ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМ ВХОДНЫМ ЗРАЧКОМ
WIDE-ANGLE LENS WITH OBJECTIVE LENS WITH REMOTE ENTRANCE PUPIL

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к объективам, работающим с ПЗС-приемниками, и может быть использовано для получения информации от внешних объектов. Отличительной особенностью объектива по настоящему изобретению являются его маленькие габариты, что позволяет его использовать, например, в системах технического зрения для роботов, размещая непосредственно на манипуляторе.
Известен светосильный объектив с вынесенным входным зрачком по патенту России №2024038, МПК G02B 9/12, БИ № 22, 1994, который содержит три компонента, первый из которых отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету и склеенный из отрицательного и положительного менисков, второй компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, а третий - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению.
Недостаток известного объектива - большая величина отрицательной дисторсии, что приводит к нарушению масштаба изображения и падению качества изображения от центра поля к его краю.
Наиболее близким по техническому решению является широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком по патенту России №2313812, МПК G02B 9/34, опубл. 27.12.2007, бюл. №36, который выбран авторами за прототип.
Объектив-прототип содержит четыре компонента, первый из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, второй и третий - положительные, причем третий компонент склеен из двух линз, а четвертый - одиночная линза, причем первый компонент выполнен с отношением его толщины к световому диаметру, не превышающим величину 0.2, второй компонент выполнен склеенным из положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к пространству предметов, а четвертый компонент - двояковогнутая линза, причем между третьим и четвертым компонентами установлена плоскопараллельная пластинка.
К недостаткам прототипа относится большая величина отрицательной дисторсии (30%), что приводит к нарушению масштаба изображения и падению качества изображения от центра поля изображения к его краю, что в целом приводит к понижению информативности объектива. Кроме того, такие системы нельзя использовать для проведения измерений.
Задачей изобретения является создание объектива с повышенной информативностью путем минимизации отрицательной дисторсии с одновременным сохранением высокого качества изображения за счет конструктивного выполнения его оптической схемы.
Решение указанной задачи достигается тем, что в широкоугольном объективе с вынесенным входным зрачком, содержащим четыре компонента, второй и третий из которых положительные, а четвертый - одиночная отрицательная линза, первый компонент выполнен склеенным из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту, второй, третий и четвертый компоненты выполнены в виде биасферических одиночных линз, причем четвертый компонент - биасферический мениск, обращенный вогнутостью к изображению, а коэффициенты каждой из асферических поверхностей определяются из уравнения:
где
z - стрелка поверхности, параллельной оси z;
с - кривизна поверхности;
k - коническая константа поверхности;
h - текущая координата;
А, В, С - коэффициенты деформации 4-го, 6-го и 8-го порядков соответственно,
Выполнение первого компонента склеенным из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту, решает задачу коррекции сферической аберрации и хроматизма положения, кроме того, первый компонент выполняет функцию понижения высоты пучков, падающих на второй компонент, что облегчает коррекцию дисторсии и уменьшает аберрации высшего порядка в широких наклонных пучках, что способствует обеспечению высокого качества изображения объектива.
Выполнение второго, третьего и четвертого компонентов в виде биасферических одиночных линз (в совокупности с ранее указанным признаком) обеспечивает высокое качество изображения объектива за счет появления дополнительных параметров, которыми являются коэффициенты асферических поверхностей. Поверхности, примененные при решении задачи по настоящему изобретению, как видно из уравнения, представляют собой поверхности вращения не выше 8-го порядка от текущей координаты поверхности. Применение поверхностей, описанных в указанном уравнении, способствует коррекции аберраций высших порядков в широких наклонных пучках, а также комплексных аберраций, практически не поддающихся коррекции обычными методами, - хроматическая кома, астигмохроматизм, хроматическая дисторсия.
Выполнение четвертого компонента в виде асферического мениска, обращенного вогнутостью к изображению (в совокупности с ранее указанными признаками) влияет на аберрации высшего порядка в широких наклонных пучках. Предложенная форма является оптимальной для решения данной задачи.
Кроме того, выполнение широкоугольного объектива с вынесенным входным зрачком по п.1, отличающегося тем, что второй и третий компоненты выполнены в виде биасферических менисков, обращенных вогнутостью к объекту, при этом первая поверхность каждого из менисков является гиперболоидом, а вторая - эллипсоидом вращения, обусловлено тем, что такое выполнение компонентов является оптимальным для коррекции отрицательной дисторсии и одновременно позволяет корректировать полевые аберрации высших порядков, которые обычно весьма велики в широкоугольных объективах с вынесенным вперед входным зрачком.
Кроме того, широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком по п.2, отличающийся тем, что первая поверхность четвертого компонента выполнена в виде эллипсоида, а вторая поверхность в виде гиперболоида вращения, характеризуется тем, что форма компонента выбрана оптимальной для сохранения высокого качества коррекции аберраций с одновременной минимизацией отрицательной дисторсии.
