СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
FAST LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных приборах, в частности в телекамерах, работающих с приемной матрицей, например, в ИК-диапазоне длин волн.
Известен светосильный фотографический объектив (SU 1691806; G02B 9/36, 11/20; публ. 1991 г.), содержащий четыре компонента. Первый компонент по ходу лучей - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и состоящий из склеенных положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к изображению. Третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету. Четвертый компонент - положительный, состоящий из склеенных отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению и двояковыпуклой линзы. Апертурная диафрагма расположена между вторым и третьим компонентами.
Характеристики объектива:
фокусное расстояние
52 мм
относительное отверстие
1:1,9
угол поля зрения
45°
Этот объектив имеет малое относительное отверстие.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив (SU 1527604; G02B 9/62, 11/32; публ. 1989 г.), содержащий шесть линз в четырех компонентах. Первый из них по ходу лучей - положительный, состоящий из одиночных двояковыпуклой и двояковогнутой линзы, второй - двояковыпуклая линза, третий - положительный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению.
2
Расстояние d между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:
2
0,5 f'<d<f',
где f' - фокусное расстояние объектива.
2
3
Радиусы кривизны второй R поверхности двояковыпуклой линзы первого компонента и первой поверхности R его двояковогнутой линзы удовлетворяют условию:
3
2
|R|<|R|.
Объектив работает в диапазоне длин волн от 700 до 900 нм.
Характеристики объектива:
фокусное расстояние
250 мм
относительное отверстие
1:1,25
угол поля зрения
5°
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет малое относительное отверстие.
Технический результат заявляемого изобретения - повышение относительного отверстия при высоком качестве изображения и повышение технологичности изготовления объектива за счет равенства кривизны части оптических поверхностей и замены сферических поверхностей плоскими.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех компонентов, первого компонента по ходу лучей - положительного и состоящего из одиночных двояковыпуклой и отрицательной линзы, второго компонента - одиночной положительной линзы, третьего компонента - положительного, склеенного из двояковыпуклой и отрицательной линз и четвертого компонента - обращенного вогнутостью к изображению мениска, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, в отличие от известного, отрицательные линзы первого и третьего компонентов по ходу лучей - вогнутоплоские, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента, двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной и из одного материала, а четвертый компонент - мениск - выполнен положительным.
4
В объективе расстояние d между первым и вторым компонентами может удовлетворять условию:
4
F'<d<1,5f',
где f' - фокусное расстояние объектива.
2
3
6
3
1
2
7
8
10
11
10
На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива. Светосильный объектив состоит из шести линз в четырех компонентах. Первый компонент по ходу лучей - положительный, состоит из одиночных двояковыпуклой 1 и вогнутоплоской линзы 2; в нем радиус кривизны второй поверхности R двояковыпуклой линзы 1 по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности R вогнутоплоской линзы 2. Второй компонент - одиночный положительный мениск 3, обращенный выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны R равен радиусу кривизны первой поверхности R вогнутоплоской линзы 2 первого компонента. Третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы 4 и вогнутоплоской линзы 5. Двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов 1 и 4 выполнены каждая - симметричной, т.е. R=R и R=R, и из одного материала, в частности из лантанового стекла. Показатель преломления двояковыпуклых линз первого и третьего компонентов более 1,63 и менее 1,71 для линии е. Коэффициент дисперсии стекла для линии е более 56,7 и менее 71. Четвертый компонент - обращенный вогнутостью к изображению мениск 6, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности R больше радиуса кривизны R вогнутой поверхности. Мениск 6 выполнен положительным за счет увеличения его толщины d.
4
10
11
10
Здесь для мениска 6 применена известная формула линзы конечной толщины («Справочник конструктора оптико-механических приборов» под ред. Кругера М.Я. и Панова В.А., Л., изд-во «Машиностроение», 1968 г, с.111), связывающая фокусное расстояние линзы f', ее показатель преломления n, радиусы кривизны R и второй R оптических поверхностей и ее толщины d:
4
10
11
·
10
10
11
2
1/f'=(n-1)·(1/R-1/R)+(n-1) d/(n·R·R).
