СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2011 года по МПК G02B9/34 G02B13/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться в качестве объектива в цифровых наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС-матрице, в том числе в современных приборах ночного видения, фото- и видеокамерах, проекционных приборах.

Известен светосильный объектив, предназначенный для работы с приборами, в которых изображение формируется на ПЗС-матрице (см. патент Российской Федерации №2181207, G02B 13/14, 9/60, дата публикации - 10.04.2002), который включает расположенные последовательно на оптической оси четыре компонента, при этом первый компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, второй - положительный мениск, третий - отрицательный мениск, четвертый - склейка, включающая отрицательный мениск и симметричную двояковыпуклую линзу.

Известный объектив предназначен для работы с приборами, в которых изображение формируется на ПЗС-матрице с размерами в диапазоне 1/3"-1/2".

К недостаткам этого объектива можно отнести:

- низкое относительное отверстие (1:1,7);

- то, что в нем из пяти линз три выполнены в виде менисков, что делает стоимость объектива высокой.

Известен также светосильный объектив по патенту Российской Федерации №2308063 (G02B, 9/64, дата публикации - 10.10.2007), в котором повышение качества изображения достигается за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции и уменьшения дисторсии объектива. Объектив включает 9 компонентов, в том числе 6 менисков, что определяет его высокую стоимость.

Наиболее близким к заявляемому объективу по технической сущности (прототипом) является светосильный объектив по упомянутому выше патенту Российской Федерации №2181207.

Задачей изобретения является повышение относительного отверстия с одновременным упрощением конструкции светосильного объектива и расширением типоразмеров ПЗС-матриц, в которых с помощью этого объектива может быть сформировано изображение высокого качества.

Поставленная задача достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых выполнен в виде одиночной положительной линзы, еще один из компонентов выполнен в виде склейки, состоящей из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, обращенной к пространству изображения, одиночная положительная линза первого компонента выполнена плосковыпуклой и обращена к пространству изображения плоской поверхностью, второй компонент выполнен в виде склейки из положительной несимметричной двояковыпуклой линзы, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и отрицательной несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения, третий компонент выполнен в виде упомянутой склейки из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, причем последняя выполнена несимметричной и обращена к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, а четвертый - в виде несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, при этом апертурная диафрагма расположена на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображения.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого светосильного объектива;

на фиг.2 приведен график частотно-контрастной характеристики объектива;

на фиг.3 приведен график поперечной сферической аберрации;

на фиг.4 приведен график продольной сферической аберрации широких наклонных пучков меридионального (М) и сагиттального (S) сечений в пределах угла поля зрения 2w=10°;

на фиг.5 приведен график относительной дисторсии.

Светосильный объектив (фиг.1) содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента. Первый компонент выполнен в виде одиночной плосковыпуклой положительной линзы 1, которая обращена к пространству изображения плоской поверхностью. Второй компонент выполнен в виде склейки из положительной несимметричной двояковыпуклой линзы 2, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и отрицательной несимметричной двояковогнутой линзы 3, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения. Третий компонент выполнен в виде склейки из отрицательного мениска 4 и двояковыпуклой линзы 5, причем последняя выполнена несимметричной и обращена к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Четвертый компонент выполнен в виде несимметричной двояковогнутой линзы 6, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны.

В качестве конкретного примера реализации изобретения рассчитан объектив, для фокусного расстояния f=50 мм и входной апертуры D=50 мм, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 Поверхнось Тип Радиус Толщина Стекло Диаметр OBJ STANDARD бескон бескон     1 STANDARD 54,2 9 СТК12 52 2 STANDARD бескон 0.3   52 3 STANDARD 36.73 12 KF6 45 4 STANDARD -127.35 5 TF12 45 STO STANDARD 53.44 27.43   33.7 6 STANDARD 32.58 3 LF7 17 7 STANDARD 9.772 6 СТК7 15 8 STANDARD -50.58 2.47   15 9 STANDARD -19,543 3 BF7 12 10 STANDARD 47.1 3   12 IMA STANDARD бескон     8.8

Фокальные отрезки элементов линз для λ=587.6 нм даны в таблице 2.

