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

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических системах, например в визуальных и в ИК-системах.

Известен четырехлинзовый фотографический телеобъектив (патент Швейцарии №339753, НКИ 42 Н, 4/10, публ. 1959 г., фиг.5), содержащий два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных линз - двояковыпуклой и двояковогнутой, и положительного одиночного мениска, обращенного выпуклостью к предмету; а второй компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету. Данный объектив имеет фокусное расстояние 135 мм и относительное отверстие 1:4.

Однако этот телеобъектив, пересчитанный на фокусное расстояние 220 мм при относительном отверстии 1:5,5 и угловом поле в пространстве предметов 2W=2,6 град., имеет недостаточное качество изображения (так, например, для длины волны 546 нм поперечная аберрация для точки на оси составляет 0,0122 мм, а для края углового поля поперечная аберрация в меридиональном сечении составляет 0,0236 мм, а в сагиттальном сечении 0,0122 мм, меридиональный астигматический отрезок составляет 0,178 мм, а сагиттальный астигматический отрезок составляет 0,053 мм).

Наиболее близким аналогом к заявляемым техническим решениям является объектив (патент РФ №2239212, G02B 9/12, публ. 2004 г.), содержащий три компонента, первый из которых по ходу лучей - двухлинзовый, склеенный из двояковыпуклой и плосковогнутой линз, причем плоскость обращена к изображению, второй и третий компоненты - положительный и отрицательный мениски, обращенные выпуклостью к предмету и имеют место соотношения:

;

;

0,45<R₄/R₅<0,6;

n₁=1,615506;

n₂=1,723166;

n₃=1,615506;

n₄=1,518294;

ν_i=60,34;

ν₂=29,29;

ν₃=60,34;

ν₄=63,83;

,

где: R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей по ходу лучей;

n₁, n₂, n₃, n₄ - показатели преломления материала для линии е первой, второй, третьей и четвертой линз по ходу лучей;

ν₁, ν₂, ν₃, ν₄ - коэффициенты дисперсии материала для линии е первой, второй, третьей и четвертой линз по ходу лучей;

d - толщина отрицательного мениска;

f^' - фокусное расстояние всего объектива для линии е.

Однако этот объектив, пересчитанный на фокусное расстояние 220 мм при относительном отверстии 1:5,5 и угловом поле в пространстве предметов 2W=2,6 град., имеет недостаточное качество изображения (так, например, для длины волны 546 нм поперечная аберрация для точки на оси составляет 0,0006 мм, а для края углового поля поперечная аберрация в меридиональном сечении составляет 0,0165 мм, а в сагиттальном сечении 0,00164 мм, меридиональный астигматический отрезок составляет 0,065 мм, а сагиттальный астигматический отрезок составляет 0,015 мм). Коэффициенты передачи модуляции для данного объектива для приведенных выше фокусного расстояния, относительного отверстия и углового поля также недостаточны, что свидетельствует и о соответствующем недостаточном качестве изображения (так, например, полихроматический коэффициент передачи модуляции для пространственной частоты 120 мм^-1 в спектральном диапазоне от 435 нм до 656 нм при весовых коэффициентах по длинам волн, равных единице, составляет для точки на оси 0,231; а для углового поля W=1,3 град. в худшем сечении составляет 0,103.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик объектива.

Технический результат - повышение качества изображения.

Это достигается тем, что в четырехлинзовом объективе, содержащем три компонента, первый из которых по ходу лучей - двухлинзовый, состоящий из двояковыпуклой и плосковогнутой линз, причем плоскость обращена к изображению, второй компонент - одиночная положительная линза с одной выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, третий компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и отношение радиуса первой оптической поверхности по ходу лучей двояковыпуклой линзы из первого компонента к радиусу ее второй поверхности по модулю более 0,9 и менее 1,8; в отличие от известного, в первом компоненте обе линзы одиночные, а радиус второй оптической поверхности по ходу лучей двояковыпуклой линзы из первого компонента по модулю больше радиуса первой оптической поверхности плосковогнутой линзы, радиус первой оптической поверхности по ходу лучей плосковогнутой линзы из первого компонента по модулю больше радиуса первой оптической поверхности второго компонента, кроме того,

1,4<n₁<1,6;

1,47<n₂<1,6;

1,4<n₃<1,6;

63<ν₁<95;

60<ν₂<71;

63<ν₃<95;

,

где: n₁, n₂, n₃, - показатели преломления материала для линии е первой, второй и третьей линз по ходу лучей;

ν₁, ν₂, ν₃, - коэффициенты дисперсии материала для линии е первой, второй и третьей линз по ходу лучей;

d - толщина отрицательного мениска;

- фокусное расстояние всего объектива для линии е.

