ПРОЕКЦИОННЫЙ ОБЪЕКТИВ С БОЛЬШИМ ОТНОСИТЕЛЬНЫМ ОТВЕРСТИЕМ
LARGE APERTURE RATIO PROJECTION LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, конкретно к проекционным объективам, и может быть использовано, например, в устройствах переноса изображения, формируемого на выходном окне рентгеновского электронно-оптического преобразователя (РЭОП) или другого электронно-оптического преобразователя (ЭОП) на ПЗС-матрицу.
Известен проекционный объектив (патент ЕР 2149808, опубликован 03.02.2010), содержащий расположенные последовательно по ходу оптического излучения от предмета к изображению первую группу линз, апертурную диафрагму и вторую группу линз, причем первая группа линз содержит три линзы, в том числе с асферической поверхностью, а вторая группа линз содержит пять линз, в том числе асферическую.
Этот объектив обладает следующими преимуществами: значительной величиной поля зрения, малым снижением освещенности на краю поля зрения по отношению к освещенности в центре поля зрения, высоким качеством изображения, достаточной величиной размера изображения, малыми габаритами. При рассмотрении возможности использования этого объектива для решения поставленной задачи недостатками явились: низкое относительное отверстие (1:1,96 при требующемся не хуже 1:1,1) и наличие в объективе двух асферических поверхностей высшего порядка, что в данном конкретном случае для мелкосерийного производства экономически нецелесообразно.
В качестве прототипа выбран объектив по патенту на изобретение US 6600610, опубликован 29.07.2003, содержащий расположенные последовательно, по ходу оптического излучения от предмета к изображению первую группу линз, апертурную диафрагму и вторую группу линз, причем первая группа линз содержит две линзы, первая из которых выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, вторая выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, как вариант - из органического материала с двумя асферическими радиусами, первая линза второй группы выполнена отрицательной, обращенной вогнутостью к предмету, как вариант - из органического материала с двумя асферическими радиусами, вторая линза второй группы выполнена положительной, обращенной выпуклой стороной к изображению, а третья линза второй группы обращена вогнутостью к изображению.
Преимуществами этого объектива являются: большой размер изображения, малые габариты, высокое качество изображения, малое количество линз.
Недостатками этого объектива являются: низкое относительное отверстие, низкое отношение освещенности на краю изображения по отношению к освещенности в центре изображения, величина отрицательной дисторсии, недостаточная для коррекции положительной дисторсии РЭОПа, работа объектива с бесконечно удаленным предметом, наличие, как варианты, одной или двух, нетехнологичных линз, изготовленных из органического материала и с асферическими радиусами.
Техническим результатом заявляемого объектива является обеспечение работы объектива с предметами, расположенными на конечном расстоянии, повышение относительного отверстия, повышение освещенности на краю поля изображения по отношению к центру, обеспечение величины и знака дисторсии, достаточной для коррекции дисторсии РЭОПа, выполнение всех радиусов линз, входящих в объектив, сферическими, использование в качестве материала линз оптического бесцветного стекла для обеспечения технологичности при единичном и мелкосерийном производстве.
Технический результат в проекционном объективе с большим относительным отверстием, содержащем расположенные последовательно по ходу оптического излучения от предмета к изображению первую группу линз, апертурную диафрагму и вторую группу линз, причем первая группа линз содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и положительную линзу, первая линза второй группы выполнена отрицательной, обращенной вогнутостью к предмету, вторая линза второй группы выполнена положительной, обращенной выпуклой стороной к изображению, а третья линза второй группы обращена вогнутостью к изображению, достигается тем, что положительная линза первой группы выполнена двояковыпуклой и между отрицательной и положительной линзами дополнительно введена двояковыпуклая линза, первая линза второй группы выполнена двояковогнутой, третья линза второй группы выполнена склеенной из двух, первая из которых - двояковыпуклая, а вторая - двояковогнутая, причем между второй и третьей линзой второй группы дополнительно введена двояковыпуклая линза, причем все радиусы линз объектива выполнены сферическими, а материал линз - оптическое бесцветное стекло.
Сущность изобретения и возможность его промышленного применения поясняется примером конкретного выполнения, который показаны на фиг.1-4. На фиг.1 показана принципиальная оптическая схема объектива, на фиг.2 - график ЧКХ (частотно-контрастной характеристики этого объектива), на фиг.3 - график относительной освещенности изображения в зависимости от размера предмета, на фиг.4 - график дисторсии изображения в зависимости от размера предмета.
