СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
LARGE-APERTURE LENS

Предлагаемое изобретение относится к кинотехнике, а именно к киносъемочной и фотоаппаратуре.
Известен светосильный широкоугольный объектив [1], состоящий из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой. Первый компонент включает в себя установленные последовательно: отрицательный мениск, двояковыпуклую линзу, отрицательный мениск, двояковыпуклую линзу, положительный мениск, два отрицательных мениска и двояковыпуклую линзу, и второй компонент, включающий двояковыпуклую линзу, двояковогнутую линзу, положительный двусклеенный мениск и две двояковыпуклые линзы.
Объектив имеет следующие характеристики: относительное отверстие 1:1.2, поле зрения 84°. Но этот объектив может быть использован для съемки кинофильмов на формат S16 (12.3×7.5 мм).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является светосильный фотообъектив с большим относительным отверстием [2]. Объектив состоит из двух компонентов, последовательно расположенных вдоль оптической оси, разделенных апертурной диафрагмой. Первый компонент включает в себя отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к пространству объекта, отрицательный склеенный мениск, обращенный выпуклостью к пространству объекта, состоящий из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой линз, положительную линзу, склеенную положительную линзу, состоящую из положительной двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной в пространство объекта.
Второй компонент состоит из склеенного отрицательного мениска, состоящего из отрицательной двояковогнутой и положительной двояковыпуклой линз, положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, положительной двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству объекта.
Объектив имеет высокое относительное отверстие 1:1.2, фокусное расстояние f'=25 мм и линейное поле зрения 24.5×18.6 мм, задний отрезок от последней поверхности объектива до плоскости пленки S'≥32 мм, что позволяет использовать объектив, как в цифровых киносъемочных камерах, так и в камерах, работающих на кинопленку, в которых из-за наличия оптического обтюратора требуется обеспечить большой задний отрезок.
Недостатками известного объектива являются его большие габариты и вес.
Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение габаритов и веса объектива при сохранении высокого относительного отверстия, качества изображения, линейного поля зрения, а также возможности его использования, как в цифровых камерах, так и при съемке на кинопленке.
Для решения поставленной задачи предложен светосильный объектив, который, как и прототип, содержит два компонента, разделенные апертурной диафрагмой, первый из которых содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к пространству объекта, положительную двояковыпуклую линзу и склеенную линзу, состоящую из двояковыпуклой положительной и отрицательной линз, и второй компонент, состоящий из склеенного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, состоящего из отрицательной двояковогнутой и положительной двояковыпуклой линз, первой положительной двояковыпуклой линзы и второй положительной линзы.
В отличие от прототипа в склеенной линзе первого компонента отрицательная линза выполнена двояковогнутой, а оптическая сила склеенной линзы отрицательна, во втором компоненте вторая положительная линза выполнена двояковыпуклой, кроме того, поверхности первой и второй положительных линз второго компонента, обращенные друг к другу, выполнены асферическими.
d
Первая положительная двояковыпуклая линза второго компонента имеет показатель преломления n>1.71.
Оптические силы φ одиночных и склеенных положительных линз удовлетворяют условию: 0.4<φ<0.9, а с отрицательными оптическими силами |φ|<0.7, при этом
л
где φ - оптическая сила линзы;
экв
φ - эквивалентная оптическая сила объектива;
экв
f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива;
л
f' - фокусное расстояние линзы.
2
2
Асферические поверхности первой и второй положительных линз второго компонента выполнены в виде поверхностей второго порядка, причем поверхность с эксцентриситетом 0.4<e<0.5 выполнена эллиптической, а поверхность с эксцентриситетом 2.5<e<2.7 выполнена гиперболической.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что такое выполнение светосильного объектива позволило значительно уменьшить вес и габариты, сохранив при этом высокое относительное отверстие, линейное поле зрения, качество изображения, а также возможность использования предлагаемого объектива не только в цифровых фотокамерах, но и в профессиональной киносъемочной аппаратуре.
Таким образом, достигнут технический результат, заключающийся в уменьшении веса и габаритов.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом (фиг.1), на котором представлена оптическая схема светосильного объектива, а также приложением, в котором даны конструктивные параметры и графики частотно-контрастной характеристики.
Светосильный объектив содержит два компонента, разделенные апертурной диафрагмой АД.
Первый компонент содержит отрицательный мениск 1, обращенный выпуклостью к пространству объекта, положительную двояковыпуклую линзу 2 и склеенную отрицательную линзу, состоящую из положительной двояковыпуклой 3 и отрицательной двояковогнутой линз 4, и второй компонент, состоящий из склеенного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, состоящего из отрицательной двояковогнутой линзы 5 и положительной двояковыпуклой линзы 6, первой положительной двояковыпуклой линзы 7 и второй положительной двояковыпуклой линзы 8.
d
d
Кроме того, отрицательный мениск 1, обращенный выпуклостью к пространству объекта, положительная двояковыпуклая линза 2, склеенная положительная линза, состоящая из положительной двояковыпуклой линзы 3 и отрицательной двояковогнутой линзы 4, отрицательная двояковогнутая линза 5 в составе склеенного отрицательного мениска и положительная двояковогнутая линза имеют показатели преломления n>1.71, а положительная двояковыпуклая линза 6 в составе склеенного отрицательного мениска и положительная линза 8 имеют показатели преломления n>1.65.
Разница дисперсий Δν в склеенных линзах первого и второго компонентов имеют значения Δν>20.
