ШИРОКОПОЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
WIDE-FIELD IMAGING LENS AND OPTICAL IMAGE CAPTURE DEVICE FOR ELECTRONIC MOBILE DEVICES

Область техники
Изобретение относится к широкопольным объективам формирования изображения и оптическим устройства захвата изображения, включающим указанный широкопольный объектив формирования изображения для электронных мобильных устройств, например мобильных телефонов, смартфонов или планшетов, в частности для встроенных в них PDA сканеров, веб камер и портативных цифровых камер.
Описание предшествующего уровня техники
C ростом популярности портативных устройств, таких как смартфоны и планшеты, вырос спрос на компактные оптические средства формирования изображения, например устройства захвата изображения, объективы или компоновки линз, обеспечивающие формирование изображение с высоким разрешением при низком диафрагменном числе (F-числе). Компактные оптические системы формирования изображения с высоким качеством стали основным продуктом на рынке.
Как хорошо известно из уровня техники объектив обеспечивает формирование изображения на сенсоре (датчик изображения), который фиксирует это изображение.
При этом развитие технологий сенсорных систем на современном рынке сопровождается уменьшением размера пиксела датчика, что в свою очередь неизбежно выдвигает требования к созданию компактных высокоразрешающих объективов.
Таким образом, задача настоящего изобретения, с точки зрения конструкции оптической системы, состоит в том, чтобы предоставить компактный объектив для формирования изображения, который способен захватывать изображения с большой светосилой и высоким разрешением при физических ограничениях, налагаемых электронными устройствами, в которых он используется.
При этом трудно сохранить одновременное достижение высокого качества изображения, широкого поля зрения, большой светосилы и малого количества линзовых элементов.
При этом получения изображения с высоким разрешением должно сопровождаться выполнением следующих условий:
-низкое диафрагменное число <2,0 (далее, как F-число), определяемое отношением фокусного расстояния объектива к диаметру апертуры, и задающее дифракционный предел разрешения;
- возможность коррекции аберраций до значений геометрических аберраций сравнимых с диаметром дифракционного кружка Эри объектива;
-возможность формирования профиля поверхности линзы объектива. Существующие на рынке оптические линзы с вышеуказанными свойствами имеют сложные профили поверхности, требующие высокую точность при изготовлении;
-компактный дизайн, используемый для массовой продукции (с короткой, т.е. сравнимой с фокусным расстоянием, общей длиной объектива (TTL) и небольшое количество элементов в линзовой компоновке).
Задачей настоящего изобретения является создание широкопольного объектива и оптического устройства захвата изображения со встроенным в нее широкопольным объективом, характеризуемого более высоким разрешением изображения при сохранении вышеуказанных параметров объектива, таких как низкое диафрагменное число, небольшое кол-во линзовых элементов, достаточно несложный профиль линзовых поверхностей, позволяющих их изготовление в массовом производстве с сохранением оптических характеристик.
Из уровня техники известно множество оптических устройств захвата изображения и оптических линзовых узлов с широким полем зрения, предназначенных для использования с портативными электронными устройствами.
В патенте KR20100042067A, (опубл. 23.04.2010г., IPC G02B 13/08, представлена ультро-компактная оптическая система формирования изображения, включающая четыре линзовых элемента. Первый линзовый элемент имеет положительную оптическую силу, второй линзовый элемент имеет отрицательную оптическую силу, а третий оптический элемент имеет оптическую силу, составляющую 1% от общей оптической силы всей оптической системы формирования изображения, а четвертый линзовый элемент имеет одну или более вогнутых поверхностей по отношению к поверхности изображения рядом с оптической осью системы. Однако указанная система характеризуется достаточно низким разрешением изображения, низким диафрагменным числом, и достаточно большой TTL.
US20190113714A1, опубл. 18.04.2019 г., IPC G02B 13/00, раскрывает объектив формирования изображения для устройства формирования изображения, используемого в электронных устройствах. Объектив для формирования изображения содержит шесть линзовых элементов, причем шесть линзовых элементов расположены в порядке от предмета к изображению: первый линзовый элемент, имеющий положительную оптическую силу; второй линзовый элемент, имеющий поверхность на стороне изображения, вогнутую в его параксиальной области; третий линзовый элемент, имеющий поверхность на стороне предмета, выпуклую в его параксиальной области; четвертый линзовый элемент; пятый линзовый элемент; и шестой линзовый элемент, имеющий отрицательную оптическую силу. Наличие в данном объективе шести линзовых элементов усложняет возможность изготовления по сравнению с аналогичными объективами, имеющими меньшее количество линзовых элементов, например пятилинзовым объективом. Указанный объектив имеет диафрагменное число равное 1,77 и широкое поле зрения HFOV=38.5 degrees, однако использование в нем шести линзовых элементов существенно отражается на его общей длине, т.е. объектив будет характеризоваться достаточно большой TTL, что накладывает определенные ограничения на использования такого объектива в веб камерах из-за нехватки места.
CN108227156A, опубл.29.06.2018г., IPC G02B 13/00, описывает оптическую линзовую систему фотокамеры, содержащую пять линзовых элементов, которые расположены в порядке от предмета к изображению: первый линзовый элемент; второй линзовый элемент, имеющий положительную оптическую силу; третий линзовый элемент, имеющий отрицательную оптическую силу; четвертый линзовый элемент, имеющий положительную оптическую силу; и пятый линзовый элемент с отрицательной оптической силой, имеющий поверхность на стороне изображения, вогнутую в его параксиальной области, причем поверхность на стороне изображения пятого линзового элемента имеет по меньшей мере одну выпуклую критическую точку в его не осевой области, и поверхность на стороне объекта и поверхность на стороне изображения пятого линзового элемента являются асферическими. Объектив имеет широкое поле зрения HFOV=44.9 градусов и состоит из 5 линзовых элементов, однако диафрагменное число ˃ 2, что свидетельствует о меньшем количестве захватываемого света и, как следствие, недостаточно высоком разрешении получаемого изображения с помощью указанной оптической системы.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является оптическая линзовая система (объектив), раскрытая в US 20190129149А1, опубл. 02.05.2019г., IPC G02B 13/00, которая используется в камерах и содержит, скомпонованные вдоль оптической оси от предмета до изображения: апертурную диафрагму, первый преломляющий линзовый элемент L1, второй преломляющий линзовый элемент L2; третий преломляющий линзовый элемент L3; четвертый преломляющий линзовый элемент L4; и пятый преломляющий линзовый элемент L5. Указанная система состоит из пяти линз, имеет широкое поле зрения HFOV=42.5 градусов ; при этом диафрагменное число F системы линз ˃ 2, что свидетельствует о меньшем количестве захватываемого света и, как следствие, недостаточно высоком разрешении получаемого изображения с помощью указанной оптической системы.
Таким образом, для устранения всех вышеуказанных недостатков объективов известного уровня техники авторы создали оптическое устройство захвата изображения с компактным широкопольным объективом формирования изображения, в котором достигнуто следующее условие: обеспечивается более высокое качество получаемого изображения с высоким оптическим разрешением при следующих параметрах объектива: короткое значение TTL, диафрагменное число<2, оптимальное количество оптических линзовых элементов, в данном случаев 5 линзовых элементов, а также обеспечение корректировки полихроматических аберраций.
