Вариофокальный объектив с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений Российский патент 2024 года по МПК G02B15/16 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в проекционных контрольно-измерительных приборах, работающих с матричным фотоприемным устройством.

Известен проекционный светосильный телецентрический объектив [патент RU 2385476 С1 от 21.07.2008, опубл. 27.03.2010 Бюл. №9], предназначенный для переноса изображения с экрана электронно-оптического преобразователя на матричное фотоприемное устройство (далее - МФПУ). Объектив включает первый и второй компоненты в виде положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенный из положительной и отрицательной линз, четвертый - отрицательный мениск, склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз и обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, пятый - двояковыпуклая линза, шестой - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, седьмой компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и размещенный перед первым компонентом, апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами.

Объектив имеет следующие характеристики:

- Фокусное расстояние 27,2 мм

- Линейное увеличение минус 0,45^х

- Числовая апертура в пространстве предметов 0,14

- Числовая апертура в пространстве изображений 0,3

- Размер предмета 18 мм

- Размер изображения 8,1 мм

Основными недостатками объектива являются несоблюдение телецентрического хода лучей в пространстве предметов и отсутствие возможности смены увеличений для работ с различными масштабами предмета.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является проекционная оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений [патент RU 2686581 С1 от 12.03.2018, опубл. 29.04.2019], содержащая две линзовые группы с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма. Первая группа состоит из плосковыпуклой линзы, выпукло-плоской линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной с двояковогнутой линзой. Вторая группа состоит из отрицательного мениска, склеенного с положительным мениском, обращенным вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме, положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к апертурной диафрагме.

Данное техническое решение было выбрано в качестве прототипа и имеет следующие основные характеристики:

- Числовая апертура в пространстве предметов 0,123;

- Линейное поле в пространстве дисплея 18 мм;

- Линейное увеличение системы минус 3,111^х;

- Основная длина волны 0,52 мкм;

- Рабочий спектральный диапазон от 0,51 до 0,53 мкм;

- Длина системы 165 мм.

К основным недостаткам прототипа можно отнести работу в узком спектральном диапазоне, а также отсутствие возможности смены увеличений для работ с различными масштабами предмета.

Признаки прототипа, по которым имеется совпадение с предлагаемым изобретением:

- Оптическая система состоит из групп линз, между которыми расположена апертурная диафрагма, совпадающая, по крайней мере, с задней фокальной плоскостью первой группы, тем самым обеспечивая телецентричность хода лучей в пространстве предметов и изображений;

- Максимальное абсолютное значение дисторсии не превышает 0,11%;

- Дифракционное качество оптического изображения.

Основными требованиями, предъявляемыми к вариофокальному объективу, являются:

- Ступени оптического увеличения должны быть равными 0,125^х, 0,25^х, 0,5^х и 1^х;

- Рабочий передний отрезок должен составлять 250 мм;

- Размер предмета должен составлять значения 76,8 мм, 38,4 мм, 19,2 мм и 9,6 мм;

- Дифракционное качество оптического изображения;

- Дисторсия не более 0,2%;

- Длина системы не более 410 мм.

Задачей изобретения является создание объектива с четырьмя увеличениями с сохранением телецентрического хода лучей в пространствах предмета и изображения, дифракционного качества оптического изображения и повышенной технологичности за счет минимизации количества используемых марок стекол и использования только сферических поверхностей линз.

Техническим результатом изобретения является обеспечение телецентрического хода лучей в пространствах предмета и изображения на всех увеличениях с сохранением дифракционного качества оптического изображения и максимальной абсолютной дисторсии не более 0,02%.

