RU2690053C1 - Светосильный объектив - Google Patents

Abstract

Объектив может быть применен в цифровых прицелах и приборах наблюдения с ПЗС или КМОП матрицах в разнообразных условиях эксплуатации днем и ночью. Первый компонент содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, обращенную выпуклостью к пространству изображений. второй и третий компоненты - одиночные положительные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений. Четвертый - отрицательная линза. Апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента. Выполняются соотношения: d=(0,4÷1,5)⋅F, d=(0,2÷1,0)⋅d, где F- фокусное расстояние объектива; d- воздушный промежуток между первым и вторым компонентами; d- воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами. Технический результат - повышение светосилы объектива до значения 1:0,9 и расширение рабочего спектрального диапазона до значений Δλ=(600…1000) нм при отсутствии склеенных компонентов и с сохранением качества изображения. 2 ил., 1 табл.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к цифровым прицелам и приборам наблюдения с формированием изображения на ПЗС или КМОП матрицах в разнообразных условиях эксплуатации днем и ночью.

Известен светосильный объектив (патент RU 2386988 C1, опубл. 20.04.2010), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной перед первым компонентом, при этом первый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а второй компонент выполнен в виде двусклеенного мениска, состоящего из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(600…900) нм, имеет относительное отверстие 1:2 и поле зрения 4°.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:2, небольшое поле зрения, равное 4°, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(600…900) нм, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.

Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив (патент RU 2411556 С1, опубл. 10.02.2011), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображений, при этом первый компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы, второй компонент выполнен в виде склейки из положительной несимметричной двояковыпуклой линзы, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и отрицательной несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения, третий компонент выполнен в виде склейки из отрицательного мениска н двояковыпуклой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, а четвертый - в виде несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(486,1…656,3) нм, имеет относительное отверстие 1:1 и угловое поле зрения 10°.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:1, узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486,1…656,3) нм, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:0,9 с расширением спектрального рабочего диапазона до значений Δλ=(600…1000) нм и исключение склеенных компонентов с сохранением качества изображения.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых содержит положительную линзу, второй компонент содержит положительную линзу, третий компонент содержит положительную линзу, а четвертый - отрицательную линзу, в отличие от известного, первый компонент содержит две линзы, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза выполнена в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй и третий компоненты представляют собой одиночные положительные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;

d_2-3 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами.

Такой светосильный объектив обеспечивает более высокую светосилу объектива до значения 1:0,9 и расширенный спектральный рабочий диапазон до значений Δλ=(600…1000) нм с отсутствием склеенных компонентов и с сохранением качества изображения.

Оптическая схема светосильного объектива показана на фигуре 1.

График частотно-контрастной характеристики объектива показан на фигуре 2.

Светосильный объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента. Перед первым компонентом расположена апертурная диафрагма 1, первый компонент выполнен в виде положительной линзы 2 и отрицательной линзы 3, второй компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы 4, третий компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы 5, четвертый компонент выполнен в виде отрицательной линзы 6, после которого расположены защитное стекло 7 и фотоприемник 8.

Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 1.

Параметры такого варианта исполнения светосильного объектива:

- расчетная длина волны	0,8 мкм;
- рабочий спектральный диапазон	(0,6÷1,0) мкм;
- фокусное расстояние	35,0 мм;
- линейное поле зрения	4,5 мм;
- угловое поле зрения	~ 7,3°;
- относительное отверстие	1:0,9

Принцип действия оптической системы заключается в следующем.

Первый компонент I, выполненный в виде положительной линзы 2 и отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 3, обращенной выпуклостью к пространству изображений, в сочетании со вторым компонентом II, выполненным в виде одиночного положительного мениска 4, являются силовыми элементами, формирующими оптическую силу, близкую к оптической силе объектива, при этом должно выполняться следующее соотношение:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами.

Третий компонент III, выполненный в виде положительного мениска 5, обращенного вогнутостью к пространству изображений, в сочетании с четвертым компонентом IV, выполненным в виде отрицательной линзы 6, являются коррекционными элементами, позволяющими обеспечить высокую степень коррекции сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра, а также исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких наклонных пучков, для чего необходимо обеспечить следующее соотношение:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;

d_2-3 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами.

Как видно из фигуры 2, полихроматические коэффициенты передачи модуляции составляют для пространственной частоты N=50 штр/мм в точке на оси y'=0: ~ порядка 0,5 (~ 0,4 у прототипа); для края поля зрения 2w=6° не менее 0,36 и 0,23 (для меридионального и сагиттального пучка соответственно), а для пространственной частоты N=100 штр/мм в точке на оси у'=0: ~ порядка 0,26 (~ 0,1 у прототипа); для края поля зрения 2w=6° менее 0,06 и 0,15 (для меридионального и сагиттального пучка соответственно), что позволяет получать на фотоприемниках формата 1/4" изображения объектов малого контраста.

Графики частотно-контрастной характеристики объектива на фиг. 2 подтверждают, что объектив сохраняет хорошее качество изображения (высокую разрешающую способность) по сравнению с прототипом.

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу спектрального диапазона (0,6÷1,0) мкм с размерами пикселя от 5 до 10 мкм.

Высокое значение относительного отверстия - 1:0,9 (у прототипа -1:1), существенно расширяет диапазон возможного применения объектива, позволяя использовать его для ночного видения в условиях низкой освещенности (в сумерки и в темное время суток).

Claims (5)

1. Светосильный объектив, содержащий последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых содержит положительную линзу, второй компонент содержит положительную линзу, третий компонент содержит положительную линзу, а четвертый - отрицательную линзу, и отличающийся тем, что первый компонент содержит две линзы, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза выполнена в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй и третий компоненты представляют собой одиночные положительные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:
2. 
3. где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;
4. d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;
5. d_2-3 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами.

Images