СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
LARGE-APERTURE LENS

Предлагаемое 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.
2
3
Известен 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 линз, второй - двояковыпуклая линза, третий - положительный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности. Модули радиусов 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.
Апертурная диафрагма расположена между первым и вторым компонентами. Характеристики объектива:
фокусное расстояние
250 мм
относительное отверстие
1:1,25
угол поля зрения
5°
Этот объектив имеет малые относительное отверстие и угловое поле зрения.
4
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив (Патент РФ №2351967; G02B 9/60, 11/30, 13/14; публ. 2009), содержащий шесть линз в четырех компонентах. Первый из них по ходу лучей - положительный, состоящий из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линзы, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, второй компонент - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента, третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности, причем каждая двояковыпуклая линза в первом и третьем компонентах выполнена симметричной и из одного материала. Расстояние d между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:
4
f'<d<1,5f',
где: f' - фокусное расстояние объектива.
Кроме того, показатель преломления материала четвертого компонента - положительного мениска равен 1,518294 для линии е, а показатель преломления материала двояковыпуклой линзы третьего компонента равен 1,662237 для линии е и показатель преломления материала положительного мениска - второго компонента равен 1,489118 для линии е.
Объектив работает в диапазоне длин волн от 650 до 900 нм. Апертурная диафрагма расположена за вогнутоплоской линзой первого компонента на расстоянии 62,8 мм. Характеристики объектива:
фокусное расстояние
67,65 мм
относительное отверстие
1:1,1
угол поля зрения
5°11'
задний фокальный отрезок
3,5 мм
Отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива равно 2,804.
По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малое угловое поле зрения и большое отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива, что увеличивает продольные габариты всей конструкции объектива.
Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками при высоком качестве изображения.
Технический результат заявляемого изобретения - увеличение углового поля зрения и уменьшение габаритов при высоком качестве изображения.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех компонентов, первый из которых по ходу лучей - положительный и выполнен из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, второй компонент - одиночная положительная линза, третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой и отрицательной линз, четвертый компонент - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск, у которого модуль радиуса кривизны выпуклой поверхности больше модуля радиуса кривизны вогнутой поверхности, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, причем двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной, в отличие от известного второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы, отрицательная линза третьего компонента выполнена двояковогнутой, показатель преломления четвертого компонента - более 1,64 и менее 1,9 для линии е, показатель преломления двояковыпуклой линзы третьего компонента более 1,56 и менее 1,63 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента и имеет место условие:
4
0,5f'<d<f',
где: f' - фокусное расстояние объектива;
4
d - расстояние между первым и вторым компонентами.
Кроме того, в объективе показатель преломления второго компонента - плосковыпуклой линзы может быть более 1,5 и менее 1,87 для линии е.
1
2
2
3
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 линзы 1, выполненной симметричной с равными по модулю радиусами кривизны первой и второй поверхностей |R|=|R| и вогнутоплоской линзы 2, а модуль радиуса кривизны второй поверхности R двояковыпуклой линзы 1 больше модуля радиуса кривизны первой поверхности R вогнутоплоской линзы 2. Второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы 3, обращенной плоскостью к изображению. Третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы 4 и двояковогнутой линзы 5. Двояковыпуклая линза 4 выполнена симметричной с равными по модулю радиусами кривизны обеих поверхностей |R|=|R|. 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 и показателя преломления материала - лантанового стекла группы сверхтяжелых кронов СТК19. За мениском 6 может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин.
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 ν<sub>e</sub>
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=79,62
48
d<sub>1</sub>=10,1
СТК3
1,662237
57,09
R<sub>2</sub>=-79,62
47,4
d<sub>2</sub>=5,l
1
R<sub>3</sub>=-55,85
43,2
d<sub>3</sub>=3,8
ТФ5
1,761712
27,32
R<sub>4</sub>=∞
42,5
d<sub>4</sub>=48,0б
1
R<sub>5</sub>=∞
34,5
d<sub>5</sub>=7
K8
1,518294
63,83
R<sub>6</sub>=-51,29
34
d<sub>6</sub>=0,5
1
R<sub>7</sub>=43,75
30,5
d<sub>7</sub>=11
ТК14
1,615506
60,34
R<sub>8</sub>=-43,75
26,6
d<sub>8</sub>=3,8
ТФ5
1,761712
27,32
R<sub>9</sub>=254,1
23,4
d<sub>9</sub>=1,2
1
R<sub>10</sub>=18,793
20,5
d<sub>10</sub>=6
СТК19
1,747647
50,21
R<sub>11</sub>=16,444
16
d<sub>11</sub>=5
1
R<sub>12</sub>=∞
15
d<sub>12</sub>=1,2
КС13
1,525
63,83
R<sub>13</sub>=∞
15
d<sub>13</sub>=6,28
1
R<sub>l4</sub>=∞
10,2
d<sub>14</sub>=1
K8
1,518294
63,83
R<sub>15</sub>=∞
10,2
Характеристики рассчитанного объектива:
фокусное расстояние
52,05 мм
относительное отверстие
1:1,08
угол поля зрения
8°40'
задний фокальный отрезок
3,52 мм
апертурная диафрагма совпадает с первой оптической поверхностью линзы 3, но может находится и в другом месте.
4
4
В рассчитанном объективе выполнено условие d=,9233f', где: f' - фокусное расстояние всего объектива для длины волны 766,49 нм. Фокусное расстояние четвертого компонента - мениска 6 для длины волны 766,49 нм f'=2189,37 мм, т.е. мениск 6 выполнен положительным и из лантанового стекла СТК19 группы сверхтяжелых кронов с показателем преломления 1,747647 для линии е. Двояковыпуклая линза третьего компонента 4 выполнена из стекла ТК14 группы тяжелых кронов с показателем преломления 1,615506 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента 1,662237, выполненного из лантанового стекла СТКЗ группы сверхтяжелых кронов. Плосковыпуклая линза - второй компонент выполнена из стекла группы кронов с показателем преломления 1,518294 для линии е.
В табл.2 приведены аберрации для длины волны 766,49 нм рассчитанного объектива.
Предложенный объектив имеет угловое поле зрения 2W=8°40', что на 67% больше углового поля зрения ближайшего аналога; при этом отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива равно 2,18; и высокое качество изображения, что следует из табл.2. Все это обеспечивает достижение технического результата - повышение углового поля зрения и уменьшение отношения расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива при высоком качестве изображения.
Таблица 2
Вид аберрации
Значение аберрации рассчитанного объектива, не более
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:1,08
0,017 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=8°40'
0,021 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=8°40'
0,025 мм
Меридиональный астигматический отрезок Х'<sub>м</sub> для поля зрения 2W=8°40'
-0,05 мм
Сагиттальный астигматический отрезок Х'<sub>s</sub> для поля зрения 2W=8°40'
-0,071 мм
Дисторсия для поля зрения 2W=8°40'
-0,29%