Светосильный объектив
Владельцы патента RU 2396581:
Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (RU)
Изобретение может быть использовано, в частности, в телекамерах, работающих с приемной матрицей в ИК-диапазоне длин волн. Объектив состоит из четырех компонентов. Первый компонент выполнен из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, второй - одиночная плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к предмету, третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности. В первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности вогнутоплоской линзы. Каждая двояковыпуклая линза выполнена симметричной. Показатель преломления четвертого компонента более 1,64 и менее 1,9 для линии е, показатель преломления двояковыпуклой линзы третьего компонента более 1,56 и менее 1,63 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента. Выполняется условие: 0,5f'<d4<f', где: f' - фокусное расстояние объектива; d4 - расстояние между первым и вторым компонентами. Технический результат - увеличение углового поля зрения и уменьшение габаритов при высоком качестве изображения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных приборах, в частности в телекамерах, работающих с приемной матрицей, например, в ИК-диапазоне длин волн.
Известен светосильный объектив (SU 1527604; G02B 9/62, 11/32; публ. 1989 г.), содержащий шесть линз в четырех компонентах. Первый из них по ходу лучей - положительный, состоящий из одиночных двояковыпуклой и двояковогнутой линз, второй - двояковыпуклая линза, третий - положительный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности. Модули радиусов кривизны второй R2 поверхности двояковыпуклой линзы первого компонента и первой поверхности R3 его двояковогнутой линзы удовлетворяют условию:
|R3|<|R2|.
Объектив работает в диапазоне длин волн от 700 до 900 нм.
Апертурная диафрагма расположена между первым и вторым компонентами. Характеристики объектива:
| фокусное расстояние | 250 мм |
| относительное отверстие | 1:1,25 |
| угол поля зрения | 5° |
Этот объектив имеет малые относительное отверстие и угловое поле зрения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив (Патент РФ №2351967; G02B 9/60, 11/30, 13/14; публ. 2009), содержащий шесть линз в четырех компонентах. Первый из них по ходу лучей - положительный, состоящий из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линзы, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, второй компонент - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента, третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности, причем каждая двояковыпуклая линза в первом и третьем компонентах выполнена симметричной и из одного материала. Расстояние d4 между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:
f'<d4<1,5f',
где: f' - фокусное расстояние объектива.
Кроме того, показатель преломления материала четвертого компонента - положительного мениска равен 1,518294 для линии е, а показатель преломления материала двояковыпуклой линзы третьего компонента равен 1,662237 для линии е и показатель преломления материала положительного мениска - второго компонента равен 1,489118 для линии е.
Объектив работает в диапазоне длин волн от 650 до 900 нм. Апертурная диафрагма расположена за вогнутоплоской линзой первого компонента на расстоянии 62,8 мм. Характеристики объектива:
| фокусное расстояние | 67,65 мм |
| относительное отверстие | 1:1,1 |
| угол поля зрения | 5°11' |
| задний фокальный отрезок | 3,5 мм |
Отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива равно 2,804.
По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малое угловое поле зрения и большое отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива, что увеличивает продольные габариты всей конструкции объектива.
Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками при высоком качестве изображения.
Технический результат заявляемого изобретения - увеличение углового поля зрения и уменьшение габаритов при высоком качестве изображения.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех компонентов, первый из которых по ходу лучей - положительный и выполнен из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, второй компонент - одиночная положительная линза, третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой и отрицательной линз, четвертый компонент - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск, у которого модуль радиуса кривизны выпуклой поверхности больше модуля радиуса кривизны вогнутой поверхности, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, причем двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной, в отличие от известного второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы, отрицательная линза третьего компонента выполнена двояковогнутой, показатель преломления четвертого компонента - более 1,64 и менее 1,9 для линии е, показатель преломления двояковыпуклой линзы третьего компонента более 1,56 и менее 1,63 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента и имеет место условие:
0,5f'<d4<f',
где: f' - фокусное расстояние объектива;
d4 - расстояние между первым и вторым компонентами.
Кроме того, в объективе показатель преломления второго компонента - плосковыпуклой линзы может быть более 1,5 и менее 1,87 для линии е.
На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива. Светосильный объектив состоит из шести линз в четырех компонентах. Первый компонент по ходу лучей - положительный, состоит из одиночных двояковыпуклой линзы 1, выполненной симметричной с равными по модулю радиусами кривизны первой и второй поверхностей |R1|=|R2| и вогнутоплоской линзы 2, а модуль радиуса кривизны второй поверхности R2 двояковыпуклой линзы 1 больше модуля радиуса кривизны первой поверхности R3 вогнутоплоской линзы 2. Второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы 3, обращенной плоскостью к изображению. Третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы 4 и двояковогнутой линзы 5. Двояковыпуклая линза 4 выполнена симметричной с равными по модулю радиусами кривизны обеих поверхностей |R7|=|R8|. Четвертый компонент - обращенный вогнутостью к изображению мениск 6, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности R10 больше радиуса кривизны R11 вогнутой поверхности. Мениск 6 выполнен положительным за счет увеличения его толщины d10 и показателя преломления материала - лантанового стекла группы сверхтяжелых кронов СТК19. За мениском 6 может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин.
Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив. Световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).
В соответствии с предложенным решением рассчитана конструкция светосильного объектива, исправленного в спектральном диапазоне от 650 до 900 нм. Его конструктивные параметры приведены в табл.1.
| Таблица 1 | |||||
| Радиус, мм | Толщина, мм | Марка стекла | Показатель преломления nе | Коэфф. дисперсии νe | Световой диаметр, мм |
| R1=79,62 | 48 | ||||
| d1=10,1 | СТК3 | 1,662237 | 57,09 | ||
| R2=-79,62 | 47,4 | ||||
| d2=5,l | 1 | ||||
| R3=-55,85 | 43,2 | ||||
| d3=3,8 | ТФ5 | 1,761712 | 27,32 | ||
| R4=∞ | 42,5 | ||||
| d4=48,0б | 1 | ||||
| R5=∞ | 34,5 | ||||
| d5=7 | K8 | 1,518294 | 63,83 | ||
| R6=-51,29 | 34 | ||||
| d6=0,5 | 1 | ||||
| R7=43,75 | 30,5 | ||||
| d7=11 | ТК14 | 1,615506 | 60,34 | ||
| R8=-43,75 | 26,6 | ||||
| d8=3,8 | ТФ5 | 1,761712 | 27,32 | ||
| R9=254,1 | 23,4 | ||||
| d9=1,2 | 1 | ||||
| R10=18,793 | 20,5 | ||||
| d10=6 | СТК19 | 1,747647 | 50,21 | ||
| R11=16,444 | 16 | ||||
| d11=5 | 1 | ||||
| R12=∞ | 15 | ||||
| d12=1,2 | КС13 | 1,525 | 63,83 | ||
| R13=∞ | 15 | ||||
| d13=6,28 | 1 | ||||
| Rl4=∞ | 10,2 | ||||
| d14=1 | K8 | 1,518294 | 63,83 | ||
| R15=∞ | 10,2 |
Характеристики рассчитанного объектива:
| фокусное расстояние | 52,05 мм |
| относительное отверстие | 1:1,08 |
| угол поля зрения | 8°40' |
| задний фокальный отрезок | 3,52 мм |
апертурная диафрагма совпадает с первой оптической поверхностью линзы 3, но может находится и в другом месте.
В рассчитанном объективе выполнено условие d4=,9233f', где: f' - фокусное расстояние всего объектива для длины волны 766,49 нм. Фокусное расстояние четвертого компонента - мениска 6 для длины волны 766,49 нм f'4=2189,37 мм, т.е. мениск 6 выполнен положительным и из лантанового стекла СТК19 группы сверхтяжелых кронов с показателем преломления 1,747647 для линии е. Двояковыпуклая линза третьего компонента 4 выполнена из стекла ТК14 группы тяжелых кронов с показателем преломления 1,615506 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента 1,662237, выполненного из лантанового стекла СТКЗ группы сверхтяжелых кронов. Плосковыпуклая линза - второй компонент выполнена из стекла группы кронов с показателем преломления 1,518294 для линии е.
В табл.2 приведены аберрации для длины волны 766,49 нм рассчитанного объектива.
Предложенный объектив имеет угловое поле зрения 2W=8°40', что на 67% больше углового поля зрения ближайшего аналога; при этом отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива равно 2,18; и высокое качество изображения, что следует из табл.2. Все это обеспечивает достижение технического результата - повышение углового поля зрения и уменьшение отношения расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива при высоком качестве изображения.
| Таблица 2 | |
| Вид аберрации | Значение аберрации рассчитанного объектива, не более |
| Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:1,08 | 0,017 мм |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=8°40' | 0,021 мм |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=8°40' | 0,025 мм |
| Меридиональный астигматический отрезок Х'м для поля зрения 2W=8°40' | -0,05 мм |
| Сагиттальный астигматический отрезок Х's для поля зрения 2W=8°40' | -0,071 мм |
| Дисторсия для поля зрения 2W=8°40' | -0,29% |
1. Светосильный объектив, состоящий из четырех компонентов, первый из которых по ходу лучей - положительный и выполнен из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз, второй компонент - одиночная положительная линза, третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой и отрицательной линз, четвертый компонент - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск, у которого радиус кривизны выпуклой поверхности больше радиуса кривизны вогнутой поверхности, при этом в первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, причем каждая двояковыпуклая линза в первом и третьем компонентах выполнена симметричной, отличающийся тем, что второй компонент выполнен в виде плосковыпуклой линзы, обращенной плоскостью к предмету, отрицательная линза третьего компонента выполнена двояковогнутой, показатель преломления четвертого компонента - положительного мениска более 1,64 и менее 1,9 для линии е, показатель преломления двояковыпуклой линзы третьего компонента более 1,56 и менее 1,63 для линии е и менее показателя преломления двояковыпуклой линзы первого компонента, кроме того, имеет место условие:
0,5f'<d4<f',
где f' - фокусное расстояние объектива;
d4 - расстояние между первым и вторым компонентами.
2. Светосильный объектив по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления второго компонента - плосковыпуклой линзы более 1,5 и менее 1,87 для линии е.
