Объектив

Изобретение может быть использовано, в том числе, в телекамерах, работающих с приемной матрицей. Объектив состоит из четырех одиночных линз по ходу лучей: первой - выпукло-плоской линзы, второй - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - двояковогнутой линзы, четвертой - двояковыпуклой линзы. За четвертой линзой может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин и одна или несколько призм. Объектив может работать также и в обратном ходе лучей в качестве коллиматора. В объективе выполняются соотношения между конструктивными параметрами, указанные в формуле изобретения. Технический результат - увеличение фокусного расстояния, повышение качества изображения при высоком уровне технологичности. 1 ил., 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических приборах, в том числе в телекамерах, работающих с приемной матрицей.

Известен четырехлинзовый фотографический объектив (патент Германии №403706, 42h 4/05, публ. 1924 г.), в котором первая линза по ходу лучей - двояковыпуклая, вторая - двояковогнутая, третья - двояковыпуклая и четвертая линза - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению. Однако этот объектив, пересчитанный на фокусное расстояние 120 мм при относительном отверстии 1:2,5 и угле поля зрения 2W=11 град. имеет недостаточно высокое качество изображения. Поперечная сферическая аберрация для точки на оси достигает величины 0,339 мм, а для широких наклонных пучков в меридиональном и сагиттальном сечении - 0,327 мм и 0,355 мм соответственно.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является четырехлинзовый фотографический объектив (патент США №2170428, G02В 13/00, публ. 1939 г.), состоящий из четырех одиночных линз, в котором первая по ходу лучей - двояковыпуклая линза, вторая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - двояковогнутая и четвертая линза - двояковыпуклая. В объективе радиусы кривизны первой поверхности по ходу лучей первой и второй линз и второй поверхности четвертой линзы по модулю меньше фокусного расстояния всего объектива; радиус кривизны первой поверхности первой линзы больше 55% фокусного расстояния всего объектива; радиус кривизны вогнутой поверхности второй линзы больше фокусного расстояния всего объектива; радиус кривизны первой поверхности двояковогнутой линзы больше радиуса кривизны ее второй поверхности, который более 25% фокусного расстояния всего объектива; воздушный промежуток между третьей и четвертой линзой больше, чем воздушный промежуток между второй и третьей линзой и меньше 30% фокусного расстояния всего объектива, и толщина второй линзы больше 12% и меньше 30% фокусного расстояния всего объектива. Кроме того, имеют место условия:

n₁=n₂=n₄=1,6138

1,66<n₃<1,89

ν₁=ν₂=ν₄=56,3

23<ν₃<33

где n₁, n₂ n₃, n₄ - показатели преломления материала первой, второй, третьей и четвертой линзы для линии d;

ν₁, ν₂, ν₃, ν₄ - коэффициенты дисперсии материала первой, второй, третьей и четвертой линзы для линии d.

Кроме того, в объективе радиус кривизны первой поверхности первой линзы больше радиуса кривизны первой поверхности второй линзы; отношение радиуса кривизны по модулю второй поверхности второй линзы к радиусу кривизны ее первой поверхности равно 1,573; отношение радиуса кривизны по модулю первой поверхности третьей линзы к радиусу кривизны ее второй поверхности равно 3,936; отношение радиуса кривизны по модулю первой поверхности четвертой линзы к радиусу кривизны ее второй поверхности равно 3,12; а отношение толщины третьей линзы к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,02.

Объектив имеет более высокое качество изображения, чем объектив по патенту Германии №403706.

Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет недостаточно большое фокусное расстояние - 100 мм и при относительном отверстии 1:2,5 и угле поля зрения 2W=11 град. имеет недостаточно высокое качество изображения. Поперечная сферическая аберрация для точки на оси достигает величины - 0,0793 мм, а для широких наклонных пучков в меридиональном и сагиттальном сечении - 0,0603 мм и 0,0821 мм соответственно, и значительный меридиональный астигматический отрезок (-0,263 мм). Объектив недостаточно технологичен, так как он не содержит плоских оптических поверхностей и не имеет равных по модулю радиусов кривизны оптических поверхностей.

Задачей заявляемого изобретения является создание объектива с увеличенным фокусным расстоянием, повышенным качеством изображения и повышенной технологичностью.

Технический результат обусловлен поставленной задачей и представляет собой увеличение фокусного расстояния, повышение качества изображения при высоком уровне технологичности объектива.

Это достигается тем, что в объективе, состоящем из четырех одиночных линз, последовательно установленных по ходу лучей: первой - положительной, второй - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - двояковогнутой и четвертой - двояковыпуклой, и в котором выполнены условия:

n₁=n₂=n₄

1,66<n₃<1,89

23<ν₃<33

d₄<d₆<0,3f′

0,12f′<d₃<0,3f′;

где n₁, n₂, n₃, n₄ - показатели преломления материала первой, второй, третьей и четвертой линз для линии d;

ν₃ - коэффициент дисперсии материала третьей линзы для линии d;

d₄, d₆ - воздушные промежутки между второй и третьей, третьей и четвертой линзами;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

d₃ - толщина второй линзы - положительного мениска;

в отличие от известного первая линза выполнена выпукло-плоской, и имеют место соотношения:

1,56<n₁=n₂=n₄<1,6135

57<ν₁=ν₂=v₄<65,5

|R₁|<|R₃|

|R₃|<|R₈|

1,7<|R₄|/|R₃|<2,7

4,1<|R₅|/|R₆|<5,5

1<|R₇|/|R₈|<2,5

0,05<d₅/f′<0,2;

где ν₁, ν₂, ν₄ - коэффициенты дисперсии материала первой, второй, четвертой линзы для линии d;

R₁, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈ - радиусы кривизны первой, третей, четвертой, пятой, шестой, седьмой, восьмой оптических поверхностей;

d₅ - толщина двояковогнутой линзы.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива. Объектив состоит из четырех одиночных линз по ходу лучей: первой - выпукло-плоской линзы 1, второй - положительного мениска 2, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - двояковогнутой линзы 3, четвертой - двояковыпуклой линзы 4. За линзой 4 может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин и одна или несколько призм.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив. Объектив работает следующим образом: световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан). Объектив может работать также и в обратном ходе лучей в качестве коллиматора.