Установка плоскопараллельной пластинки после четвертого компонента выполнена для того, чтобы обеспечить функционирование объектива по настоящему изобретению в составе ПЗС-камеры. Пластинка в этом случае выполняет роль защитного стекла ПЗС-матрицы, толщина которого составляет 0.8 мм, которая учитывается при коррекции аберраций.
Указанная совокупность позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров оптической системы, позволяющих создать объектив с повышенной информативностью за счет исправления отрицательной дисторсии с одновременным улучшением качества изображения за счет конструктивного выполнения его оптической схемы. Совокупность всех признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации широкоугольного объектива с вынесенным входным зрачком, уменьшенной дисторсией, одновременно обладающего улучшенным качеством изображения, повышенной информативностью.
Следует отметить, что представленное решение является первой попыткой уменьшения дисторсии в широкоугольных объективах с вынесенным входным зрачком и угловым полем не менее 90 угловых градусов. До этого удавалось уменьшать отрицательную дисторсию в объективах с угловыми полями не более 65 угловых градусов.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена оптическая схема широкоугольного объектива с вынесенным входным зрачком,
на фиг.2 представлены графики частотно-контрастных характеристик объектива по предлагаемому изобретению,
на фиг.3 представлен график относительной дисторсии в зависимости от углового поля зрения объектива.
Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком, совмещенным с апертурной диафрагмой 1, содержит последовательно расположенные по ходу луча четыре компонента, первый из которых выполнен склеенным из положительной линзы 2 и отрицательного мениска 3, обращенного вогнутостью к объекту, расположенному в бесконечности, второй компонент - биасферический положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к объекту, при этом первая поверхность мениска 4 является гиперболоидом, а вторая - эллипсоидом вращения, третий компонент - биасферический положительный мениск 5, обращенный вогнутостью к объекту, при этом первая поверхность мениска 5 является гиперболоидом, а вторая - эллипсоидом вращения, четвертый компонент - биасферический одиночный отрицательный мениск 6, обращенный вогнутостью к изображению, при этом первая поверхность мениска 6 выполнена в виде эллипсоида, а вторая поверхность - в виде гиперболоида вращения, и плоскопараллельную пластинку 7.
Объектив работает следующим образом: световой поток от бесконечно удаленного объекта последовательно проходит через все элементы объектива 1-7, после которых образуется изображение в фокальной плоскости объектива, в которой установлена плоскопараллельная пластинка 7 (показана на Фиг.1), являющаяся защитным стеклом светочувствительной матрицы. Изображение затем совмещается со светочувствительным слоем ПЗС-матрицы (на чертежах не показана).
Примером конкретной реализации предлагаемого изобретения является широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком, имеющий фокусное расстояние 2.76 мм, относительное отверстие 1:5.5 и угловое поле 2w=90 угловых градусов, толщина пластинки, выполненной из стекла К8, составляет 0.8 мм.
Конструктивные параметры заявляемого объектива представлены в таблице 1 и 2, а его характеристики - в таблице 3, технические характеристики объектива-прототипа - в таблице 4.
Таблица 1
Конструктивные параметры заявляемого объектива
N поверхности
Радиусы, мм
Толщины, мм
Марки стекол
Световые диаметры, мм
Объект
бесконечность
Воздух
1 - диафрагма
Плоскость
0.4
Воздух
0.5
2
Плоскость
0.6
СТК19
1.2
3
-0.91*
0.
Воздух
1.4
4
-0.91
0.6
РВН71 (OHARA)
1.4
5
-2.55
0.16
Воздух
2.03
6
-2.12
1.09
Акрил
2.07
7
-1.58
0
Воздух
2.76
8
-35
0.97
Поликарбонат
3.2
9
-2.44
0
Воздух
3.27
10
4.68
0.77
Акрил
3.3
11
1.56
1.17
Воздух
3.3
12
Плоскость
0.8
К8
3.44
13
Плоскость
0.0115
Воздух
3.75
Изображение
Плоскость
Воздух
3.8
* - по технологическим соображениям из-за малого размера первого компонента возможно выполнение непосредственно склейки или оптического контакта
Таблица 2
Коэффициенты асферических поверхностей объектива по предлагаемому изобретению
N пов.
Коническая константа
Коэффициент
Коэффициент
Коэффициент
Асферики А
Асферики В
Асферики С
6
-4.25
-0.109055
0.007861
-0.002607
7
-0.166
-0.015321
-0.003474
0.001269
8
-18.9
-0.010879
0.012571
-0.001991
9
-0.36
0.037893
0.006059
-0.001974
10
-0.46
0.002513
0.000685
-0.002072
11
-1.23
0.001055
-0.008049
0.000353
Техническим преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является:
- уменьшение величины дисторсии в 3 раза, фиг.3,
- сохранение качества изображения по критерию ЧКХ близким к значению дифракционного предела для объектива с указанными характеристиками, фиг.2. Реализация технических преимуществ объектива по предлагаемому изобретению повышает его информативность, что позволяет использовать его как широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком и частично исправленной дисторсией, обладающий качеством изображения, близким к дифракционному пределу разрешения.