ПРОЕКЦИОННЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
PROJECTION LARGE-APERTURE LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, конкретно к проекционным объективам с большим относительным отверстием, и может быть использовано, например, в оптических системах переноса изображения с рентгеновского экрана на ПЗС-матрицу.
Известен проекционный объектив (патент US 6801373, МПК: G02B 9/64; G02B 11/34; G02B 13/04, опубликован 03.06.2004), содержащий апертурную диафрагму и девять компонентов, расположенных последовательно на оптической оси, причем пять компонентов объектива расположены до апертурной диафрагмы, а между пятым и шестым компонентами имеется большой воздушный промежуток, первый и второй компоненты представляют собой отрицательные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к пространству изображений, третий - положительная двояковыпуклая линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутой стороной к пространству изображений, пятый - отрицательная плосковогнутая линза, обращенная в сторону к пространству изображений, шестой - положительная двояковыпуклая линза, седьмой - отрицательная двояковогнутая линза, восьмой положительная двояковыпуклая линза, девятый - положительный мениск, обращенный вогнутой стороной к пространству изображений.
Этот объектив обладает следующими преимуществами: малым снижением освещенности на краю поля зрения по отношению к освещенности в центре поля зрения, высокими показателями по величине модуляции на требуемых пространственных частотах, малой величиной дисторсии. Однако он обладает следующими недостатками, не позволяющими его использовать для новых условий: малое относительное отверстие 1:1,9 (требуется 1:1), малый угол поля зрения 2w=39° (требуется 2w≥48).
В качестве прототипа выбран проекционный светосильный объектив по патенту на изобретение RU 2379721, опубл. 10.11.2009, содержащий по ходу оптического излучения от предмета к изображению четырнадцать линз и апертурную диафрагму, расположенную между пятой и шестой линзами, причем первая линза выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, вторая линза выполнена отрицательным мениском, четвертая линза - двояковыпуклая, шестая и седьмая линзы склеены между собой и выполнены: шестая - двояковогнутой, седьмая - двояковыпуклой, восьмая и девятая линзы - положительные, одиннадцатая линза - положительная, двенадцатая линза - отрицательная, тринадцатая линза - двояковыпуклая, а четырнадцатая линза - отрицательная.
Недостатками конструкции этого объектива являются: низкое отношение освещенности на краю изображения по отношению к освещенности в центре изображения (0,2), низкое относительное отверстие (1:1,28), большая величина дисторсии на краю изображения (14%), недостаточная величина модуля коэффициента линейного увеличения (0,092).
Техническим результатом заявляемого объектива является повышение освещенности на краю поля изображения по отношению к центру, увеличение относительного отверстия, уменьшение величины дисторсии на краю поля зрения, увеличение модуля коэффициента линейного увеличения.
Технический результат достигается тем, что в проекционном светосильном объективе, содержащем по ходу оптического излучения от предмета к изображению четырнадцать линз и апертурную диафрагму, расположенную между пятой и шестой линзами, причем первая линза выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, вторая линза выполнена в виде отрицательного мениска, четвертая линза - двояковыпуклая, шестая и седьмая линзы склеены между собой и выполнены: шестая - двояковогнутой, седьмая - двояковыпуклой, восьмая и девятая линзы - положительные, одиннадцатая линза - положительная, двенадцатая линза - отрицательная, тринадцатая линза - двояковыпуклая, а четырнадцатая линза - отрицательная, согласно изобретению вторая линза обращена вогнутостью к предмету, третья линза выполнена двояковыпуклой, четвертая и пятая линзы склеены между собой, причем пятая линза - двояковогнутая, восьмая линза - мениск, обращенный вогнутостью к предмету, девятая линза - двояковыпуклая, десятая линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, одиннадцатая и двенадцатая линзы склеены между собой, причем одиннадцатая линза выполнена двояковыпуклой, а двенадцатая линза - двояковогнутой, четырнадцатая линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к предмету, причем ее выпуклая поверхность выполнена несферической.
Сущность изобретения и возможность его промышленного применения поясняется примером конкретного выполнения, который показан на фиг.1-4. На фиг.1 показана принципиальная оптическая схема объектива, на фиг.2 - графики ЧКХ (частотно-контрастной характеристики) объектива, на фиг.3 - график относительной освещенности изображения в зависимости от размера предмета, на фиг.4 - график дисторсии изображения в зависимости от размера предмета.