Таблица 2 # f fs sf 1-2 78.322 -78.322 73.003 3-4 58.374 -56.539 52.012 4-5 -47,367 49.316 -48.185 6-7 -25.355 28.207 -24.499 7-8 12.424 -11.824 9.317 9-10 -23.443 23.991 -24.764

В таблицах 3, 4 приведены фокальные отрезки склеенных линз и фокальные отрезки объектива, соответственно.

Таблица 3 # f fs sf 3-5 -1025.655 1207.455 -880.441 6-8 24.851 -22.510 21.495

Таблица 4 # f sf 1-10 49.998 3.008

Предлагаемый объектив рассчитан для работы в видимом диапазоне длин волн λ=486.1,…587.6…656,3 нм и имеет относительное отверстие 1:1. Угловое поле зрения объектива составляет 2w=10°.

На фиг.2-5 кривые представлены для трех длин волн: 486.1 нм, 587.6 нм и 656.3 нм.

Как видно из фиг.2, полихроматические коэффициенты передачи модуляции для пространственной частоты N=50 мм^-1 в точке на оси у'=0 и для края поля зрения 2w=10° составляет не менее 0.4, а для пространственной частоты N=100 мм^-1 - не менее 0.2, что позволяет получать на приемнике изображения объектов малого контраста.

График частотно-контрастной характеристики объектива на фиг.2, а также графики аберраций, приведенные на фиг.3 и 4, подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения (высокую разрешающую способность), что позволяет получить изображения объектов с малым контрастом.

Графики относительной дисторсии, приведенные на фиг.5, подтверждают уменьшение дисторсии по сравнению с прототипом.

Таким образом, по отношению к прототипу светосильный объектив согласно данному изобретению имеет высокое относительное отверстие, простую конструкцию, обусловленную малым количеством компонентов и наличием всего одной линзы в форме менисков и, как следствие, низкую стоимость.

При этом объектив обладает высокой разрешающей способностью, что является существенным фактором при применении его с современными ПЗС-матрицами, минимальный размер пикселя которых <10 um, имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения объектива, которое составляет 2w=10°. Этот угол является достаточным для того, чтобы использовать его с приемниками на основе стандартных ПЗС-матриц 1/4", 1/2", 3/4".

Наиболее важной характеристикой предлагаемого объектива является высокое значение относительного отверстия (светосилы) - 1:1 (у прототипа - 1:1,7), что существенно расширяет диапазон возможного применения объектива, в частности позволяет использовать его в приборах ночного видения, предназначенных для работы в условиях низкой освещенности (сумерки и темное время суток).

Объектив работает следующим образом. Параллельный пучок света с углом поля зрения 2w=10° от предмета, расположенного на большом расстоянии от первого элемента, попадает на первую поверхность первого компонента объектива и, преломившись через поверхности линз, фокусируется в плоскости изображения.

Объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента. Первый компонент - одиночная плосковыпуклая линза, обращенная к пространству изображения плоской поверхностью. Второй - склейка из двояковыпуклой линзы, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и двояковогнутой линзы, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения. Третий - склейка из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, которая обращена к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Четвертый - двояковогнутая линза, обращенная к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Апертурная диафрагма расположена на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображения. Технический результат - повышение относительного отверстия с одновременным упрощением конструкции и расширением используемых типоразмеров ПЗС-матриц. 5 ил., 4 табл.

Светосильный объектив, содержащий последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых выполнен в виде одиночной положительной линзы, еще один из компонентов выполнен в виде склейки, состоящей из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, отличающийся тем, что одиночная положительная линза первого компонента выполнена плосковыпуклой и обращена к пространству изображения плоской поверхностью, второй компонент выполнен в виде склейки из положительной несимметричной двояковыпуклой линзы, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и отрицательной несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения, третий компонент выполнен в виде упомянутой склейки из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, причем последняя выполнена несимметричной и обращена к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, а четвертый - в виде несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, при этом апертурная диафрагма расположена на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображения.