ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С БОЛЬШИМ ОТНОСИТЕЛЬНЫМ ОТВЕРСТИЕМ
WIDE-ANGLE OBJECTIVE WITH LARGE LENS APERTURE

Изобретение относится к широкоугольным объективам с большим относительным отверстием и может быть использовано, например, с приборами с зарядовой связью (ПЗС) для получения визуальной информации о наблюдаемом через объектив объекте.
Известен широкоугольный гидрообъектив [1], включающий пять компонентов, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к объекту, второй и третий - отрицательные мениси, четвертый - склеенный из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, пятый компонент - склеенный из положительного и отрицательного менисков, а шестой компонент - двояковыпуклая линза. Объектив обладает хорошей коррекцией аберраций, значительным угловым полем зрения в воде 2ω=90° (в воздухе 2ω=141°).
Недостатками этого объектива являются: недостаточное относительное отверстие (1:2.8).
Известен светосильный объектив «Электрон-1» [2], содержащий восемь компонентов, первый из которых склеен из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, второй - двояковыпуклая линза, третий - положительный мениск, четвертый склеен из положительного и отрицательного мениска, пятый - мениск, шестой - положительный мениск, седьмой - двояковыпуклая линза, а восьмой - двояковогнутая линза. Объектив обладает большим относительным отверстием (1:0.75).
Недостаток объектива состоит в малой величине поля зрения (2Y=180 мм) и значительном ухудшении качества изображения при переходе от центра к краю поля зрения (от 0 мм до 180 мм).
Известен объектив [3], который содержит семь оптических компонентов, первые два из которых - отрицательные мениски, третий - склеен из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, четвертый - двояковыпуклая линза, пятый склеен из отрицательной и двояковыпуклой линзы, шестой выполнен в виде двояковыпуклой линзы, причем ее первая по ходу оптического излучения поверхность выполнена несферической, а седьмой компонент выполнен в виде плоскопараллельной пластины. Объектив обладает большим относительным отверстием (1:0.8), значительным углом поля зрения (2ω=62.3°).
Недостатками объектива являются: недостаточная величина угла поля зрения, наличие нетехнологичной линзы с несферической поверхностью.
В статье [4] изложены принципы построения схем широкоугольных объективов. Предложена методика выбора принципиальной схемы объектива, соответствующего заданным техническим параметрам. Автором предложены фотографический и проекционные объективы, разработанные по предложенной методике. В качестве базовой системы была принята схема объектива типа «Планар». Недостаток ее заключается в плохом светораспределении. Базовую систему дополнили коррекционными элементами широкоугольных объективов «Мир» и «Руссар». С помощью введения в базовую систему коррекционно-силовых линзовых компонентов были вынесены главные плоскости объектива в направлении плоскости изображения для увеличения S′ F′ и уменьшено значение отрицательной дисторсии. Созданная по этой методике и наиболее близкой к заявляемому изобретению по своей технической сущности является конструкция фотографического объектива (рис.1), упомянутого в статье.
На этот объектив получено авторское свидетельство на изобретение [5]. Объектив содержит апертурную диафрагму и семь оптических компонентов, из которых первый - положительный, второй и третий - отрицательные мениски, обращенные вогнутостью к изображению, четвертый компонент - положительный, пятый - отрицателный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, шестой - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету и склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, седьмой компонент - двояковыпуклый, а апертурная диафрагма расположена между пятым и шестым компонентами. Объектив при заявленных характеристиках имеет хорошее качество изображения, хорошую равномерность светораспределения по изображению. Недостатками объектива являются: недостаточное угловое поле зрения (2ω=53°), недостаточное значение относительного отверстия (1:1,4).
Последнее изобретение принято в качестве прототипа.
Техническим результатом изобретения является увеличение углового поля зрения объектива, увеличение относительного отверстия, улучшение качества изображения.
Указанный технический результат достигают тем, что в широкоугольном объективе с большим относительным отверстием, содержащем апертурную диафрагму и семь оптических компонентов, расположенных по ходу излучения от объекта к изображению, первый из которых - положительный, второй - отрицательный, выполненный в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третий отрицательный, четвертый и пятый компоненты, шестой выполнен отрицательным, седьмой - положительный, а апертурная диафрагма расположена между пятым и шестым компонентами, четвертый компонент выполнен отрицательным по силе и склеен из двух линз, первая из которых - двояковогнутая, вторая - двояковыпуклая, пятый компонент выполнен положительным в виде двояковыпуклой линзы, шестой компонент выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы, седьмой компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, причем после седьмого компонента дополнительно введены восьмой компонент, выполненный в виде двояковыпуклой линзы, девятый компонент, положительный по силе и выполненный склеенным из двух линз, первая из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - положительная, десятый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению и одиннадцатый компонент, выполненный положительным по силе и склеенным из двух линз, первая из которых положительная двояковыпуклая, вторая - отрицательная двояковогнутая.