Сущность изобретения
Предлагается широкопольный объектив формирования изображения, содержащий оптически сопряженные, последовательно расположенные вдоль оптической оси со стороны предмета до поверхности изображения: апертурную диафрагму, первый оптический элемент, второй оптический элемент, третий оптический элемент, четвертый оптический элемент и пятый оптический элемент;
при этом поверхности каждого из указанных первого, второго, третьего, четвертого, пятого линзовых элементов являются асферическими; при этом первый линзовый элемент имеет положительную оптическую силу; второй линзовый элемент имеет отрицательную оптическую силу, причем поверхность второго линзового элемента со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области (т.е. области бесконечно приближенной к оптической оси), а поверхность второго линзового элемента со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области; третий оптический элемент имеет положительную оптическую силу, причем поверхность третьего линзового элемента со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность третьего линзового элемента со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области; четвертый и пятый оптический элементы имеют противоположные оптические силы; при этом поверхность четвертого линзового элемента со стороны предмета является вогнутой в его параксиальной области, а поверхность четвертого линзового элемента со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области; при этом поверхность пятого линзового элемента со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность пятого линзового элемента со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области.
Кроме того, в широкопольном объективе первый линзовый элемент может иметь выпуклую поверхность со стороны предмета и выпуклую поверхность со стороны изображения или первый линзовый элемент может иметь вогнутую поверхность со стороны предмета и выпуклую поверхность со стороны изображения.
В широкопольном объективе согласно одному варианту четвертый оптический элемент может иметь положительную оптическую силу, а пятый оптический элемент имеет отрицательную оптическую силу, а согласно другому варианту четвертый оптический элемент может иметь отрицательную оптическую силу, а пятый оптический элемент имеет положительную оптическую силу.
Кроме того, в широкопольном объективе первый, второй, третий, четвертый и пятый оптические линзовые элементы объектива формирования изображения выполнены таким образом, чтобы выполнялись условия (1)-(8):
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
0.34<OT/TTL <0.5
(8)
где,
f - фокусное расстояние широкопольного объектива формирования изображения;
f1 - фокусное расстояние первого линзового элемента;
f2 - фокусное расстояние второго линзового элемента;
f3 - фокусное расстояние третьего линзового элемента;
n1 - показатель преломления первого линзового элемента;
n2 - показатель преломления второго линзового элемента;
n3 - показатель преломления третьего линзового элемента;
ν1 - число Аббе первого линзового элемента;
ν2 - число Аббе второго линзового элемента;
ν3 - число Аббе третьего линзового элемента;
ν4 - число Аббе четвертого линзового элемента;
ν5 - число Аббе пятого линзового элемента;
OT - общая толщина первого, второго и третьего линзовых элементов;
TTL - осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента со стороны предмета и поверхностью изображения.
Кроме того в широкопольном объективе дополнительно предусматривается наличие дифракционного оптического элемента, который наносится по меньшей мере на одну поверхность по меньшей мере одного оптического линзового элемента из первого, второго, третьего, четвертого и пятого оптических линзовых элементов. Указанный дифракционный элемент вносит вклад в устранение хроматических и геометрических аберраций.
При этом указанный дифракционный оптический элемент представляет собой рельефно-фазовую кольцевую микроструктуру на плоской или криволинейной поверхности с шагом сравнимым с длиной волны излучения.
Согласно первому аспекту изобретения оптические линзовые элементы широкопольного объектива формирования изображения выполняются из оптического пластика или оптического стекла. При этом показатели преломления n каждого из пяти линзовых элементов должны находиться в следующем диапазоне
1,545 ˂ n ˂ 1,743.
В широкопольном объективе формирования изображения выполняется следующее соотношение:
0,32˂
где BFL- задний фокальный отрезок, отсчитываемый от поверхности линзового элемента L5 со стороны изображения до поверхности изображения без учета ИК фильтра.
Кроме того в широкопольном объективе формирования изображения выполняется следующее соотношение:
2.02˂
где TTL осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента со стороны предмета и поверхностью изображения,
ImgH- половина диагонали получаемого изображения.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается оптическое устройство захвата изображения, содержащее оптически сопряженные широкопольный объектив формирования изображения, ИК фильтр и датчик, который представляет собой матричный фотодетектор
при этом широкопольный объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси оптического устройства захвата изображения со стороны предмета до поверхности изображения: апертурную диафрагму, первый оптический элемент, второй оптический элемент, третий оптический элемент, четвертый оптический элемент и пятый оптический элемент; при этом поверхности каждого из указанных первого, второго, третьего, четвертого, пятого линзовых элементов являются асферическими; при этом первый линзовый элемент имеет положительную оптическую силу; второй линзовый элемент имеет отрицательную оптическую силу, причем поверхность второго линзового элемента со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области(т.е. области бесконечно приближенной к оптической оси), а поверхность второго линзового элемента со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области; третий оптический элемент имеет положительную оптическую силу, причем поверхность третьего линзового элемента со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность третьего линзового элемента со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области; четвертый и пятый оптический элементы имеют противоположные оптические силы; при этом поверхность четвертого линзового элемента со стороны предмета является вогнутой в его параксиальной области, а поверхность четвертого линзового элемента со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области; при этом поверхность пятого линзового элемента со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность пятого линзового элемента со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области.
Кроме того, в широкопольном объективе первый линзовый элемент может иметь выпуклую поверхность со стороны предмета и выпуклую поверхность со стороны изображения или первый линзовый элемент может иметь вогнутую поверхность со стороны предмета и выпуклую поверхность со стороны изображения.
В широкопольном объективе согласно одному варианту четвертый оптический элемент может иметь положительную оптическую силу, а пятый оптический элемент имеет отрицательную оптическую силу, а согласно другому варианту четвертый оптический элемент может иметь отрицательную оптическую силу, а пятый оптический элемент имеет положительную оптическую силу.
В устройстве захвата изображения выполняется следующее соотношение:
0,32˂
где BFL- задний фокальный отрезок, отсчитываемый от поверхности линзового элемента L5 со стороны изображения до поверхности изображения без учета ИК фильтра.
В устройстве захвата изображения выполняется следующее соотношение:
2.02˂
где TTL осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента со стороны предмета и поверхностью изображения,
ImgH- половина диагонали получаемого изображения.
Кроме того, в широкопольном объективе первый, второй, третий, четвертый и пятый оптические линзовые элементы объектива формирования изображения выполнены таким образом, чтобы выполнялись условия (1)-(8):
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
0.34<OT/TTL <0.5
(8)
где,
f - фокусное расстояние широкопольного объектива формирования изображения;
f1 - фокусное расстояние первого линзового элемента;
f2 - фокусное расстояние второго линзового элемента;
f3 - фокусное расстояние третьего линзового элемента;
n1 - показатель преломления первого линзового элемента;
n2 - показатель преломления второго линзового элемента;
n3 - показатель преломления третьего линзового элемента;
ν1 - число Аббе первого линзового элемента;
ν2 - число Аббе второго линзового элемента;
ν3 - число Аббе третьего линзового элемента;
ν4 - число Аббе четвертого линзового элемента;
ν5 - число Аббе пятого линзового элемента;
OT - общая толщина первого, второго и третьего линзовых элементов;
TTL - осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента со стороны предмета и поверхностью изображения.
