Светосильный объектив
HIGH-OUTPUT LENS

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на мегапиксельных ПЗС или КМОП матрицах в дневных и ночных условиях эксплуатации.
Известен светосильный объектив (патент RU 2411556 С1, опубл. 10.02.2011), содержащий установленные последовательно на оптической оси четыре компонента, первый из которых - одиночная плосковыпуклая линза, обращенная к пространству изображения плоской поверхностью, второй -склейка из двояковыпуклой линзы, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и двояковогнутой линзы, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения, третий - склейка из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, которая обращена к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, четвертый - двояковогнутая линза, обращенная к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Апертурная диафрагма расположена на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображения, обеспечивается относительное отверстие 1:1 и угловое поле зрения в пространстве предметов 10° при хорошем качестве изображения точки на оси и по полю в спектральном диапазоне (486,1÷656,3) нм, коэффициент передачи модуляции на частоте ~ 100 штр/мм составляет ~ 10÷20%, что позволяет применять его с ПЗС фотоприемниками с размером пикселя ~ 10 мкм.
Недостатком этого светосильного объектива является сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486,1÷656,3) нм, малое угловое поле зрения (10°), а также низкий коэффициент передачи модуляции, что не позволяет применять его для цифровых приборов на базе ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.
Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив (патент RU 2396581, опубл. 10.08.2010), содержащий четыре компонента, первый из которых выполнен из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, второй - одиночная плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к предмету, третий - положительный компонент, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый компонент - мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Апертурная диафрагма расположена на первой поверхности первой линзы первого компонента, обеспечивается относительное отверстие 1:1,08 и угловое поле в пространстве предметов 8°40' при хорошем качестве изображения в спектральном диапазоне (650÷900) нм, коэффициент передачи модуляции на час тоте ~ 100 штр/мм находится на уровне ~ 10÷25%.
Недостатком этого светосильного объектива является относительно невысокая светосила (равная 1:1,08), малое угловое поле зрения (8°40'), узкий спектральный диапазон (650÷900) нм, а также сравнительно низкий коэффициент передачи модуляции на пространственной частоте более 100 штр/мм, что не позволяет применять его для цифровых приборов на базе мегапиксельных ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.
Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:1, расширение спектрального диапазона до (500÷900) нм, увеличение углового поля зрения до значения не менее 18° и обеспечение качества изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех компонентов, первый из которых содержит положительную линзу и отрицательную линзу, второй компонент - положительная линза, в отличие от известного, положительная линза первого компонента является плосковыпуклой, обращенной выпуклостью к предмету, отрицательная линза первого компонента является двояковогнутой, второй компонент - положительная двояковыпуклая линза, третий компонент - положительная плосковыпуклая линза, обращенная выпуклостью к предмету, четвертый компонент - склейка из положительной двояковыпуклой и отрицательной двояковогнутой линз, а апертурная диафрагма расположена на второй поверхности отрицательной линзы первого компонента, при этом выполняется следующее соотношение:
ОБ
4
ОБ
0,1⋅F≤d≤0,5⋅F,
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
4
d -расстояние между первым и вторым компонентами.
Такой светосильный объектив обеспечивает более высокую светосилу объектива до значения 1:1, более широкий спектральный диапазон (500÷900) нм, более широкое угловое поле зрения 18,9° и более высокое качество изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм.
Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что в светосильном объективе, состоящем из четырех компонентов, первый из которых содержит положительную линзу и отрицательную линзу, второй, компонент - положительная линза, в отличие от известного, положительная линза первого компонента является плосковыпуклой, обращенной выпуклостью к предмету, третий компонент - положительная плосковыпуклая линза, обращенная выпуклостью к предмету, четвертый компонент - склейка из положительной двояковыпуклой и отрицательной вояковогнутой линз, причем положительные плосковыпуклые линзы первого, второго и третьего компонентов являются конструктивно, идентичными, а апертурная диафрагма расположена на первой поверхности второго компонента.
