Проекционный объектив Российский патент 2025 года по МПК G02B9/64 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к проекционным объективам, предназначенным для переноса изображения с экрана микродисплея в переднюю фокальную плоскость окуляра.

Известен проекционный объектив, предназначенный для переноса изображения с экрана электронно-оптического преобразователя (далее - ЭОП) на ПЗС-матрицу или в переднюю фокальную плоскость окуляра [Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - с. 105, рис. 45а], обеспечивающий линейное увеличение -1^х, линейное поле в пространстве предметов 13 мм. Объектив состоит из 9 компонентов, содержащих 12 линз. Большое количество линз является основным недостатком этого объектива.

Также известен проекционный светосильный объектив (патент RU №2233462, МПК G02B 9/64, дата приоритета 25.09.2002 г.), состоящий из 7 компонентов, содержащих 8 линз. Объектив имеет высокое качество изображения, сопрягает плоскость экрана ЭОПа с плоскостью ПЗС-матрицы с линейным увеличением -0,48 крат. Недостатком объектива является использование большого количества линз и недостаточное линейное увеличение.

В качестве прототипа выбран проекционный светосильный телецентрический объектив (Патент RU №2385476, МПК G02B 9/64, G02B 13/22, дата приоритета 21.07.2008), включающий 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. Приведен пример конкретного объектива со следующими характеристиками: фокусное расстояние 27,2 мм, линейное увеличение -0,45 крат, линейное поле в пространстве предметов 18 мм, линейное поле в пространстве изображений 8,1 мм.

Этот объектив обладает преимуществами: обеспечивает равномерное высокое качество изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы, технологичен в изготовлении за счет применения только двух марок стекол.

Большинство современных оптических наблюдательных приборов включают в себя каналы технического зрения разных диапазонов SW (короткая волна), MW (средняя волна), LW (длинная волна). Проекционный объектив служит для переноса изображения с микродисплея в переднюю фокальную плоскость окуляра, для этого оптическая схема проекционной системы должна иметь определенное значение линейного увеличения.

Недостатком объектива-прототипа является недостаточная величина модуля коэффициента линейного увеличения, которая составляет 0,45. Так как линейное поле зрения проекционного объектива в пространстве предметов должно соответствовать размеру экрана микродисплея и должно составлять например 2у=15 мм, а размер линейного поля зрения в пространстве изображений тогда 2у'=15 мм (размер поля зрения окуляра), поэтому требуемое значение модуля коэффициента линейное увеличение равно 1. Так же недостатком прототипа является большое количество линз (9 линз, из них 5 одиночных линз и две пары склеек, состоящих каждая из двух линз), что снижает коэффициент пропускания объектива.

Задачей изобретения является создание технологичной, экономически эффективной конструкции проекционного объектива высокого качества изображения с коэффициентом линейного увеличения по модулю равным единице, с уменьшенным количеством линз.

Это достигается тем, что проекционный объектив, содержащий первый компонент, выполненный в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, второй компонент, выполненный в виде положительного мениска, третий компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый, пятый компоненты и шестой положительный компонент, отличается от прототипа тем, что объектив состоит из шести компонентов, при этом первый компонент выполнен отрицательным, второй компонент обращен выпуклой поверхностью к пространству изображений, третий компонент выполнен в виде одиночной линзы, четвертый компонент выполнен в виде одиночной положительный двояковыпуклой линзы, обращенной более пологим радиусом к пространству изображений, пятый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, шестой компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, обращенной более пологим радиусом к пространству изображений. Мениски первого, третьего и пятого компонентов выполнены из стекла одной марки, т.е. n₁=n₃=n₅=n_e, показатель преломления стекла 1,77≤n_e≤1,82.

