ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМ ЗРАЧКОМ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно, к объективам и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице.
Известен объектив с вынесенным зрачком [1] из четырех компонентов, первый из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из положительной и отрицательной линз. Данная конструкция объектива имеет хорошее качество изображения в спектральном диапазоне (500…900) нм при относительном отверстии 1:2 и угле поля зрения 2W=15°, удаление входного зрачка от первой поверхности не менее 1,3 фокусного расстояния объектива. Недостатком данной конструкции является большая длина объектива от первой поверхности объектива до плоскости изображения, составляющая не менее 2,4 фокусного расстояния объектива.
Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив [2], состоящий из четырех компонентов, первый компонент которого выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы.
Данная конструкция обеспечивает высокое качество изображений при угловом поле зрения до 15°, относительном отверстии 1:2,8, при этом длина объектива от первой поверхности до плоскости изображений составляет 1,61 фокусного расстояния объектива, а входной зрачок объектива совпадает с первой поверхностью. Недостатком прототипа является большая длина объектива.
Задачей полезной модели является уменьшение длины объектива от первой поверхности до плоскости изображений, а так же вынос входного зрачка объектива при сохранении высокого качества изображения.
Объектив с вынесенным зрачком содержит четыре компонента, расположенных последовательно на оптической оси, первый компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из положительной и отрицательной линз, четвертый компонент - положительная линза, в отличие от прототипа, положительная линза третьего компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, а отрицательная линза третьего компонента выполнена в виде мениска, положительная линза четвертого компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, при этом имеют место следующие соотношения:
1
3
f′:f′≥1
2
φ≥0,8φ,
1
где f′ - фокусное расстояние первого компонента,
3
f′ - фокусное расстояние третьего компонента,
φ - оптическая сила объектива,
2
φ - оптическая сила второго компонента.
Конструкция первого компонента, выполненного в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, позволяет получить вынос входного зрачка объектива не менее 0,9 фокусного расстояния объектива и обеспечивает исправление кривизны изображения.
Выбор соотношения фокусов первого и третьего компонентов больше или равного 1 обеспечил высокие значения коэффициентов передачи модуляции по всему полю за счет коррекции аберраций широких наклонных пучков и комы.
Выбор оптической силы второго компонента больше 0,8 оптической силы всего объектива, выполнение третьего компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и склеенного из положительного и отрицательного менисков, выполнение четвертого компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, позволили уменьшить длину объектива от первой поверхности до плоскости изображений с высоким качеством изображений по всему полю зрения.
-1
Предлагаемый объектив с вынесенным зрачком работает в спектральном диапазоне: λ=(575…850) нм, имеет фокусное расстояние 53,7 мм, относительное отверстие 1:3,4. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (T) для пространственной частоты N=90 мм в точке на оси (y′=0) не менее 0,63, на поле зрения 2W=12° не менее 0,45.
На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива с вынесенным зрачком.
e
e
На фиг. 2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n - показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии e.
На фиг. 3 приведен график поперечной сферической аберрации объектива.
На фиг. 4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=12°.
На фиг. 5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (T) для точки на оси.
На фиг. 6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (T) для точки на краю поля зрения 2W=12°.
Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения, приведенной ниже:
Таблица
λ, мкм
575
600
700
750
850
C
0,13
1,0
0,6
0,37
0,07
Объектив с вынесенным зрачком (фиг. 1) состоит из четырех компонентов и двух светофильтров. Первый компонент выполнен в виде отрицательного мениска 1, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы 2, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из положительного мениска 3 и отрицательного мениска 4, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска 5, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов. Объектив рассчитан со светофильтрами 6 и 7, служащими для выделения спектрального диапазона. Входной зрачок объектива вынесен на расстояние 52 мм от первой поверхности объектива. Фокусное расстояние первого компонента равно - 213,15 мм. Фокусное расстояние второго компонента равно 62,94 мм. Фокусное расстояние третьего компонента составляет - 210,76 мм. Фокусное расстояние четвертого компонента равно 102,68 мм. Фокусное расстояние объектива 53,67 мм. Значения фокусных расстояний компонентов приведены для λ=700 нм. При этом выполняются следующие соотношения:
1
3
f′:f′=(-213,15):(-210,76)=1,01≥1,
Оптическая сила второго компонента равна:
2
2
φ=1/f′=1/62,94=0,01589,
оптическая сила всего объектива:
φ=1/f′=1/53,67=0,0186,
2
φ/φ=0,01589/0,0186=0,0854≥0,8.
Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения равна 70 мм, что составляет 1,303 его фокусного расстояния, длина прототипа составляет 1,61 фокусного расстояния объектива.
Графики аберраций, приведенные на фиг. 3 и 4, а также графики полихроматической частотно-контрастной характеристики для точки на оси и для угла поля зрения 2W=12°, приведенные на фиг. 4 и 5, подтверждают, что объектив с вынесенным зрачком имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения.
Объектив с вынесенным зрачком работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=15° проходит через входной зрачок объектива, диаметром 15,6 мм, удаленный от первой поверхности объектива на расстояние 52 мм и, преломившись через поверхности линз четырех компонентов и два светофильтра фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица.
Источники информации
1. Патент BY №6363, публикация 2004 г, МПК G02B9/60.
2. Патент BY №4072 U, публикация 2007 г., МПК G02B 9/00 - прототип.