При этом второй компонент может быть выполнен в виде выпукло-плоской линзы и выполнены соотношения;

1,63<n₄<1,68;

46<ν₄<58,

где n₄, ν₄ - показатель преломления и коэффициент дисперсии материала для линии е четвертой линзы по ходу лучей;

Кроме того, второй компонент может быть выполнен в виде положительного мениска, у которого отношение радиуса первой оптической поверхности по ходу лучей к радиусу его второй оптической поверхности более 0,2 и менее 0,45.

На фиг.1 представлена оптическая схема предложенного объектива с выпукло-плоской линзой во втором компоненте, на фиг.2 - с мениском.

Четырехлинзовый объектив (фиг.1) состоит из четырех последовательно расположенных по ходу лучей от предмета одиночных линз, первая из которых - двояковыпуклая линза 1, вторая - плосковогнутая, обращенная плоскостью к изображению линза 2, третья - выпукло-плоская линза 3, обращенная плоскостью к изображению, во втором варианте исполнения (фиг.2) - положительный мениск 5, обращенный выпуклостью к предмету; четвертая - отрицательный мениск 4, обращенный выпуклостью к предмету. За отрицательным мениском 4 могут находиться одна или несколько призм и (или) плоскопараллельных пластин. При этом апертурная диафрагма расположена на расстоянии 0,1 мм за линзой 3, но может находиться и в другом месте.

Во втором варианте исполнения на фиг.2 третья линза выполнена в виде положительного мениска 5, обращенного выпуклостью к предмету. При этом апертурная диафрагма расположена на расстоянии 0,1 мм за линзой 5, но может находиться и в другом месте.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив, то есть световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4 (во втором случае 1, 2, 5, 4) и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).

В соответствии с предложенным решением рассчитаны объективы по обоим вариантам исполнения, исправленные в спектральном диапазоне от 435 нм до 656 нм. Основная расчетная длина волны 546 нм (линия е).

Конструктивные параметры объектива по первому варианту исполнения приведены в табл.1.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние 220,14 мм относительное отверстие 1:5,5 угловое поле в пространстве предметов 2,6 град. задний фокальный отрезок 63,43 мм задний фокальный отрезок   без плоскопараллельной пластины 156,47 мм

Для данного объектива отношение радиуса первой оптической поверхности по ходу лучей двояковыпуклой линзы из первого компонента к радиусу ее второй поверхности по модулю равно 1,4456.

Таблица 1 Радиусы, мм Толщины, мм Марка стекла Показатель преломления n_e Коэфф. дисперсии ν_e Световой диаметр, мм R₁=143,56         40   d₁=8 OK4 1,4485 91,53   R₂=-99,306         39,8   d₂=0,9   1     R₃=-87,324         39,6   d₃=4 K8 1,518294 63,83   R₄=∞         39,5   d₄=0,85   1     R₅=66,83         39,4   d₅=7 OK4 1,4485 91,53   R₆=∞         38,6   d₆=23   1     R₇=64,712         31,2   d₇=3 ТК21 1,659961 50,81   R₈=41,6         29,8   d₈=20   1     R₉=∞         27,6   d₉=112,64 БК6 1,542136 59,38   R₁₀=∞         18,2

Выполнены соотношения:

n₁=1,4485;

n₂=1,518294;

n₃=1,4485;

n₄=1,659961;

ν₁=91,53;

ν₂=63,83;

ν₃=91,53;

ν₄=50,81;

.

Конструктивные параметры объектива по второму варианту исполнения приведены в табл.2.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние 220,34 мм относительное отверстие 1:5,5 угловое поле в пространстве предметов 2,6 град. задний фокальный отрезок 62,94 мм задний фокальный отрезок   без плоскопараллельной пластины 159,28 мм

Для данного объектива отношение радиуса первой оптической поверхности по ходу лучей двояковыпуклой линзы из первого компонента к радиусу ее второй поверхности по модулю равно 1. Отношение радиуса первой оптической поверхности по ходу лучей второго компонента к радиусу его второй оптической поверхности равно 0,3542. Выполнены соотношения:

n₁=1,4485;

n₂=1,518294;

n₃=1,4485;

ν₁=91,53;

ν₂=63,83;

ν₃=91,53;

.

Таблица 2 Радиусы, мм Толщины, мм Марка
стекла Показатель
преломления n_e Коэфф.
дисперсии ν_e Световой диаметр, мм R₁=74,818         40   d₄=7,85 OK4 1,4485 91,53   R₂=-74,718         39,7   d₂=4,6   1     R₃=-64,428         37,6   d₃=3 K8 1,518294 63,83   R₄=∞         37,1   d₄=0,5   1     R₅=35,319         36,4   d₅=7 OK4 1,4485 91,53   R₆=99,772         34,8   d₆=5,5   1     R₇=68,554         31,2   d₇=3 K8 1,518294 63,83   R₈=27,983         29,4   d₈=23,3   1     R₉=∞         27   d₉=112,64 БК6 1,542136 59,38   R₁₀=∞         17,9

В табл.3 приведены аберрации для длины волны 546 нм рассчитанных вариантов объективов в сравнении с ближайшим аналогом.