Кроме того, в широкопольном объективе дополнительно предусматривается наличие дифракционного оптического элемента, который наносится по меньшей мере на одну поверхность по меньшей мере одного оптического линзового элемента из первого, второго, третьего, четвертого и пятого оптических линзовых элементов. Указанный дифракционный элемент вносит вклад в устранение хроматических и геометрических аберраций. При этом указанный дифракционный оптический элемент представляет собой рельефно-фазовую кольцевую микроструктуру на плоской или криволинейной поверхности с шагом сравнимым с длиной волны излучения.
Согласно второму аспекту изобретения оптические линзовые элементы широкопольного объектива формирования изображения выполняются из оптического пластика или оптического стекла. При этом показатели преломления n каждого из пяти линзовых элементов должны находиться в следующем диапазоне
1,545 ˂ n ˂ 1,743.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг.1а - иллюстрирует схему широкопольного объектива формирования изображения согласно изобретению;
Фиг.1b - иллюстрирует схему широкопольного объектива формирования изображения с DOE согласно изобретению;
Фиг.2а - схематичное представление части широкопольного объектива формирования изображения согласно изобретению, иллюстрирующее задний фокальный отрезок(BFL), отсчитываемый от поверхности линзового элемента L5 со стороны изображения до поверхности изображения;
Фиг.2b - схематичное представление прохождения лучей через линзовые элементы L1-L5;
Фиг.2с - схематичное представление размеров линзовых элементов L1-L5;
Фиг.2d - схематичное представление прохождение лучей через линзовые элементы L1-L5 на датчик;
Фиг.3 - схематичное представление оптического устройства захвата изображения, включающего широкопольный объектив формирования изображения согласно Примеру 1;
Фиг.4 - схематичное представление оптического устройства захвата изображения, включающего широкопольный объектив формирования изображения согласно Примеру 2;
Фиг.5 - схематичное представление оптического устройства захвата изображения, включающего широкопольный объектив формирования изображения согласно Примеру 3;
Фиг.6 - представлены графики частотно-контрастной характеристики для различных точек поля широкопольного объектива согласно Примеру 1;
Фиг.7 - представлены графики, иллюстрирующие кривизну поля зрения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1;
Фиг.8 - представлены графики, иллюстрирующие дисторсию широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1;
Фиг.9 - проиллюстрирован хроматизм увеличения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1;
Фиг.10 - представлены графики частотно-контрастной характеристики для различных точек поля широкопольного объектива согласно Примеру 2;
Фиг.11 - представлены графики, иллюстрирующие кривизну поля зрения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2;
Фиг.12 - представлены графики, иллюстрирующие дисторсию широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2;
Фиг.13 - проиллюстрирован хроматизм увеличения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2;
Фиг.14 - представлены графики частотно-контрастной характеристики для различных точек поля широкопольного объектива согласно Примеру 3;
Фиг.15 - представлены графики, иллюстрирующие кривизну поля зрения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3;
Фиг.16 - представлены графики, иллюстрирующие дисторсию широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3;
Фиг.17 - проиллюстрирован хроматизм увеличения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3;
Таблица 1 - представлены конструктивные параметры широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1;
Таблица 2 - представлены значения асферических коэффициентов поверхностей широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1;
Таблица 3 - представлены соотношения конструктивных параметров широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1;
Таблица 4 - представлены конструктивные параметры широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2;
Таблица 5 - представлены значения асферических коэффициентов поверхностей широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2;
Таблица 6 - представлены соотношения конструктивных параметров широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2;
Таблица 7 - представлены конструктивные параметры широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3;
Таблица 8 - представлены значения асферических коэффициентов поверхностей широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3;
Таблица 9 - представлены соотношения конструктивных параметров широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение предназначено для обеспечения компактного широкопольного объектива формирования изображения и оптического устройства захвата изображения, включающего указанный широкопольный объектив, которые предназначены для использования в электронных устройствах. Основными задачами, которые решает настоящее изобретение, являются:
- обеспечение более высокого разрешения изображения при следующих параметрах объектива, таких как низкое диафрагменное число <2, небольшое кол-во линзовых элементов (5 линзовых элементов),
-достаточно несложный профиль линзовых поверхностей, позволяющих их изготовление в массовом производстве с сохранением оптических характеристик;
- обеспечение компактного дизайна широкопольного объектива, используемый для массовой продукции с короткой, т.е. сравнимой с фокусным расстоянием, общей длиной объектива (TTL) и небольшое количество элементов в линзовой компоновке(пять линзовых элементов).
Далее представлены предпочтительные варианты реализации и Примеры 1-3 широкопольного объектива формирования изображения и оптического устройства захвата изображения, включающего указанный широкопольный объектив формирования изображения со ссылками на прилагаемые чертежи 1-17 и Таблицы 1-9.
Линзы в широкопольном объективе формирования изображения согласно изобретению условно объединяются в группы, одна из них «силовая» часть, вносящая вклад в оптическую силу объектива и так называемая «корректирующая» часть отвечающая за корректировку различных аберраций. На фиг. 1а схематично представлен широкопольный объектив формирования изображения согласно изобретению, состоящий из пяти линзовых элементов.
Авторы изобретения путем экспериментальных исследований выявили соотношения параметров линз широкопольного объектива формирования изображения, удовлетворение которых обеспечивает получение заявленного широкопольного объектива формирования изображения с высоким разрешением. Широкопольный объектив формирования изображения согласно изобретению состоит из пяти линзовых элементов (см. фиг.1а). При этом первый, второй и третий линзовые элементы L1, L2, L3 условно образуют, так называемую силовую часть, а четвертый и пятый линзовые элементы L4, L5 объектива условно образуют корректирующую часть объектива и обеспечивают корректировку геометрических и хроматических аберраций.
При этом согласно изобретению выполняются следующие соотношения (1)-(8), полученные авторами изобретения, путем экспериментальных исследований.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
0.34<OT/TTL <0.5
(8)
где,
f - фокусное расстояние объектива;
1
f - фокусное расстояние первого линзового элемента;
2
f - фокусное расстояние второго линзового элемента;
3
f - фокусное расстояние третьего линзового элемента;
1
n - показатель преломления первого линзового элемента;
2
n - показатель преломления второго линзового элемента;
3
n - показатель преломления третьего линзового элемента;;
1
ν - число Аббе первого линзового элемента;
2
ν - число Аббе второго линзового элемента;
3
ν - число Аббе третьего линзового элемента;
4
ν - число Аббе четвертого линзового элемента;
5
ν - число Аббе пятого линзового элемента;
OT - общая толщина первого, второго и третьего линзовых элементов L1-L3
TTL -осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента со стороны предмета и поверхностью изображения, т. е общая длина объектива
При этом соотношения (1)-(7) вносят вклад в уменьшение геометрических аберраций, а соотношение (8) вносит вклад в компенсацию хроматических аберраций.
