СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2019 года по МПК G02B9/34 G02B9/60 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к цифровым прицелам и приборам наблюдения с формированием изображения на ПЗС или КМОП матрицах в разнообразных условиях эксплуатации днем и ночью.

Известен светосильный объектив (патент RU 2386988 C1, опубл. 20.04.2010), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной перед первым компонентом, при этом первый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а второй компонент выполнен в виде двусклеенного мениска, состоящего из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(600…900) нм, 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 2411556 С1, опубл. 10.02.2011), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображений, при этом 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 н 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, имеет относительное отверстие 1:1 и угловое поле зрения 10°.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:1, узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486,1…656,3) нм, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:0,9 с расширением спектрального рабочего диапазона до значений Δλ=(600…1000) нм и исключение склеенных компонентов с сохранением качества изображения.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых содержит положительную линзу, второй компонент содержит положительную линзу, третий компонент содержит положительную линзу, а четвертый - отрицательную линзу, в отличие от известного, первый компонент содержит две линзы, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза выполнена в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй и третий компоненты представляют собой одиночные положительные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

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

d_2-3 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами.

Такой светосильный объектив обеспечивает более высокую светосилу объектива до значения 1:0,9 и расширенный спектральный рабочий диапазон до значений Δλ=(600…1000) нм с отсутствием склеенных компонентов и с сохранением качества изображения.

Оптическая схема светосильного объектива показана на фигуре 1.

График частотно-контрастной характеристики объектива показан на фигуре 2.

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 одиночной положительной линзы 5, четвертый компонент выполнен в виде отрицательной линзы 6, после которого расположены защитное стекло 7 и фотоприемник 8.

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 35,0 мм; - линейное поле зрения 4,5 мм; - угловое поле зрения ~ 7,3°; - относительное отверстие 1:0,9

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, при этом должно выполняться следующее соотношение:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

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

Третий компонент III, выполненный в виде положительного мениска 5, обращенного вогнутостью к пространству изображений, в сочетании с четвертым компонентом IV, выполненным в виде отрицательной линзы 6, 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 обеспечить следующее соотношение:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

d_2-3 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами.

Как видно из фигуры 2, полихроматические коэффициенты передачи модуляции составляют для пространственной частоты N=50 штр/мм в точке на оси y'=0: ~ порядка 0,5 (~ 0,4 у прототипа); для края поля зрения 2w=6° не менее 0,36 и 0,23 (для меридионального и сагиттального пучка соответственно), а для пространственной частоты N=100 штр/мм в точке на оси у'=0: ~ порядка 0,26 (~ 0,1 у прототипа); для края поля зрения 2w=6° менее 0,06 и 0,15 (для меридионального и сагиттального пучка соответственно), что позволяет получать на фотоприемниках формата 1/4" изображения объектов малого контраста.

Графики частотно-контрастной характеристики объектива на фиг. 2 подтверждают, что объектив сохраняет хорошее качество изображения (высокую разрешающую способность) по сравнению с прототипом.

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу спектрального диапазона (0,6÷1,0) мкм с размерами пикселя от 5 до 10 мкм.

Высокое значение относительного отверстия - 1:0,9 (у прототипа -1:1), существенно расширяет диапазон возможного применения объектива, позволяя использовать его для ночного видения в условиях низкой освещенности (в сумерки и в темное время суток).

Объектив может быть применен в цифровых прицелах и приборах наблюдения с ПЗС или КМОП матрицах в разнообразных условиях эксплуатации днем и ночью. Первый компонент содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, обращенную выпуклостью к пространству изображений. второй и третий компоненты - одиночные положительные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений. Четвертый - отрицательная линза. Апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента. Выполняются соотношения: d_1-2=(0,4÷1,5)⋅F_ОБ, d_2-3=(0,2÷1,0)⋅d_1-2, где F_ОБ - фокусное расстояние объектива; d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами; d_2-3 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами. Технический результат - повышение светосилы объектива до значения 1:0,9 и расширение рабочего спектрального диапазона до значений Δλ=(600…1000) нм при отсутствии склеенных компонентов и с сохранением качества изображения. 2 ил., 1 табл.

Светосильный объектив, содержащий последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых содержит положительную линзу, второй компонент содержит положительную линзу, третий компонент содержит положительную линзу, а четвертый - отрицательную линзу, и отличающийся тем, что первый компонент содержит две линзы, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза выполнена в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй и третий компоненты представляют собой одиночные положительные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

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

d_2-3 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами.