RU2138068C1

RU2138068C1 - Wide-angle lens of long focal length with outside entrance pupil

Info

Publication number: RU2138068C1
Application number: RU98111772A
Authority: RU
Inventors: Л.В. Калинин; И.А. Блюмина; Г.М. Бережнова; Г.Ю. Матвеева
Original assignee: Калинин Леонид Владимирович; Блюмина Изабелла Александровна
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 1999-09-20

Abstract

FIELD: optical. SUBSTANCE: proposed wide-angle lens includes three lens groups. First group is manufactured in the form of positive meniscus facing space of objects with concavity and biconvex lens. Second lens group has one biconvex lens. Third lens group is made of two positive meniscuses and biconvex lens placed between them. One of its meniscuses faces space of objects with concavity and the other one - with convexity. Positive meniscuses of first and third lens groups can be cemented from biconcave and biconvex lenses. Relation of sum of thickness along axis of first lens group and distance to entrance pupil to thickness along axis of third lens group lies within limits of 1.02 to 1.5 and values of air gaps between lens groups has following relation 2.0 <DB2/DB1 < 2.5, where DB1 and DB2 are values of air gap correspondingly between first and second and second and third lens groups. EFFECT: enlarged angle of field of vision, increased quality of image and increased relative aperture with preservation of sufficiently large length of lens. 17 cl, 9 dwg, 2 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно, к системам для миниатюрных телевизионных камер, работающих на цветных или черно-белых ПЗС- матрицах. Применение объективов большой длины с вынесенным входным зрачком позволяет осуществлять маскировку при организации скрытой телевизионной съемки даже через толстые стены. Условия съемки диктуют необходимую длину и угол поля зрения таких систем. Кроме того, такие протяженные системы должны обладать высокой светосилой и минимальными потерями. The present invention relates to the field of optical instrumentation, namely, to systems for miniature television cameras operating on color or black and white CCD matrices. The use of long lenses with a remote entrance pupil allows camouflage when organizing a hidden television survey, even through thick walls. The shooting conditions dictate the required length and angle of the field of view of such systems. In addition, such extended systems should have high aperture and minimal loss.

Известен объектив с вынесенным входным зрачком и промежуточным изображением (SU, авторское свид. N 1269074, G 02 В 9/64, 1985 г.). Объектив содержит две линзовые группы, причем первая группа может перемещаться в сторону объекта при произведении фокусировки на дистанцию съемки. Объектив имеет большой вынос входного зрачка и, кроме того, регулируемую диафрагму за объективом. Небольшое угловое поле зрения, подвижные линзовые группы, а также заднее расположение дополнительной диафрагмы не позволяют применить данный объектив с целью установки его на телевизионную камеру скрытого наблюдения. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является объектив с вынесенным зрачком большой длины (DE, патент 1302321, кл. G 02 В, 13/00, 13/16, 1972 г. ). Объектив состоит из трех линзовых групп. Первая - склеенный афокальный мениск, первая поверхность вогнутая, обращенная к пространству предметов, вторая поверхность выпуклая. Вторая группа линз состоит из двояковыпуклой линзы склеенного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхность также к пространству предметов. Третья группа - двояковогнутая линза, расположенная вблизи плоскости изображения, выполняющая функцию линзы Шмидта, корректирующей кривизну изображения объектива. Входной зрачок вынесен довольно далеко. Объектив имеет хорошее качество коррекции аберраций и большое относительное отверстие, а также для такой большой длины, большой угол поля зрения. Однако такой объектив не может быть установлен на телевизионную камеру, где после объектива вблизи плоскости изображения расположена или цветоделительная система или просто ПЗС-матрица. A known lens with a remote entrance pupil and an intermediate image (SU, author's certificate. N 1269074, G 02 B 9/64, 1985). The lens contains two lens groups, and the first group can move toward the object when focusing on the shooting distance. The lens has a large projection of the entrance pupil and, in addition, an adjustable aperture behind the lens. A small angular field of view, movable lens groups, as well as the rear location of the additional aperture do not allow the use of this lens in order to install it on a television camera for covert surveillance. The closest in technical essence to the invention is a lens with a pupil with a long pupil (DE, patent 1302321, class G 02 B, 13/00, 13/16, 1972). The lens consists of three lens groups. The first is a glued afocal meniscus, the first surface is concave facing the space of objects, the second surface is convex. The second group of lenses consists of a biconvex lens of a glued meniscus facing a convex surface to the space of objects and a positive meniscus facing a convex surface to the space of objects. The third group is a biconcave lens located near the image plane, which acts as a Schmidt lens, which corrects the curvature of the image of the lens. The entrance pupil is far enough. The lens has a good quality for aberration correction and a large relative aperture, and also for such a long length, a large angle of the field of view. However, such a lens cannot be mounted on a television camera, where after the lens near the image plane there is either a color separation system or just a CCD matrix.

Технической задачей изобретения является увеличение угла поля зрения, повышение качества изображения и увеличение относительного отверстия при сохранении достаточно большой длины объектива. An object of the invention is to increase the angle of the field of view, improve image quality and increase the relative aperture while maintaining a sufficiently large length of the lens.

Поставленная задача в первом варианте достигается тем, что в широкоугольном объективе с вынесенным входным зрачком, содержащем три линзовые группы, первая линзовая группа выполнена из положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы, вторая линзовая группа состоит из одной положительной двояковыпуклой линзы, третья линзовая группа выполнена из положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, при этом отношение суммы толщин по оси первой линзовой группы и расстояния до входного зрачка к толщине по оси третьей линзовой группы находится в пределах от 1.02 до 1.5,а величины воздушных промежутков между линзовыми группами имеют следующее соотношение:
2,0 < DB2/DB1 > 2,5
где DB1 - величина воздушного промежутка между первой и второй линзовой группой; DB2 - величина воздушного промежутка между второй и третьей линзовой группой.The task in the first embodiment is achieved by the fact that in a wide-angle lens with a remote entrance pupil containing three lens groups, the first lens group is made of a positive meniscus facing concavity to the space of objects and a biconvex lens, the second lens group consists of one positive biconvex lens, the third lens group is made of a positive meniscus facing concavity to the space of objects, a biconvex lens and a positive meniscus facing convex Strongly objects to the space, wherein the ratio of the sum of the thicknesses of the first lens group and the distance from the axis of the entrance pupil to the thickness axis of the third lens group is in the range of from 1.02 to 1.5, and the values of the air gaps have the following relationship between the lens groups:
2.0 <DB2 / DB1> 2.5
where DB1 is the air gap between the first and second lens group; DB2 is the air gap between the second and third lens group.

В частном случае, положительный мениск первой линзовой группы может быть выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Кроме того, положительный мениск третьей линзовой группы, обращенный выпуклостью к пространству предметов, может быть выполнен склеенным из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. In the particular case, the positive meniscus of the first lens group can be glued from biconcave and biconvex lenses. In addition, the positive meniscus of the third lens group, convex to the space of objects, can be glued from biconvex and biconcave lenses.

Для увеличения угла поля зрения и уменьшения виньетирования крайних наклонных пучков лучей между толщинами и фокусными расстояниями линзовых групп соблюдены следующие соотношения:
1,25 < D1/F1 < 1,5
0,1 < D2/F2 < 0,3
0,75 < D3/F3 < 1,5
где D1 - толщина по оси первой линзовой группы, D2 - толщина по оси второй линзовой группы, D3 - толщина по оси третьей линзовой группы, F1 - фокусное расстояние первой линзовой группы, F2 - фокусное расстояние второй линзовой группы, F3 - фокусное расстояние третьей линзовой группы.To increase the angle of the field of view and reduce the vignetting of the extreme inclined beams of rays between the thicknesses and focal lengths of the lens groups, the following relations are observed:
1.25 <D1 / F1 <1.5
0.1 <D2 / F2 <0.3
0.75 <D3 / F3 <1.5
where D1 is the thickness along the axis of the first lens group, D2 is the thickness along the axis of the second lens group, D3 is the thickness along the axis of the third lens group, F1 is the focal length of the first lens group, F2 is the focal length of the second lens group, F3 is the focal length of the third lens groups.

Приведенные соотношения толщин линзовых групп и их фокусных расстояний позволяет получить объектив, длина которого составляет не менее 25Fc, где Fc-фокусное расстояние всего объектива. Кроме того, задний фокальный отрезок составляет не менее 3Fc, что позволяет разместить в нем цветокорректирующие фильтры при установке на цветную телевизионную камеру. The above ratios of the thicknesses of the lens groups and their focal lengths make it possible to obtain a lens with a length of at least 25 Fc, where Fc is the focal length of the entire lens. In addition, the back focal length is at least 3Fc, which allows you to place color correction filters in it when installed on a color television camera.

