Светосильный объектив Российский патент 2020 года по МПК G02B9/34 G02B13/18 

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

Известен объектив для видимой и ближней ИК области спектра (патент RU 2421764 С1, опубл. 20.06.2011), содержащий установленные последовательно на оптической оси пять линз, сгруппированных в три компонента, первый из которых содержит три оптических элемента -положительную двояковыпуклую линзу, положительный мениск и отрицательную двояковогнутую линзу, второй компонент выполнен в виде несимметричной двояковыпуклой линзы, третий компонент выполнен в виде отрицательной плосковогнутой линзы. Апертурная диафрагма расположена на второй поверхности третьего элемента первого компонента, обеспечивается относительное отверстие 1:1,6 и угловое поле в пространстве предметов 13° при одновременном хорошем качестве изображения точки на оси и по полю в спектральном диапазоне орт 486 до 852 нм, коэффициент передачи модуляции на частотах до 100 штр/мм составляет не менее 10%.

Недостатком этого объектива для видимой и ближней ИК области спектра является невысокая светосила, равная 1:1,6, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486÷852) нм, а также низкий коэффициент передачи модуляции, что не позволяет применять его для цифровых приборов на базе ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.

Известен объектив для ИК области спектра (патент RU 2175774, опубл. 10.11.2001), содержащий пять линз, сгруппированных в два компонента, первый из которых состоит из положительной линзы и двухсклеенного мениска, состоящего из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а второй компонент содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и положительную линзу. Первая линза в первом компоненте выполнена двояковыпуклой, а вторая линза во втором компоненте - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету. В объективе обеспечивается относительное отверстие 1:1,8 и угловое поле в пространстве предметов 5° при хорошем качестве изображения в спектральном диапазоне от 0,66 до 0,92 мкм.

Недостатком этого объектива для ИК области спектра является невысокая светосила (равная 1:1,8) и сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(0,66÷0,92) мкм, а также низкий коэффициент передачи модуляции, также не позволяющий применять его для цифровых приборов на базе ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.

Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив (патент RU 2181208, опубл. 10.04.2002), содержащий пять линз, первая из которых - двояковыпуклая линза, вторая - отрицательная линза, выполненная в виде вогнутоплоской линзы, третья - двояковыпуклая линза, вторая поверхность которой асферическая, четвертая - двояковыпуклая линза, а пятая - двояковогнутая линза. Апертурная диафрагма расположена между второй и третьей линзами. В объективе обеспечивается относительное отверстие 1:1,6 и угловое поле в пространстве предметов 38° при хорошем качестве изображения в спектральном диапазоне от 0,6 до 1,0 мкм, коэффициент передачи модуляции на частотах до 100 штр/мм находится на уровне 10÷15%.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:1,6, а также сравнительно низкий коэффициент передачи модуляции, на пространственной частоте более 100 штр/мм, что не позволяет применять его для цифровых приборов на базе мегапиксельных ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:1 и обеспечение качества изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем апертурную диафрагму и пять линз, сгруппированных в два компонента, первый из которых содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную линзу, второй - двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, в отличие от известного, отрицательная линза первого компонента является выпукловогнутой, обращенной вогнутостью к предмету, двояковыпуклая и двояковогнутая линзы второго компонента являются склейкой, а апертурная диафрагма расположена на второй поверхности отрицательной линзы первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:

1,5<|F₂/F_ОБ|<2,5,

1,2<|F₃/F_ОБ|<1.9,

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

F₂ - фокусное расстояние второй линзы первого компонента;

F₃ - фокусное расстояние первой линзы второго компонента.

Такой светосильный объектив обеспечивает повышение светосилы объектива до значения 1:1 и более высокое качество изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм.

Оптической схема светосильного объектива показана на фигуре 1.

Светосильный объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси два компонента I и II. Первый компонент I содержит положительную двояковыпуклую линзу 1 и отрицательную линзу 2, апертурная диафрагма 3 расположена на второй поверхности линзы 2 компонента I, второй компонент II содержит положительную двояковыпуклую линзу 4, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклую линзу 5 и двояковогнутую линзу 6, склеенные между собой, защитное стекло фотоприемника 7 и фотоприемник 8.

Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 1.