На фиг.1 представлена оптическая схема предлагаемого объектива, а на фиг.2 - графики частотно-контрастных характеристик, которые показывают значительное улучшение качества изображения для центральной части поля зрения объектива (от Y1 до Y5), практически без ухудшения качества изображения для крайней и средней частей поля зрения (от Y2 до Y4). Где Y1=0, Y2=Ymax, Y3=0.7Ymax, Y4=0.5Ymax, Y5=0.4Ymax.
Предложенный широкоугольный объектив с большим относительным отверстием содержит одиннадцать компонентов, расположенных по ходу излучения от объекта к изображению, первый 1 из которых - положительный, второй 2 - отрицательный, выполненный в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третий 3 - отрицательный, четвертый 4 и пятый 5 компоненты, шестой 6 выполнен отрицательным, седьмой 7 - положительный, а апертурная диафрагма 12 расположена между пятым 5 и шестым 6 компонентами. При этом четвертый 4 компонент выполнен отрицательным по силе и склеен из двух линз, первая 4А из которых - двояковогнутая, вторая 4Б - двояковыпуклая, пятый 5 компонент выполнен положительным в виде двояковыпуклой линзы, шестой 6 компонент выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы, седьмой 7 компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту. После седьмого 7 компонента дополнительно введены восьмой 8 компонент, выполненный в виде двояковыпуклой линзы, девятый 9 компонент, положительный по силе и выполненный склеенным из двух линз, первая 9А из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая 9Б - положительная, десятый 10 компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению и одиннадцатый 11 компонент, выполненный положительным по силе и склеенным из двух линз, первая 11А из которых положительная двояковыпуклая, вторая 11Б - отрицательная двояковогнутая.
Объектив работает следующим образом. Световой поток от объекта последовательно проходит все компоненты до апертурной диафрагмы 12, которая вырезает из всего потока полезную часть, соответствующую относительному отверстию, проходит все компоненты после апертурной диафрагмы 12 и образует изображение в плоскости изображений объектива, в которой устанавливается приемник оптического излучения, например ПЗС-матрица.
Измененные и дополнительные компоненты объектива по сравнению с прототипом позволяют решать следующие задачи: выполнение четвертого 4 компонента отрицательным по силе позволяет уменьшить световой диаметр линз, расположенных перед ним, при одновременном увеличении углового поля зрения объектива, а также вносит положительное значение аберрации кривизны поля в общий вклад компонентов объектива, а выполнение этого компонента склееным из двух линз 4А и 4Б позволяет корректировать сферохроматическую аберрацию и аберрацию хроматизма увеличения. Выполнение пятого 5 компонента двояковыпуклым позволяет корректировать высшие порядки сферической аберрации. Выполнение шестого 6 компонента в виде одиночной двояковогнутой линзы позволяет корректировать сферическую аберрацию, кривизну поля зрения, астигматизм и аберрацию кома. Выполнение седьмого 7 компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к объекту, позволяет корректировать аберрацию астигматизма и развивать относительное отверстие объектива. Восьмой 8 компонент, выполненный в виде двояковыпуклой линзы, развивает относительное отверстие объектива. Девятый 9 компонент, положительный по силе и выполненный склеенным из двух линз, первая 9А из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая 9Б - положительная, корректирует аберрации сферохроматизма, сферическую, хроматизма увеличения. Десятый 10 компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, корректирует кривизну и астигматизм поля зрения. И одиннадцатый 11 компонент, выполненный положительным по силе и склеенным из двух линз, первая 11А из которых - положительная двояковыпуклая, вторая 11Б - отрицательная двояковогнутая корректирует аберрации дисторсия, хроматизм положения и увеличения, аберрации широких наклонных пучков лучей.
Заявителем разработан опытный образец объектива, имеющего фокусное расстояние 21.7 мм, угловое поле 2ω=82°, относительное отверстие 1:1.06.
Заявителем изготовлены опытные образцы предложенного объектива, которые подтвердили улучшение требуемых характеристик.
Источники информации
1. А.С. СССР № 1649492, 1989, Широкоугольный гидрообъектив.
2. Фотографическая оптика, Волосов Д.С., М., Искусство, 1978, стр.458-459.
3. US Patent №5724195, 08.16.1996, Fast super wide-angle lens system.
4. Статья: Синтез светосильного широкоугольного фотографического объектива с увеличенным задним фокальным отрезком, автор Козодой В.В., «Приборостроение», Гос. Комитет РФ по высшему образованию, Известия высших учебных заведений, том 37, февраль 1994, № 2, стр.72-74.
5. А.С. СССР № 1663596, 1989, Светосильный объектив (прототип).