Светосильный объектив
FAST LENS

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на мегапиксельных ПЗС или КМОП матрицах в дневных и ночных условиях эксплуатации.
Известен объектив для видимой и ближней ИК области спектра (патент RU 2421764 С1, опубл. 20.06.2011), содержащий установленные последовательно на оптической оси пять линз, сгруппированных в три компонента, первый из которых содержит три оптических элемента -положительную двояковыпуклую линзу, положительный мениск и отрицательную двояковогнутую линзу, второй компонент выполнен в виде несимметричной двояковыпуклой линзы, третий компонент выполнен в виде отрицательной плосковогнутой линзы. Апертурная диафрагма расположена на второй поверхности третьего элемента первого компонента, обеспечивается относительное отверстие 1:1,6 и угловое поле в пространстве предметов 13° при одновременном хорошем качестве изображения точки на оси и по полю в спектральном диапазоне орт 486 до 852 нм, коэффициент передачи модуляции на частотах до 100 штр/мм составляет не менее 10%.
Недостатком этого объектива для видимой и ближней ИК области спектра является невысокая светосила, равная 1:1,6, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486÷852) нм, а также низкий коэффициент передачи модуляции, что не позволяет применять его для цифровых приборов на базе ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.
Известен объектив для ИК области спектра (патент RU 2175774, опубл. 10.11.2001), содержащий пять линз, сгруппированных в два компонента, первый из которых состоит из положительной линзы и двухсклеенного мениска, состоящего из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а второй компонент содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и положительную линзу. Первая линза в первом компоненте выполнена двояковыпуклой, а вторая линза во втором компоненте - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету. В объективе обеспечивается относительное отверстие 1:1,8 и угловое поле в пространстве предметов 5° при хорошем качестве изображения в спектральном диапазоне от 0,66 до 0,92 мкм.
Недостатком этого объектива для ИК области спектра является невысокая светосила (равная 1:1,8) и сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(0,66÷0,92) мкм, а также низкий коэффициент передачи модуляции, также не позволяющий применять его для цифровых приборов на базе ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.
Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив (патент RU 2181208, опубл. 10.04.2002), содержащий пять линз, первая из которых - двояковыпуклая линза, вторая - отрицательная линза, выполненная в виде вогнутоплоской линзы, третья - двояковыпуклая линза, вторая поверхность которой асферическая, четвертая - двояковыпуклая линза, а пятая - двояковогнутая линза. Апертурная диафрагма расположена между второй и третьей линзами. В объективе обеспечивается относительное отверстие 1:1,6 и угловое поле в пространстве предметов 38° при хорошем качестве изображения в спектральном диапазоне от 0,6 до 1,0 мкм, коэффициент передачи модуляции на частотах до 100 штр/мм находится на уровне 10÷15%.
Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:1,6, а также сравнительно низкий коэффициент передачи модуляции, на пространственной частоте более 100 штр/мм, что не позволяет применять его для цифровых приборов на базе мегапиксельных ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.
Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:1 и обеспечение качества изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем апертурную диафрагму и пять линз, сгруппированных в два компонента, первый из которых содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную линзу, второй - двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, в отличие от известного, отрицательная линза первого компонента является выпукловогнутой, обращенной вогнутостью к предмету, двояковыпуклая и двояковогнутая линзы второго компонента являются склейкой, а апертурная диафрагма расположена на второй поверхности отрицательной линзы первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:
2
ОБ
1,5<|F/F|<2,5,
3
ОБ
1,2<|F/F|<1.9,
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
2
F - фокусное расстояние второй линзы первого компонента;
3
F - фокусное расстояние первой линзы второго компонента.
Такой светосильный объектив обеспечивает повышение светосилы объектива до значения 1:1 и более высокое качество изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм.
Оптической схема светосильного объектива показана на фигуре 1.
Светосильный объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси два компонента I и II. Первый компонент I содержит положительную двояковыпуклую линзу 1 и отрицательную линзу 2, апертурная диафрагма 3 расположена на второй поверхности линзы 2 компонента I, второй компонент II содержит положительную двояковыпуклую линзу 4, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклую линзу 5 и двояковогнутую линзу 6, склеенные между собой, защитное стекло фотоприемника 7 и фотоприемник 8.
Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 1.
Параметры варианта исполнения светосильного объектива:
- расчетная длина волны
0,7 мкм;
- рабочий спектральный диапазон
(0,5÷0,9) мкм;
- фокусное расстояние
18,0 мм;
- линейное поле зрения
6,0 мм;
- угловое поле зрения
~18,9°;
- относительное отверстие
1:1
Принцип действия светосильного объектива заключается в следующем.
Первый компонент I, выполненный из положительной двояковыпуклой линзы 1 и выпукловогнутой линзы 2, обращенной вогнутостью к предмету, является силовым элементом, формирующим небольшую оптическую силу, и обеспечивает частичную коррекцию сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра. Второй компонент II, выполненный в виде положительной двояковыпуклой линзы 4, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклой линзы 5 и двояковогнутой линзы 6, склеенных между собой, является силовым и коррекционным элементом, позволяющим исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких пучков. Расположение апертурной диафрагмы 3 на второй поверхности линзы 2 первого компонента I позволяет избежать виньетирования наклонных пучков. В светосильном объективе необходимо выполнить следующие соотношения:
2
ОБ
1,5<|F/F|<2,5,
3
ОБ
1,2<|F/F|<1,9,
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
2
F - фокусное расстояние второй линзы первого компонента;
3
F - фокусное расстояние первой линзы второго компонента.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла 7 фотоприемника 8, равную 0,75 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника 8 и светопропускания объектива - 1,0 на длине волны 0,5 мкм, 0,9 на длине волны 0,6 мкм, 0,6 на длине волны 0,7 мкм, 0,4 на длине волны 0,8 мкм и 0,2 на длине волны 0,9 мкм;
- пространственную частоту ~130 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника 6 формата 1280×960 пикселей с размером пикселя, равным 3,75 мкм),
получаем следующие расчетные значения качественных характеристик светосильного объектива:
- дифракционное качество
КПК = 89,3%
- для точки на оси
КПК = 43,0%
- для точки поля 1,8 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub> = 28,2%
КПК <sub>С</sub> = 28,4%
- для точки поля 2,4 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub> = 32,9%
КПК <sub>С </sub>= 9,87%
- для точки поля 3,0 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub> = 9,17%
КПК <sub>С</sub> = 6,46%
Расчеты показывают, что светосильный объектив обеспечивает хорошее качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу мегапиксельного формата спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 3,75 мкм. Высокое значение относительного отверстия - 1:1 в отличие от 1:1,6 у прототипа, и высокое качество изображения расширяет диапазон возможного применения светосильного объектива, в частности позволяет более эффективно использовать его для дневного и ночного видения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности (в сумерки и в темное время суток).