СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
HIGH-APERTURE LENS

Изобретение относится к оптическим приборам и может использоваться в приборах совместно с матричными приемниками.
Известен объектив по патенту JPH 11-142,730, опубл. 28.05.1999 г., содержащий четыре компонента, первый из которых двояковогнутая линза, второй - двояковыпуклая линза, третий - положительный в виде склеенного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, четвертый - двояковыпуклая линза. Объектив имеет две асферические оптические поверхности сложной формы и имеет малое значение относительного отверстия (1:2,8). Кроме этого, в патенте не указано, предназначен ли объектив для работы в ИК области спектрального диапазона.
Известен объектив по патенту US 5,087,989, опубл. 11.02.1992 г., содержащий четыре компонента, первый из которых отрицательный в виде мениска, обращенного выпуклостью к предмету, второй - положительный вогнуто-выпуклый мениск, третий - плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к предмету, четвертый - выпукло-плоская склеенная линза, расположенная выпуклостью к предмету. Объектив имеет две асферические оптические поверхности сложной формы, имеет малое значение относительного отверстия (1:2), большое значение угла поля зрения (2ω=100°) и, очевидно, не предназначен для работы в ИК области спектрального диапазона. Указанные аналоги поэтому не решают поставленную задачу.
Известны светосильные короткофокусные объективы, применяемые в приборах ночного видения, работающие в видимой и ближней ИК-области спектра, например, светосильный объектив по патенту РФ №2545465, опубл. 27.03.2015 г. Объектив содержит расположенные последовательно по ходу луча двояковогнутую линзу, блок из двух положительных менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, двояковыпуклую линзу и компонент в виде склеенных друг с другом двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Одиночная двояковыпуклая линза выполнена из оптического стекла с коэффициентом дисперсии более 90. Относительное отверстие объектива 1:1,4, угловое поле зрения 88°, рабочий спектральный диапазон (0,4…1) мкм. Объектив рассчитан для фокусного расстояния ƒ'=5,58 мм. В объективе используется редкое дорогое оптическое стекло, у него несколько занижен угол поля зрения, поэтому он не решает поставленную задачу.
е
е
Ближайшим по конструктивному исполнению к предлагаемому является короткофокусный объектив по патенту РФ №2397517, опубл. 20.03.2008 г., применяемый в низкоуровневых телевизионных камерах, работающий в видимой и ближней ИК области спектра. Объектив содержит три линзовых компонента: первый компонент - одиночный отрицательный в виде мениска, обращенного выпуклостью к предмету; второй - положительный, склеенный из положительного мениска и двояковыпуклой линзы; третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска. Второй и третий сложные компоненты, обращенные выпуклостями линз друг к другу, образуют блок, обеспечивающий коррекцию хроматических аберраций. Одиночный мениск может быть выполнен из стекла, имеющего показатель преломления n<1,50 и коэффициент дисперсии v>85. Относительное отверстие объектива 1:2, угловое поле зрения в пространстве предметов 88°, рабочий спектральный диапазон 0,4…0,95 мкм. Аналогично и данный прототипный объектив не решает поставленную задачу, т.к. у него занижены основные характеристики - относительное отверстие, угол поля зрения, фокусное расстояние, а также используется то же уникальное стекло.
е
Задачей изобретения является увеличение относительного отверстия до 1:1,4, увеличение угла поля зрения до 91°, использование стекол с коэффициентом дисперсии υ<85 с сохранением высокого качества изображения в спектральном диапазоне от 0,53 до 1 мкм.
Технический результат, обусловленный поставленный задачей, решается тем, что в светосильном объективе, включающем одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, положительную сложную линзу, склеенную из мениска и двояковыпуклой линзы, и положительную сложную линзу, склеенную из двояковыпуклой и отрицательной линз, в отличие от известного, за одиночным отрицательным мениском дополнительно расположены светофильтр в виде плоскопараллельной пластины, двояковыпуклая линза и отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету.
Благодаря введению в оптическую схему дополнительных двух линз и видоизменению менисков в склейках объектив получился, в отличие от прототипа, с увеличенным фокусным расстоянием (5,6 мм вместо 4,3 мм), увеличенным относительным отверстием (1:1,4 вместо 1:2), увеличенным углом поля зрения (91° вместо 88°). Светофильтр введен для ограничения коротковолновой части спектра до 0,53 мкм, к которой, как правило, чувствительны матричные приемники и в которой имеется значительное рассеивание в атмосфере при наличии тумана (дымки).
Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1) оптической схемы.
Предложенный объектив содержит одиночный отрицательный мениск 1, обращенный выпуклостью к предмету, светофильтр 2 в виде плоскопараллельной пластины, двояковыпуклую линзу 3, отрицательный мениск 4, обращенный вогнутостью к предмету, положительную сложную линзу 5, склеенную из мениска 6 и двояковыпуклой линзы 7, и положительную сложную линзу 8, склеенную из двояковыпуклой линзы 9 и вогнутоплоской линзы 10. Светофильтр 2 выполнен из стекла ОС-11, отсекающего спектр менее 0,53 мкм. На схеме под номером 11 изображено защитное стекло ПЗС-матрицы.
В качестве конкретного примера реализации изобретения рассчитан объектив со следующими характеристиками:
фокусное расстояние объектива f'=5,58 мм;
F
,
задний фокальный отрезок S'=8,76 mm;
относительное отверстие - 1:1,4;
угловое поле в пространстве предметов - 91°;
спектральный диапазон - (0,53…1) мкм;
длина оптической системы - 5,68f'.
Конструктивные параметры объектива приведены в таблице.
Объектив работает следующим образом: параллельный световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит последовательно через компоненты 1-11 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического изображения (не показан).
Частотно-контрастная характеристика данного объектива в спектральном диапазоне от 0,53 до 1 мкм представлена на диаграмме (фиг. 2).
Из диаграммы следует, что объектив имеет высокое значение коэффициента передачи контраста (КПК) на частоте 80 лин/мм как для осевого пучка лучей (0,58 - первая кривая сверху), так и для внеосевых пучков (более 0,3), что подтверждает высокое качество изображения, получаемое объективом.
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата по сравнению с ближайшим аналогом: увеличено относительное отверстие с 1:2 до 1:1,4, увеличен угол поля зрения с 88° до 91° при сохранении высокого качества изображения, а также использованы стандартные оптические стекла с коэффициентом дисперсии менее 85. Объектив промышленно применим с матричными приемниками.