10
10
11
10
4
Из этой формулы следует, что при увеличении толщины d отрицательного мениска с выпуклым радиусом первой оптической поверхности R и вогнутым R второй оптической поверхности с некоторой величины толщины d, фокусное расстояние мениска становится положительным. При этом уменьшаются значения аберраций всего объектива, включающего такой положительный мениск, в частности четвертой суммы Зейделя, что позволяет повысить относительное отверстие объектива. Повышению относительного отверстия объектива способствует также то, что мениск 6 теперь является дополнительным положительным компонентом. За мениском 6 может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин. Расстояние d между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:
4
f'<d<1,5f'.
Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив. Световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).
В соответствии с предложенным решением рассчитана конструкция светосильного объектива, исправленного в спектральном диапазоне от 650 до 900 нм. Его конструктивные параметры приведены в табл.1.
Таблица 1
Радиус, мм
Толщина, мм
Марка стекла
Показатель преломления n<sub>е</sub>
Коэфф. дисперсии v<sub>e</sub>
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=165,96
60
d<sub>1</sub>=8,5
СТК3
1,662237
57,09
R<sub>2</sub>=-165,96
59,6
d<sub>2</sub>=14,4
1
R<sub>3</sub>=-83,37
53,2
d<sub>3</sub>=4,5
ТФ5
1,761712
27,32
R<sub>4</sub>=∞
53,4
d<sub>4</sub>=74,5
1
R<sub>5</sub>=-1000
57,8
d<sub>5</sub>=8
ЛК3
1,489118
69,87
R<sub>6</sub>=-83,37
58
d<sub>6</sub>=14,7
1
R<sub>7</sub>=69.5
52,7
d<sub>7</sub>=14,1
СТК3
1,662237
57,09
R<sub>8</sub>=-69,5
50,9
d<sub>8</sub>=4,3
ТФ5
1,761712
27,32
R<sub>9</sub>=∞
47,4
d<sub>9</sub>=1,5
1
R<sub>10</sub>=31,99
41,3
d<sub>10</sub>=21,2
К8
1,518294
63,83
R<sub>11</sub>=25,82
24,8
d<sub>11</sub>=6
1
R<sub>l2</sub>=∞
22
d<sub>12</sub>=1.2
КС13
1,525
63,83
R<sub>13</sub>=∞
22
d<sub>13</sub>=12,26
1
R<sub>14</sub>=∞
10
d<sub>14</sub>=1
К8
1,518294
63,83
R<sub>15</sub>=∞
10
Характеристики рассчитанного объектива:
фокусное расстояние
67,65 мм
относительное отверстие
1:1,1
угол поля зрения
5°11'
задний фокальный отрезок
3,5 мм
апертурная диафрагма расположена
за линзой 2 на расстоянии
62,8 мм.
4
4
В рассчитанном объективе выполнено условие d=1,101 f', где f' - фокусное расстояние всего объектива для длины волны 766,49 нм. А фокусное расстояние четвертого компонента - мениска 6 для длины волны 766,49 нм f'=1616,4 мм, т.е. мениск 6 выполнен положительным. Двояковыпуклая линза третьего компонента выполнена из лантанового стекла СТКЗ группы сверхтяжелых кронов.
В табл.2 приведены аберрации для длины волны 766,49 нм рассчитанного объектива.
Таблица 2
Вид аберрации
Значение аберрации рассчитанного объектива, не более
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:1,1
0,008 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=5°11'.
0,013 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=5°11'
0,014 мм
Меридиональный астигматический отрезок Х'<sub>м</sub> для поля зрения 2W=5°11'
- 0,025 мм
Сагиттальный астигматический отрезок X'<sub>s</sub> для поля зрения 2W=5°11'
- 0,0264 мм
Дисторсия для поля зрения 2W=5°11'
- 0,25%
Замена сферических оптических поверхностей плоскими позволяет обрабатывать их с помощью имеющегося в наличии в оптическом производстве инструмента и контролировать на интерферометре, не используя пробных стекол. Введение в объектив оптических поверхностей с равными радиусами кривизны обеспечивает большую унификацию пробных стекол и обрабатывающего инструмента. Все это обеспечивает достижение технического результата - повышение технологичности изготовления (в объективе имеются две плоские оптические поверхности и равенство по модулю попарно радиусов шести сферических поверхностей). Кроме того, предложенный светосильный объектив для спектрального диапазона от 650 до 900 нм имеет высокое относительное отверстие 1:1,1 при высоком качестве изображения, что следует из табл.2.