ОБЪЕКТИВ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно, к объективам и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице.
Известен четырехлинзовый апохроматический объектив [1], содержащий отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, одиночную положительную линзу, отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и положительную линзу, причем положительные линзы выполнены из флюорита. Данная конструкция объектива обеспечивает исправление вторичного спектра и сферохроматических аберраций. Однако недостатком аналога является невысокое значение коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения, что не позволяет получить на ПЗС-матрице изображение объектов малого контраста. Использование флюорита с большим коэффициентом линейного расширения приводит к терморасстраиваемости объектива.
Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив [2], состоящий из пяти компонентов. Первый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и склееного из отрицательной и положительной линз. Второй компонент содержит одиночную двояковыпуклую линзу. Третий компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент содержит положительную одиночную линзу, выполненную
двояковыпуклой. Пятый компонент выполнен в виде апланатического мениска. Положительные линзы второго и четвертого компонентов выполнены из флюорита.
Данная конструкция объектива обеспечивает исправление вторичного спектра и сферохроматических аберраций. Однако недостатком прототипа является невысокое значение коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения в широком спектральном диапазоне λ=500 нм...900 нм, а также наличие по крайней мере двух линз, изготовленных из флюорита, обладающего большим коэффициентом линейного расширения, что приводит к терморасстраиваемости объектива, достигающей значительных величин для объективов с фокусными расстояниями более 100 мм.
Задачей полезной модели является повышение качества изображения в широком спектральном диапазоне λ=500 нм...900 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения и обеспечение малой терморасстраиваемости объектива.
Объектив из пяти компонентов, расположенных последовательно на оптической оси, первый компонент которого отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и склееный из отрицательной и положительной линз, второй компонент - одиночная положительная линза, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент - положительная одиночная линза, в отличие от прототипа, положительная линза четвертого компонента выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, имеющего толщину по оптической оси не менее 0.12 фокусного расстояния объектива, пятый компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из положительной и отрицательной линз, и расположен
-7
-1
-7
-l
-7
-1
на расстоянии не менее 0.24 фокусного расстояния объектива от последней поверхности четвертого компонента, оптическая сила первого компонента составляет не более 0.25 оптической силы всего объектива по абсолютной величине, а его толщина по оптической оси составляет не менее 0.17 фокусного расстояния объектива, причем все линзы объектива изготовлены из оптического стекла с коэффициентами линейного расширения не превышающими 90×10 град, разность коэффициентов линейного расширения положительной и отрицательной линз первого компонента не превышает 9×10гpaд, а положительной и отрицательной линз пятого компонента не превышает 14×10 град.
Конструкция первого компонента, содержащего отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, склеенный из отрицательной и положительной линз, имеющий оптическую силу не более 0.25 оптической силы всего объектива и толщину не менее 0.17 фокусного расстояния объектива, обеспечивает высокую коррекцию аберраций широких наклонных пучков, при которой кружок рассеяния не превышает 0.008 мм для угла поля зрения 2W=3°.
Выполнение положительной линзы четвертого компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, имеющего толщину не менее 0.12 фокусного расстояния объектива, и пятого компонента, выполненного в виде положительной линзы, склеенной из положительной и отрицательной линз, расположенного на расстоянии не менее 0.24 фокусного расстояния объектива от последней поверхности четвертого компонента, обеспечивает высокую коррекцию для точки на оси, при которой сферическая аберрация не превышает 0.002 мм, исправление кривизны поля
до величины 0.02 мм, астигматизма до величины 0.0072 мм для угла поля зрения 2W=3°.
-7
-1
-7
-l
-7
-1
Для объективов, имеющих фокусные расстояния более 100 мм, и работающих при больших перепадах температур (от минус 60° до 50°) большое значение имеет терморасстраиваемость объектива, которая во многом зависит от марок стекол, применяемых в объективе. В предлагаемом объективе изготовление всех линз из оптического стекла с коэффициентами линейного расширения не превышающими 90×10 град, и разностью коэффициентов линейного расширения положительной и отрицательной линз первого компонента не превышающей 9×10 гpaд, а положительной и отрицательной линз пятого компонента не превышающей 14×10 гpад, обеспечило малую терморасстраиваемость объектива.
-1
Предлагаемый объектив работает в широком спектральном диапазоне: λ=500 нм...900 нм, имеет фокусное расстояние 121.5 мм, относительное отверстие 1:2.5, входной зрачок диаметром 48 мм совпадает с первой поверхностью объектива. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N=60 мм в точке на оси (y'=0) не менее 0.67, на краю поля зрения 2W=3° не менее 0.58.
Такие значения коэффициентов передачи модуляции позволили получить концентрацию энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселу ПЗС-матрицы размером 0.0085×0.0085 мм, не менее 75% для точки на оси и не менее 65% для края поля.
На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива.
На фиг.2 приведены конструктивные параметра линз объектива и характеристики стекол, где R-радиусы кривизны поверхностей линз,
е
e
D - расстояния между поверхностями линз, n - показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии е.