Как показано на фиг.1, линзы объектива расположены по ходу оптического излучения от предмета 15 к изображению 17. Причем пять линз (с 1 по 5) расположены до апертурной диафрагмы 16 и девять линз (с 6 по 14) расположены после апертурной диафрагмы. Линза 1 представляет собой отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, линза 2 - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, линза 3 - двояковыпуклая, линза 4 - двояковыпуклая, линза 5 - двояковогнутая, причем линзы 4 и 5 склеены между собой, 6 линза - двояковогнутая склеена с 7 - двояковыпуклой, 8 линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, 9 линза - двояковыпуклая, 10 линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, 11 линза - двояковыпуклая и склеена с 12 линзой - двояковогнутой, 13 линза - двояковыпуклая, а четырнадцатая линза выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, причем ее выпуклая поверхность выполнена несферической.
На фиг.2 представлен график частотно-контрастных характеристик объектива для спектрального диапазона от 478 нм до 628 нм с основной длиной волны 578 нм, характеризующий величину коэффициента контраста в зависимости от пространственной частоты на изображении для трех полей зрения: центр, половина и край, причем для половины и края поля зрения представлено по две кривых - для меридионального и сагиттального сечения. Вертикальная ось T характеризует величину коэффициента контраста (модуляции), горизонтальная ось N, пар лин./мм, характеризует пространственную частоту на изображении в парах линий на мм. На графике изображены четыре кривые, причем кривая 1 представляет центр поля зрения (размер предмета равен 0 мм), кривые 2S и 2T представляют половину поля зрения (размер предмета равен 156 мм), кривые 3S и 3T представляют край поля зрения (размер предмета 312 мм), причем буква S относит кривые к сагиттальному сечению, а буква T - к меридиональному сечению широких пучков лучей.
На фиг.3 представлен график относительной освещенности изображения в зависимости от размера предмета. Вертикальная ось RI характеризует относительную освещенность, горизонтальная ось характеризует размер предмета Y в мм. Из графика видно, что при размере предмета 311 мм освещенность изображения составляет 0,4 от центра поля зрения, где относительная освещенность максимальна и составляет 1.
На фиг.4 представлен график дисторсии изображения в зависимости от размера предмета. Вертикальная ось Y характеризует величину предмета в мм. Горизонтальная ось D характеризует величину дисторсии изображения в процентах. Из графика видно, что максимальная величина дисторсии изображения составляет 6,3% для края поля зрения 311 мм.
Объектив работает следующим образом: оптическое излучение от предмета 15 последовательно проходит через 1-5 линзы, апертурную диафрагму 16, диаметр которой определяет относительное отверстие объектива, линзы 6-14 и фокусируются в изображении 17. В качестве приемника изображения может быть применена ПЗС-матрица, фотопленка и т.п.
Выполнение линз объектива до апертурной диафрагмы - обращение второй линзы вогнутостью к предмету, выполнение третьей линзы двояковыпуклой, пятой линзы - двояковогнутой, склеивание четвертой и пятой линзы между собой позволило улучшить коррекцию аберраций для средних полей зрения и центра поля зрения, а также улучшить относительную освещенность. Выполнение восьмого и десятого компонента в виде положительных менисков, обращенных вогнутостью соответственно к предмету и изображению, а девятой линзы - двояковыпуклой позволило увеличить относительное отверстие объектива. Выполнение одиннадцатой линзы двояковыпуклой, двенадцатой линзы - двояковогнутой, склеивание их позволило управлять коррекцией хроматических аберраций. Выполнение выпуклой поверхности четырнадцатой линзы в виде несферической позволило скорректировать аберрации высших порядков предыдущих тринадцати линз объектива для получения требуемой равномерности ЧКХ для всех полей зрения.
Благодаря заявляемой конструкции объектива достигнут новый технический результат: повышение освещенности на краю поля изображения по отношению к центру (0,4), увеличение относительного отверстия (1:1,04), уменьшение величины дисторсии на краю поля зрения (6,3%), увеличение модуля коэффициента линейного увеличения (0,108).