отрезок Х'_м для поля зрения 2W=5°11' - 0,025 мм Сагиттальный астигматический отрезок X'_s для поля зрения 2W=5°11' - 0,0264 мм Дисторсия для поля зрения 2W=5°11' - 0,25%

Замена сферических оптических поверхностей плоскими позволяет обрабатывать их с помощью имеющегося в наличии в оптическом производстве инструмента и контролировать на интерферометре, не используя пробных стекол. Введение в объектив оптических поверхностей с равными радиусами кривизны обеспечивает большую унификацию пробных стекол и обрабатывающего инструмента. Все это обеспечивает достижение технического результата - повышение технологичности изготовления (в объективе имеются две плоские оптические поверхности и равенство по модулю попарно радиусов шести сферических поверхностей). Кроме того, предложенный светосильный объектив для спектрального диапазона от 650 до 900 нм имеет высокое относительное отверстие 1:1,1 при высоком качестве изображения, что следует из табл.2.

Изобретение может быть использовано, в частности, в телекамерах, работающих с приемной матрицей в ИК-диапазоне длин волн. Объектив состоит из четырех компонентов. Первый компонент - положительный и состоящий из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз. Второй - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к изображению. Третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой и вогнутоплоской линз. Четвертый - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск. В первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, а радиус кривизны выпуклой поверхности мениска второго компонента равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента. Двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной и из одного материала. Технический результат - повышение относительного отверстия при высоком качестве изображения и повышение технологичности изготовления объектива за счет равенства кривизны части оптических поверхностей и замены сферических поверхностей плоскими. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Светосильный объектив, состоящий из четырех компонентов, первого компонента по ходу лучей - положительного и состоящего из одиночных двояковыпуклой и отрицательной линз, второго компонента - одиночной положительной линзы, третьего компонента - положительного, склеенного из двояковыпуклой и отрицательной линз, четвертого компонента - обращенного вогнутостью к изображению мениска, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, отличающийся тем, что отрицательные линзы первого и третьего компонентов по ходу лучей - вогнутоплоские, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента, двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной и из одного материала, а четвертый компонент - мениск - выполнен положительным.

2. Светосильный объектив по п.1, отличающийся тем, что расстояние d₄ между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию
f'<d₄<1,5f',
где f' - фокусное расстояние объектива.