На фиг.3 приведен график поперечной сферической аберрации объектива.
На фиг.4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=3°.
На фиг.5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на оси.
На фиг.6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на краю поля зрения 2W=3°.
Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения, приведенной ниже
Таблица
λ, мкм
500
600
700
800
900
С
0.08
1.0
0.58
0.17
0.05
-1
-7
-1
-7
-1
-7
-1
Объектив (фиг.1) состоит из расположенных последовательно на оптической оси пяти компонентов и светофильтра. Первый компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенный из двояковогнутой линзы 1 и двояковыпуклой линзы 2, его толщина равна 21 мм, что составляет 0.173 фокусного расстояния объектива, оптическая сила равна - 0.002 мм, что составляет 0.243 оптической силы объектива по абсолютной величине. Второй компонент представляет собой двояковыпуклую линзу 3. Третий компонент содержит отрицательный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска 5, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, его толщина равна 15 мм, что составляет 0.123 фокусного расстояния объектива. Пятый компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из двояковыпуклой линзы 6 и отрицательной линзы 7, расположен на расстоянии 30 мм от последней поверхности четвертого компонента, что составляет 0.247 фокусного расстояния объектива. Все линзы объектива изготовлены из оптического стекла с коэффициентами линейного расширения не превышающими 90×10гpaд, причем отрицательная линза первого компонента изготовлена из оптического стекла марки ТФ1 или его аналога, а его положительная линза изготовлена из оптического стекла марки ТК21 или его аналога, разность коэффициентов линейного расширения этих стекол составляет 9×10гpaд, положительная линза пятого компонента изготовлена из оптического стекла марки К8, а отрицательная линза этого компонента изготовлена из оптического стекла марки ТФ1, разность коэффициентов линейного расширения этих стекол составляет 14×10 град, что обеспечивает малую терморасстраиваемость объектива. Объектив содержит светофильтр 8, выделяющий спектральный диапазон в соответствии с таблицей. При расчете объектива учтена толщина защитного стекла ПЗС-матрицы.
Для объективов, работающих с ПЗС-матрицей, параметрами, характеризующими качество изображения, являются широкая область спектра (от 500 нм до 900 нм), относительное отверстие, значение коэффициентов передачи модуляции на частоте, определяемой размером пиксела, а также концентрация энергии в изображении точки на квадратной площадке равной одному пикселу ПЗС-матрицы.
Графики аберраций, приведенные на фиг.3 и 4, а также графики полихроматической частотно-контрастной характеристики для точки на оси и для края поля зрения, приведенные на фиг.5 и 6, подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения, что позволяет получить изображение объектов с малым контрастом (К=0.1).
-7
-1
-7
-1
-7
-1
В предлагаемом объективе изготовление всех линз из оптического стекла с коэффициентами линейного расширения, не превышающими 90×10 град и разностью коэффициентов линейного расширения положительной и отрицательной линз первого компонента равной 9×10 град, а положительной и отрицательной линз пятого компонента равной 14×10 град, обеспечило терморасстраиваемость объектива не более 0,01 мм в диапазоне температур от -60° до +50°. Меньшие значения коэффициентов линейного расширения и меньшие разности коэффициентов линейного расширения в склеенных компонентах обеспечивают еще меньшую терморасстраиваемость объектива (до 0,003 мкм).
-1
Проведены расчеты объектива, у которого оптическая сила первого компонента составляет 0,25 оптической силы всего объектива, его толщина составляет 0,17 фокусного расстояния объектива, толщина по оптической оси четвертого компонента составляет 0,12 фокусного расстояния объектива, а расстояние по оптической оси между четвертым и пятым компонентами составляет 0,24 фокусного расстояния объектива. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) данного объектива для пространственной частоты N=60 мм в точке на оси (y'=0) составляют 0,63, на краю поля зрения 2W=3°-0,55.
-1
Также проведены расчеты объектива, у которого оптическая сила первого компонента составляет 0,23 оптической силы всего объектива, его толщина составляет 0,2 фокусного расстояния объектива, толщина по оптической оси четвертого компонента составляет 0,16 фокусного расстояния объектива, а расстояние по оптической оси между четвертым и пятым компонентами составляет 0,3 фокусного расстояния объектива. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) данного объектива для пространственной частоты N=60 мм в точке на оси (y'=0) составляют 0,65, на краю поля зрения 2W=3°-0,58.
В заявляемом объективе выбор конструкции четвертого компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и пятого компонента, выполненного в виде положительной линзы, склееной из положительной и отрицательной линз, выбор толщины и оптической силы первого компонента, выбор расстояния между четвертым и пятым компонентами, выбор других марок стекол по сравнению с прототипом, позволили расширить спектральный диапазон работы объектива и обеспечили малую величину терморасстраиваемости объектива.
Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=3° проходит через входной зрачок объектива, диаметром 48 мм, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись через поверхности линз пяти компонентов и светофильтр фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица.
Источники информации
1. А.с. SU №200806, публикация 1967 г, МКИ G02B 3/01
2. A.c. SU №430345, публикация 1974 г, МКИ G02B 11/32