Широкоугольный телевизионный объектив Российский патент 2023 года по МПК G02B9/64 G02B13/18 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности, к широкоугольным объективам, работающим с ПЗС-приемниками, и может быть использовано в различных оптических приборах и компонентах, которые требуют широкого поля зрения и высокого качества изображения.

Известен широкоугольный объектив (патент РФ №2445658, от 30.12.2010, опубл. 20.03.2012, МПК G02B 9/62), состоящий из плосковыпуклой линзы, обращенной плоскостью к предмету, плосковогнутой линзы, обращенной плоскостью к предмету, одиночной двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы, склеенной с двояковыпуклой линзой, одиночной двояковыпуклой линзы, одиночного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. В объективе имеют место соотношения: 1,63<n₁=n₂<1,68; 1,73<n₅<2,1; 1,57<п₆<1,64; 1,6<n₈<1,675, где n₁, n₂, n₅ n₆, n₈ - показатели преломления материала, соответственно, первой и второй линз первого компонента, двояковогнутой и двояковыпуклой линз третьего компонента и мениска четвертого компонента для линии d. Перед двояковонутой линзой расположена апертурная диафрагма. Перед двояковогнутой линзой может находиться плоскопараллельная пластина или светофильтр.

Недостатками данного объектива являются: малое относительное отверстие (1:3,5), недостаточно широкое поле зрения (70°), низкое качество формируемого изображения (низкая разрешающая способность).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению - прототипом - является оптическая схема широкоуголького телевизионного объектива, описанная в патенте РФ №208915, от 26.07.2021, опубл. 21.01.2022, МПК G02B 9/64. Объектив состоит из последовательно расположенных по ходу луча пяти компонентов и действующей апертурной диафрагмы, расположенной между третьим и четвертым компонентами.

Первый компонент выполнен в виде трех одиночных отрицательных менисков, расположенных вогнутой стороной к пространству изображения, второй и третий компонент - положительные мениски, расположенные вогнутой стороной к пространству предметов, склеенные из двояковогнутых и двояковыпуклых линз, четвертый компонент представлен в виде двух одиночных положительных мениска - первый мениск обращен вогнутой стороной к пространству изображений, а второй обращен вогнутой стороной к пространству предметов, пятый компонент - двояковыпуклая линза, склеенная из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, расстояние между третьим компонентов и диафрагмой равно расстояние между четвертым компонентом и диафрагмой равно , что обеспечивает установку действующей изменяемой ирисовой диафрагмы, оптические силы компонентов составляют: где - фокусное расстояние объектива, - оптическая сила объектива. Конструктивные параметры широкоугольного объектива, позволяют оценить величину дисторсии, которая составляет менее 15% по краю поля зрения.

Недостатками прототипа являются: малое относительное отверстие (1:2,8), недостаточно широкое поле зрения (91°), а также низкое качество формируемого изображения (низкая разрешающая способность).

Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: увеличение относительного отверстия, увеличение поля зрения и улучшение качества получаемого изображения при сохранении имеющегося значения дисторсии (менее 15%).

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом широкоугольном телевизионном объективе, состоящем из расположенных последовательно по ходу лучей трех компонентов и действующей апертурной диафрагмы, первый из которых выполнен в виде четырех одиночных линз, первая - менискообразная линза с асферической выпуклой поверхностью, расположенная вогнутой поверхностью к плоскости изображения, вторая линза - двояковогнутая отрицательная, третья линза -мениск, расположенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертая линза представлена в виде асферической двояковыпуклой линзы, расположенной асферической поверхностью к пространству предметов; второй компонент состоит из двух попарно склеенных двояковыпуклой и двояковогнутой линз, расположенных вогнутой поверхностью поверхностью к плоскости изображения; третий компонент выполнен в виде мениска с асферической вогнутой поверхностью направленной к плоскости изображения; кроме того между первым и вторым компонентами расположена действующая апертурная диафрагма; оптические силы компонентов составляют: соответственно, где - оптическая сила объектива. Все асферические поверхности объектива представляют собой кривые высших порядков.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая схема частного случая исполнения широкоугольного телевизионного объектива; на фиг. 2 - частотно-контрастная характеристика широкоугольного телевизионного объектива 150 штр/мм; на фиг. 3 -частотно-контрастная характеристика широкоугольного телевизионного объектива 80 штр/мм; на фиг. 4 - график дисторсии в процентном соотношении к полю зрения.

Широкоугольный телевизионный объектив (фиг. 1) состоит из расположенных по ходу лучей трех компонентов, действующей апертурной диафрагмы и светофильтра, первый из которых выполнен в виде четырех одиночных линз, первая - менискообразная линза с асферической выпуклой поверхностью, расположенная вогнутой поверхностью к плоскости изображения, вторая линза - двояковогнутая отрицательная, третья линза - мениск, расположенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертая линза представлена в виде асферической двояковыпуклой линзы, расположенной асферической поверхностью к пространству предметов; второй компонент состоит из двух попарно склеенных двояковыпуклой и двояковогнутой линз, расположенных вогнутой поверхностью к плоскости изображения; третий компонент выполнен в виде мениска с асферической вогнутой поверхностью направленной к плоскости изображения; кроме того, между первым и вторым компонентами расположена действующая апертурная диафрагма, а также установлен светофильтр.