Параметры варианта исполнения светосильного объектива:

- расчетная длина волны 0,7 мкм; - рабочий спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм; - фокусное расстояние 18,0 мм; - линейное поле зрения 6,0 мм; - угловое поле зрения ~18,9°; - относительное отверстие 1:1

Принцип действия светосильного объектива заключается в следующем.

Первый компонент I, выполненный из положительной двояковыпуклой линзы 1 и выпукловогнутой линзы 2, обращенной вогнутостью к предмету, является силовым элементом, формирующим небольшую оптическую силу, и обеспечивает частичную коррекцию сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра. Второй компонент II, выполненный в виде положительной двояковыпуклой линзы 4, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклой линзы 5 и двояковогнутой линзы 6, склеенных между собой, является силовым и коррекционным элементом, позволяющим исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких пучков. Расположение апертурной диафрагмы 3 на второй поверхности линзы 2 первого компонента I позволяет избежать виньетирования наклонных пучков. В светосильном объективе необходимо выполнить следующие соотношения:

1,5<|F₂/F_ОБ|<2,5,

1,2<|F₃/F_ОБ|<1,9,

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

F₂ - фокусное расстояние второй линзы первого компонента;

F₃ - фокусное расстояние первой линзы второго компонента.

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

- толщину защитного стекла 7 фотоприемника 8, равную 0,75 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника 8 и светопропускания объектива - 1,0 на длине волны 0,5 мкм, 0,9 на длине волны 0,6 мкм, 0,6 на длине волны 0,7 мкм, 0,4 на длине волны 0,8 мкм и 0,2 на длине волны 0,9 мкм;

- пространственную частоту ~130 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника 6 формата 1280×960 пикселей с размером пикселя, равным 3,75 мкм),

получаем следующие расчетные значения качественных характеристик светосильного объектива:

- дифракционное качество КПК = 89,3% - для точки на оси КПК = 43,0% - для точки поля 1,8 мм от центра изображения КПК _М = 28,2% КПК _С = 28,4% - для точки поля 2,4 мм от центра изображения КПК _М = 32,9% КПК _С = 9,87% - для точки поля 3,0 мм от центра изображения КПК _М = 9,17% КПК _С = 6,46%

Расчеты показывают, что светосильный объектив обеспечивает хорошее качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу мегапиксельного формата спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 3,75 мкм. Высокое значение относительного отверстия - 1:1 в отличие от 1:1,6 у прототипа, и высокое качество изображения расширяет диапазон возможного применения светосильного объектива, в частности позволяет более эффективно использовать его для дневного и ночного видения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности (в сумерки и в темное время суток).

Объектив может быть применен в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с мегапиксельными ПЗС или КМОП матрицами в дневных и ночных условиях. Объектив содержит два компонента, первый из которых содержит двояковыпуклую линзу и выпукловогнутую линзу, обращенную вогнутостью к предмету, второй - двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклую и двояковогнутую линзы. Двояковыпуклая и двояковогнутая линзы второго компонента являются склейкой. Апертурная диафрагма расположена на второй поверхности отрицательной линзы первого компонента. Выполняются соотношения: 1,5<|F₂/F_ОБ|<2,5, 1,2<|F₃/F_ОБ|<1,9, где F_ОБ - фокусное расстояние объектива; F₂ - фокусное расстояние второй линзы первого компонента; F₃ - фокусное расстояние первой линзы второго компонента. Технический результат - увеличение светосилы объектива до значения 1:1 и обеспечение качества изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм. 1 ил., 1 табл.

Светосильный объектив, содержащий апертурную диафрагму и пять линз, сгруппированных в два компонента, первый из которых содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную линзу, второй - двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, отличающийся тем, что отрицательная линза первого компонента является выпукловогнутой, обращенной вогнутостью к предмету, двояковыпуклая и двояковогнутая линзы второго компонента являются склейкой, а апертурная диафрагма расположена на второй поверхности отрицательной линзы первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:

1,5<|F₂/F_ОБ|<2,5,

1,2<|F₃/F_ОБ|<1,9,

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

F₂ - фокусное расстояние второй линзы первого компонента;

F₃ - фокусное расстояние первой линзы второго компонента.