СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2018 года по МПК G02B9/62 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС или КМОП матрицах в дневных и ночных условиях эксплуатации.

Известен светосильный объектив (патент RU 2386988 С1, опубл. 20.04.2010), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной перед первым компонентом, а первый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, второй компонент выполнен в виде двусклеенного мениска, состоящего из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(600…900) нм и имеет относительное отверстие 1:2 и поле зрения 4°.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:2, небольшое поле зрения, равное 4°, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(600…900) нм, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.

Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив (патент RU 241 1556 C1, опубл. 10.02.2011), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображений, а первый компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы, 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 склейки из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, а четвертый - в виде несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(486,1…656,3) нм и имеет относительное отверстие 1:1 и угловое поле зрения 10°.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:1, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486,1…656,3) нм, невысокое качество изображения на пространственных частотах 90…100 штр/мм с полихроматическими коэффициентами передачи модуляции на уровне ~ 0,2, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:0,85 с расширением спектрального рабочего диапазона до значений Δλ=(600…1000) нм и улучшение качества изображения на пространственных частотах 90…100 штр/мм с полихроматическими коэффициентами передачи модуляции на уровне не менее 0,4 в центре поля зрения и не менее 0,3 на краю поля зрения.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых состоит из положительной линзы, второй компонент - из положительной линзы, третий компонент - из отрицательного мениска, а четвертый - из отрицательной линзы, в отличие от известного, первый компонент состоит из двух линз, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза - в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй компонент содержит одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, третий компонент содержит две линзы, вторая из которых выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:

где F_OБ - фокусное расстояние объектива;

d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;

n_3-1 - показатель преломления первой линзы третьего компонента;

n₄ - показатель преломления линзы четвертого компонента.

Такой светосильный объектив обеспечивает более высокую светосилу объектива до значения 1:0,85 и расширенный спектральный рабочий диапазон до значений Δλ=(600…1000) нм с улучшением оптических характеристик.

Оптической схема светосильного объектива показана на фигуре 1.

Светосильный объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента. Перед первым компонентом расположена апертурная диафрагма 1, первый компонент выполнен в виде положительной линзы 2 и отрицательной линзы 3, второй компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы 4, третий компонент выполнен в виде отрицательной линзы 5 и положительной линзы 6, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска 7, после которого расположены защитное стекло 8 и фотоприемник 9.

Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 1.

Параметры такого варианта исполнения светосильного объектива:

- расчетная длина волны 0,8 мкм; - рабочий спектральный диапазон (0,6÷1,0) мкм; - фокусное расстояние 25,0 мм; - линейное поле зрения 4,5 мм; - угловое поле зрения ~10,2°; - относительное отверстие 1:0,85

Принцип действия оптической системы заключается в следующем.

Первый компонент I, выполненный в виде положительной линзы 2 и отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 3, обращенной выпуклостью к пространству изображений, в сочетании со вторым компонентом II, выполненным в виде одиночного положительного мениска 4, являются силовыми элементами, формирующими оптическую силу, близкую к оптической силе объектива, для чего необходимо выполнить следующее соотношение:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами.

Третий компонент III, выполненный в виде двух линз - отрицательного мениска 5 и положительного мениска 6, обращенного вогнутостью к пространству изображений, в сочетании с четвертым компонентом IV, выполненным в виде отрицательного мениска 7, обращенным вогнутостью к пространству изображений, являются коррекционными элементами, позволяющими обеспечить высокую степень коррекции сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра, а также исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких наклонных пучков, для чего необходимо выполнить следующее соотношение:

где n_3-1 - показатель преломления первой линзы третьего компонента;

n₄ - показатель преломления линзы четвертого компонента.

Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:

- толщину защитного стекла 8 фотоприемника, равную 0,75 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 0,8 на длине волны 0,6 мкм, 0,9 на длине волны 0,7 мкм, 1,0 на длине волны 0,8 мкм, 0,8 на длине волны 0,9 мкм и 0,4 на длине волны 1,0 мкм;

- пространственную частоту ~ 90 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 5,625 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик светосильного объектива:

- дифракционное качество КПК = 92,3% - для точки на оси КПК = 45,1% - для точки поля 1,5 мм от центра изображения КПК_М = 46,0% КПК_С = 43,4% - для точки поля 2,2 мм от центра изображения КПК_М = 31,4% КПК_С = 42,5%

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает хорошее качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу спектрального диапазона (0,6÷4,0) мкм с размером пикселя 5,625 мкм. Высокое значение относительного отверстия - 1:0,85 (у прототипа - 1:1), существенно расширяет диапазон возможного применения объектива, в частности позволяет использовать его для ночного видения в условиях низкой освещенности (сумерки и темное время суток).

Объектив может быть применен в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с ПЗС или КМОП матрицами. Объектив содержит четыре компонента. Первый компонент содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, обращенную выпуклостью к пространству изображений. Второй компонент - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений. Третий компонент содержит отрицательный мениск и положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений. Четвертый компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений. Апертурная диафрагма расположена перед первым компонентом. Воздушный промежуток между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию, приведенному в формуле изобретения. Технический результат - увеличение светосилы до значения 1:0,85 с расширением спектрального рабочего диапазона до значений Δλ=(600…1000) нм и улучшение качества изображения. 1 ил., 1 табл.

Светосильный объектив, содержащий последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых состоит из положительной линзы, второй компонент - из положительной линзы, третий компонент - из отрицательного мениска, а четвертый - из отрицательной линзы, отличающийся тем, что первый компонент состоит из двух линз, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза - в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй компонент содержит одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, третий компонент содержит две линзы, вторая из которых выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:

d_1-2=(0,8÷2,0)⋅F_0Б,

n_3-1=n₄≥2,0,

где F_0Б - фокусное расстояние объектива;

d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;

n_3-1 - показатель преломления первой линзы третьего компонента;

n₄ - показатель преломления линзы четвертого компонента.