СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2010 года по МПК G02B9/60 G02B13/14 

Предлагаемое 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 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 линз, второй - двояковыпуклая линза, третий - положительный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности. Модули радиусов 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.

Апертурная диафрагма расположена между первым и вторым компонентами. Характеристики объектива:

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

Этот объектив имеет малые относительное отверстие и угловое поле зрения.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив (Патент РФ №2351967; G02B 9/60, 11/30, 13/14; публ. 2009), содержащий шесть линз в четырех компонентах. Первый из них по ходу лучей - положительный, состоящий из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линзы, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, второй компонент - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента, третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности, причем каждая двояковыпуклая линза в первом и третьем компонентах выполнена симметричной и из одного материала. Расстояние d₄ между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:

f'<d₄<1,5f',

где: f' - фокусное расстояние объектива.

Кроме того, показатель преломления материала четвертого компонента - положительного мениска равен 1,518294 для линии е, а показатель преломления материала двояковыпуклой линзы третьего компонента равен 1,662237 для линии е и показатель преломления материала положительного мениска - второго компонента равен 1,489118 для линии е.

Объектив работает в диапазоне длин волн от 650 до 900 нм. Апертурная диафрагма расположена за вогнутоплоской линзой первого компонента на расстоянии 62,8 мм. Характеристики объектива:

фокусное расстояние 67,65 мм относительное отверстие 1:1,1 угол поля зрения 5°11' задний фокальный отрезок 3,5 мм

Отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива равно 2,804.

По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малое угловое поле зрения и большое отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива, что увеличивает продольные габариты всей конструкции объектива.

Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками при высоком качестве изображения.

Технический результат заявляемого изобретения - увеличение углового поля зрения и уменьшение габаритов при высоком качестве изображения.

Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех компонентов, первый из которых по ходу лучей - положительный и выполнен из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, второй компонент - одиночная положительная линза, третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой и отрицательной линз, четвертый компонент - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск, у которого модуль радиуса кривизны выпуклой поверхности больше модуля радиуса кривизны вогнутой поверхности, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, причем двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной, в отличие от известного второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы, отрицательная линза третьего компонента выполнена двояковогнутой, показатель преломления четвертого компонента - более 1,64 и менее 1,9 для линии е, показатель преломления двояковыпуклой линзы третьего компонента более 1,56 и менее 1,63 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента и имеет место условие:

0,5f'<d₄<f',

где: f' - фокусное расстояние объектива;

d₄ - расстояние между первым и вторым компонентами.

Кроме того, в объективе показатель преломления второго компонента - плосковыпуклой линзы может быть более 1,5 и менее 1,87 для линии е.

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 линзы 1, выполненной симметричной с равными по модулю радиусами кривизны первой и второй поверхностей |R₁|=|R₂| и вогнутоплоской линзы 2, а модуль радиуса кривизны второй поверхности R₂ двояковыпуклой линзы 1 больше модуля радиуса кривизны первой поверхности R₃ вогнутоплоской линзы 2. Второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы 3, обращенной плоскостью к изображению. Третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы 4 и двояковогнутой линзы 5. Двояковыпуклая линза 4 выполнена симметричной с равными по модулю радиусами кривизны обеих поверхностей |R₇|=|R₈|. 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 и показателя преломления материала - лантанового стекла группы сверхтяжелых кронов СТК19. За мениском 6 может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин.

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 ν_e Световой диаметр, мм R₁=79,62         48   d₁=10,1 СТК3 1,662237 57,09   R₂=-79,62         47,4   d₂=5,l   1     R₃=-55,85         43,2   d₃=3,8 ТФ5 1,761712 27,32   R₄=∞         42,5   d₄=48,0б   1     R₅=∞         34,5   d₅=7 K8 1,518294 63,83   R₆=-51,29         34   d₆=0,5   1     R₇=43,75         30,5   d₇=11 ТК14 1,615506 60,34   R₈=-43,75         26,6   d₈=3,8 ТФ5 1,761712 27,32   R₉=254,1         23,4   d₉=1,2   1     R₁₀=18,793         20,5   d₁₀=6 СТК19 1,747647 50,21   R₁₁=16,444         16   d₁₁=5   1     R₁₂=∞         15   d₁₂=1,2 КС13 1,525 63,83   R₁₃=∞         15   d₁₃=6,28   1     R_l4=∞         10,2   d₁₄=1 K8 1,518294 63,83   R₁₅=∞         10,2

