ОБЪЕКТИВ Российский патент 2009 года по МПК G02B9/34 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических приборах, в том числе в телекамерах, работающих с приемной матрицей.

Известен четырехлинзовый фотографический объектив (патент Германии №403706, 42h 4/05, публ. 1924 г.), в котором первая линза по ходу лучей - двояковыпуклая, вторая - двояковогнутая, третья - двояковыпуклая и четвертая линза - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению. Однако этот объектив, пересчитанный на фокусное расстояние 120 мм при относительном отверстии 1:2,5 и угле поля зрения 2W=11 град. имеет недостаточно высокое качество изображения. Поперечная сферическая аберрация для точки на оси достигает величины 0,339 мм, а для широких наклонных пучков в меридиональном и сагиттальном сечении - 0,327 мм и 0,355 мм соответственно.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является четырехлинзовый фотографический объектив (патент США №2170428, G02В 13/00, публ. 1939 г.), состоящий из четырех одиночных линз, в котором первая по ходу лучей - двояковыпуклая линза, вторая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - двояковогнутая и четвертая линза - двояковыпуклая. В объективе радиусы кривизны первой поверхности по ходу лучей первой и второй линз и второй поверхности четвертой линзы по модулю меньше фокусного расстояния всего объектива; радиус кривизны первой поверхности первой линзы больше 55% фокусного расстояния всего объектива; радиус кривизны вогнутой поверхности второй линзы больше фокусного расстояния всего объектива; радиус кривизны первой поверхности двояковогнутой линзы больше радиуса кривизны ее второй поверхности, который более 25% фокусного расстояния всего объектива; воздушный промежуток между третьей и четвертой линзой больше, чем воздушный промежуток между второй и третьей линзой и меньше 30% фокусного расстояния всего объектива, и толщина второй линзы больше 12% и меньше 30% фокусного расстояния всего объектива. Кроме того, имеют место условия:

n₁=n₂=n₄=1,6138

1,66<n₃<1,89

ν₁=ν₂=ν₄=56,3

23<ν₃<33

где n₁, n₂ n₃, n₄ - показатели преломления материала первой, второй, третьей и четвертой линзы для линии d;

ν₁, ν₂, ν₃, ν₄ - коэффициенты дисперсии материала первой, второй, третьей и четвертой линзы для линии d.

Кроме того, в объективе радиус кривизны первой поверхности первой линзы больше радиуса кривизны первой поверхности второй линзы; отношение радиуса кривизны по модулю второй поверхности второй линзы к радиусу кривизны ее первой поверхности равно 1,573; отношение радиуса кривизны по модулю первой поверхности третьей линзы к радиусу кривизны ее второй поверхности равно 3,936; отношение радиуса кривизны по модулю первой поверхности четвертой линзы к радиусу кривизны ее второй поверхности равно 3,12; а отношение толщины третьей линзы к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,02.

Объектив имеет более высокое качество изображения, чем объектив по патенту Германии №403706.

Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет недостаточно большое фокусное расстояние - 100 мм и при относительном отверстии 1:2,5 и угле поля зрения 2W=11 град. имеет недостаточно высокое качество изображения. Поперечная сферическая аберрация для точки на оси достигает величины - 0,0793 мм, а для широких наклонных пучков в меридиональном и сагиттальном сечении - 0,0603 мм и 0,0821 мм соответственно, и значительный меридиональный астигматический отрезок (-0,263 мм). Объектив недостаточно технологичен, так как он не содержит плоских оптических поверхностей и не имеет равных по модулю радиусов кривизны оптических поверхностей.

Задачей заявляемого изобретения является создание объектива с увеличенным фокусным расстоянием, повышенным качеством изображения и повышенной технологичностью.

Технический результат обусловлен поставленной задачей и представляет собой увеличение фокусного расстояния, повышение качества изображения при высоком уровне технологичности объектива.

Это достигается тем, что в объективе, состоящем из четырех одиночных линз, последовательно установленных по ходу лучей: первой - положительной, второй - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - двояковогнутой и четвертой - двояковыпуклой, и в котором выполнены условия:

n₁=n₂=n₄

1,66<n₃<1,89

23<ν₃<33

d₄<d₆<0,3f′

0,12f′<d₃<0,3f′;

где n₁, n₂, n₃, n₄ - показатели преломления материала первой, второй, третьей и четвертой линз для линии d;

ν₃ - коэффициент дисперсии материала третьей линзы для линии d;

d₄, d₆ - воздушные промежутки между второй и третьей, третьей и четвертой линзами;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

d₃ - толщина второй линзы - положительного мениска;

в отличие от известного первая линза выполнена выпукло-плоской, и имеют место соотношения:

1,56<n₁=n₂=n₄<1,6135

57<ν₁=ν₂=v₄<65,5

|R₁|<|R₃|

|R₃|<|R₈|

1,7<|R₄|/|R₃|<2,7

4,1<|R₅|/|R₆|<5,5

1<|R₇|/|R₈|<2,5

0,05<d₅/f′<0,2;

где ν₁, ν₂, ν₄ - коэффициенты дисперсии материала первой, второй, четвертой линзы для линии d;

R₁, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈ - радиусы кривизны первой, третей, четвертой, пятой, шестой, седьмой, восьмой оптических поверхностей;

d₅ - толщина двояковогнутой линзы.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива. Объектив состоит из четырех одиночных линз по ходу лучей: первой - выпукло-плоской линзы 1, второй - положительного мениска 2, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - двояковогнутой линзы 3, четвертой - двояковыпуклой линзы 4. За линзой 4 может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин и одна или несколько призм.

