Светосильный объектив

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к системам формирования изображения, и может использоваться как объектив видеокамеры совместно с различными приемниками изображения, в том числе ПЗС и КМОП матрицами.
Известен светосильный объектив (пат. № 2445659, Российская Федерация, МПК G02B 9/64, заявка 2010154179/28, 30.12.2010; опубл. 20.03.2012), содержащий семь компонентов и апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами. Первый компонент - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, радиус кривизны первой поверхности которого по модулю меньше радиуса кривизны второй поверхности. Второй - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету и склеенный из двух положительных менисков. Третий - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Четвертый компонент склеен из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Пятый - одиночная двояковыпуклая линза. Шестой - склеен из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету. Седьмой компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению.
Данная схема, включающая десять отдельных линз в семи компонентах, отличается большой технической сложностью при рабочем относительном отверстии 1:1,5.
-1
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является светосильный объектив (пат. № 2308063, Российская Федерация, МПК G02B 9/64, заявка: 2006110674/28, 03.04.2006; опубл. 10.10.2007), содержащий восемь компонентов и апертурную диафрагму, расположенную между вторым и третьим компонентами. Первый и второй компоненты - положительные мениски, обращенные выпуклыми поверхностями к пространству изображений, третий компонент - отрицательная склеенная линза, состоящая из двояковогнутой линзы и положительного мениска, четвертый и пятый компоненты - двояковыпуклые линзы, шестой компонент - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, седьмой компонент - двояковогнутая линза и восьмой компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов. Толщина второго компонента составляет не менее 0,15 фокусного расстояния объектива, расстояние между вторым и третьим компонентами составляет не менее 0,25 фокусного расстояния объектива, а оптическая сила восьмого компонента составляет не менее 0,3 оптической силы объектива. Недостатком прототипа является невысокая разрешающая способность объектива при достаточно сложной конструкции, включающей девять отдельных линз. В частности, на пространственной частоте 80 мм у данного объектива коэффициенты передачи контраста составляют 0,51 и 0,23 для точек на оси и на краю поля зрения соответственно. Дисторсия у прототипа достигает 0,66% для углового поля 2W=16°.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является улучшение разрешающей способности объектива по всему полю зрения при уменьшении остаточной дисторсии до значений менее 0,2% на краю углового поля 2W=16°, а также упрощение конструкции.
Для решения поставленной задачи предложена схема объектива, содержащая семь компонентов и апертурную диафрагму, первый и второй компоненты которого - положительные мениски, обращенные выпуклыми поверхностями к предмету, третий компонент - отрицательный, четвертый и пятый компоненты - положительные, шестой компонент - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, седьмой компонент - отрицательный. Предлагаемый объектив отличается от прототипа тем, что третий компонент представляет собой одиночную двояковогнутую линзу, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, пятый компонент выполнен в виде положительного мениска обращенного выпуклой поверхностью к предмету, седьмой компонент представляет собой отрицательную склеенную линзу, состоящую из положительного и отрицательного менисков. Кроме того, в предлагаемом объективе в отличие от прототипа отсутствует восьмой компонент, а апертурная диафрагма размещена между третьим и четвертым компонентами. При этом для объектива выполняются следующие условия:
5,5<ϕ(1-3)/ϕ(4-7)<8,5
1,63<n(2, 5, 6, 7-1)<1,67
49<ν(2, 5, 6, 7-1)<53
где ϕ(1-3) - оптическая сила группы компонентов с первого по третий, ϕ(4-7) - оптическая сила группы компонентов с четвертого по седьмой, n(2, 5, 6, 7-1) - показатели преломления материалов второго, пятого, шестого и положительного мениска седьмого компонентов соответственно, ν(2, 5, 6, 7-1) - коэффициенты дисперсии материалов второго, пятого, шестого и положительного мениска седьмого компонентов соответственно.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что форма, расположение и состав первых трех компонентов способствуют исправлению дисторсии, группа, образованная четвертым, пятым, шестым и седьмым компонентами, оптическая сила которой пропорционально связана с оптической силой группы первого, второго и третьего компонентов, работает эффективным корректором аберраций широких наклонных пучков лучей, конструкция седьмого компонента, выполненного в виде склеенной линзы, обращенной вогнутой стороной к изображению, позволяет исправить остаточную кривизну поля и астигматизм, а выбранные материалы линз второго, пятого и шестого компонентов, а также положительной линзы седьмого склеенного компонента, обеспечивают коррекцию хроматизма увеличения во всем рабочем спектральном диапазоне объектива. При этом общее количество отдельных линз уменьшилось по сравнению с прототипом до восьми.
-1
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется Приложением, где представлены результаты расчета конкретного варианта объектива, имеющего следующие основные характеристики: фокусное расстояние f'=80 мм, угловое поле в пространстве предметов 2W=16°, относительное отверстие 1:1,3, рабочий спектральный диапазон Δλ=(680-820) нм, основная длина волны 766 нм. Дисторсия данного объектива для углового поля 2W=16° составляет 0,19%, а значение полихроматических коэффициентов передачи контраста для частоты N=80 мм в точке на оси до 0,74 и в точке на краю линейного поля изображений - до 0,62.
Таким образом, техническим результатом является улучшение разрешающей способности объектива и уменьшение остаточной дисторсии, а также упрощение конструкции объектива за счет уменьшения числа линз.
В табл.1 приведены конструктивные параметры объектива. На фиг. 1 представлена оптическая схема светосильного объектива. На фиг. 2 приведен график относительной дисторсии объектива. На фиг. 3 приведены кривые сферической аберрации. На фиг. 4 приведены кривые аберраций широкого наклонного пучка для крайней точки поля в меридиональном и сагиттальном сечении. На фиг. 5 приведены графики частотно-контрастных характеристик (ЧКХ) для точек на оси и на краю поля зрения.
Объектив (фиг. 1) содержит семь компонентов, первый 1 и второй 2 из которых - положительные мениски, обращенные выпуклыми поверхностями к предмету, третий компонент 3 выполнен в виде двояковогнутой линзы, четвертый компонент 5 представляет собой положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к изображению, пятый 6 и шестой 7 компоненты являются положительными менисками, обращенными выпуклыми поверхностями к предмету, седьмой компонент 8 представляет собой отрицательную склеенную линзу, состоящую из положительного и отрицательного менисков. Апертурная диафрагма 9 размещена между третьим и четвертым компонентами. Предложенная схема также предусматривает возможность включения в нее светофильтра 4.
Светосильный объектив работает следующим образом: световой поток исходя от находящегося на бесконечности предмета падает на входной зрачок объектива в пределах углового поля 2W=16° и, проходя через все компоненты, формирует изображение в фокальной плоскости.
Таким образом, характеристики предлагаемого объектива позволяют использовать его в высокоточных измерительных видеосистемах, где предъявляются особо жесткие требования к уровню коррекции дисторсии и разрешающей способности объектива.