Это достигается тем, что вариофокальный объектив с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений, содержащий три линзовые группы, отличается тем, что первая неподвижная группа линз состоит из двояковыпуклой линзы и склеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и вогнуто-плоской линзы, вторая подвижная группа состоит из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы, склеенной линзы, состоящей из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы и выпукло-вогнутой положительной менисковой линзы, апертурной диафрагмы, склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и одиночной двояковыпуклой линзы, и обеспечивает увеличение объектива равное минус 0,125, третья неподвижная группа состоит склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и вогнуто-выпуклой менисковой линзы, при этом между второй и третьей группой расположено наклонное плоское зеркало, отклоняющее оптическую ось на 90°, тем самым обеспечивая уменьшение продольного габарита объектива.

- Первая неподвижная группа линз состоит из двояковыпуклой линзы и склеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и вогнуто-плоской линзы, вторая подвижная группа состоит из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы, склеенной линзы, состоящей из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы и выпукло-вогнутой положительной менисковой линзы, апертурной диафрагмы, склеенной линзы, состоящей из плоско-вогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и одиночной двояковыпуклой линзы, и обеспечивает увеличение объектива равное минус 0,25, третья неподвижная группа состоит склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и вогнуто-выпуклой менисковой линзы, при этом между второй и третьей группой расположено наклонное плоское зеркало, отклоняющее оптическую ось на 90°, тем самым обеспечивая уменьшение продольного габарита объектива.

- Первая неподвижная группа линз состоит из двояковыпуклой линзы и склеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и вогнуто-плоской линзы, вторая подвижная группа состоит из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы, вогнуто-выпуклой отрицательной менисковой линзы, апертурной диафрагмы и склеенной линзы, состоящей из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы и двояковыпуклой линзы, и обеспечивает увеличение объектива равное минус 0,5, третья неподвижная группа состоит склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и вогнуто-выпуклой менисковой линзы, при этом между второй и третьей группой расположено наклонное плоское зеркало, отклоняющее оптическую ось на 90°, тем самым обеспечивая уменьшение продольного габарита объектива.

- Первая неподвижная группа линз состоит из двояковыпуклой линзы и склеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и вогнуто-плоской линзы, вторая подвижная группа состоит из склеенной линзы, состоящей из плоско-вогнутой линзы и двояковогнутой линзы, выпукло-вогнутой положительной менисковой линзы, апертурной диафрагмы, выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы и выпукло-вогнутой положительной линзы, и обеспечивает увеличение объектива равное минус 1, третья неподвижная группа состоит склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и вогнуто- выпуклой менисковой линзы, при этом между второй и третьей группой расположено наклонное плоское зеркало, отклоняющее оптическую ось на 90°, тем самым обеспечивая уменьшение продольного габарита объектива.

Для линзовых групп выполняются следующие соотношения:

7,5<ϕ_II.1/ϕ_I<8,5;

3,5<ϕ_II.2/ϕ_I<4,5;

1,6<ϕ_II.3/ϕ_I<2;

0,5<ϕ_II.4/ϕ_I<0,8;

0,9<ϕ_III/ϕ_I<1,2,

где ϕ_I - оптическая сила первой группы;

ϕ_II.1 - оптическая сила второй группы при увеличении объектива минус 0,125;

ϕ_II.2 - оптическая сила второй группы при увеличении объектива минус 0,25;

ϕ_II.3 - оптическая сила второй группы при увеличении объектива минус 0,5;

ϕ_II.4 - оптическая сила второй группы при увеличении объектива минус 1;

ϕ_III - оптическая сила третьей группы.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг. 1 - оптическая схема с ходом лучей при увеличении минус 0,125;

фиг. 2 - графики кривизны поля и дисторсии при увеличении минус 0,125;

фиг. 3 - точечные диаграммы пятен рассеяния при увеличении минус 0,125;

фиг. 4 - график частотно-контрастной характеристики при увеличении минус 0,125;

фиг. 5 - оптическая схема с ходом лучей при увеличении минус 0,25;

фиг. 6 - графики кривизны поля и дисторсии при увеличении минус 0,25;

фиг. 7 - точечные диаграммы пятен рассеяния при увеличении минус 0,25;