В соответствии с предложенным решением рассчитан объектив, исправленный в спектральном диапазоне от 480 до 660 нм.

Конструктивные параметры рассчитанного объектива приведены в табл.1.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние	120,1 мм
относительное отверстие	1:2,5
угол поля зрения	11 град.
задний фокальный отрезок	44,7 мм
входной зрачок совпадает
с первой поверхностью

В рассчитанном объективе выполнены условия:

1,56<n1=n2=n4<1,6135, т.к.	n1=n2=n4=1,613091
1,66<n3<1,89	n3=1,717912
23<ν3<33	ν3=29,53
d4<d6<0,3f′	d4=5,38; d6=22,74; 0.3f′=36,03
0,12f′<d3<0,3f′	0,12f′=14,412; d3=22,74
57<ν1=ν2=v4<65,5	ν1=ν2=v4=60,58
|R1|<|R3|	|R1|=72,023; |R3|=73,698
|R3|=|R8|=73,698	|R8|=73,698
1,7<|R4|/|R3|<2,7	|R4|/|R3|=156,122/73,698=2,11
4,1<|R5|/|R6|<5,5	|R5|/|R6|=188,139/38,645=4,86
1<|R7|/|R8|<2,5	|R7|/|R8|=101,044/73,698=1,37
0,05<d5/f′<0,2	d5/f′=13,83/120,1=0,115

В табл.2 приведены аберрации для длины волны 587,56 нм ближайшего аналога и рассчитанном объектива.

Рассчитанный объектив имеет фокусное расстояние 120,1 мм, большее, чем в ближайшем аналоге. Кроме того, в предложенном объективе одна оптическая поверхность выполнена плоской, и две имеют равные радиусы кривизны, что обеспечивает ему более высокую технологичность. Предложенный объектив имеет более высокое качество изображения, что следует из табл.2.

Таблица 1
Радиус, мм	Толщина, мм	Марка стекла	Показатель преломления nd	Коэфф. дисперсии νd	Световой диаметр, мм
R1=72,023					48
	d1=9,22	TK14	1,613091	60,58
R2=∞					46,7
	d2=0,61		1
R3=73,698					44,9
	d3=22,74	TK14	1,613091	60,58
R4=156,122					36,4
	d4=5,38		1
R5=-188,139					34,5
	d5=13,83	ТФ103	1,717912	29,53
R6=38,645					30,5
	d6=22,74		1
R7=101,044					35,5
	d7=9,53	TK14	1,613091	60,58
R8=-73,698					35,5
	d8=15,4		1
R9=∞					32,1
	d9=1,54	K8	1,516373	64,07
R10=∞					31,9

Таблица 2
Вид аберрации	Значение аберрации
Ближайший аналог	Предложенный объектив
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:2,5	0,0793 мм	0,01 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=11 град.	0,0603 мм	0,017 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=11 град.	0,0821 мм	0,035 мм
Меридиональный астигматический отрезок Х′м для поля зрения 2W=11 град.	-0,263 мм	-0,154 мм
Сагиттальный астигматический отрезок X′s для поля зрения 2W=11 град.	-0,2 мм	-0,22 мм
Астигматизм для поля зрения 2W=11 град.	-0,063 мм	0,0658 мм
Дисторсия для поля зрения 2W=11 град.	0,063%	0,074%

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан объектив с увеличенным фокусным расстоянием, с повышенным качеством изображения при высоком уровне технологичности.

Объектив, состоящий из четырех одиночных линз, последовательно установленных по ходу лучей: первой - положительной, второй - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - двояковогнутой и четвертой - двояковыпуклой, у которого
n₁=n₂=n₄
1,66<n₃<1,89
23<ν₃<33
d₄<d₆<0,3f′
0,12f′<d₃<0,3f′,
где n₁, n₂, n₃, n₄ - показатели преломления материала первой, второй, третьей и четвертой линз для линии d;
ν₃ - коэффициент дисперсии материала третьей линзы для линии d;
d₄, d₆ - воздушные промежутки между второй и третьей, третьей и четвертой линзами;
f′ - фокусное расстояние всего объектива;
d₃ - толщина второй линзы - положительного мениска,
отличающийся тем, что первая линза выполнена выпуклоплоской и имеют место соотношения
1,56<n₁=n₂=n₄<1,6135
57<ν₁=ν₂=v₄<65,5
|R₁|<|R₃|
|R₃|<|R₈|
1,7<|R₄|/|R₃|<2,7
4,1<|R₅|/|R₆|<5,5
1<|R₇|/|R₈|<2,5
0,05<d₅/f′<0,2,
где ν₁, ν₂, ν₄ - коэффициенты дисперсии материала первой, второй, четвертой линзы для линии d;
R₁, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈ - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой, шестой, седьмой, восьмой оптических поверхностей;
d₅ - толщина двояковогнутой линзы.