В частных случаях исполнения оптические элементы могут быть выполнены из оптического бесцветного стекла без радиационно-оптической устойчивости, или же из оптического стекла с радиационно-оптической устойчивостью.

Широкоугольный телевизионный объектив работает следующим образом: световой поток, исходящий из плоскости предметов, расположенной на бесконечно удаленном расстоянии, проходит последовательно через все компоненты объектива и фокусируется в плоскости изображения, где находится фотоприемное устройство, например, ПЗС-матрица (на фиг. 1 не показано).

Технические характеристики конкретной реализации данного объектива представлены в таблице 1.

В таблицах 2 и 3 приведены конструктивные параметры широкоугольного телевизионного объектива.

Стрелка прогиба асферических поверхностей строится по следующему уравнению в соответствии с данными приведенными в таблице 3:

где R - радиус кривизны поверхности; k - коническая постоянная; y -высота, α₁; α₂, α_з, α₄ - коэффициенты асферики.

Конструктивные элементы, указанные в таблицах 1 и 2, обеспечивают следующие соотношения для компонентов объектива:

На фиг. 2 представлен график частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) на пространственной частоте 150 штр/мм. Контраст изображения составляет 0,583 для осевого светового пучка и 0,550 для краевого светового пучка, соответствующего полю зрения 2ω=98°. На фиг. 3 представлен график частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) на пространственной частоте 80 штр/мм. Контраст изображения составляет 0,787 для осевого светового пучка и 0,770 для краевого светового пучка, соответствующего полю зрения поля зрения 2ω=98°. На фиг. 4 изображена кривая дисторсии, на краю поля зрения дисторсия не превышает значения в 15%.

Анализ графиков, представленных на фиг. 2-4 и сравнение данных конкретной реализации прототипа (контраст изображения 0,45 для осевого светового пучка и 0,35 для краевого светового пучка на пространственной частоте 80 штр/мм) позволяют сделать вывод о том, что разрешающая способность предлагаемого объектива увеличена более чем в 1,7 раз.

Таким образом, предлагаемый телевизионный объектив обладает широким полем зрения 98°, большим относительным отверстием 1:2, улучшенным качеством изображения при сохранении дисторсии на уровне не более 15% по краю поля зрения.

Объектив состоит из трех компонентов и апертурной диафрагмы. Первый компонент содержит четыре одиночных линзы: первая – менискообразная с асферической выпуклой поверхностью, расположенная вогнутой поверхностью к плоскости изображения, вторая – двояковогнутая, третья – мениск, расположенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертая - асферическая двояковыпуклая, расположенная асферической поверхностью к пространству предметов. Второй компонент состоит из двух попарно склеенных двояковыпуклой и двояковогнутой линз, расположенных вогнутой поверхностью к плоскости изображения. Третий компонент - мениск с асферической вогнутой поверхностью, направленной к плоскости изображения. Оптические силы компонентов составляют: (0,17-0,56)φ’_об, (-0,07-0,26) φ’_об, (0,028-0,47) φ’_об соответственно, где φ’_об – оптическая сила объектива. Технический результат - увеличение относительного отверстия, поля зрения и улучшение качества изображения. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

1. Широкоугольный телевизионный объектив, состоящий из расположенных последовательно по ходу лучей трех компонентов и действующей апертурной диафрагмы, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде четырех одиночных линз, первая – менискообразная линза с асферической выпуклой поверхностью, расположенная вогнутой поверхностью к плоскости изображения, вторая линза – двояковогнутая отрицательная, третья линза – мениск, расположенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертая линза представлена в виде асферической двояковыпуклой линзы, расположенной асферической поверхностью к пространству предметов, второй компонент состоит из двух попарно склеенных двояковыпуклой и двояковогнутой линз, расположенных вогнутой поверхностью к плоскости изображения, третий компонент выполнен в виде мениска с асферической вогнутой поверхностью направленной к плоскости изображения, кроме того, между первым и вторым компонентами расположена действующая апертурная диафрагма, оптические силы компонентов составляют:

(0,17-0,56) φ’_об, (-0,07-0,26) φ’_об, (0,028-0,47) φ’_об соответственно,

где φ’_об – оптическая сила объектива,

при этом все асферические поверхности объектива представляют собой кривые высших порядков.

2. Широкоугольный телевизионный объектив по п. 1, отличающийся тем, что между первым и вторым компонентами находится плоскопараллельная пластина или светофильтр.

3. Широкоугольный телевизионный объектив по п. 1, отличающийся тем, что оптические элементы выполнены из оптического бесцветного стекла без радиационно-оптической устойчивости.

4. Широкоугольный телевизионный объектив по п. 1, отличающийся тем, что оптические элементы выполнены из оптического стекла с радиационно-оптической устойчивостью.