Для сохранения большого относительного отверстия положительные линзы всех линзовых групп объектива выполнены из оптических тяжелых и сверхтяжелых кронов, разность показателей которых для длины волны 546.07 нм находится в диапазоне от 0.08 до 0.14. Отрицательные линзы всех линзовых групп выполнены из оптических тяжелых флинтов, разность показателей которых для длины волны 546.07 нм составляет не более 0.055. Разность показателей стекол в склеенных парах линз колеблется от 0.01 до 0.05. To maintain a large relative aperture, the positive lenses of all the lens groups of the lens are made of optical heavy and superheavy crowns, the difference of which for the wavelength of 546.07 nm is in the range from 0.08 to 0.14. Negative lenses of all lens groups are made of heavy optical flints, the difference of indicators for which at a wavelength of 546.07 nm is not more than 0.055. The difference in the performance of glasses in bonded pairs of lenses ranges from 0.01 to 0.05.

Поставленная задача во втором варианте решается тем, что первая линзовая группа выполнена из положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов двух двояковыпуклых линз, вторая группа - положительная двояковыпуклая линза, третья группа - положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, двояковыпуклая линза и положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, при этом отношение суммы толщин по оси первой линзовой группы и расстояния до входного зрачка к толщине по оси третьей линзовой группы находится в пределах от 0.75 до 0.85, а величины воздушных промежутков между линзовыми группами имеют следующее соотношение:
1,5 < DB2/DB1 < 2,5
где DВ1 - величина воздушного промежутка между первой и второй линзовыми группами, DВ2 - величина воздушного промежутка между второй и третьей линзовыми группами.The task in the second embodiment is solved by the fact that the first lens group is made of a positive meniscus facing concavity to the space of objects of two biconvex lenses, the second group is a positive biconvex lens, the third group is a positive meniscus facing concavity to the space of objects, a biconvex lens and a positive meniscus , convex to the space of objects, while the ratio of the sum of the thicknesses along the axis of the first lens group and the distance to the entrance pupil to the thickness along the three axis one lens group is in the range from 0.75 to 0.85, and the values of the air gaps between the lens groups have the following ratio:
1.5 <DB2 / DB1 <2.5
where DB1 is the air gap between the first and second lens groups, DB2 is the air gap between the second and third lens groups.

В частном случае, положительный мениск первой линзовой группы может быть выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Положительный мениск третьей линзовой группы, обращенный вогнутостью к пространству предметов, также может быть выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, а положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов - склеенным из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Между толщинами и фокусными расстояниями линзовых групп соблюдены следующие соотношения:
1,5 < D1/F1 < 2,0
0,1 < D2/F2 < 0,3
1,25 < D3/F3 < 1,5
где D1 - толщина по оси первой линзовой группы, D2 - толщина по оси второй линзовой группы, D3- толщина по оси третьей линзовой группы, F1 - фокусное расстояние первой линзовой группы, F2 - фокусное расстояние второй линзовой группы, F3 - фокусное расстояние третьей линзовой группы.In the particular case, the positive meniscus of the first lens group can be glued from biconcave and biconvex lenses. A positive meniscus of the third lens group, facing concavity to the space of objects, can also be glued from a biconcave and biconvex lenses, and a positive meniscus that is convex to the space of objects can be glued from a biconvex and biconcave lens. The following relationships are observed between the thicknesses and focal lengths of the lens groups:
1.5 <D1 / F1 <2.0
0.1 <D2 / F2 <0.3
1.25 <D3 / F3 <1.5
where D1 is the thickness along the axis of the first lens group, D2 is the thickness along the axis of the second lens group, D3 is the thickness along the axis of the third lens group, F1 is the focal length of the first lens group, F2 is the focal length of the second lens group, F3 is the focal length of the third lens groups.

Приведенные соотношения толщин линзовых групп и их фокусных расстояний позволяют получить объектив, длина которого составляет не менее 15Fc, где Fc-фокусное расстояние всего объектива, а задний фокальный отрезок составляет не менее 3Fc, что позволяет разместить в нем цветокорректирующий фильтр при установке на цветную телевизионную камеру. The above ratios of the thicknesses of the lens groups and their focal lengths make it possible to obtain a lens with a length of at least 15Fc, where the Fc-focal length of the entire lens and the rear focal length is at least 3Fc, which allows you to place a color correction filter in it when installed on a color television camera .

Как и в первом варианте, для сохранения большого относительного отверстия положительные линзы всех линзовых групп выполнены из оптических стекол тяжелых и сверхтяжелых кронов, разность показателей которых для длины волны 546.07 нм находится в диапазоне от 0.08 до 0.14. Отрицательные линзы всех линзовых групп выполнены из оптических тяжелых флинтов, разность показателей которых для длины волны 546.07 нм составляет не более 0.055.Разность показателей преломления стекол в склеенных парах линз колеблется от 0.01 до 0.05. As in the first version, in order to maintain a large relative aperture, the positive lenses of all lens groups are made of optical glasses of heavy and superheavy crowns, the difference of the indicators for which at a wavelength of 546.07 nm is in the range from 0.08 to 0.14. Negative lenses of all lens groups are made of heavy optical flints, the difference in the indices of which for a wavelength of 546.07 nm is no more than 0.055. The difference in the refractive indices of glasses in bonded pairs of lenses ranges from 0.01 to 0.05.

