СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
HIGH-OUTPUT LENS

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к цифровым прицелам и приборам наблюдения с формированием изображения на ПЗС или КМОП матрицах в разнообразных условиях эксплуатации днем и ночью.
Известен светосильный объектив (патент RU 2386988 C1, опубл. 20.04.2010), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной перед первым компонентом, при этом первый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а второй компонент выполнен в виде двусклеенного мениска, состоящего из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(600…900) нм, имеет относительное отверстие 1:2 и поле зрения 4°.
Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:2, небольшое поле зрения, равное 4°, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(600…900) нм, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.
Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив (патент RU 2411556 С1, опубл. 10.02.2011), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображений, при этом первый компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы, второй компонент выполнен в виде склейки из положительной несимметричной двояковыпуклой линзы, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и отрицательной несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения, третий компонент выполнен в виде склейки из отрицательного мениска н двояковыпуклой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, а четвертый - в виде несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(486,1…656,3) нм, имеет относительное отверстие 1:1 и угловое поле зрения 10°.
Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:1, узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486,1…656,3) нм, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.
Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:0,9 с расширением спектрального рабочего диапазона до значений Δλ=(600…1000) нм и исключение склеенных компонентов с сохранением качества изображения.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых содержит положительную линзу, второй компонент содержит положительную линзу, третий компонент содержит положительную линзу, а четвертый - отрицательную линзу, в отличие от известного, первый компонент содержит две линзы, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза выполнена в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй и третий компоненты представляют собой одиночные положительные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
1-2
d - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;
2-3
d - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами.
Такой светосильный объектив обеспечивает более высокую светосилу объектива до значения 1:0,9 и расширенный спектральный рабочий диапазон до значений Δλ=(600…1000) нм с отсутствием склеенных компонентов и с сохранением качества изображения.
Оптическая схема светосильного объектива показана на фигуре 1.
График частотно-контрастной характеристики объектива показан на фигуре 2.
Светосильный объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента. Перед первым компонентом расположена апертурная диафрагма 1, первый компонент выполнен в виде положительной линзы 2 и отрицательной линзы 3, второй компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы 4, третий компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы 5, четвертый компонент выполнен в виде отрицательной линзы 6, после которого расположены защитное стекло 7 и фотоприемник 8.
Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 1.
Параметры такого варианта исполнения светосильного объектива:
- расчетная длина волны
0,8 мкм;
- рабочий спектральный диапазон
(0,6÷1,0) мкм;
- фокусное расстояние
35,0 мм;
- линейное поле зрения
4,5 мм;
- угловое поле зрения
~ 7,3°;
- относительное отверстие
1:0,9
Принцип действия оптической системы заключается в следующем.
Первый компонент I, выполненный в виде положительной линзы 2 и отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 3, обращенной выпуклостью к пространству изображений, в сочетании со вторым компонентом II, выполненным в виде одиночного положительного мениска 4, являются силовыми элементами, формирующими оптическую силу, близкую к оптической силе объектива, при этом должно выполняться следующее соотношение:
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
1-2
d - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами.
Третий компонент III, выполненный в виде положительного мениска 5, обращенного вогнутостью к пространству изображений, в сочетании с четвертым компонентом IV, выполненным в виде отрицательной линзы 6, являются коррекционными элементами, позволяющими обеспечить высокую степень коррекции сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра, а также исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких наклонных пучков, для чего необходимо обеспечить следующее соотношение:
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
2-3
d - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами.
Как видно из фигуры 2, полихроматические коэффициенты передачи модуляции составляют для пространственной частоты N=50 штр/мм в точке на оси y'=0: ~ порядка 0,5 (~ 0,4 у прототипа); для края поля зрения 2w=6° не менее 0,36 и 0,23 (для меридионального и сагиттального пучка соответственно), а для пространственной частоты N=100 штр/мм в точке на оси у'=0: ~ порядка 0,26 (~ 0,1 у прототипа); для края поля зрения 2w=6° менее 0,06 и 0,15 (для меридионального и сагиттального пучка соответственно), что позволяет получать на фотоприемниках формата 1/4" изображения объектов малого контраста.
Графики частотно-контрастной характеристики объектива на фиг. 2 подтверждают, что объектив сохраняет хорошее качество изображения (высокую разрешающую способность) по сравнению с прототипом.
Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу спектрального диапазона (0,6÷1,0) мкм с размерами пикселя от 5 до 10 мкм.
Высокое значение относительного отверстия - 1:0,9 (у прототипа -1:1), существенно расширяет диапазон возможного применения объектива, позволяя использовать его для ночного видения в условиях низкой освещенности (в сумерки и в темное время суток).