ОБЪЕКТИВ СО СПЕКТРОДЕЛИТЕЛЬНЫМ БЛОКОМ Российский патент 2020 года по МПК G02B9/62 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться в качестве объектива в цифровых наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике.

Известен объектив по патенту BY 6385 С1, опубликованный 30.12.2002, состоящий из пяти компонентов и спектроделительного блока, выполненного с возможностью пропускания излучения в спектральном диапазоне длин волн от 500 нм до 900 нм и отражения излучения длиной волны 1067 нм или 1570 нм, расположенного между четвертым и пятым компонентами, первый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, склеенного из двух линз, второй компонент содержит одиночную положительную линзу, третий компонент - одиночный отрицательный мениск, четвертый компонент - положительный мениск, пятый компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из двух линз. Данная конструкция объектива обеспечивает высокое качество изображений в широком спектральной диапазоне, а также возможность одновременной регистрации изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике. Недостатком объектива являются его габаритные размеры: длина объектива (расстояние от первой поверхности объектива до плоскости изображений) составляет 1,4 фокусного расстояния объектива, а спектроделительный блок выполнен в виде полупентапризмы с подклеенным клином, что определяет большой поперечный размер, кроме того недостатком является изготовление самой призмы, а также недостаточное фокусное расстояние 121,5 мм.

Также известен объектив по патенту RU 157158 U1, опубликованный 20.11.2015, состоящий из двух склеенных линз и двух одиночных линз, а также спектроделительного блока. Объектив имеет фокусное расстояние 215 мм, длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения ПЗС-матрицы составляет 1,06 фокусного расстояния объектива. Недостатком также является использование в спектроделительном блоке полупентапризмы с подклеенным клином, что приводит к большому поперечному размеру и изготовление самой призмы.

Эти недостатки исправлены в объективе по патенту RU 170801 U1, опубликованному 11.05.2017, в составе которого имеется спектроделительный блок, выполненный в виде призмы-куба (из двух прямоугольных призм АР-45°). Объектив имеет высокое качество изображения и длину от первой поверхности до плоскости изображения 0,87ƒ' фокусного расстояния. Недостатком данного объектива является количество линз, так как объектив состоит из трех пар склеенных линз (в каждой по две линзы) и одной одиночной линзы, что приводит к уменьшению светопропускания объектива, а также большие габариты объектива, так как диаметр первой поверхности линзы больше 60 мм (диаметр входного зрачка 60 мм совпадает с первой поверхностью линзы).

Наиболее близким аналогом к заявляемому объективу является объектив для видимой и ближней РЖ области спектра, состоящий из трех компонентов (патент №2421764 C1, опубликован 20.06.2011 г.). Первый компонент включает по ходу луча двояковыпуклую линзу, обращенную более выпуклой поверхностью к пространству предметов, положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковогнутую линзу, обращенную более пологой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, обращенной более пологой поверхностью к пространству изображений. Третий компонент в виде плосковогнутой линзы, обращен плоской поверхностью к пространству изображений. Линзы первого и второго элементов первого компонента и линза второго компонента выполнены из стекла с показателем преломления, не превышающим 1,65, третья линза первого компонента выполнена из стекла с показателем преломления не менее 1,8, а линза третьего компонента выполнена из стекла с показателем преломления, равным примерно 1,5.

Объектив обеспечивает высокое качество изображения, ахроматизирован для диапазона длин волн от 486 нм до 852 нм. Полная длина объектива составляет примерно 1,2ƒ' фокусного расстояния объектива.

Недостатком этого объектива является небольшое фокусное расстояние f=80 мм, недостаточный спектральный диапазон и невозможность одновременной регистрации изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике.

Технической задачей изобретения является увеличение дальности распознавания объектов путем увеличения фокусного расстояния объектива и возможность одновременной регистрации изображений на ПЗС-матрице и фотоприемнике (увеличение спектрального диапазона до длины волны λ=1060 нм), с сохранением высокого качества изображения в видимом спектральном диапазоне от 440 нм до 850 нм, при небольшой длине объектива от первой поверхности до плоскости изображения ПЗС-матрицы.

