Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком (варианты)

 

Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком относится к области оптического приспособления и применим для миниатюрных черно-белых камер на ПЗС-матрицах. Объектив с вынесенным входным зрачком содержит два компонента, первый из которых выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, а второй - положительная линза, склеенная из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска. Причем в первом компоненте отношение суммы толщины мениска и расстояния до входного зрачка к абсолютным величинам первого и второго радиусов соответственно находится в пределах от 0,80 до 0,78, а фокусное расстояние второго склеенного компонента равно по абсолютной величине фокусному расстоянию отрицательного мениска. Кроме того, первый мениск может быть выполнен склеенным из двух менисков с радиусами одного знака или из двух линз - двояковогнутой и двояковыпуклой. Второй компонент может быть выполнен из склеенного триплета, в котором две двояковыпуклые линзы по краям, а в середине отрицательная двояковогнутая линза или по краям отрицательные мениски, а в середине двояковыпуклая линза. Изобретение позволяет увеличить угол поля зрения при сохранении высокого разрешения и относительного отверстия, а также обеспечить высокую степень коррекции аберраций. 3 с. и 18 з.п.ф-лы, 10 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для миниатюрных телевизионных камер, работающих на ПЗС-матрицах. Применение объективов с вынесенным зрачком позволяет осуществлять маскировку при организации скрытой телевизионной съемки. При этом имеется возможность установки перед объективом специальных диафрагм, что позволяет профессионально замаскировать телевизионную камеру. Условия работы могут быть самыми неблагоприятными, так как освещенность объектов съемки колеблется в широком диапазоне, поэтому объективы для таких камер должны быть светосильными и широкоугольными. Кроме того, объективы должны иметь высокое разрешение в пределах всего поля зрения, иметь малую массу и быть удобными при монтаже.

Известен объектив с вынесенным входным зрачком (RU, патент 2094833,G 02 B 9/20, 1996 г.). Объектив содержит три линзовых компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, который может быть выполнен склеенным. Второй компонент-положительная двояковыпуклая линза, третий - склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линзы.

Объектив подходит для миниатюрной телевизионной камеры, однако большой вынос входного зрачка несомненно вызовет сильное виньетирование в крайних углах наклона пучков и, как следствие, неравномерность освещенности по полю изображения. Кроме того, можно добиться такого же качества коррекции аберраций и угла поля зрения, сократив количество компонентов, т.е. упростив технологию изготовления и уменьшив стоимость объектива.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двухкомпонентный объектив с вынесенным входным зрачком (JP, патент 61-30244, кл. G 02 В 13/00, 9/10, 26/10, 1982 г.).

Объектив содержит два линзовых компонента. Первый - отрицательная двояковогнутая линза, второй - положительная двояковыпуклая линза. Объектив имеет средний угол поля зрения и большое фокусное расстояние. Данная схема не может обеспечить высокую степень коррекции аберраций, так как не имеет достаточного количества свободных параметров.

Технической задачей изобретения является увеличение угла поля зрения в объективе с вынесенным входным зрачком при сохранении высокого разрешения и относительного отверстия, а также обеспечение высокой степени коррекции аберраций. Кроме того, технической задачей изобретения является возможность обеспечения равномерности освещенности по полю, т.е. уменьшение виньетирования. Поставленная задача в первом варианте решается тем, что в объективе с вынесенным входным зрачком, содержащем два компонента, первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов; второй - в виде положительной двояковыпуклой линзы, склеенной из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, при этом отношение суммарной толщины по оси положительного мениска, т.е. первого компонента и расстояния до входного зрачка к абсолютным величинам первого и второго радиусов положительного мениска соответственно находится в пределах от 0,80 до 0,78, a фокусное расстояние второго склеенного компонента равно по абсолютной величине фокусному расстоянию отрицательного мениска.

Для увеличения угла поля зрения объектива и уменьшения виньетирования крайних наклонных пучков лучей между толщинами линз и компонентов по оси и их фокусными расстояниями соблюдены следующие соотношения: D2 < 0,9 F2 где D1k - толщина по оси первого компонента; D2 - толщина по оси двояковыпуклой линзы второго компонента; D3 - толщина по оси отрицательного мениска второго компонента; F1k, F2k - фокусные расстояния компонентов; F2 - фокусное расстояние двояковыпуклой линзы второго компонента;
F3 - фокусное расстояние отрицательного мениска второго компонента.

В частном случае первый компонент может быть выполнен склеенным из двух менисков с радиусами одного знака, а также склеенным из двух линз - двояковогнутой и двояковыпуклой.

Получить малогабаритный объектив можно при выполнении следующего условия: длина объектива не должна превышать 3F_об, где F_об - фокусное расстояние объектива.