В табл.4 приведены полихроматические коэффициенты передачи модуляции для пространственной частоты 120 мм^-1 для спектрального диапазона от 435 нм до 656 нм, рассчитанные при весовых коэффициентах по длинам волн, равным единице рассчитанных вариантов объективов в сравнении с ближайшим аналогом. Объектив - ближайший аналог пересчитан на фокусное расстояние 220 мм при относительном отверстии 1:5,5.

Таблица 3 Вид аберрации Ближайший аналог Предложенный объектив по первому варианту, (не более) Предложенный объектив по второму варианту, (не более) Поперечная сферическая аберрация для точки на оси -0,0006 мм -0,0029 мм -0,0029 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для углового поля в пространстве предметов 2W'=2,6 град. -0,0165 мм -0,01 мм -0,004 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для углового поля в пространстве предметов 2W'=2,6 град. -0,00164 мм -0,0046 мм -0,00365 мм Меридиональный астигматический отрезок Х'_м для углового поля в пространстве предметов 2W'=2,6 град. - 0,065 мм -0,0159 мм -0,00857 мм Сагиттальный астигматический отрезок X'_s для углового поля в пространстве предметов 2W'=2,6 град. - 0,015 мм -0,0268 мм - 0,0147 мм Дисторсия для углового поля в пространстве предметов 2W'=2,6 град. 0,075% 0,019% 0,022%

Таблица 4 Угловые точки поля в пространстве предметов Коэффициенты передачи модуляции Ближайший аналог Предложенный объектив по первому варианту Предложенный объектив по второму варианту Центр W=0 град. 0,231 0,521 0,526 Наклонный пучок W=1,3 град. 0,103 0,475 0,513

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан четырехлинзовый объектив с повышенным качеством изображения.

Изобретение может быть использовано, например, в визуальных и ИК-системах. Объектив содержит четыре одиночных линзы. Первая линза - двояковыпуклая, вторая - плосковогнутая, обращенная плоскостью к изображению, третья - выпукло-плоская, обращенная плоскостью к изображению, или положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, четвертая - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. За отрицательным мениском могут находиться одна или несколько призм и(или) плоскопараллельных пластин. Для радиусов оптических поверхностей, показателей преломления и коэффициентов дисперсии оптических материалов линз, толщины отрицательного мениска и фокусного расстояния объектива выполняются соотношения, приведенные в формуле изобретения. Технический результат - повышение качества изображения, в частности, полихроматических коэффициентов передачи модуляции. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

1. Четырехлинзовый объектив, содержащий три компонента, первый из которых по ходу лучей - двухлинзовый, состоящий из двояковыпуклой и плосковогнутой линз, причем плоскость обращена к изображению, второй компонент - одиночная положительная линза с одной выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, третий компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и отношение радиуса первой оптической поверхности по ходу лучей двояковыпуклой линзы из первого компонента к радиусу ее второй поверхности по модулю более 0,9 и менее 1,8, отличающийся тем, что в первом компоненте обе линзы одиночные, а радиус второй оптической поверхности по ходу лучей двояковыпуклой линзы из первого компонента по модулю больше радиуса первой оптической поверхности плосковогнутой линзы, радиус первой оптической поверхности по ходу лучей плосковогнутой линзы из первого компонента по модулю больше радиуса первой оптической поверхности второго компонента, кроме того,
1,4<n₁<1,6,
1,47<n₂<1,6,
1,4<n₃<1,6,
63<ν₁<95,
60<ν₂<71,
63<ν₃<95,
0,005<d/f'<0,1,
где n₁, n₂, n₃, - показатели преломления материала для линии е первой, второй и третьей линз по ходу лучей;
ν₁, ν₂, ν₃, - коэффициенты дисперсии материала для линии е первой, второй и третьей линз по ходу лучей;
d - толщина отрицательного мениска;
f' - фокусное расстояние всего объектива для линии е.

2. Четырехлинзовый объектив по п.1, отличающийся тем, что второй компонент выполнен в виде выпукло-плоской линзы и имеют место соотношения:
1,63<n₄<1,68,
46<ν₄<58,
где n₄, ν₄ - показатель преломления и коэффициент дисперсий материала для линии е четвертой линзы по ходу лучей.

3. Четырехлинзовый объектив по п.1, отличающийся тем, что второй компонент выполнен в виде положительного мениска, у которого отношение радиуса первой оптической поверхности по ходу лучей к радиусу его второй оптической поверхности более 0,2 и менее 0,45.