Технический результат достигается тем, что объектив со спектроделительным блоком (далее - объектив) состоит из последовательно расположенных на оптической оси первого компонента, который включает три элемента, первый элемент - положительная двояковыпуклая линза, обращенная более выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй элемент - мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов и третий элемент - одиночная линза, второго компонента, выполненного в виде положительной двояковыпуклой линзы, третьего компонента - отрицательной линзы. Объектив от аналога отличается тем, что содержит расположенный между третьим и четвертым компонентами спектроделительный блок, выполненный в виде призмы-куба, гипотенузная грань которого отражает излучение с длиной волны 1060 нм и пропускает излучение в спектральном диапазоне λ=440-850 нм. Так же заявляемый объектив отличается тем, что второй элемент первого компонента отрицательный, третий элемент первого компонента выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, двояковыпуклая линза второго компонента обращена более пологой поверхностью к пространству предметов, третий компонент выполнен в виде двояко-вогнутой линзы, обращенной более вогнутой поверхностью к пространству изображений, и в объектив введен четвертый компонент, выполненный в виде положительной двояковыпуклой линзы, причем первый радиус линзы равен второму радиусу линзы, R₁=R₂. Расстояние между первым и вторым компонентами равно 56,08 мм, что составляет не менее 0,241ƒ' фокусного расстояния объектива. Показатели преломления стекол линз первого и третьего элементов первого компонента не превышают 1,434. Первый и третий элемент первого компонента выполнены из одной марки стекла, т.е. выполняется соотношение n₁=n₂, где n - показатели преломления элементов первого компонента соответственно.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - оптическая схема объектива;

Фиг. 2 - модуляционная передаточная функция (МПФ) или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) объектива;

Фиг. 3 - функция концентрации энергии (ФКЭ) объектива;

Фиг. 4 - кривизна поля и дисторсия объектива;

Фиг. 5 - график относительной освещенности.

Объектив (фиг. 1) содержит, установленные по ходу луча четыре компонента I, II, III, IV, спектроделительный блок 6, расположенный между третьим III и четвертым IV компонентами, светофильтр 7. Первый компонент I включает двояковыпуклую положительную линзу 1, обращенную более выпуклой поверхностью к пространству предметов, отрицательный мениск 2, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и положительный мениск 3, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент II выполнен в виде двояковыпуклой положительной линзы 4, обращенной более пологой поверхностью к пространству предметов. Третий компонент III выполнен в виде двояковогнутой отрицательной линзы 5, обращенной более вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент IV- двояковыпуклая положительная линза 10, причем первый радиус линзы равен второму радиусу линзы, R₁=R₂. Между третьим III и четвертым IV компонентами расположен спектроделительный блок 6, выполненный в виде призмы-куба, гипотенузная грань которого пропускает излучение в спектральном диапазоне от λ=440 нм до λ=850 нм и отражает излучение с длиной волны λ=1060 нм. Объектив содержит светофильтр 7, выделяющий спектральный диапазон от λ=440 нм до λ=850 нм и блокирующий длину волны λ=1060 нм. При расчете объектива учтена толщина защитного стекла 8 ПЗС-матрицы 9. Расстояние между третьим элементом первого компонента и вторым компонентом равно 56,08 мм, что составляет не менее 0,241ƒ' фокусного расстояния объектива. Показатели преломления стекол линз первого и третьего элементов первого компонента не превышают 1,434. Первый и третий элемент первого компонента выполнены из одной марки стекла, т.е. выполняется соотношение n₁=n₂, где n - показатели преломления элементов первого компонента соответственно.

В соответствии с предложенным решением рассчитан объектив, технические характеристики (канал формирования изображения на ПЗС-матрице) приведены в таблице 1.

Конструктивные параметры объектива (канал формирования изображения на ПЗС-матрице) приведены в таблице 2.

Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения ПЗС-матрицы равна 150,8 мм, что составляет 0,65ƒ' фокусного расстояния объектива, у аналога эта величина составляет 1,2ƒ'.

Конструктивные параметры объектива (приемный канал лазерного излучения на фотоприемнике) приведены в таблице 3.

Объектив работает следующим образом - параллельный пучок света с длиной волны λ=(440…878) нм, создавая канал формирования изображения на ПЗС-матрице, проходит через линзы (1, 2, 3) первого (I), линзу (4) второго (II) и линзу (5) третьего (III) компонентов объектива, попадает на спектроделительный блок 6, проходит через него и светофильтр 7, защитное стекло 8 ПЗС-матрицы и фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица. Пучок света с λ=1060 нм (приемный канал лазерного излучения на фотоприемнике) проходит через линзы (1, 2, 3) первого (I), линзу (4) второго (II) и линзу (5) третьего (III) компонентов объектива, попадает на спектроделительный блок 6, отражается от гипотенузной грани спектроделительного блока, проходит через линзу (10) четвертого компонента (IV) и фокусируется на площадке фотоприемника.