Кроме, того на фиг. 1b представлена структура пятикомпонентного широкопольного объектива формирования изображения согласно изобретению. Каждый из компонентов которого может быть выполнен в виде: одиночной линзы, дифракционного оптического элемента (DOE), либо комбинированный компонент, состоящий из линзового элемента с нанесенной дифракционной структурой как на одной оптической поверхности, так и на обеих оптических поверхностях.
В случае комбинированного компонента, эквивалентное число Аббе будет определяться по формуле (9):
(9)
i eq
i eq
ν → ν:  ν
где
i-номер линзового элемента
νi - число Аббе i-ого линзового элемента;
νDOE -число Аббе дифракционного оптического элемента (DOE);
φi - оптическая сила i-ого линзового элемента;
φDOE - оптическая сила дифракционного оптического элемента (DOE);
φi eq - эквивалентная оптическая сила i-ого линзового элемента и DOE;
νi eq - эквивалентное число Аббе i-ого линзового элемента и DOE.
Помимо полученных соотношений (1)-(9) авторами изобретения путем экспериментальных исследований были получены следующие соотношения для компактного широкопольного объектива формирования изображения согласно изобретению.
(10)
min
LT≥ 0.3 мм,
где
min
LT- минимальное значение толщины каждой из линз L1-L5.
Соотношение (10) обеспечивает оптимальные условия изготовления и компоновки линзовых элементов в объективе.
Фиг.2а представлено схематичное представление части широкопольного объектива формирования изображения согласно изобретению, иллюстрирующее задний отрезок фокусного расстояния (BFL) от поверхности линзового элемента L5 со стороны изображения до поверхности изображения. При этом в широкопольном объективе формирования изображение выполняется следующее соотношение:
(11)
˂
где BFL- задний фокальный отрезок, отсчитываемый от поверхности линзового элемента L5 со стороны изображения до поверхности изображения без учета ИК фильтра. Соотношение (11) обеспечивает оптимальные условия для механической стыковки объектива и датчика (приемника изображения), а также размещения средств автофокусировки.
(12)
0.6684˂ZCRC˂0.964, где ZCRC - Z направляющий косинус луча для угла α, между оптической осью и главным лучом после преломления на оптической поверхности(см. фиг.2b).
(13)
3.12° ˂ICRA˂58.71°,
где ICRA- угол падения главного луча на оптическую поверхность(см. фиг.2b).
(14)
1.545˂n˂1.743,
где n -показатель преломления каждого из пяти линзовых элементов При этом соблюдение условий (12)-(14) позволяет сохранить высокую относительную освещенность в объективе и упрощают исправление геометрических аберраций
(15)
23.8°˂CRA˂33.79°,
где CRA- угол между главным лучом и оптической осью Таким образом, из соотношений (12) и (15) следует, что чем меньше CRA, тем более равномерное распределение освещения плоскости изображения(см. фиг.2b).
(16)
1.194.14,
2.02˂
где OD-диаметр линзового элемента, CT- осевая толщина линзового элемента,
ET-минимальная толщина линзового элемента (см. фиг.2c).
При выполнении соотношений (16) упрощается изготовление указанных линзовых элементов.
(17)
2.02˂
где TTL осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента со стороны предмета и поверхностью изображения, т. е общая длина объектива,
ImgH- половина диагонали получаемого изображения (см. фиг.2d).
Выполнение соотношения (17) вносит вклад в компактность получаемого объектива при одновременном сохранении низкого диафрагменного числа и, как следствие, получении высокого разрешения формируемого изображения.
При этом профили асферических поверхностей линзовых элементов заявленного широкопольного объектива формирования изображения описываются следующим выражением (18):
где,
z - смещение параллельно оптической оси между точкой профиля на поверхности изображения и вершиной поверхностью изображения на оптической оси, r - радиальное расстояние от оптической оси, к - конический коэффициент поверхности изображения, с - радиус кривизны поверхности изображения в точке профиля, Ai - асферический коэффициент i-ого порядка
Сложная форма поверхностей линзовых элементов L1-L5, представленная на фигурах 1-5 обеспечивает корректировку кривизны поля и повышает качество формируемого заявленным широкопольным объективом изображения.
При этом, изготавливаемые из оптического пластика, линзовые элементы с асферическими поверхностями согласно изобретению легко формуются, что приводит к снижению их стоимости.
При изготовлении линзовых элементов с асферическими поверхностями из оптического стекла порядок асферических поверхностей выбирается более низким ввиду более высокого показателя преломлении стекла и низкого значения числа Аббе, что также играет роль в снижении стоимости изготовления объективов согласно изобретению и электронных устройств, использующих указанные объективы.
Одним из важнейших аспектов в разработке заявленного изобретения является согласование характеристик широкопольного объектива с характеристиками приемника оптического излучения(датчика). В частности, разрешающая способность объектива должна быть согласована с размером пиксела выбранного датчика (сенсора). Для согласования этих параметров необходимо, чтобы радиус дифракционного пятна рассеяние равнялся одному пикселу:
r=2*pix,
где r - радиус дифракционного пятна рассеяния, pix - размер пиксела.
Радиус дифракционного пятна, создаваемого объективом равен:
r=1,22λFno
где Fno - диафрагменное число объектива, λ - длина волны рассматриваемого спектрального диапазона.
При размере пиксела 0,8 мкм и согласно выбранному спектральному диапазону (0,44-0,70 мкм), для согласования параметров широкопольного объектива и приемника(датчика), объектив должен обладать диафрагменным числом не более:
при λ=0.44 мкм, Fno=2.98;
при λ=0.486 мкм, Fno=2.70;
при λ=0.588 мкм, Fno=2.23;
при λ=0.656 мкм, Fno=2.00;
при λ=0.700 мкм, Fno=1.87.
Таким образом, максимальное диафрагменное число (Fno) должно составлять 1,87.
При этом разрешающая способность, характеризуемая частотно-контрастной характеристикой, должна рассматриваться на половине частоты Найквиста, равной:
ν = 1000/(2*pix)
где ν - частота Найквиста.
То есть рассматриваемая частота ν/2=313 лин/мм.
Авторами изобретения получено оптическое устройство захвата изображения, в котором для размера пиксела d=0.8 мкм получен широкопольный объектив формирования изображения, характеризующийся контрастом более 0,3 на пространственной частоте ν = 313 лин/мм.
Все вышеуказанные соотношения выполняются для каждого из вариантов реализации широкопольного объектива формирования изображения и оптического устройства захвата изображения, включающей указанный объектив.
Далее будут представлены конкретные примеры широкопольных объективов формирования изобретения, а также оптических устройств захвата изображения.
Пример 1
Согласно изобретению представлен широкопольный объектив формирования изображения(см. фиг.3) и оптическое устройство захвата изображения согласно изобретению, содержащее указанный широкопольный объектив формирования изображения и датчик (170) изображения(фиг.3).