При этом выполняются следующие соотношения:

ƒ₁=-(47,2÷52,3) мм, ƒ₂=(133÷148) мм, ƒ₃=-(47,5÷52,5) мм,

ƒ₄=(31,2÷34,6) мм, ƒ₅=-(46,3÷51,3) mm, ƒ₆=(25,9÷28,8) мм,

d₅=(0,22÷0,27)ƒ_ОБ,

где: ƒ₁, ƒ₂, ƒ₃, ƒ₄, ƒ₅, ƒ₆ - фокусные расстояния соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого компонентов;

ƒ_ОБ - фокусное расстояние проекционного объектива;

d₅ - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;

n₁, n₃, n₅ - показатель преломления стекла менисков первого, третьего, пятого компонентов.

Заявляемый проекционный объектив позволяет обеспечить коэффициент линейного увеличения по модулю равный единице, при этом количество линз в объективе уменьшилось до шести, в отличие от прототипа, у которого девять линз.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - оптическая схема проекционного объектива;

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

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

На фиг. 1 изображена оптическая схема проекционного объектива. Оптическая система проекционного объектива содержит шесть оптически связанных компонентов I-VI (поз. 3-8), расположенных по ходу луча. Первый компонент I выполнен в виде отрицательного мениска поз. 3, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений. Второй компонент II выполнен в виде положительного мениска поз. 4, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений. Третий компонент III выполнен в виде отрицательного мениска поз. 5, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент IV выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы поз. 6, обращенной более пологим радиусом к пространству изображений. Пятый компонент V выполнен в виде отрицательного мениска поз. 7, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Шестой компонент VI выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы поз. 8, обращенной более пологим радиусом к пространству изображений. На фиг. 1 также показан микродисплей поз. 1, стекло защитное микродисплея поз. 2, и окуляр поз. 9 (показан условно), в передней фокальной плоскости которого находится плоскость изображений проекционного объектива. Мениски первого, третьего и пятого компонентов выполнены из стекла одной марки, т.е. n₁=n₃=n₅=n_e, показатель преломления стекла 1,77≤n_e≤1,82.

При этом выполняются следующие соотношения:

ƒ₁=-(47,2÷52,3) мм, ƒ₂=(133÷148) мм, ƒ₃=-(47,5÷52,5) мм,

ƒ₄=(31,2÷34,6) мм, ƒ₅=-(46,3÷51,3) мм, ƒ₆=(25,9÷28,8) мм,

d₅=(0,22÷0,27)ƒ_ОБ,

где: ƒ₁, ƒ₂, ƒ₃, ƒ₄, ƒ₅, ƒ₆ - фокусные расстояния соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого компонентов;

ƒ_ОБ - фокусное расстояние проекционного объектива;

d₅ - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;

n₁, n₃, n₅ - показатель преломления стекла менисков первого, третьего, пятого компонентов.

В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая схема проекционного объектива, технические характеристики которой приведены в таблице 1.

Конструктивные параметры, предложенной оптической схемы проекционного объектива приведены в таблице 2.

Оптическая схема проекционного объектива работает следующим образом: оптическое излучение, сформированное на экране микродисплея поз. 1, и идущее от каждой точки экрана микродисплея, расположенного в плоскости предметов проекционного объектива, проходит через стекло защитное микродисплея поз. 2, и последовательно через компоненты I-VI поз. 3, 4, 5, 6, 7, 8, затем фокусируется в соответствующей точке плоскости изображения, которая совмещена с передней фокальной плоскостью окуляра поз. 9 (окуляр показан условно), через который происходит просмотр изображения.

Качество изображения проекционного объектива оценивается с помощью модуляционной передаточной функцией (или частотно-контрастной характеристикой - ЧКХ). Так как проекционная система объектива работает совместно с окуляром, то качество изображения оптической системы проекционного объектива оценивается совместно с окуляром и в обратном ходе луча. На фиг. 2 приведены графики модуляционной передаточной функции оптической системы проекционного объектива совместно с окуляром. В таблице 3 показаны результаты расчета коэффициента передачи контраста для пространственных частот 30 мм^-1 60 мм^-1, отнесенные к плоскости предметов, т.е. в обратном ходе (m -меридиональное сечение, s - сагиттальное сечение).