Качество изображения объективов, работающих с ПЗС-матрицей, оценивается в области спектра от λ=440 нм до λ=850 нм. Универсальными характеристиками качества объективов является модуляционная передаточная функция, т.е. по значению полихроматических коэффициентов передачи модуляции на частоте, определяемой размером пиксела, концентрацией энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселу ПЗС-матрицы.

Как видно из фиг. 2, полихроматический коэффициент передачи модуляции для пространственной частоты N=50 мм^-1 в точке на оси составляет 0,51 (на графиках у аналога 0,35), а для края поля зрения 2ω=3°48' в меридиональной плоскости 0,26, в сагиттальной плоскости 0,38, а для пространственной частоты N=100 мм^-1 в точке на оси составляет 0,21 (на графиках у аналога 0,17), а для края поля 2ω=3°48' не ниже 0,1, что позволяет получить на приемнике изображения объектов малого контраста.

Концентрация энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселу ПЗС-матрицы размером 0,0048x0,0048 мм, не менее 0,65% для точки на оси и не менее 0,38% для края поля зрения (фиг. 3).

Из представленных на фиг. 4 графиков дисторсия составляет 0,86% (у аналога заявлено до 1%).

Важным параметром качества объектива является относительная освещенность. Из графика фиг. 5 видно, что объектив имеет почти равномерную освещенность от центра поля зрения от 1 до освещенности на краю поля зрения, которая составляет 0,86, падение освещенности от центра к краю составляет всего 14%.

Из приведенных графиков и сравнений видно, что объектив обеспечивает хорошее качество изображения для цифровых наблюдательных приборов с одновременным формированием изображения на ПЗС-матрице спектрального диапазона 0,440-0,850 с размером пиксела 4,8 мкм и на фотоприемнике. Фокусное расстояние объектива увеличено в 2,9 раза, что увеличивает дальность распознавания объектов, при длине объектива от первой поверхности до плоскости изображения ПЗС-матрицы равной 0,65ƒ' фокусного расстояния объектива, и при этом объектив прост в изготовлении (в канале формирования изображения на ПЗС-матрице всего пять одиночных линз, в канале приемного излучения на фотоприемнике шесть одиночных линз).

Объектив содержит четыре компонента. Первый компонент включает три элемента, первый элемент - двояковыпуклая линза, обращенная более выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй - отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и третий - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент – двояковыпуклая линза, обращенная более пологой поверхностью к пространству предметов. Третий компонент - двояковогнутая линза, обращенная более вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент - двояковыпуклая линза, причем ее первый радиус равен ее второму радиусу. Между третьим и четвертым компонентами расположен спектроделительный блок Расстояние между первым и вторым компонентами не менее 0,241ƒ'. Показатели преломления стекол линз первого и третьего элементов первого компонента не превышают 1,434 и выполняется соотношение n₁=n₃, где n - показатели преломления элементов первого компонента соответственно. Технический результат - увеличение фокусного расстояния при сохранении его небольшой длины от его первой поверхности до плоскости изображения и возможность одновременной регистрации изображений на ПЗС-матрице и фотоприемнике при сохранении высокого качества изображения. 5 ил., 3 табл.

Объектив со спектроделительным блоком, содержащий установленные по ходу луча первый компонент, включающий три элемента: первый - положительная двояковыпуклая линза, обращенная более выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй элемент - мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй компонент, выполненный в виде положительной двояковыпуклой линзы, третий компонент - отрицательная линза, отличающийся тем, что содержит расположенный между третьим и четвертым компонентами спектроделительный блок, второй элемент первого компонента отрицательный, третий элемент первого компонента выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, двояковыпуклая линза второго компонента обращена более пологой поверхностью к пространству предметов, третий компонент выполнен в виде двояко-вогнутой линзы, обращенной более вогнутой поверхностью к пространству изображений, и в объектив введен четвертый компонент, выполненный в виде положительной двояковыпуклой линзы, причем первый радиус линзы равен второму радиусу линзы, R₁=R₂, при этом расстояние между первым и вторым компонентами составляет не менее 0,241ƒ', а показатели преломления стекол линз первого и третьего элементов первого компонента не превышают 1,434 и выполняется соотношение n₁=n₃, где n - показатели преломления элементов первого компонента соответственно.