фиг. 8 - график частотно-контрастной характеристики при увеличении минус 0,25;

фиг. 9 - оптическая схема с ходом лучей при увеличении минус 0,5;

фиг. 10 - графики кривизны поля и дисторсии при увеличении минус 0,5;

фиг. 11 - точечные диаграммы пятен рассеяния при увеличении минус 0,5;

фиг. 12 - график частотно-контрастной характеристики при увеличении минус 0,5;

фиг. 13 - оптическая схема с ходом лучей при увеличении минус 1;

фиг. 14 - графики кривизны поля и дисторсии при увеличении минус 1;

фиг. 15 - точечные диаграммы пятен рассеяния при увеличении минус 1;

фиг. 16 - график частотно-контрастной характеристики при увеличении минус 1.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом: излучение, исходящее из плоскости предметов, проходит через первую линзовую группу I, далее в зависимости от увеличения объектива минус 0,125, минус 0,25, минус 0,5 и минус 1, проходит вторую группу II.1, II.2, II.3 и II.4, соответственно, отражается от наклонного плоского зеркала III, проходит третью группу IV и фокусируется в плоскости изображений, где располагается плоскость фоточувствительного слоя матричного фотоприемного устройства.

В таблице приведены технические характеристики вариофокального объектива с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений.

Таким образом, предлагаемый вариофокальный объектив с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет обеспечить возможность работы с четырьмя увеличениями с сохранением телецентрического хода лучей в пространствах предметов и изображений, дифракционного качества оптического изображения и максимальной абсолютной дисторсии не более 0,02%.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в проекционных контрольно-измерительных приборах. Вариофокальный объектив включает первую I неподвижную группу линз, состоящую из двояковыпуклой линзы и склеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и вогнуто-плоской линзы, вторую II.1 подвижную группу, третью IV неподвижную группу. Между второй и третьей группой расположено наклонное плоское зеркало III, отклоняющее оптическую ось на 90°, тем самым обеспечивая уменьшение продольного габарита объектива. Техническим результатом изобретения является обеспечение телецентрического хода лучей в пространствах предмета и изображения на всех увеличениях с сохранением дифракционного качества оптического изображения и максимальной абсолютной дисторсии не более 0,02%. 16 ил., 1 табл.

Вариофокальный объектив с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений, содержащий три линзовые группы, отличающийся тем, что:

- первая неподвижная группа линз состоит из двояковыпуклой линзы и склеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и вогнуто-плоской линзы;

- вторая подвижная группа состоит из:

выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы, склеенной линзы, состоящей из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы и выпукло-вогнутой положительной менисковой линзы, апертурной диафрагмы, склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и одиночной двояковыпуклой линзы, и обеспечивает увеличение объектива, равное минус 0,125,

или из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы, склеенной линзы, состоящей из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы и выпукло-вогнутой положительной менисковой линзы, апертурной диафрагмы, склеенной линзы, состоящей из плоско-вогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и одиночной двояковыпуклой линзы, и обеспечивает увеличение объектива, равное минус 0,25,

или из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы, вогнуто-выпуклой отрицательной менисковой линзы, апертурной диафрагмы и склеенной линзы, состоящей из выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы и двояковыпуклой линзы, и обеспечивает увеличение объектива, равное минус 0,5,

или из склеенной линзы, состоящей из плоско-вогнутой линзы и двояковогнутой линзы, выпукло-вогнутой положительной менисковой линзы, апертурной диафрагмы, выпукло-вогнутой отрицательной менисковой линзы и выпукло-вогнутой положительной линзы, и обеспечивает увеличение объектива, равное минус 1;

- третья неподвижная группа состоит из склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы и вогнуто-выпуклой менисковой линзы, при этом между второй и третьей группой расположено наклонное плоское зеркало, отклоняющее оптическую ось на 90°, тем самым обеспечивая уменьшение продольного габарита объектива.