На графике фиг. 2 по оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 60 мм^-1, отнесенные к плоскости предмета проекционного объектива, при этом верхняя кривая соответствует дифракционной ЧКХ, следующая кривая - для точки на оси, остальные кривые - для точек изображения с координатами у=-5,3 мм и у=-7,5 мм.

На фиг. 3 приведены графики функции концентрации энергии ФКЭ для различных точек изображения. По оси абсцисс указаны значения радиуса пятна рассеяния, по оси ординат - значения функции концентрации энергии (далее - ФКЭ) в относительных единицах. Верхняя кривая соответствует дифракционной ФКЭ, следующая кривая - для точки на оси, остальные кривые - для точек с координатами у=-5,3 мм и у=-7,5 мм.

В таблице 4 приведены значения ФКЭ для различных точек поля в пятне радиусом 7,5 мм, что соответствует о дифракционном качестве изображения проекционного объектива в пределах всего поля зрения, которое определяется размером экрана микродисплея и размером поля зрения окуляра.

Заявляемый проекционный объектив позволяет обеспечить высокое качество изображения при сопряжении размера экрана микродисплея с размером поля зрения окуляра, т.е. проекционный объектив обеспечивает коэффициент линейного увеличения по модулю равный единице, и при этом количество линз уменьшилось с 9 до 6 линз, что позволит увеличить коэффициент пропускания оптической системы.

Таким образом, достигнут технический результат - создана технологичная, экономически эффективная конструкция проекционного объектива с коэффициентом линейного увеличения по модулю равным единице, количество линз уменьшено до шести, что увеличило коэффициент пропускания оптической системы, и при этом все компоненты выполнены в виде одиночных линз, отсутствуют склеенные линзы.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к проекционным объективам, предназначенным для переноса изображения с экрана микродисплея в переднюю фокальную плоскость окуляра. Проекционный объектив содержит шесть компонентов, каждый из которых состоит из одиночных линз. Первый и второй компоненты выполнены в виде менисков, обращенных выпуклой поверхностью к пространству изображений, при этом первый компонент отрицательный, а второй положительный. Третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый и шестой компоненты выполнены в виде положительной двояковыпуклой линзы, обращенной более пологим радиусом к пространству изображений. Пятый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Мениски первого, третьего и пятого компонентов выполнены из стекла одной марки. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания оптической системы. 4 табл., 3 ил.

Проекционный объектив, включающий первый компонент, выполненный в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству изображений, второй компонент, выполненный в виде положительного мениска, третий компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый и пятый компоненты, шестой положительный компонент, отличающийся тем, что объектив состоит из шести компонентов, при этом первый компонент выполнен отрицательным, второй компонент обращен выпуклой поверхностью к пространству изображений, третий компонент выполнен в виде одиночной линзы, четвертый компонент выполнен в виде одиночной положительный двояковыпуклой линзы, обращенной более пологим радиусом к пространству изображений, пятый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, шестой компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, обращенной более пологим радиусом к пространству изображений, при этом мениски первого, третьего и пятого компонентов выполнены из стекла одной марки, т.е. n₁=n₃=n₅=n_e, и при этом показатель преломления стекла 1,77≤n_e≤1,82, а также выполняются условия:

ƒ₁=-(47,2÷52,3) мм, ƒ₂=(133÷148) мм, ƒ₃=-(47,5÷52,5) мм,

ƒ₄=(31,2÷34,6) мм, ƒ₅=-(46,3÷51,3) мм, ƒ₆=(25,9÷28,8) мм,

d₅=(0,224÷0,27)ƒ_ОБ,

где: ƒ₁, ƒ₂, ƒ₃, ƒ₄, ƒ₅, ƒ₆ - фокусные расстояния соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого компонентов;

ƒ_ОБ - фокусное расстояние проекционного объектива;

d₅ - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;

n₁, n₃, n₅ - показатель преломления стекла менисков первого, третьего, пятого компонентов.