Широкоугольный объектив
WIDE-ANGLE LENS

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве приемного объектива в оптико-электронных приборах, работающих с фотоприемными устройствами типа ПЗС или КМОП матриц.
Известны короткофокусные объективы для фото- и киносъемки, например типа «Ликар-7» (Д.С. Волосов. Фотографическая оптика. Изд. «Искусство», 1978 г., стр. 423-424), с фокусным расстоянием f’=4,5 мм, относительным отверстием 1:1,8, углом поля зрения 75° разрешающей силой 60 лин/мм в центре и 30 лин/мм по краю поля, с хорошим исправлением всех аберраций. Объектив состоит из 7 линз, из них линзы 1 и 7 - двояковыпуклые, мениски 2 и 4 обращены выпуклостью к предмету, мениски 3 (двусклеенный) и 6 обращены выпуклостью к изображению, линза 5 двояковогнутая.
Недостатком этого объектива является малое относительное отверстие (1:1,8) и недостаточное угловое поле в пространстве предметов (75°).
Наиболее близким по технической сущности является широкоугольный объектив (патент RU 2445658 С1, опубл. 20.03.2012), состоящий из четырех компонентов, разделенных воздушными промежутками, первый из которых по ходу лучей состоит из двух линз, положительной и отрицательной, второй компонент - одиночная положительная линза, третий компонент - по форме мениск, обращенный вогнутой стороной к предмету, включающий в себя двояковогнутую линзу и расположенную за ней двояковыпуклую линзу, склеенные вместе, четвертый компонент содержит одиночный мениск. В этом объективе положительная линза в первом компоненте выполнена плосковыпуклой, обращенной плоскостью к предмету, а отрицательная - плосковогнутой, обращенной плоскостью к предмету, второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, третий компонент состоит из двух линз, четвертый компонент включает в себя двояковыпуклую одиночную линзу, расположенную за третьим компонентом перед одиночным мениском, одиночный мениск четвертого компонента - отрицательный и обращен вогнутостью к изображению. Апертурная диафрагма расположена перед склеенным компонентом.
Недостатком этого объектива является малое относительное отверстие (1:3,5) и недостаточное угловое поле в пространстве предметов (70°).
Задачей настоящего изобретения является увеличение относительного отверстия, увеличение поля зрения с сохранением приемлемого качества изображения в узком спектральном диапазоне и в расширенном температурном интервале.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в широкоугольном объективе, состоящем из четырех компонентов, разделенных воздушными промежутками, первый из которых по ходу лучей состоит из двух линз, вторая из которых отрицательная, второй компонент - одиночная линза, третий компонент содержит двояковыпуклую линзу, четвертый компонент содержит одиночный отрицательный мениск, отличающийся тем, что первая линза первого компонента выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а вторая - в виде двояковогнутой отрицательной линзы, второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, третий компонент состоит из одной положительной двояковыпуклой линзы, четвертый компонент включает в себя два положительных мениска, обращенных выпуклостью к предмету, между которыми расположен одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, кроме того, между третьим и четвертым компонентами находится плоскопараллельная пластина или светофильтр, а в объективе имеет место соотношение:
где  - величина перемещения второго компонента по оптической оси;
f'об - фокусное расстояние объектива. Схема объектива показана на чертеже.
Широкоугольный объектив состоит по ходу лучей из выпукловогнутой линзы 1, обращенной выпуклостью к предмету, двояковогнутой линзы 2, выпукловогнутой линзы 3, двояковыпуклой линзы 4, плоскопараллельной пластины или светофильтра 5, выпукловогнутой линзы 6, обращенной выпуклостью к предмету, выпукловогнутой линзы 7, обращенной вогнутостью к изображению, выпукловогнутой линзы 8, обращенной выпуклостью к предмету, и плоскопараллельной пластины 9. При этом линза 3 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси.
Апертурная диафрагма расположена перед линзой 6.
Конструктивные данные широкоугольного объектива приведены в таблице 1.
При перемещении линзы 3 вдоль оптической оси на величину ±0.112 мм осуществляется термокомпенсация положения плоскости наилучшей установки в диапазоне температур от +5 до +35°С.
Таким образом, параметры вариантов исполнения объектива:
расчетная длина волны
777,4 нм
рабочий спектральный диапазон
776,9…777,9 нм
фокусное расстояние
9 мм
угловое поле зрения
98°
линейное поле зрения
20,0 мм
относительное отверстие
1:1
дисторсия -
27,9%
задний фокальный отрезок
11,06 мм
длина по оптической оси
295,9 мм
масса оптических деталей
1 кг
Принцип действия объектива заключается в следующем.
Широкоугольный объектив работает следующим образом.
Световой поток, исходящий из плоскости предметов, находящейся в бесконечности, проходит через широкоугольный объектив и изображается в плоскости наилучшей установки, в которой находится фотоприемное устройство, например, ПЗС-матрица (не показано), цифровой сигнал с которой позволяет компенсировать величину дисторсии объектива.
Второй компонент 3 установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, которое позволяет компенсировать температурный увод плоскости наилучшей установки.
Величина перемещения второго компонента 3, достаточная для термокомпенсации смещения ПНУ в диапазоне температур от +5 до +35°С, равна 0,118 мм, что не превышает величину:
Размещение плоскопараллельной пластины или светофильтра между третьим и четвертым компонентами позволяет использовать узкополосные интерференционные светофильтры, сохраняющие свои свойства при небольших углах проходящих через них пучков лучей с сохранением приемлемого качества изображения.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла фотоприемника, равную 1,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропуекания объектива, равную 1,0;
- пространственную частоту 100 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 5 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива:
для точки на оси (дифракционное качество)
КПК=89,9%
для точки на оси (аберрационное качество)
КПК=50,4%
для точки поля 35°
КПК<sub>м</sub>=60,8%
КПК<sub>с</sub>=51,2%
для точки поля 49°
КПК<sub>м</sub>=62,8%
КПК<sub>с</sub>=54,4%
Как видно из расчетов, широкоугольный объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает высокую светосилу (1:1), широкое поле зрения (98°) и приемлемое качества изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников матрицы с размером пикселя до 5 мкм.