Широкопольный объектив формирования изображения согласно Примеру 1 включает пять линзовых элементов, расположенных последовательно вдоль оптической оси оптического устройства захвата изображения со стороны предмета до поверхности изображения (совпадает с датчиком 170 изображения), формируемого объективом и представляющих собой первый оптический элемент (110), второй оптический элемент (120), третий оптический элемент (130), четвертый оптический элемент (140) и пятый оптический элемент (150).
Первый линзовый элемент (110) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (111) первого линзового элемента (110) со стороны объекта является выпуклой в его параксиальной области, и поверхность (112) первого линзового элемента (110) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (111) и (112) указанного первого линзового элемента (110) являются асферическими.
Второй линзовый элемент (120) имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность (121) первого линзового элемента (120) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (122) второго линзового элемента (120) со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области, при этом поверхности (121) и (122) указанного второго линзового элемента (120) являются асферическими.
Третий линзовый элемент (130) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (131) третьего линзового элемента (130) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (132) третьего линзового элемента (130) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (131) и (132) указанного третьего линзового элемента (130) являются асферическими. Четвертый линзовый элемент (140) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (141) четвертого линзового элемента (140) со стороны предмета является вогнутой в его параксиальной области, а поверхность (142) четвертого линзового элемента (140) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (141) и (142) указанного четвертого линзового элемента (140) являются асферическими. При этом четвертый линзовый элемент (140) изготавливается из пластика
Пятый линзовый элемент (150) имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность (151) пятого линзового элемента (150) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (152) пятого линзового элемента (150) со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области, при этом поверхности (151) и (152) указанного пятого линзового элемента (150) являются асферическими.
Каждый из линзовых элементов 110, 120, 130, 140, 150 выполнен из оптического пластика.
Конкретные значения соотношений параметров широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1 представлены в Таблице 3 и они полностью удовлетворяют соотношениям (1)-(8):
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
0.34<OT/TTL <0.5
(8)
где,
f - фокусное расстояние объектива;
1
f - фокусное расстояние первого линзового элемента;
2
f - фокусное расстояние второго линзового элемента;
3
f - фокусное расстояние третьего линзового элемента;
1
n - показатель преломления первого линзового элемента;
2
n - показатель преломления второго линзового элемента;
3
n - показатель преломления третьего линзового элемента;;
1
ν - число Аббе первого линзового элемента;
2
ν - число Аббе второго линзового элемента;
3
ν - число Аббе третьего линзового элемента;
4
ν - число Аббе четвертого линзового элемента;
5
ν - число Аббе пятого линзового элемента;
OT - общая толщина первого, второго и третьего линзовых элементов 110-130
TTL - осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента 110 со стороны предмета и поверхностью изображения, т. е общая длина объектива.
При этом на по меньшей мере одной поверхности по меньшей мере одного из линзовых элементов (120)-(150) может быть расположен дифракционный оптический элемент (DOE) (см. фиг. 1b), который вносит значительный вклад в устранение, как хроматических, так геометрических аберраций. DOE представляет собой рельефно-фазовую кольцевую микроструктуру на плоской или криволинейной поверхности с шагом сравнимым с длиной волны.
˃
˃
Следует отметить, что частотная-контрастная характеристика является показателем разрешающей способности объектива. Широкопольный объектив согласно Примеру 1 имеет частотно-контрастную характеристику MTF (модуль оптической передаточной функции (ОПФ))  0,3 при значении пространственной частоты (SF) 313 лин/мм , и MTF  0, 42 при SF равном 200 лин/мм.
˃
При этом TTL широкопольно объектива согласно Примеру 1 составляет 4,26 мм, а диафрагменное число 1,76. Следует отметить, что объективы известного уровня техники, например раскрытые в US 20190129149А, имеют контраст MTF  0.2 при SF равном 200 лин/мм, и диафрагменном числе свыше 2,0 что значительно уступает параметрам объектива формирования изображения согласно изобретению.
На Фиг.6 представлены графики частотно-контрастной характеристики широкопольного объектива согласно Примеру 1 для различных точек поля (0,0°, 13,0°, 26,0° и 38,0°) в зависимости от пространственной частоты (SF), т.е. иллюстрирующие с каким контрастом разрешаются разные частоты. Максимальная приведенная частота 313 лин/мм, на которой контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,3.
На графике по оси абсцисс указана пространственная частота в лин/мм, а по оси ординат модуль ОПФ (оптической передаточной функции) т.е. MTF, характеризующий контраст изображения.
Кривые, представленные на фиг.6, иллюстрируют МTF для различных точек поля (0,0°, 13,0°, 26,0° и 38,0°) для двух сечений - тангенциального (YZ) и саггитального (XZ).
На фиг.7 представлены графики, иллюстрирующие кривизну поля зрения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1.
Кривизна поля зрения объектива представлена для длин волн: 0,440 мкм, 0, 588 мкм и 0, 700 мкм (направление сечения-тангециальное показано сплошной линией, а саггитальное-пунктирной линий).
По оси абсцисс представлены значения кривизны поля, т.е. смещение по оси Z в мм, а по оси ординат представлено поле зрения объектива в градусах.
На фиг.8 представлены графики, иллюстрирующий дисторсию широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1.
По оси абсцисс представлено значении дисторсии в процентах, а оси ординат поле зрения объектива в градусах. При этом кривые дисторсии представлены для длин волн:0, 440 мкм, 0, 588 мкм и 0, 700 мкм. При этом для объектива формирования изображения дисторсия не превышает 2%.
На фиг.9 проиллюстрирован хроматизм увеличения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1, где по оси абсцисс представлена величина поперечного хроматизма в мкм, а по оси ординат поле зрения в градусах. При этом максимальный разброс, т.е. разница между минимальным и максимальным значением поперечного хроматизма, представленная по оси абсцисс составляет 1, 57 мкм. Указанная хроматическая аберрация рассмотрена для короткой длины волны 0, 440 мкм и для длинной длины волны 0, 700 мкм, причем максимальное смещение изображения для указанных длин волн составляет ˂1,6 мкм.
Оптическое устройство захвата изображения согласно изобретению (фиг.3) также включает апертурную диафрагму 100, расположенную у первого линзового элемента 110 со стороны предмета и фильтр (160), расположенный между пятым линзовым элементом 150 и поверхностью изображения. Все вышеуказанные элементы оптического устройства формирования изображения являются оптически сопряженными друг с другом с возможностью формирования изображения на рабочей поверхности датчика 170.
При этом датчик 170 представляет собой матричный фотодетектор, выполненный с возможностью регистрации электромагнитного излучения в диапазоне 0,4-0,7 мкм, а размер пиксела датчика может составлять от 0,7 мкм до 1 мкм.
Фильтр (160) выполнен из оптического стекла и представляет собой ИК-фильтр, выполненный с возможностью устранения шумов от регистрации ИК излучения в диапазоне 0,8-14,0 мкм. Конструктивные параметры объектива формирования изображения согласно Примеру 1представлены в Таблице 1.