Технические характеристики одного из вариантов широкоугольного объектива с вынесенным входным зрачком приведены в таблице 1.В таблице 2 приведены качественные параметры, выраженные в среднеквадратических величинах пятен рассеяния по полю изображения. The technical characteristics of one of the options for a wide-angle lens with a remote entrance pupil are shown in Table 1. Table 2 shows the qualitative parameters expressed in rms values of the scattering spots over the image field.

На фиг.1 приведена принципиальная схема широкоугольного объектива по п.1 формулы. На фиг. 2 принципиальная схема объектива по п.9 формулы. На фиг.3 приведены графики аберраций одного из вариантов. Figure 1 shows a schematic diagram of a wide-angle lens according to claim 1 of the formula. In FIG. 2 schematic diagram of the lens according to claim 9 of the formula. Figure 3 shows the graphs of the aberrations of one of the options.

Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком на фиг. 1 содержит три линзовых группы. Первая группа состоит из положительного мениска, склеенного из двояковогнутой линзы 1 и двояковыпуклой линзы 2, и из двояковыпуклой линзы 3. Вторая линзовая группа состоит из одной двояковыпуклой линзы 4. Третья линзовая группа состоит из положительного мениска 5, двояковыпуклой линзы 6, положительного мениска, склеенного из двояковыпуклой линзы 7 и двояковогнутой линзы 8. The wide-angle lens with a remote entrance pupil in FIG. 1 contains three lens groups. The first group consists of a positive meniscus glued from a biconcave lens 1 and a biconvex lens 2, and from a biconvex lens 3. The second lens group consists of one biconvex lens 4. The third lens group consists of a positive meniscus 5, a biconvex lens 6, a positive meniscus, glued from a biconvex lens 7 and a biconcave lens 8.

Широкоугольный объектив на фиг.2 состоит из трех линзовых групп. Первая группа содержит положительный мениск, склеенный из двояковогнутой линзы 9 и двояковыпуклой линзы 10, а также двояковыпуклую линзу 11 и двояковыпуклую линзу 12. Вторая линзовая группа состоит из одной двояковыпуклой линзы 13. Третья линзовая группа состоит из положительного мениска, склеенного из двояковогнутой линзы 14 и двояковыпуклой линзы 15,а также двояковыпуклой линзы 16 и мениска, склеенного из двояковыпуклой линзы 17 и двояковогнутой линзы 18. Расчетом достигается незначительное изменение апертуры в выходных наклонных пучках и, как следствие, равномерность освещенности по полю изображения. Общая длина объектива с учетом заднего фокального отрезка позволяет устанавливать его на телевизионные камеры различной конструкции, как черно-белые, так и цветные. The wide-angle lens in figure 2 consists of three lens groups. The first group contains a positive meniscus glued from a biconcave lens 9 and a biconvex lens 10, as well as a biconvex lens 11 and a biconvex lens 12. The second lens group consists of one biconvex lens 13. The third lens group consists of a positive meniscus glued from a biconcave lens 14 a biconvex lens 15, as well as a biconvex lens 16 and a meniscus glued from a biconvex lens 17 and a biconcave lens 18. A slight change in the aperture in the output oblique beams and, Consequently, the uniformity of illumination across the image field. The total length of the lens, taking into account the rear focal length, allows you to install it on television cameras of various designs, both black and white and color.

В табл. 2 представлены результаты коррекции аберраций широкоугольного объектива большой длины с вынесенным входным зрачком в меридиональном и сагиттальном сечениях по критерию пятна рассеяния. Анализ приведенных величин показывает, что объектив имеет высокое разрешение в широком диапазоне пространственных частот, что позволяет ему работать с различными ПЗС-матрицами. In the table. Figure 2 presents the results of the correction of the aberrations of a wide-angle lens of large length with a remote entrance pupil in the meridional and sagittal sections according to the criterion of the scattering spot. The analysis of the given values shows that the lens has a high resolution in a wide range of spatial frequencies, which allows it to work with various CCD arrays.