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 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан). Объектив может работать также и в обратном ходе лучей в качестве коллиматора.

В соответствии с предложенным решением рассчитан объектив, исправленный в спектральном диапазоне от 480 до 660 нм.

Конструктивные параметры рассчитанного объектива приведены в табл.1.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние 120,1 мм относительное отверстие 1:2,5 угол поля зрения 11 град. задний фокальный отрезок 44,7 мм входной зрачок совпадает   с первой поверхностью  

В рассчитанном объективе выполнены условия:

1,56<n₁=n₂=n₄<1,6135, т.к. n₁=n₂=n₄=1,613091 1,66<n₃<1,89 n₃=1,717912 23<ν₃<33 ν₃=29,53 d₄<d₆<0,3f′ d₄=5,38; d₆=22,74; 0.3f′=36,03 0,12f′<d₃<0,3f′ 0,12f′=14,412; d₃=22,74 57<ν₁=ν₂=v₄<65,5 ν₁=ν₂=v₄=60,58 |R₁|<|R₃| |R₁|=72,023; |R₃|=73,698 |R₃|=|R₈|=73,698 |R₈|=73,698 1,7<|R₄|/|R₃|<2,7 |R₄|/|R₃|=156,122/73,698=2,11 4,1<|R₅|/|R₆|<5,5 |R₅|/|R₆|=188,139/38,645=4,86 1<|R₇|/|R₈|<2,5 |R₇|/|R₈|=101,044/73,698=1,37 0,05<d₅/f′<0,2 d₅/f′=13,83/120,1=0,115

В табл.2 приведены аберрации для длины волны 587,56 нм ближайшего аналога и рассчитанном объектива.

Рассчитанный объектив имеет фокусное расстояние 120,1 мм, большее, чем в ближайшем аналоге. Кроме того, в предложенном объективе одна оптическая поверхность выполнена плоской, и две имеют равные радиусы кривизны, что обеспечивает ему более высокую технологичность. Предложенный объектив имеет более высокое качество изображения, что следует из табл.2.

Таблица 1 Радиус, мм Толщина, мм Марка стекла Показатель преломления n_d Коэфф. дисперсии ν_d Световой диаметр, мм R₁=72,023         48   d₁=9,22 TK14 1,613091 60,58   R₂=∞         46,7   d₂=0,61   1     R₃=73,698         44,9   d₃=22,74 TK14 1,613091 60,58   R₄=156,122         36,4   d₄=5,38   1     R₅=-188,139         34,5   d₅=13,83 ТФ103 1,717912 29,53   R₆=38,645         30,5   d₆=22,74   1     R₇=101,044         35,5   d₇=9,53 TK14 1,613091 60,58   R₈=-73,698         35,5   d₈=15,4   1     R₉=∞         32,1   d₉=1,54 K8 1,516373 64,07   R₁₀=∞         31,9

Таблица 2 Вид аберрации Значение аберрации Ближайший аналог Предложенный объектив Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:2,5 0,0793 мм 0,01 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=11 град. 0,0603 мм 0,017 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=11 град. 0,0821 мм 0,035 мм Меридиональный астигматический отрезок Х′_м для поля зрения 2W=11 град. -0,263 мм -0,154 мм Сагиттальный астигматический отрезок X′_s для поля зрения 2W=11 град. -0,2 мм -0,22 мм Астигматизм для поля зрения 2W=11 град. -0,063 мм 0,0658 мм Дисторсия для поля зрения 2W=11 град. 0,063% 0,074%

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан объектив с увеличенным фокусным расстоянием, с повышенным качеством изображения при высоком уровне технологичности.

Изобретение может быть использовано, в том числе, в телекамерах, работающих с приемной матрицей. Объектив состоит из четырех одиночных линз по ходу лучей: первой - выпукло-плоской линзы, второй - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - двояковогнутой линзы, четвертой - двояковыпуклой линзы. За четвертой линзой может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин и одна или несколько призм. Объектив может работать также и в обратном ходе лучей в качестве коллиматора. В объективе выполняются соотношения между конструктивными параметрами, указанные в формуле изобретения. Технический результат - увеличение фокусного расстояния, повышение качества изображения при высоком уровне технологичности. 1 ил., 2 табл.

Объектив, состоящий из четырех одиночных линз, последовательно установленных по ходу лучей: первой - положительной, второй - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - двояковогнутой и четвертой - двояковыпуклой, у которого
n₁=n₂=n₄
1,66<n₃<1,89
23<ν₃<33
d₄<d₆<0,3f′
0,12f′<d₃<0,3f′,
где n₁, n₂, n₃, n₄ - показатели преломления материала первой, второй, третьей и четвертой линз для линии d;
ν₃ - коэффициент дисперсии материала третьей линзы для линии d;
d₄, d₆ - воздушные промежутки между второй и третьей, третьей и четвертой линзами;
f′ - фокусное расстояние всего объектива;
d₃ - толщина второй линзы - положительного мениска,
отличающийся тем, что первая линза выполнена выпуклоплоской и имеют место соотношения
1,56<n₁=n₂=n₄<1,6135
57<ν₁=ν₂=v₄<65,5
|R₁|<|R₃|
|R₃|<|R₈|
1,7<|R₄|/|R₃|<2,7
4,1<|R₅|/|R₆|<5,5
1<|R₇|/|R₈|<2,5
0,05<d₅/f′<0,2,
где ν₁, ν₂, ν₄ - коэффициенты дисперсии материала первой, второй, четвертой линзы для линии d;
R₁, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈ - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой, шестой, седьмой, восьмой оптических поверхностей;
d₅ - толщина двояковогнутой линзы.