В Tаблице 1 представлены конструктивные параметры широкопольного объектива формирования изображения, который характеризуется следующими параметрами:
-диафрагменное число Fno=1, 76,
-фокусное расстояние объектива=2, 51 мм,
- половина максимального поля зрения (HFOV)= 38°.
При этом в Таблице 1: радиус кривизны, толщина, фокусное расстояние представлены в мм.
Нумерация поверхностей линзовых элементов с 1 по 14 относится к поверхностям в порядке от предмета до изображения При этом согласно Примеру 1 в соответствии с фиг.3, L1, обозначенный в Таблице 1, относится к линзовому элементу под позицией 110, L2 относится к линзовому элементу под позицией 120, L3 относится к линзовому элементу под позицией 130, L 4 относится к линзовому элементу под позицией 140, L5 относится к линзовому элементу под позицией 150.
При этом в Таблице 1 в графе толщина относительно позиций L1-L5 указаны два значения: первое значение относится к толщине самого линзового элемента, а второй значение относится к расстоянию до следующего линзового элемента.
2
16
В Таблице 2 представлены значения асферических коэффициентов поверхностей широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 1, в порядке их расположения от предмета до изображения, где поверхность 2 соответствует поверхности 111 линзового элемента 110 и так далее. При этом в Таблице 2 представлены значения A-A асферических коэффициентов 2-ого - 16-ого порядков , k-конический коэффициент поверхностей линзовых элементов.
При этом профили асферических поверхностей линзовых элементов 110-150 объектива формирования изображения описываются выражением (18).
Следует отметить, что использование асферических поверхностей обеспечивает исправление полевых аберраций малым количеством линзовых элементов, в данном случае пятью, обеспечивая компактность патентуемой оптической схемы.
Представленная конструкция и параметры широкопольного объектива формирования изображения и устройства захвата изображения согласно Примеру 1 обеспечивает высокое разрешение изображение, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,3 при пространственной частоте 313 лин/мм и размере пиксела датчика равном d=0,8 мкм при TTL =4, 26 мм и диафрагменном числе объектива равном 1, 76.
Пример 2
Далее будет представлен конкретный Пример 2 выполнения широкопольного объектива формирования изображения (см. фиг.4) и оптического устройства захвата изображения согласно изобретению, содержащего указанный широкопольный объектив формирования изображения и датчик (170) изображения(фиг.4).
Широкопольный объектив формирования изображения согласно Примеру 2 включает пять линзовых элементов, расположенных последовательно вдоль оптической оси оптического устройства захвата изображения со стороны предмета до поверхности изображения (совпадает датчиком 270 изображения), формируемого широкопольным объективом и представляющих собой первый оптический элемент (210), второй оптический элемент (220), третий оптический элемент (230), четвертый оптический элемент (240) и пятый оптический элемент (250).
Первый линзовый элемент (210) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (211) первого линзового элемента (210) со стороны предмета является вогнутой в его параксиальной области, а поверхность (212) первого линзового элемента 210) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (211) и (212) указанного первого линзового элемента (210) являются асферическими.
Второй линзовый элемент (220) имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность (221) второго линзового элемента (220) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (222) второго линзового элемента (120) со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области, при этом поверхности (221) и (222) указанного второго линзового элемента (220) являются асферическими.
Третий линзовый элемент (230) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (231) третьего линзового элемента (230) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (232) третьего линзового элемента (230) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (231) и (232) указанного третьего линзового элемента (330) являются асферическими.
Четвертый линзовый элемент (240) имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность (241) четвертого линзового элемента (240) со стороны предмета является вогнутой в его параксиальной области, а поверхность (242) четвертого линзового элемента (240) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (241) и (242) указанного четвертого линзового элемента (240) являются асферическими.
Пятый линзовый элемент (250) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (251) пятого линзового элемента (250) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (252) пятого линзового элемента (250) со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области, при этом поверхности (251) и (252) указанного пятого линзового элемента (250) являются асферическими.
Каждый из линзовых элементов 210, 220, 230, 240, 250 выполнен из оптического пластика.
Конкретные значения соотношений параметров широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2 представлены в Таблице 6 и они полностью удовлетворяют соотношениям (1)-(8):
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
0.34<OT/TTL <0.5
(8)
где,
f - фокусное расстояние широкопольного объектива;
1
f - фокусное расстояние первого линзового элемента;
2
f - фокусное расстояние второго линзового элемента;
3
f - фокусное расстояние третьего линзового элемента;
1
n - показатель преломления первого линзового элемента;
2
n - показатель преломления второго линзового элемента;
3
n - показатель преломления третьего линзового элемента;;
1
ν - число Аббе первого линзового элемента;
2
ν - число Аббе второго линзового элемента;
3
ν - число Аббе третьего линзового элемента;
4
ν - число Аббе четвертого линзового элемента;
5
ν - число Аббе пятого линзового элемента;
OT - общая толщина первого, второго и третьего линзовых элементов 210-230
TTL -осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента 210 со стороны предмета и поверхностью изображения, т. е общая длина широкопольного объектива.
При этом на по меньшей мере одной поверхности одного или более линзовых элементов (220)-(250) может быть расположен дифракционный оптический элемент (DOE) (см. фиг. 1b), который вносит значительный вклад в устранение, как хроматических, так геометрических аберраций. DOE представляет собой рельефно-фазовую кольцевую микроструктура на плоской или криволинейной поверхности с шагом сравнимым с длиной волны.
Оптическое устройство захвата изображения согласно Примеру 2 (фиг.4) также включает апертурную диафрагму 200, расположенную у первого линзового элемента 210 со стороны предмета и фильтр (260), расположенный между пятым линзовым элементом 250 и поверхностью изображения. Все вышеуказанные элементы оптического устройства захвата изображения являются оптически сопряженными друг с другом с возможностью формирования изображения на рабочей поверхности датчика 270.
При этом датчик 270 представляет собой матричный фотодетектор и выполнен с возможностью регистрации электро-магнитного излучения в диапазоне 0,4-0,7 мкм, а размер пиксела датчика находится в диапазоне от 0,7мкм до 1мкм.
Фильтр (260) выполнен из оптического стекла и представляет собой ИК-фильтр, выполненный с возможностью устранения шумов от регистрации ИК излучения в диапазоне длин волн 0,8-14,0 мкм.
В Tаблице 4 представлены конструктивные параметры широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2, который характеризуется следующими параметрами:
-диафрагменное число Fno=1, 82,
-фокусное расстояние объектива=2, 43 мм,
- половина максимального поля зрения (HFOV)= 39°.
При этом в Таблице 4: радиус кривизны, толщина, фокусное расстояние представлены в мм.
Нумерация поверхностей линзовых элементов с 1 по 14 относится к поверхностям в порядке от предмета до изображения При этом согласно второму варианту реализации объектива, согласно фиг.4, L1, обозначенный в Таблице 4, относится к линзовому элементу под позицией 210, L2 относится к линзовому элементу под позицией 220, L3 относится к линзовому элементу под позицией 230, L4 относится к линзовому элементу под позицией 240, L5 относится к линзовому элементу под позицией 250.