Claims

1. A wide-angle lens of large length with a remote entrance pupil, consisting of three lens groups, the second of which is a biconvex lens, characterized in that the first lens group is made of a positive meniscus facing concavity to the space of objects, and a biconvex lens, the third lens group is made from a positive meniscus facing concavity to the space of objects, a biconvex lens and a positive meniscus facing convex to the space of objects, with the ratio of the sum of thicknesses in along the axis of the first lens group and the distance to the entrance pupil to the thickness along the axis of the third lens group is in the range from 1.02 to 1.5, and the air gaps between the lens groups have the following ratio:
2.0 <DB2 / DB1 <2.5,
where DB1 is the air gap between the first and second lens groups;
DB2 is the air gap between the second and third lens groups.

2. The lens according to claim 1, characterized in that the positive meniscus of the first lens group is made of glued from biconcave and biconvex lenses.

3. The lens according to claim 1, characterized in that the positive meniscus of the third lens group, convex to the space of objects, is made of glued from biconvex and biconcave lenses.

4. The lens according to claim 1, characterized in that the following relationships are observed between the thicknesses and focal lengths of the lens groups:
1.25 <D1 / F1 <1.5;
0.1 <D2 / F2 <0.3;
0.75 <D3 / F3 <1.5,
where D1 is the thickness along the axis of the first lens group;
D2 is the thickness along the axis of the second lens group;
D3 is the thickness along the axis of the third lens group;
F1 is the focal length of the first lens group;
F2 is the focal length of the second lens group;
F3 is the focal length of the third lens group.

5. The lens according to claim 1, characterized in that the length of the entire lens is 25Fc, where Fc is the focal length of the entire lens, and the rear focal length is 3Fc.

6. The lens according to claim 1, characterized in that the positive lenses of all the lens groups of the lens are made of optical glasses of heavy and super-heavy crowns, the difference of indicators for which at a wavelength of 546.07 nm is in the range from 0.08 to 0.14.

7. The lens according to claim 1, characterized in that the negative lenses of all the lens groups of the lens are made of optical glasses of heavy flints, the difference of which for a wavelength of 546.07 nm is not more than 0.555.

8. The lens according to claim 2 or 3, characterized in that the difference in the refractive indices of the glasses in the bonded lens pairs ranges from 0.01 to 0.05.

9. A wide-angle lens of large length with a remote entrance pupil, consisting of three lens groups, the second of which is a biconvex lens, characterized in that the first lens group is made of a positive meniscus facing concavity to the space of objects, and two biconvex lenses, the third lens group made of a positive meniscus facing concavity to the space of objects, a biconvex lens and a positive meniscus facing convex to the space of objects, with the ratio of the sum Thickness of the axis of the first lens group and the distance to the entrance pupil to the thickness axis of the third lens group is in the range of from 0.75 to 0.85, and the quantities of air gaps between the lens groups have the following relationship:
1.5 <DB2 / DB1 <2.5,
where DB1 is the air gap between the first and second lens groups;
DB2 is the air gap between the second and third lens groups.

10. The wide-angle lens according to claim 9, characterized in that the positive meniscus of the first lens group is made of glued from biconcave and biconvex lenses.

11. The lens according to claim 9, characterized in that the positive meniscus of the third lens group, facing concavity to the space of objects, is made of glued from biconcave and biconvex lenses.

12. The lens according to claim 9, characterized in that the positive meniscus of the third lens group, convex to the space of objects made of glued from biconvex and biconcave lenses.

13. The lens according to claim 9, characterized in that the following relationships are observed between the thicknesses and focal lengths of the lens groups:
1.5 <D1 / F1 <2.0,
0.1 <D2 / F2 <0.3,
1.25 <D3 / F3 <1.5
where D1 is the thickness along the axis of the first lens group;
D2 is the thickness along the axis of the second lens group;
D3 is the thickness along the axis of the third lens group;
F1 is the focal length of the first lens group;
F2 is the focal length of the second lens group;
F3 is the focal length of the third lens group.

14. The lens according to claim 9, characterized in that the length of the entire lens is 15Fc, and the rear focal length 3Fc, where Fc is the focal length of the entire lens.

15. The lens according to claim 9, characterized in that the positive lenses of all the lens groups are made of optical glasses of heavy and extra heavy crowns, the difference of which for the wavelength of 546.07 nm is in the range of 0.08 to 0.14.

16. The lens according to claim 9, characterized in that the negative lenses of all the lens groups are made of heavy optical flints, the difference of indicators for which at a wavelength of 546.07 nm is not more than 0.055.

17. The lens according to any one of paragraphs.10 to 12, characterized in that the difference in the performance of the glasses in the bonded pairs of lenses ranges from 0.01 to 0.05.