Оптическая схема светосильного объектива по варианту 1 показана на фигуре 1.
Светосильный объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента I, II, III и IV. Первый компонент I содержит положительную плосковыпуклую линзу 1 и отрицательную двояковогнутую линзу 2, апертурная диафрагма 3 расположена на второй поверхности линзы 2 компонента I, компонент II содержит положительную двояковыпуклую линзу 4, компонент III содержит положительную плосковыпуклую линзу 5, компонент IV содержит склеенные между собой двояковыпуклую линзу 6 и двояковогнутую линзу 7, защитное стекло фотоприемника 8 и фотоприемник 9.
Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 1.
Параметры варианта исполнения светосильного объектива:
- расчетная длина волны 0,7 мкм;
- рабочий спектральный диапазон (500÷900) нм;
- фокусное расстояние 18,0 мм;
- линейное поле зрения 6,0 мм;
- угловое поле зрения ~ 18,9°;
- относительное отверстие 1:1;
- дисторсия 1,4%.
Схема объектива по варианту 2 показана на фигуре 2.
Объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента I, II, III и IV. Первый компонент I состоит из положительной плосковыпуклой линзы 1 и отрицательной плосковогнутой линзы 2, апертурная диафрагма 3 расположена на первой поверхности компонента II, компонент II содержит положительную плосковыпуклую линзу 4, компонент III - положительную плосковыпуклую линзу 5, компонент IV - склеенные между собой двояковыпуклую линзу 6 и двояковогнутую линзу 7, защитное стекло фотоприемника 8 и фотоприемник 9.
Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 2.
Принцип действия светосильного объектива заключается в следующем.
Компонент I является коррекционным элементом, обеспечивающим частичную коррекцию сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра. Компонент II и компонент III, формируют оптическую силу, близкую к оптической силе всего объектива. Компонент IV является коррекционным элементом, позволяющим исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких пучков. Расположение апертурной диафрагмы 3 на второй поверхности линзы 2 компонента I в варианте 1 объектива или на первой поверхности компонента II в варианте 2 объектива позволяет избежать виньетирования наклонных пучков. В светосильном объективе необходимо выполнить следующее соотношение:
ОБ
4
ОБ
0,1⋅F≤d≤0,5⋅F,
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
4
d -расстояние между компонентами I и II.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла 8 фотоприемника 9, равную 0,75 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника 9 и светопропускания объектива - 1,0 на длине волны 500 нм, 0,9 на длине волны 600 нм, 0,6 на длине волны 700 нм, 0,4 на длине волны 800 нм и 0,2 на длине волны 900 нм;
- пространственную частоту ~ 130 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника 9 формата 1280×960 пикселей с размером пикселя, равным 3,75 мкм),
получаем следующие расчетные значения качественных характеристик варианта 1 светосильного объектива:
Как видно из расчетов, светосильный объектив по варианту 1 обеспечивает хорошее качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу мегапиксельного формата спектрального диапазона (500÷900) нм с размером пикселя 3,75 мкм.
Оптическая схема по варианту 2 позволяет уменьшить количество сферических поверхностей объектива относительно варианта 1 й сохранить светосилу и качество изображения в варианте реализации с тремя одинаковыми линзами из 6.
Объектив по варианту 2 имеет следующие расчетные значения качественных характеристик:
Как видно из расчетов, светосильный объектив по варианту 2 обеспечивает хорошее качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу мегапиксельного формата спектрального диапазона (550÷900) нм с размером пикселя 3,75 мкм.
Высокое значение относительного отверстия - 1:1 (у прототипа - 1:1,08), более широкое (более, чем в 2 раза) угловое поле зрения и более широкий спектральный диапазон расширяют диапазон возможного применения светосильного объектива, в частности позволяют более эффективно использовать его для дневного и ночного видения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности (сумерки и темное время суток).