ОБЪЕКТИВ
OBJECTIVE LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице.
-1
Известен объектив [1] из трех компонентов, первый из которых - положительный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, второй компонент - отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, третий компонент - двояковыпуклая линза, склеенная из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска. Данная конструкция объектива имеет фокусное расстояние f''=220 мм, относительное отверстие 1:2.4. Однако недостатком аналога является невысокое значение коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения: не более 0,3 на частоте N=60 мм, что не позволяет получить на ПЗС-матрице изображение объектов малого контраста, а также большая длина объектива, которая составляет 1,37 f'.
Наиболее близкими к предлагаемому объективу являются объективы типа «Таир» [2], состоящие из двух компонентов. Первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы и отрицательной линзы, второй компонент - мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и имеющий большую толщину.
Данная конструкция объектива обеспечивает относительное отверстие 1:3 при фокусном расстоянии объектива до 300 мм. Однако недостатком прототипа является невысокое значение коэффициентов передачи модуляции (Т), не превышающих 0,5 для точки на оси и 0,2 для края поля зрения.
Задачей изобретения является повышение качества изображения в спектральном диапазоне λ=620…850 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения и сохранение небольшой длины объектива, считая от первой поверхности объектива до плоскости изображения, не превышающей 1,01 фокусного расстояния объектива.
Объектив содержит два компонента, расположенных на оптической оси, первый компонент состоит из двояковыпуклой и отрицательной линз, второй компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, в отличие от прототипа содержит апертурную диафрагму, расположенную между компонентами, первый компонент дополнен положительным мениском, обращенным вогнутой поверхностью к пространству изображений и расположенным после его отрицательной линзы, мениск второго компонента склеен из двояковыпуклой и двояковогнутой линз и имеет толщину по оптической оси не менее 0,07 фокусного расстояния объектива, положительная линза первого компонента выполнена из стекла с показателем преломления не более 1,5 и числом Аббе не менее 80, причем расстояние между компонентами составляет не менее 0,13 фокусного расстояния объектива.
Конструкция первого компонента, содержащего положительную линзу, имеющую показатель преломления стекла не более 1,5, число Аббе не менее 80 и обладающую особым ходом дисперсии, обеспечивает исправление вторичного спектра до 0,04 мм в спектральном диапазоне 620…850 нм, что позволяет получить хорошее исправление хроматических аберраций.
Введение в первый компонент положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и расположенного после его отрицательной линзы, позволило исправить сферохроматические аберрации до величин, не превышающих 0,006 мм, что обеспечило высокие значения коэффициента передачи модуляции для точки на оси.
Выполнение отрицательного мениска второго компонента в виде склейки из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, имеющего толщину не менее 0,07 фокусного расстояния объектива, позволило исправить кривизну до величины 0,02 мм и астигматизм до величины 0,013 мм для угла поля зрения 2W=2°.
Выбор расстояния между введенным положительным мениском и вторым компонентом не менее 0,13 фокусного расстояния объектива обеспечил небольшую длину от первой поверхности объектива до плоскости изображения, не превышающую 1,01 фокусного расстояния объектива при высоком качестве изображения по всему полю зрения.
Расположение апертурной диафрагмы между компонентами позволяет регулировать относительное отверстие объектива.
Предлагаемый объектив работает в спектральном диапазоне:
-1
λ=(620…850) нм, имеет фокусное расстояние 300 мм, относительное отверстие 1:3. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N=60 мм в точке на оси (y'=0) не менее 0,8, на краю поля зрения 2W=2° не менее 0,7.
На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива.
e
e
На фиг.2 приведены конструктивные параметра линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, 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 приведены графики поперечной сферической аберрации объектива.
На фиг.4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=2°.
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
620
670
700
750
850
С
0,14
1.0
0,8
0,48
0,1
e
e
Объектив (фиг.1) состоит из двух компонентов и двух светофильтров. Первый компонент содержит двояковыпуклую линзу 1, изготовленную из стекла N-PK52A фирмы SCHOTT с показателем преломления n=1,4985 и числом Аббе ν=81,21, двояковогнутую линзу 2 и положительный мениск 3, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из двояковыпуклой линзы 4 и двояковогнутой линзы 5, толщина мениска по оси равна 23 мм, что составляет 0,076 фокусного расстояния объектива. Расстояние между компонентами равно 40,6 мм, что составляет 0,135 фокусного расстояния объектива. Объектив рассчитан со светофильтрами 7, 8, имеющими суммарную толщину 4 мм.
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).
В предлагаемом объективе выбор конструкции первого компонента, содержащего первую двояковыпуклую линзу с показателем преломления стекла не более 1,5 и числом Аббе не менее 80, двояковогнутую линзу и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, второго компонента, содержащего отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и имеющего толщину не менее 0,7 фокусного расстояния объектива и расстояния между компонентами не менее 0,13 фокусного расстояния, позволил получить высокие значения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения в спектральном диапазоне 620…850 нм и длину объектива от первой поверхности до плоскости изображения 301,4 мм, что составляет 1,004 фокусного расстояния объектива.
Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=2° попадает на первую поверхность первого компонента объектива, и, преломившись через поверхности пяти линз и светофильтров, фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица.
Источники информации
1. Патент RU №2190245 С1, публикация 2002 г, МКП G02B 9/26, G02B 11/14.
2. Волосов Д.С., «Фотографическая оптика», М., Искусство, 1971 г., с.419-422 - прототип.