Как показано на фиг.1, по ходу оптического излучения от предмета 10 к изображению 11 объектив содержит первую группу линз 1, 2, 3, апертурную диафрагму 4 и вторую группу линз 5-9. Линза 1 - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Линзы 2 и 3 - двояковыпуклые. Линза 5 - двояковогнутая, линза 6 - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, линза 7 - двояковыпуклая, линза, склеенная из 8 и 9, обращена вогнутостью к изображению, причем линза 8 - двояковыпуклая, а линза 9 - двояковогнутая.
На фиг.2 представлен график частотно-контрастных характеристик заявляемого объектива для спектрального диапазона от 500 нм до 600 нм с основной длиной волны 575 нм, характеризующий величину коэффициента контраста (Т) в зависимости от пространственной частоты на изображении для трех полей зрения: центр, 0,7 максимального и максимальное, причем для 0,7 максимального и максимального поля зрения представлено по две кривых - для меридионального и сагиттального сечения. Вертикальная ось Т характеризует величину коэффициента контраста (модуляции), горизонтальная ось N, пар лин./мм, характеризует пространственную частоту на изображении в парах линий на мм. На графике изображены пять кривых, причем кривая 1 представляет центр поля зрения (размер предмета равен 0 мм), кривые 2S и 2Т представляют половину 0,7 поля зрения (размер предмета равен 7,6 мм), кривые 3S и 3Т представляют край поля зрения (размер предмета 10,85 мм), причем буква S относит кривые к сагиттальному сечению, а буква Т - к меридиональному сечению широких пучков лучей.
На фиг.3 представлен график, характеризующий объектив по параметру относительной освещенности изображения в зависимости от размера предмета. Вертикальная ось RI определяет величину относительной освещенности, горизонтальная ось определяет величину размера предмета Y в мм. Из графика видно, что при размере предмета Y, равном 10,85 мм, освещенность изображения составляет 0,55 от центра поля зрения (Y равен 0 мм), где относительная освещенность максимальна и составляет 1.
На фиг.4 представлен график дисторсии изображения в зависимости от размера предмета для варианта исполнения объектива по п.1 формулы изобретения. Вертикальная ось Y характеризует величину предмета в мм. Горизонтальная ось D характеризует величину дисторсии изображения в процентах. Из графика видно, что максимальная величина дисторсии изображения составляет - 7,3% для края поля зрения 10,85 мм, что позволяет компенсировать положительную дисторсию РЭОПа.
Объектив работает следующим образом: оптическое излучение от предмета 10 последовательно проходит через линзы 1, 2, 3, апертурную диафрагму 4, диаметр которой определяет относительное отверстие объектива, линзы 5-9 и фокусируются в изображении 11. В качестве приемника изображения может быть применена ПЗС-матрица, фотопленка и т.п.
Дополнение первой группы линз до диафрагмы 1, 3 двояковыпуклой линзой 2 и выполнение положительной линзы 3 в виде двояковыпуклой позволило при условии уменьшения поля зрения и увеличении относительного отверстия упростить перевод объектива в режим работы с конечного расстояния и по всему изображению улучшить коррекцию аберраций высшего порядка. Выполнение 5 линзы двояковогнутой по форме позволило улучшить коррекцию сферической аберрации и астигматизма. Выполнение линзы 6 в виде мениска и введение дополнительной двояковыпуклой линзы 7 позволило уменьшить аберрации высших порядков и увеличить относительное отверстие объектива. Выполнение последней линзы объектива, обращенной вогнутостью к изображению и склеенной из двояковыпуклой 8 и двояковогнутой 9 позволило уменьшить сферохроматическую аберрацию, кривизну поля, хроматизм увеличения. Полное отсутствие симметрии и пропорциональности относительно диафрагмы первой и второй групп линз по форме линз и их количеству позволило при коэффициенте линейного увеличения объектива -0,28 получить для края поля зрения остаточную дисторсию отрицательного знака величиной -7,3%. Вся совокупность, форма и последовательность расположения линз позволили исключить из объектива линзы, из органического материала и с асферическими радиусами при обеспечении высокого качества изображения по всему полю зрения.
Благодаря заявляемой конструкции объектива достигнут новый технический результат: отсутствие линз из органического материала и с асферическими радиусами, входящих в объектив, повышено относительное отверстие (1:1,06), повышена освещенность на краю поля изображения по отношению к центру (0,55), наличие отрицательной дисторсии изображения требуемой величины (-7,3%), обеспечено требуемое качество изображения при работе объектива с предметом, расположенным на конечном расстоянии.