ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ТИПА РЫБИЙ ГЛАЗ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а точнее, к объективам, работающими с ПЗС-приемниками и может быть использована для получения информации от внешних объектов.
Известен широкоугольный объектив по патенту США, N7,239,456 В2, МПК G02B 13/04, опубл. 06.10.2005, который содержит 10 компонентов.
Объектив аналог имеет угловое поле 100 угловых градусов и относительное отверстие 1:2.8.
Недостаток известного объектива - малое угловое поле и неудовлетворительное качество изображения.
Наиболее близким по техническому решению является широкоугольный объектив типа рыбий глаз патент РФ №2379722,МПК G02В 9/64, опубл. 20.01.2010 со следующими техническими характеристиками: фокусное расстояние 1.93 мм, относительное отверстие 1:2.8, угловое поле 2w=170 угловых градусов, толщина пластинки, выполненной из стекла К8, составляет 1.8 мм. Этот объектив выбран авторами за прототип.
Объектив-прототип содержит семь компонентов, первый и второй из которых - отрицательные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений, третий - склеенный из отрицательной и положительной линз, четвертый склеен из отрицательного и положительного менисков, за ним расположена апертурная диафрагма, пятый компонент - положительный, склеенный из положительного и отрицательного менисков, причем четвертый и пятый компоненты ориентированы вогнутой стороной в сторону диафрагмы, шестой склеен из отрицательной и положительной линз, а седьмой - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту.
К недостаткам прототипа относится неудовлетворительное качество изображения, которое снижает информативность объектива, малое линейное поле изображения и невысокое относительное отверстие, большая величина аберрации дисторсии, характерная для всех особо широкоугольных объективов со сферическими поверхностями.
Задачей изобретения является создание объектива с повышенной информативностью с одновременным увеличением линейного поля изображения и относительного отверстия за счет конструктивного выполнения его оптической схемы.
Решение указанной задачи достигается тем, что в широкоугольном объективе типа рыбий глаз, содержащем семь компонентов, первый и второй компоненты - отрицательные, причем второй компонент выполнен в форме мениска, а остальные - положительные, при этом пятый компонент склеен из положительной и отрицательной линз, первый компонент - плосковогнутая линза, выполненная из сверхтяжелого крона, второй компонент обращен вогнутостью к объекту, третий, четвертый, шестой и седьмой компоненты - одиночные линзы, положительная линза пятого компонента выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой, при этом после седьмого компонента установлен биасферический отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, обе поверхности мениска представляют собой асферики высшего порядка, форма поверхностей которых описывается уравнением:
i
где z - стрелка поверхности, рассчитываемая вдоль оптической оси объектива; h - текущая координата, измеряемая по оси перпендикулярной оптической оси объектива выражает высоту падения луча на поверхность; с=1/r - кривизна поверхности при ее вершине; r - радиус кривизны при вершине; k - коэффициент эксцентриситета; α - коэффициенты полинома.
Выполнение первого компонента в виде плосковогнутой линзы, изготовленной из сверхтяжелого крона, а второго компонента в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, позволяет корригировать кривизну изображения и кому высшего порядка, а также хроматические аберрации.
Третий, четвертый, шестой и седьмой компоненты - одиночные линзы, положительная линза пятого компонента выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой, при этом после седьмого компонента установлен биасферический отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, обе поверхности мениска представляют собой асферики высшего порядка, форма поверхностей которых описывается уравнением:
именно такое выполнение компонентов позволяют исправлять астигмо-хроматические аберрации и кривизну поля, а также аберрации высшего порядка в широких наклонных пучках.
Расположение апертурной диафрагмы между третьим и четвертым компонентами позволяет улучшить коррекцию аберраций в зрачках, которые сильно влияют на качество изображения при больших углах, характерных для объективов типа рыбий глаз.
Плоскопараллельная пластинка, установленная в плоскости изображения, должна учитываться при коррекции аберраций, поскольку она расположена в сходящемся пучке лучей. Пластинка является элементом приемника изображения - ПЗС-матрицы и должна обеспечивать ее функционирование ПЗС-камеры.
Указанная совокупность обеспечивает необходимое и достаточное количество параметров оптической системы, позволяющих создать объектив с повышенной информативностью с одновременным улучшением качества изображения за счет конструктивного выполнения его оптической схемы.
Совокупность всех признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации широкоугольного объектива с вынесенным входным зрачком, большим линейным полем в пространстве изображений, одновременно обладающим улучшенным качеством изображения.