При этом в Таблице 4 в графе толщина относительно позиций L1-L5 указаны два значения: первое значение относится к толщине самого линзового элемента, а второй значение относится к расстоянию до следующего линзового элемента.
2
16
В Таблице 5 представлены значения асферических коэффициентов поверхностей объектива формирования изображения согласно Примеру 2, в порядке их расположения от предмета до изображения, где поверхность 2 соответствует поверхности 211 линзового элемента 210 и так далее. При этом в Таблице 5 представлены значения A-A асферических коэффициентов 2-ого - 16-ого порядков, k-конический коэффициент поверхностей линзовых элементов.
При этом профили асферических поверхностей линзовых элементов 210-250 объектива формирования изображения описываются выражением (18), представленным выше. Следует отметить, что использование асферических поверхностей обеспечивает исправление полевых аберраций малым количеством линзовых элементов, в данном случае пятью, обеспечивая компактность патентуемой оптической схемы.
В таблице 6 представлены соотношения конструктивных параметров широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2.
Кроме того, одним из важных параметров объектива является частотно-контрастная характеристика. Следует отметить, что частотная-контрастная характеристика является показателем разрешающей способности объектива. Широкопольный объектив согласно Примеру 2 имеет частотно-контрастную характеристику MTF (модуль оптической передаточной функции (ОПФ)) ˃ 0,28 при значении пространственной частоты (SF) 313 лин/мм.
При этом TTL широкопольно объектива согласно Примеру 2 составляет 4,06 мм, а диафрагменное число 1,8. Следует отметить, что объективы известного уровня техники, например раскрытые в US 20190129149А, имеют контраст MTF ˃ 0.25 при SF равном 200 лин/мм, и диафрагменном числе свыше 2,0 что значительно уступает параметрам широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2.
На Фиг.10 представлены графики частотно-контрастной характеристики широкопольного объектива согласно Примеру 2 для различных точек поля (0,0°, 13,0°, 26,0° и 38,0°) в зависимости от пространственной частоты (SF), т.е. иллюстрирующие с каким контрастом разрешаются разные частоты. Максимальная приведенная частота 313 лин/мм, на которой контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,28.
На графике по оси абсцисс указана пространственная частота в лин/мм, а по оси ординат модуль ОПФ (оптической передаточной функции) т.е. MTF, характеризующий контраст изображения.
Кривые представленные на фиг.9 иллюстрируют МTF для различных точек поля (0,0°, 13,0°, 26,0° и 38,0°) для двух сечений - тангенциального (YZ) и саггитального (XZ).
На фиг.11 представлены графики, иллюстрирующие кривизну поля зрения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2.
Кривизна поля зрения объектива представлена для длин волн: 0,440 мкм, 0, 588 мкм и 0, 700 мкм (направление сечения-тангециальное показано сплошной линией, а саггитальное-пунктирной линий).
По оси абсцисс представлены значения кривизны поля, т.е. смещение по оси Z в мм, а по оси ординат представлено поле зрения объектива в градусах.
На фиг.12 представлены графики, иллюстрирующий дисторсию широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2.
По оси абсцисс представлено значении дисторсии в процентах, а оси ординат поле зрения объектива в градусах. При этом кривые дисторсии представлены для длин волн:0, 440 мкм, 0, 588 мкм и 0, 700 мкм. При этом для объектива формирования изображения дисторсия ˂ 2%.
На фиг.13 проиллюстрирован хроматизм увеличения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 2, где по оси абсцисс представлена величина поперечного хроматизма в мкм, а по оси ординат поле зрения в градусах. При этом максимальный разброс, т.е. разница между минимальным и максимальным значением поперечного хроматизма, представленная по оси абсцисс составляет 1, 6 мкм. Указанная хроматическая аберрация рассмотрена для короткой длины волны 0, 440 мкм и для длинной длины волны 0, 700 мкм и максимальное смещение изображения для указанных длин волн составляет ˂1,6 мкм.
Представленная конструкция и параметры широкопольного объектива формирования изображения и устройства захвата изображения согласно Примеру 2 обеспечивает высокое разрешение изображение, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,28 при пространственной частоте 313 лин/мм и размере пиксела датчика равном d=0,8 мкм при TTL =4, 06 мм и диафрагменном числе объектива равном 1, 8.
Пример 3
Далее будет представлен конкретный Пример 3 выполнения широкопольного объектива формирования изображения(см. фиг.5) и оптического устройства захвата изображения согласно изобретению, содержащего указанный широкопольный объектив формирования изображения и датчик (370) изображения(фиг.5).
Широкопольный объектив формирования изображения согласно Примеру 3 включает пять линзовых элементов, расположенных последовательно вдоль оптической оси оптического устройства захвата изображения со стороны предмета до поверхности изображения (совпадает датчиком 370 изображения), формируемого объективом (1), и представляющих собой первый оптический элемент (310), второй оптический элемент (320), третий оптический элемент (330), четвертый оптический элемент (340) и пятый оптический элемент (350).
Первый линзовый элемент (310) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (311) первого линзового элемента (310) со стороны предмета является вогнутой в его параксиальной области, а поверхность (312) первого линзового элемента (310) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (311) и (312) указанного первого линзового элемента (310) являются асферическими.
Второй линзовый элемент (320) имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность (321) второго линзового элемента (320) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (322) второго линзового элемента (320) со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области, при этом поверхности (321) и (322) указанного второго линзового элемента (320) являются асферическими.
Третий линзовый элемент (330) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (331) третьего линзового элемента (330) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (332) третьего линзового элемента (330) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (331) и (332) указанного третьего линзового элемента (330) являются асферическими.
Четвертый линзовый элемент (340) имеет отрицательную оптическую силу, при этом поверхность (341) четвертого линзового элемента (340) со стороны предмета является вогнутой в его параксиальной области, а поверхность (342) четвертого линзового элемента (340) со стороны поверхности изображения является выпуклой в его параксиальной области, при этом поверхности (341) и (342) указанного четвертого линзового элемента (340) являются асферическими.
Пятый линзовый элемент (350) имеет положительную оптическую силу, при этом поверхность (351) пятого линзового элемента (350) со стороны предмета является выпуклой в его параксиальной области, а поверхность (352) пятого линзового элемента (350) со стороны поверхности изображения является вогнутой в его параксиальной области, при этом поверхности (351) и (352) указанного пятого линзового элемента (350) являются асферическими.
Каждый из линзовых элементов 310, 320, 330, 340, 350 выполнен из оптического пластика, или оптического стекла.
Конкретные значения соотношений параметров широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3 представлены в Таблице 9 и они полностью удовлетворяют соотношениям (1)-(8):
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
0.34<OT/TTL <0.5
(8)
где,
f - фокусное расстояние широкопольного объектива;
1
f - фокусное расстояние первого линзового элемента;
2
f - фокусное расстояние второго линзового элемента;
3
f - фокусное расстояние третьего линзового элемента;
1
n - показатель преломления первого линзового элемента;
2
n - показатель преломления второго линзового элемента;
3
n - показатель преломления третьего линзового элемента;
1
ν - число Аббе первого линзового элемента;
2
ν - число Аббе второго линзового элемента;
3
ν - число Аббе третьего линзового элемента;
4
ν - число Аббе четвертого линзового элемента;
5
ν - число Аббе пятого линзового элемента;
OT - общая толщина первого, второго и третьего линзовых элементов 310-330
TTL - осевое расстояние между поверхностью первого линзового элемента 310 со стороны предмета и поверхностью изображения, т. е общая длина объектива.