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние 52,05 мм относительное отверстие 1:1,08 угол поля зрения 8°40' задний фокальный отрезок 3,52 мм

апертурная диафрагма совпадает с первой оптической поверхностью линзы 3, но может находится и в другом месте.

В рассчитанном объективе выполнено условие d₄=,9233f', где: f' - фокусное расстояние всего объектива для длины волны 766,49 нм. Фокусное расстояние четвертого компонента - мениска 6 для длины волны 766,49 нм f'₄=2189,37 мм, т.е. мениск 6 выполнен положительным и из лантанового стекла СТК19 группы сверхтяжелых кронов с показателем преломления 1,747647 для линии е. Двояковыпуклая линза третьего компонента 4 выполнена из стекла ТК14 группы тяжелых кронов с показателем преломления 1,615506 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента 1,662237, выполненного из лантанового стекла СТКЗ группы сверхтяжелых кронов. Плосковыпуклая линза - второй компонент выполнена из стекла группы кронов с показателем преломления 1,518294 для линии е.

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

Предложенный объектив имеет угловое поле зрения 2W=8°40', что на 67% больше углового поля зрения ближайшего аналога; при этом отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива равно 2,18; и высокое качество изображения, что следует из табл.2. Все это обеспечивает достижение технического результата - повышение углового поля зрения и уменьшение отношения расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива при высоком качестве изображения.

Таблица 2 Вид аберрации Значение аберрации рассчитанного объектива, не более Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:1,08 0,017 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=8°40' 0,021 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=8°40' 0,025 мм Меридиональный астигматический отрезок Х'_м для поля зрения 2W=8°40' -0,05 мм Сагиттальный астигматический отрезок Х'_s для поля зрения 2W=8°40' -0,071 мм Дисторсия для поля зрения 2W=8°40' -0,29%

Изобретение может быть использовано, в частности, в телекамерах, работающих с приемной матрицей в ИК-диапазоне длин волн. Объектив состоит из четырех компонентов. Первый компонент выполнен из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, второй - одиночная плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к предмету, третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности. В первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности вогнутоплоской линзы. Каждая двояковыпуклая линза выполнена симметричной. Показатель преломления четвертого компонента более 1,64 и менее 1,9 для линии е, показатель преломления двояковыпуклой линзы третьего компонента более 1,56 и менее 1,63 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента. Выполняется условие: 0,5f'<d₄<f', где: f' - фокусное расстояние объектива; d₄ - расстояние между первым и вторым компонентами. Технический результат - увеличение углового поля зрения и уменьшение габаритов при высоком качестве изображения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Светосильный объектив, состоящий из четырех компонентов, первый из которых по ходу лучей - положительный и выполнен из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, второй компонент - одиночная положительная линза, третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой и отрицательной линз, четвертый компонент - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск, 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, причем каждая двояковыпуклая линза в первом и третьем компонентах выполнена симметричной, отличающийся тем, что второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы, обращенной плоскостью к предмету, отрицательная линза третьего компонента выполнена двояковогнутой, показатель преломления четвертого компонента - положительного мениска более 1,64 и менее 1,9 для линии е, показатель преломления двояковыпуклой линзы третьего компонента более 1,56 и менее 1,63 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента, кроме того, имеет место условие:
0,5f'<d₄<f',
где f' - фокусное расстояние объектива;
d₄ - расстояние между первым и вторым компонентами.

2. Светосильный объектив по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления второго компонента - плосковыпуклой линзы более 1,5 и менее 1,87 для линии е.