Сущность изобретения поясняется чертежами: где
на фиг.1 представлена оптическая схема широкоугольного объектива типа рыбий глаз;
на фиг.2 представлены графики частотно-контрастных характеристик объектива по предлагаемому изобретению
Широкоугольный объектив типа рыбий глаз, содержит последовательно расположенные по ходу луча восемь компонентов и апертурную диафрагму 4 (АД), расположенную между третьим и четвертым компонентами, первый компонент 1 - плосковогнутая линза, обращенная вогнутостью к изображению, а второй 2 - отрицательный, обращенные вогнутостью к пространству объектов, третий компонент 3 - одиночная положительная линза, четвертый компонент - одиночная положительная линза 5, пятый компонент склеен из двояковыпуклой 6 и двояковогнутой 7 линз, шестой компонент одиночная положительная линза 8, седьмой компонент - одиночная линза 9, а восьмой компонент - дополнительно установленный отрицательный мениск 10, обращенный вогнутостью к объекту, плоскопараллельная пластинка 11 - обеспечивает защиту светочувствительного слоя ПЗС матрицы.
Объектив работает следующим образом: световой поток от бесконечно удаленного объекта последовательно проходит через все элементы объектива 1-11, после которых образуется изображение в фокальной плоскости 12 объектива. Изображение затем совмещается со светочувствительным слоем ПЗС-матрицы (на чертежах не показана).
Примером конкретной реализации предлагаемого изобретения является широкоугольный объектив типа рыбий глаз, имеющий фокусное расстояние 3.83 мм, относительное отверстие 1:2.5 и угловое поле 2w=160°, полное линейное поле в пространстве изображений - 7.6 мм, толщина пластинки, выполненной из стекла К8, составляет 0.63 мм.
Конструктивные параметры объектива представлены в таблице 1, коэффициенты асферических поверхностей мениска 10 представлены в таблице 2, а его технические характеристики объектива в целом даны в таблице 3.
Таблица 1.
Конструктивные параметры объектива.
N поверхности
Радиусы, мм
Толщины, Мм
Марки стекол
Световые высоты, мм
Объект
бесконечность
Воздух
8.0
1
плоский
1.5
СТК19
4.75
2
5.321
4.3
-
4.85
3
-9.17
3.9
ТФ10
6.5
4
-13.77
0.2
-
5.5
5
11.92
2.05
СТК19
5.5
6
плоский
6.7
-
1.78
7 - диафрагма
плоский
0.2
-
3
8
6.83
1.3
ТФ10
3
9
плоский
0.13
-
2.25
10
19.422
1..65
СТК19
2.25
11
-3.133
0.5
ТФ10
2.7
12
7.727
1.5
-
4
13
32.00
1.2
К8
4
14
6.668
1.7
-
4
15
9.917
1.15
СТК19
3.7
16
-0.5204<sup>*</sup>
1.3
-
3.44
17
-0.5365<sup>*</sup>
0.6
E48R<sup>**</sup>
3.7
18
плоский
0.63
3.8
19
Плоский
0.63
3.81
Изображение
3.86
Примечание:<sup>*</sup> асферические поверхности<sup>**</sup> - материал - Zeon E48R
Таблица 2
коэффициенты асферических поверхностей мениска 10
Поверхность №16
Поверхность №17
h
0-3.5
0-3.8
r
-0.52
-0.54
k
9996
1484
α1
0.0097839087
0.02562161
α2
0.029519768
0.025186417
α3
-0.0023005772
-0.0032348261
α4
-0.0018508752
-0.0015539285
α5
-0.00016258528
-0.00014803092
α6
4.3423128е-005
-7.2290496е-005
α7
-6.3655616е-005
-1.75064е-005
α8
9.4671036е-006
6.1897784е-006
Таблица 3.
Технические характеристики объектива.
N
Название характеристики
Значение
1
Фокусное расстояние, мм
3.83
2
Угловое поле, угл. град.
160
3
Относительное отверстие
1:2.5
4
Задний фокальный отрезок, мм
2.5
5
Общая длина, мм
29.7
Техническим преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом являются:
1. улучшение качества изображения по критерию ЧКХ при частоте 50 лин/мм в 3 раза, что соответствует значению дифракционного предела для объектива с указанными характеристиками.
2. увеличение линейного поля изображения в 2 раза.
3. уменьшение дисторсии в 1.5 раза.
Реализация технических преимуществ объектива по предлагаемой полезной модели повышает его информативность, что позволяет использовать его как широкоугольный объектив типа рыбий глаз, обладающий качеством изображения, близким к дифракционному и уменьшенной аберрацией дисторсии, позволяющей обеспечить подобие изображения объекту, что важно для решения задач наблюдения.
Дополнительным преимуществом предлагаемой полезной модели является то, что первый компонент - плосковогнутая линза может использоваться в качестве защитного иллюминатора, например, при работе в жидких средах, в гидрообъективах или объективах, работающих в агрессивных средах.