При этом на по меньшей мере одной поверхности одного или более линзовых элементов (320)-(350) может быть расположен дифракционный оптический элемент (DOE) (см. фиг. 1b), который вносит значительный вклад в устранение, как хроматических, так геометрических аберраций. DOE представляет собой рельефно-фазовую кольцевую микроструктура на плоской или криволинейной поверхности с шагом сравнимым с длиной волны.
Оптическое устройство захвата изображения согласно Примеру 3 (фиг.5) также включает апертурную диафрагму 300, расположенную у первого линзового элемента 310 со стороны предмета и фильтр (360), расположенный между пятым линзовым элементом 350 и поверхностью изображения. Все вышеуказанные элементы оптического устройства захвата изображения являются оптически сопряженными друг с другом с возможностью формирования изображения на рабочей поверхности датчика 370.
При этом датчик 370 представляет собой матричный фотодетектор и выполнен с возможностью регистрации электро-магнитного излучения в диапазоне 0,4-0,7 мкм, а размер пиксела датчика находиться в диапазоне от 0,7мкм до 1мкм.
Фильтр (360) выполнен из оптического стекла и представляет собой ИК-фильтр, выполненный с возможностью устранения шумов от регистрации ИК излучения длиной волны > 0.8 мкм.
В Tаблице 7 представлены конструктивные параметры объектива формирования изображения, который характеризуется следующими параметрами:
-диафрагменное число Fno=1, 8,
-фокусное расстояние объектива=2, 46 мм,
- половина максимального поля зрения (HFOV)= 39°.
При этом в Таблице 7: радиус кривизны, толщина, фокусное расстояние представлены в мм.
Нумерация поверхностей линзовых элементов с 1 по 14 относится к поверхностям в порядке от предмета до изображения При этом согласно Примеру 3, как показано на фиг. 5, L1, обозначенный в Таблице 7, относится к линзовому элементу под позицией 310, L2 относится к линзовому элементу под позицией 320, L3 относится к линзовому элементу под позицией 330, L4 относится к линзовому элементу под позицией 340, L5 относится к линзовому элементу под позицией 350.
При этом в Таблице 7 в графе толщина относительно позиций L1-L5 указаны два значения: первое значение относится к толщине самого линзового элемента, а второй значение относится к расстоянию до следующего линзового элемента.
В Таблице 8 представлены значения асферических коэффициентов поверхностей объектива формирования изображения согласно второму варианту реализации изобретения, в порядке их расположения от предмета до изображения, где поверхность 2 соответствует поверхности 311 линзового элемента 310 и так далее. При этом в Таблице 8 представлены значения A2-A16 асферических коэффициентов 2-ого - 16-ого порядков, k-конический коэффициент поверхностей линзовых элементов.
При этом профили асферических поверхностей линзовых элементов 310-350 объектива формирования изображения описываются выражением (18).
Следует отметить, что использование асферических поверхностей обеспечивает исправление полевых аберраций малым количеством линзовых элементов, в данном случае пятью, обеспечивая компактность патентуемой оптической схемы.
Кроме того, одним из важных параметров объектива является частотно-контрастная характеристика. Следует отметить, что частотная-контрастная характеристика является показателем разрешающей способности объектива. Широкопольный объектив согласно Примеру 3 имеет частотно-контрастную характеристику MTF (модуль оптической передаточной функции (ОПФ)) ˃ 0,25 при значении пространственной частоты (SF) 313 лин/мм.
При этом TTL широкопольно объектива согласно Примеру 3 составляет 4,1 мм, а диафрагменное число 1,8. Следует отметить, что объективы известного уровня техники, например раскрытые в US 20190129149А, имеют контраст MTF ˃ 0.25 при SF равном 200 лин/мм, и диафрагменном числе свыше 2,0 что значительно уступает параметрам широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3.
На Фиг.14 представлены графики частотно-контрастной характеристики широкопольного объектива согласно Примеру 3 для различных точек поля (0,0°, 13,0°, 26,0° и 38,0°) в зависимости от пространственной частоты (SF), т.е. иллюстрирующие с каким контрастом разрешаются разные частоты. Максимальная приведенная частота 313 лин/мм, на которой контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,25.
На графике по оси абсцисс указана пространственная частота в лин/мм, а по оси ординат модуль ОПФ (оптической передаточной функции) т.е. MTF, характеризующий контраст изображения.
Кривые представленные на фиг.13 иллюстрируют МTF для различных точек поля (0,0°, 13,0°, 26,0° и 38,0°) для двух сечений - тангенциального (YZ) и саггитального (XZ).
На фиг.15 представлены графики, иллюстрирующие кривизну поля зрения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3.
Кривизна поля зрения объектива представлена для длин волн: 0,440 мкм, 0, 588 мкм и 0, 700 мкм (направление сечения-тангециальное показано сплошной линией, а саггитальное-пунктирной линий).
По оси абсцисс представлены значения кривизны поля, т.е. смещение по оси Z в мм, а по оси ординат представлено поле зрения объектива в градусах.
На фиг.16 представлены графики, иллюстрирующие дисторсию широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3.
По оси абсцисс представлено значении дисторсии в процентах, а оси ординат поле зрения объектива в градусах. При этом кривые дисторсии представлены для длин волн:0, 440 мкм, 0, 588 мкм и 0, 700 мкм. При этом для объектива формирования изображения дисторсия ˂ 1,91%.
На фиг.17 проиллюстрирован хроматизм увеличения широкопольного объектива формирования изображения согласно Примеру 3, где по оси абсцисс представлена величина поперечного хроматизма в мкм, а по оси ординат поле зрения в градусах. При этом максимальный разброс, т.е. разница между минимальным и максимальным значением поперечного хроматизма, представленная по оси абсцисс составляет 1,16 мкм. Указанная хроматическая аберрация рассмотрена для короткой длины волны 0, 440 мкм и для длинной длины волны 0, 700 мкм и максимальное смещение изображения для указанных длин волн составляет ˂1,6 мкм.
Представленная конструкция и параметры широкопольного объектива формирования изображения и оптического устройства захвата изображения согласно Примеру 3 обеспечивает высокое разрешение изображение, а именно контраст (MTF) всех точек поля превышает 0,25 при пространственной частоте 313 лин/мм и диаметре пиксела датчика равном d=0,8 мкм при TTL =4,1 мм и диафрагменном числе объектива равном 1,8.
Промышленная применимость
Широкопольный объектив формирования изображения и оптическое устройство захвата изображения могут широко применяться для различных цифровых устройств ввода/вывода, таких как цифровая видеокамера, цифровая фотокамера, персональный компьютер, на котором установлена камера, или PDA (Personal Digital Assistant), на котором установлена камера.