СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
LARGE-APERTURE LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться в качестве объектива в цифровых наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС-матрице, в том числе в современных приборах ночного видения, фото- и видеокамерах, проекционных приборах.
Известен светосильный объектив, предназначенный для работы с приборами, в которых изображение формируется на ПЗС-матрице (см. патент Российской Федерации №2181207, G02B 13/14, 9/60, дата публикации - 10.04.2002), который включает расположенные последовательно на оптической оси четыре компонента, при этом первый компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, второй - положительный мениск, третий - отрицательный мениск, четвертый - склейка, включающая отрицательный мениск и симметричную двояковыпуклую линзу.
Известный объектив предназначен для работы с приборами, в которых изображение формируется на ПЗС-матрице с размерами в диапазоне 1/3"-1/2".
К недостаткам этого объектива можно отнести:
- низкое относительное отверстие (1:1,7);
- то, что в нем из пяти линз три выполнены в виде менисков, что делает стоимость объектива высокой.
Известен также светосильный объектив по патенту Российской Федерации №2308063 (G02B, 9/64, дата публикации - 10.10.2007), в котором повышение качества изображения достигается за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции и уменьшения дисторсии объектива. Объектив включает 9 компонентов, в том числе 6 менисков, что определяет его высокую стоимость.
Наиболее близким к заявляемому объективу по технической сущности (прототипом) является светосильный объектив по упомянутому выше патенту Российской Федерации №2181207.
Задачей изобретения является повышение относительного отверстия с одновременным упрощением конструкции светосильного объектива и расширением типоразмеров ПЗС-матриц, в которых с помощью этого объектива может быть сформировано изображение высокого качества.
Поставленная задача достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых выполнен в виде одиночной положительной линзы, еще один из компонентов выполнен в виде склейки, состоящей из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, обращенной к пространству изображения, одиночная положительная линза первого компонента выполнена плосковыпуклой и обращена к пространству изображения плоской поверхностью, второй компонент выполнен в виде склейки из положительной несимметричной двояковыпуклой линзы, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и отрицательной несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения, третий компонент выполнен в виде упомянутой склейки из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, причем последняя выполнена несимметричной и обращена к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, а четвертый - в виде несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, при этом апертурная диафрагма расположена на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображения.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого светосильного объектива;
на фиг.2 приведен график частотно-контрастной характеристики объектива;
на фиг.3 приведен график поперечной сферической аберрации;
на фиг.4 приведен график продольной сферической аберрации широких наклонных пучков меридионального (М) и сагиттального (S) сечений в пределах угла поля зрения 2w=10°;
на фиг.5 приведен график относительной дисторсии.
Светосильный объектив (фиг.1) содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента. Первый компонент выполнен в виде одиночной плосковыпуклой положительной линзы 1, которая обращена к пространству изображения плоской поверхностью. Второй компонент выполнен в виде склейки из положительной несимметричной двояковыпуклой линзы 2, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и отрицательной несимметричной двояковогнутой линзы 3, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения. Третий компонент выполнен в виде склейки из отрицательного мениска 4 и двояковыпуклой линзы 5, причем последняя выполнена несимметричной и обращена к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Четвертый компонент выполнен в виде несимметричной двояковогнутой линзы 6, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны.
В качестве конкретного примера реализации изобретения рассчитан объектив, для фокусного расстояния f=50 мм и входной апертуры D=50 мм, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.
Таблица 1
Поверхнось
Тип
Радиус
Толщина
Стекло
Диаметр
OBJ
STANDARD
бескон
бескон
1
STANDARD
54,2
9
СТК12
52
2
STANDARD
бескон
0.3
52
3
STANDARD
36.73
12
KF6
45
4
STANDARD
-127.35
5
TF12
45
STO
STANDARD
53.44
27.43
33.7
6
STANDARD
32.58
3
LF7
17
7
STANDARD
9.772
6
СТК7
15
8
STANDARD
-50.58
2.47
15
9
STANDARD
-19,543
3
BF7
12
10
STANDARD
47.1
3
12
IMA
STANDARD
бескон
8.8
Фокальные отрезки элементов линз для λ=587.6 нм даны в таблице 2.
Таблица 2
#
f
fs
sf
1-2
78.322
-78.322
73.003
3-4
58.374
-56.539
52.012
4-5
-47,367
49.316
-48.185
6-7
-25.355
28.207
-24.499
7-8
12.424
-11.824
9.317
9-10
-23.443
23.991
-24.764
В таблицах 3, 4 приведены фокальные отрезки склеенных линз и фокальные отрезки объектива, соответственно.
Таблица 3
#
f
fs
sf
3-5
-1025.655
1207.455
-880.441
6-8
24.851
-22.510
21.495
Таблица 4
#
f
sf
1-10
49.998
3.008
Предлагаемый объектив рассчитан для работы в видимом диапазоне длин волн λ=486.1,…587.6…656,3 нм и имеет относительное отверстие 1:1. Угловое поле зрения объектива составляет 2w=10°.
На фиг.2-5 кривые представлены для трех длин волн: 486.1 нм, 587.6 нм и 656.3 нм.
-1
-1
Как видно из фиг.2, полихроматические коэффициенты передачи модуляции для пространственной частоты N=50 мм в точке на оси у'=0 и для края поля зрения 2w=10° составляет не менее 0.4, а для пространственной частоты N=100 мм - не менее 0.2, что позволяет получать на приемнике изображения объектов малого контраста.
График частотно-контрастной характеристики объектива на фиг.2, а также графики аберраций, приведенные на фиг.3 и 4, подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения (высокую разрешающую способность), что позволяет получить изображения объектов с малым контрастом.
Графики относительной дисторсии, приведенные на фиг.5, подтверждают уменьшение дисторсии по сравнению с прототипом.
Таким образом, по отношению к прототипу светосильный объектив согласно данному изобретению имеет высокое относительное отверстие, простую конструкцию, обусловленную малым количеством компонентов и наличием всего одной линзы в форме менисков и, как следствие, низкую стоимость.
При этом объектив обладает высокой разрешающей способностью, что является существенным фактором при применении его с современными ПЗС-матрицами, минимальный размер пикселя которых <10 um, имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения объектива, которое составляет 2w=10°. Этот угол является достаточным для того, чтобы использовать его с приемниками на основе стандартных ПЗС-матриц 1/4", 1/2", 3/4".
Наиболее важной характеристикой предлагаемого объектива является высокое значение относительного отверстия (светосилы) - 1:1 (у прототипа - 1:1,7), что существенно расширяет диапазон возможного применения объектива, в частности позволяет использовать его в приборах ночного видения, предназначенных для работы в условиях низкой освещенности (сумерки и темное время суток).
Объектив работает следующим образом. Параллельный пучок света с углом поля зрения 2w=10° от предмета, расположенного на большом расстоянии от первого элемента, попадает на первую поверхность первого компонента объектива и, преломившись через поверхности линз, фокусируется в плоскости изображения.