ПЛАСТМАССОВО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ АПОХРОМАТ Российский патент 2012 года по МПК G02B9/60 G02B13/14 G02B5/32 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может использоваться как объектив цифровых фотоаппаратов мобильных телефонов или массовых видеокамер наблюдения, работающих в режиме «день-ночь», т.е. в спектральном интервале, охватывающем видимый и ближний ИК-диапазоны.

В ряде патентов, например SU 1151905 (А1) (СССР, опубл. 23.04.1985), RU 2244330 (С2) (Российская Федерация, опубл. 10.01.2005), с целью коррекции хроматических аберраций и улучшения качества изображения на одну из поверхностей объектива нанесен голограммный оптический элемент, однако его параметры и взаимосвязи с параметрами других элементов объектива неприемлемы для случая объективов данного класса.

Известны пятикомпонентные объективы, описанные, например, в патентах JP 2000193884 (А) (Япония, опубл. 14.07.2000), JP 2001100092 (А) (Япония, опубл. 13.04.2001), US 2006024038 (А1) (США, опубл. 2.02.2006). К недостаткам указанных объективов можно отнести узкий спектральный диапазон, небольшое относительное отверстие, довольно большую длину и неудовлетворительное качество изображения.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является объектив по патенту US 2006056068 (А1) (США, опубл. 16.03.2006), принятый авторами за прототип.

Данный пятикомпонентный объектив, работающий в видимом спектральном диапазоне (от λ_F=0,486 мкм до λ_C=0, 656 мкм), все элементы которого выполнены из пластика и имеют асферические поверхности, при относительном отверстии 1:2.8, фокусном расстоянии f'=5,98 мм и угловом поле в пространстве предметов 2ω=55,99° обеспечивает разрешение 100 мм^-1 при контрасте T≥0,4. Общая длина системы (от первого компонента до плоскости изображения) составляет l=8,0 мм.

Задачей изобретения является создание объектива, работающего в расширенном спектральном диапазоне от λ_min=0,4 мкм до λ_max=0,9 мкм и формирующего высококачественное изображение по всему полю, с увеличенным относительным отверстием до 1:2,4, угловым полем в пространстве предметов до 2ω=60° и уменьшенной общей длиной системы до l≤5 мм.

Для решения поставленной задачи предложен пластмассово-линзовый объектив апохромат, содержащий пять компонентов (Фиг.1), первый из них выполнен в виде двояковыпуклой линзы, обращенной меньшей выпуклостью к предмету, второй компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесен голограммный оптический элемент оптической силы 0,005-0,015 оптической силы объектива, и двояковыпуклой линзы, обращенной большей выпуклостью к предмету, третий и четвертый положительные компоненты представляют собой асферические мениски, обращенные выпуклостями к предмету, пятым компонентом является плоскопараллельная пластинка.

Первый, третий и четвертый компоненты объектива выполнены из полиметилметакрилата, отрицательный мениск второго компонента выполнен из поликарбоната, а двояковыпуклая линза из полиметилметакрилата.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что существенное улучшение качества изображения достигается путем замены второго компонента прототипа, выполненного в виде двояковогнутой линзы, на компонент, состоящий из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесен голограммный оптический элемент, и двояковыпуклой линзы, обращенной большей выпуклостью к предмету. Данный компонент так же, как и компонент прототипа, имеет отрицательную оптическую силу. При этом характеристическое уравнение голограммного элемента имеет вид

где A_i - коэффициенты; r - высота на поверхности голограммного оптического элемента, причем коэффициент А₁ пропорционален оптической силе голограммного оптического элемента, а коэффициенты А₂, А₃, …, А₆ пропорциональны соответствующим коэффициентам сферической аберрации компонентов объектива.

Таким образом, в заявляемом пластмассово-линзовом объективе апохромате достигнут поставленный ранее технический результат - получено комплексное исправление монохроматических и хроматических аберраций осевого и внеосевого пучков, что приводит к существенному повышению качества изображения по всему полю.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

- Фиг 1. Принципиальная оптическая схема пластмассово-линзового объектива

- Фиг 2. Продольный хроматизм

- Фиг 3. Дисторсия

- Фиг 4. Полихроматическая частотно-контрастная характеристика объектива

А также таблицами 1-2, в которых представлены конструктивные параметры примера конкретного исполнения. Данные таблицы представлены в формате программы оптического моделирования ZEMAX.

В качестве примера конкретного исполнения предлагается пластмассово-линзовый объектив апохромат с задним фокусным расстоянием f≈3,7 мм; относительным отверстием 1:2,4; угловым полем в пространстве предметов 2ω=60°.

Технические характеристики:

Фокусное расстояние f≈3,7 мм.

Относительное отверстие 1:2,4.

Угловое поле в пространстве предметов 2ω=60°.

Задний фокальный отрезок .

Общая длина системы l=4,84 мм.

Работает объектив следующим образом: световые пучки, исходящие от предмета, расположенного на бесконечности, последовательно проходят компоненты 1-5 оптической системы и формируют изображение в плоскости наилучшей установки, совпадающей с плоскостью параксиального изображения.

Полученный дисторсирующий план-апохромат при относительном отверстии 1:2,4 обеспечивает разрешение 115 мм^-1 при контрасте не ниже 0,5 в пределах полевого угла 2ω≤60°. Остаточный хроматизм положения в диапазоне от λ_min=0,4 мкм до λ_max=0,9 мкм не превышает 5,2 мкм, а модуль дисторсии - меньше 1%.

Изобретение может использоваться как объектив цифровых фотоаппаратов мобильных телефонов или массовых видеокамер наблюдения, работающих в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Объектив содержит пять компонентов, первый из них выполнен в виде двояковыпуклой линзы, второй состоит из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесен голограммный оптический элемент оптической силы 0,005-0,015 оптической силы объектива, и двояковыпуклой линзы, обращенной большей выпуклостью к предмету, третий и четвертый компоненты представляют собой асферические положительные мениски, обращенные выпуклостями к предмету, пятым компонентом является плоскопараллельная пластинка. Технический результат - существенное повышение качества изображения в спектральном диапазоне от λ_min=0,4 мкм до λ_max=0,9 мкм, увеличение относительного отверстия и уменьшение общей длины объектива. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Объектив, содержащий пять компонентов, первый из них выполнен в виде двояковыпуклой линзы, второй компонент отрицательный, третий и четвертый положительные компоненты, представляющие собой асферические мениски, обращенные выпуклостями к предмету, пятым компонентом является плоскопараллельная пластинка, отличающийся тем, что второй компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесен голограммный оптический элемент оптической силы 0,005-0,015 оптической силы объектива, и двояковыпуклой линзы, обращенной большей выпуклостью к предмету, при этом характеристическое уравнение голограммного элемента имеет вид

где A_i - коэффициенты; r - высота на поверхности голограммного оптического элемента, причем коэффициент A₁ пропорционален оптической силе голограммного оптического элемента, а коэффициенты A₂, A₃, …, A₆ пропорциональны соответствующим коэффициентам сферической аберрации компонентов объектива.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что первый, третий и четвертый компоненты выполнены из полиметилметакрилата.

3. Объектив по п.1 или 2, отличающийся тем, что отрицательный мениск второго компонента выполнен из поликарбоната, а двояковыпуклая линза из полиметилметакрилата.