Объектив

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к системам формирования изображения, и может использоваться как объектив видеокамеры совместно с различными приемниками изображения, в том числе, ПЗС и КМОП матрицами.
Известен объектив [1], состоящий из пяти компонентов и светофильтра. Первый компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, второй компонент представляет собой двояковыпуклую линзу, третий компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, пятый компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из двояковыпуклой линзы и отрицательной линзы. Данный объектив с фокусным расстоянием 122 мм рассчитан на работу в широким рабочем спектральным диапазоне от 500 до 900 нм и позволяет получить высокое качество изображения в пределах углового поля 3°, отличаясь при этом высокой термической стабильностью за счет примененной в его схеме комбинации стекол. Но, в силу пропорционального роста геометрических аберраций, такая схема недостаточно эффективна при увеличении фокусного расстояния до 200 мм и более. Кроме того, ее длина от первой поверхности до плоскости изображения составляет около 1,5 от фокусного расстояния.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является объектив [2], содержащий четыре компонента и апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами. Первый компонент является двояковыпуклой линзой, второй компонент выполнен в виде отрицательной линзы, третий представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз и обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и отрицательной линзы.
-6
Данный объектив, включающий пять отдельных линз, две из которых склеены, имеет фокусное расстояние 300 мм, угловое поле в пространстве предметов 2W=3° и рассчитан на работу в широком спектральном интервале от 620 до 900 нм при относительном отверстии 1:3, а его длина не превышает значения 1,0 от фокусного расстояния. Недостатками прототипа являются уменьшенный рабочий диапазон ахроматизации, малое угловое поле и невозможность использования в широком диапазоне рабочих температур, в том числе, из-за использования в первой линзе оптического стекла марки N-PK52A c KTP 13*10.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка оптической системы объектива для рабочего спектрального диапазона от 500 до 900 нм с фокусным расстоянием не менее 200 мм, угловым полем не менее 6°, сохраняющей стабильность оптических характеристик и высокое качество изображения в широком температурном диапазоне без использования редких оптических материалов и марок стекла.
d
d
Поставленная задача решается с помощью объектива, подобно прототипу содержащего четыре компонента и апертурную диафрагму, первый компонент которого - положительная линза, третий компонент выполнен в виде положительного мениска и четвертый компонент представляет собой отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Предлагаемый объектив отличается от прототипа тем, что второй компонент выполнен в виде тройной склейки, состоящей из двух отрицательных линз и одной двояковыпуклой линзы между ними, третий компонент склеен из положительного и отрицательного менисков и обращен выпуклой поверхностью к пространству изображений, а четвертый компонент представляет собой одиночную линзу. Апертурная диафрагма, в отличие от прототипа, расположена между первым и вторым компонентами. При этом первый компонент выполнен из широко распространенного стекла, для показателя преломления (n) и коэффициента дисперсии (ν) которого выполняются условия:
d
1.56≤n≤1.58
d
50≤ν≤65
Показатели преломления и коэффициенты дисперсии стекол второго тройного склеенного компонента соответствуют величинам:
d
1.73≤n1(2)≤1.75
d
1.60≤n2(2)≤1.63
d
1.72≤n3(2)≤1.75
d
48≤ν1(2)≤52
d
57≤ν2(2)≤65
d
25≤ν2(2)≤35
d
d
d
где n1(2), n2(2), n3(2) - показатели преломления первой, второй и третьей линз соответственно второго компонента по ходу лучей,
d
d
d
v1(2), v2(2), v3(2) - коэффициенты дисперсии первой, второй и третьей линз соответственно второго компонента по ходу лучей.
Показатели преломления и коэффициенты дисперсии стекол третьего склеенного компонента соответствуют величинам:
d
1.79≤n1(3)≤1.85
d
1.58≤n2(3)≤1.63
d
20≤ν1(3)≤27
d
40≤ν2(3)≤45
d
d
где n1(3), n2(3) - показатели преломления первой, второй соответственно третьего компонента по ходу лучей,
d
d
ν1(3), ν2(3) - коэффициенты дисперсии первой и второй линз соответственно третьего компонента по ходу лучей.
2
3
4
Фокусные расстояния второго f, третьего f и четвертого f компонентов связаны с фокусным расстоянием предлагаемого объектива f соотношениями:
2
f=(-2.5±0.5)f
3
f=(5.3±1)f
4
f=(-1±0.2)f
-6
Коэффициенты термического расширения стекол всех линз предлагаемого объектива находятся в пределах (5,6-9,7)⋅10.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что исполнение второго компонента в виде тройной склеенной линзы, оптические свойства стекол которой удовлетворяют указанным выше соотношениям, позволяет контролировать продольный хроматизм в заданном широком спектральном диапазоне при увеличении фокусного расстояния системы до 200 мм и более. Третий и четвертый компоненты позволяют увеличить угловое поле системы без потери качества изображения и при сохранении общей длины объектива приблизительно равной 1 от его фокусного расстояния. При этом за счет использования стекол с небольшим разбросом коэффициента термического расширения в указанных комбинациях, обеспечивается термическая стабильность системы в диапазоне рабочих температур от -40 до +50°С.
Таким образом, техническим результатом является создание относительно компактной оптической системы объектива без использования редких и дорогостоящих оптических материалов с увеличенным угловым полем зрения, расширенным рабочим спектральным диапазоном, высоким качеством изображения по всему полю и рабочим диапазоном температур от +40 до -50°С.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется оптической схемой объектива, представленной на Фиг. Объектив содержит четыре компонента, первый 1 из которых - положительный, второй 2 представляет собой тройную склейку, включающую две отрицательных линзу и одну двояковыпуклую между ними, третий положительный компонент 3 склеен из положительного и отрицательного менисков и обращен выпуклой поверхностью к пространству изображений и четвертый компонент 4 представляет собой одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Апертурная диафрагма расположена между первым и вторым компонентами. В состав схемы объектива может входить блок светофильтров 5.
-1
В таблицах приведены результаты расчета конкретного варианта объектива, имеющего следующие основные характеристики: фокусное расстояние f'=200 мм, угловое поле в пространстве предметов 2W=6,5°, относительное отверстие 1:3,5, рабочий спектральный диапазон Δλ=(500-900) нм, основная длина волны 600 нм, значение полихроматических коэффициентов передачи контраста для частоты N=60 мм в точке на оси до 0,70 и в точке с угловой координатой W=3° - не менее 0,42.
В таблице 1 приведены конструктивные параметры оптической системы объектива. В таблице 2 приведены значения геометрических аберраций осевого и двух полевых пучков лучей в меридиональном и сагиттальном сечении. В таблице 3 приведены значения коэффициентов передачи контраста для точек на оси и двух полевых пучков лучей.
Предлагаемый объектив работает следующим образом: световой поток, исходя от находящегося на бесконечности предмета, падает на входной зрачок оптической системы в пределах углового поля 2W=6° и, проходя через все компоненты, формирует изображение в фокальной плоскости.
Источники информации
1. Патент RU №66068 U1, МПК G02B 9/00
2. Патент RU №2451312 С1, МПК G02B 9/34
Объектив
Объектив