Оптические силы φ одиночных и склеенных положительных линз удовлетворяют условию: 0.4<φ<0.9, а с отрицательными оптическими силами |φ|<0.7, при этом
л
где φ - оптическая сила линзы;
экв
φ - эквивалентная оптическая сила объектива;
экв
f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива;
л
f' - фокусное расстояние линзы.
Предлагаемый светосильный объектив работает следующим образом.
Лучи от объекта съемки проходят через первый компонент, ограничиваясь апертурной диафрагмой АД.
d
Выбор конфигурации склеенных и одиночных линз, их оптических сил и параметров оптических материалов (n, ν) позволил обеспечить коррекцию аберраций объектива.
В частности, отрицательный мениск 1, обращенный выпуклостью к пространству объекта, вносит значительные по величине отрицательную сферическую аберрацию, положительную кому, дисторсию и небольшой по величине астигматизм.
Положительная двояковыпуклая линза 2 частично корригирует сферическую аберрацию и вносит значительный астигматизм и дисторсию.
Склеенная отрицательная линза, состоящая из положительной двояковыпуклой линзы 3 и отрицательной двояковогнутой линзы 4, уменьшает сферическую аберрацию, кому, астигматизм, увеличивает отрицательные дисторсию и кривизну.
Склеенный отрицательный мениск второго компонента, состоящий из отрицательной двояковогнутой линзы 5 и положительной двояковыпуклой линзы 6, вносит значительную по величине отрицательную сферическую аберрацию, положительный астигматизм, увеличивает дисторсию и частично корригирует кому.
Положительная двояковыпуклая линза 7 частично корригирует сферическую аберрацию, кривизну, астигматизм, корригирует дисторсию и вносит положительную кому.
Положительная двояковыпуклая линза 8 корригирует остаточную сферическую аберрацию, кому, астигматизм.
Таким образом, сферическая аберрация второго компонента отрицательна и компенсирует сферическую аберрацию первого компонента. Кома первого компонента отрицательна и компенсирует кому второго компонента. Астигматизм второго компонента отрицательный и компенсирует астигматизм первого компонента. Дисторсия второго компонента положительная и компенсирует дисторсию первого компонента. Кривизна второго компонента положительна и компенсирует кривизну первого компонента.
d
d
Выбор конфигурации отрицательной линзы в составе склеенной отрицательной линзы первого компонента и последней положительной линзы во втором компоненте, а также выбор оптических материалов в первом компоненте для линз 1, 2, 3, 4 и для линз 5, 7 во втором компоненте с показателем преломления n>1.71, а для положительной двояковыпуклой линзы в составе склеенной отрицательной линзы и последней двояковыпуклой линзы второго компонента с показателем преломления n>1.65 позволило минимизировать аберрации высших порядков и обеспечить их взаимную компенсацию.
ν
Разница дисперсий Δ>20 в склеенных линзах 3, 4; 5, 6 позволила минимизировать хроматизм увеличения.
Выбор оптических сил φ одиночной 1 и склеенных 3, 4; 5, 6 линз с положительной оптической силой, удовлетворяющий условию 0.4<φ<0.9, а одиночных 2, 7, 8 линз с отрицательными оптическими силами, удовлетворяющих условию |φ|<0.7, позволило исправить две аберрации:
- кривизну изображения, условием коррекции которой является выполнение условия
- хроматизм положения и увеличения, условием исправления которых является
Благодаря использованию предлагаемого технического решения был рассчитан светосильный объектив с фокусным расстоянием f'=35 мм, относительным отверстием 1:1.2 и линейным полем зрения 24.5×18.6 мм.
Результаты расчета приведены в Приложении (фиг.2 и 3).
Оптические материалы линз и их оптические силы приведены в таблице.
№ линзы
Материал
n<sub>d</sub>
Оптическая сила, <img file="00000004.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
ν<sub>d</sub>
1
2
3
4
5
1
STK19
1.744101
-0.59552
50.4
2
TF5
1.755232
0.8793
27.52
3
STK9
1.742507
-0.28175
50.23
4
TF3
1.717410
29.5
5
TF3
1.717410
-0.649
29.5
6
TK17
1.627990
59.35
7
STK19
1.744101
0.804
50.4
8
TK13
1.603881
0.44
60.62
Из таблицы видно, что все положительные линзы имеют оптические силы φ, равные 0.88, 0.80, 0.44, а все отрицательные линзы - -0.69, -0.28, -0.65.
ν
Разница дисперсий Δ>20 в склеенных линзах 3, 4; 5, 6 составляют
ν3,4
ν5,6
Δ=20.8; Δ=30.0
Основные характеристики качества изображения:
Телевизионная дисторсия для у'=12.25 мм (нормированная к координате)=1.85%
Контраст изображения на частоте 30 л/мм при относительном отверстии 1:1.1.2 более 25% по всему полю зрения, при относительном отверстии 1:2.8 - более 50%, при относительном отверстии 1:11 - более 30%.
2
Первая асферическая поверхность имеет эксцентриситет e=0.47574.
2
Вторая асферическая поверхность имеет эксцентриситет e=2.60721.
Таким образом, предлагаемый светосильный объектив позволил значительно уменьшить вес и габариты по сравнению с прототипом: вес с 452 г у прототипа уменьшен до 126 г в предлагаемом техническом решении, длина со 164 мм уменьшена до 115 мм.
Источники информации
1. Российская Федерация, патент №2123713, МПК: G02B 9/62, G02B 11/34, опубл. 20.12.1998 г.
2. Российская Федерация, патент №98259, МПК: G02B 9/62, опубл. 10.10.2010 г. - прототип.