Для сохранения большого относительного отверстия первый компонент объектива выполнен из оптического сверхтяжелого кронового стекла.

Двояковыпуклая линза второго компонента выполнена из этой же марки стекла, а отрицательный мениск - из тяжелого флинтового стекла. Такой выбор стекол обусловлен тем, чтобы максимально уменьшить углы падения и преломления лучей на поверхностях и избежать появления аберраций высших порядков, так как количество свободных параметров, необходимых для коррекции аберраций в двухкомпонентном объективе, ограничено. Разность показателей преломления пары стекол во втором компоненте составляет не менее 0,05 для длины волны 546,07 нм.

Ход лучей в первом компоненте позволяет выполнить посадочную поверхность линзы конической, что создает удобство при монтаже.

Поставленная задача во втором варианте решается тем, что второй компонент выполнен в виде триплета, склеенного из двояковыпуклой, двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Это дает дополнительную возможность исправить в объективе хроматические аберрации в том случае, когда первый компонент - несклеенный мениск. При этом сохраняется отношение суммарной толщины первого компонента и расстояния до входного зрачка к абсолютным величинам первого и второго радиусов соответственно и находится в пределах от 0,80 до 0,78, а фокусные расстояния линз триплета составляют по абсолютным величинам следующее соотношение 1:0,8:1,5. В частном случае, первый компонент может быть выполнен склеенным из двух менисков с радиусами одного знака или склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. При этом между толщинами линз и компонентов по оси и их фокусными расстояниями соблюдены следующие соотношения:

D2 < 0,9 F2



где D1k - толщина по оси первого компонента;
D2 - толщина первой двояковыпуклой линзы второго компонента;
D3 - толщина двояковогнутой линзы второго компонента;
D4 - толщина второй двояковыпуклой линзы второго компонента;
F1k, F2k - фокусные расстояния компонентов;
F2- фокусное расстояние первой двояковыпуклой линзы второго компонента;
F3- фокусное расстояние двояковогнутой линзы второго компонента;
F4- фокусное расстояние второй двояковыпуклой линзы второго компонента.

Во втором варианте длина объектива не превышает 3F_об, где F_об - фокусное расстояние объектива, который также является малогабаритным. Для получения малых углов падения и преломления на поверхностях первый компонент и двояковыпуклые линзы второго компонента выполнены из одной марки оптического стекла сверхтяжелого крона, а отрицательная двояковогнутая линза второго компонента выполнена из тяжелого флинтового стекла. Разность показателей преломления стекол во втором компоненте составляет не менее 0,05 для длины волны 546,07 нм. Ход лучей позволяет выполнить посадочную поверхность первого компонента конической, причем вершина конуса совпадает с положением входного зрачка.

Поставленная задача в третьем варианте решается тем, что в объективе с вынесенным входным зрачком, содержащем два компонента, первый компонент выполнен в виде положительного мениска, второй - триплет, склеенный из отрицательного мениска, двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, при этом отношение суммарной толщины первого компонента по оси и расстояния до входного зрачка к абсолютным величинам первого и второго радиусов соответственно находится в пределах от 1,05 до 1,10, а фокусные расстояния линз триплета составляют по абсолютным величинам следующее соотношение 1:0,2:0,6. В данном варианте существенно уменьшено виньетирование крайних наклонных пучков лучей и увеличен угол поля зрения в результате того, что между толщинами линз и компонентов по оси и их фокусными расстояниями соблюдены следующие соотношения:
0,2 < D1k/F1k < 0,3
0,9 < (D3+D4)/F(3+4) < 1,2
0,8 < (D4+D5)/F(4+5) < 0,9
0,7 < (D3+D4+D5)/F2k < 0,8,
где D1k - суммарная толщина по оси первого компонента;
D3 - толщина по оси первого отрицательного мениска триплета;
D4 - толщина по оси двояковыпуклой линзы триплета;
D5 - толщина по оси второго отрицательного мениска триплета;
F1k, F2k - фокусные расстояния первого и второго компонентов;
F(3+4) - фокусное расстояние первой и второй линз триплета в склейке;
F(4+5) - фокусное расстояние второй и третьей линз триплета в склейке.

В частном случае первый компонент может быть выполнен в виде положительного мениска, склеенного из двух менисков с радиусами одного знака или склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. В третьем варианте длина объектива не превышает 3F_об, где F_об - фокусное расстояние всего объектива. Для сохранения большого относительного отверстия первый компонент выполнен склеенным из двух марок сверхтяжелого оптического кронового стекла.

Двояковыпуклая линза триплета также выполнена из сверхтяжелого крона, а отрицательные мениски триплета выполнены из тяжелого флинтового стекла. Разность показателей преломления стекол во втором компоненте составляет не менее 0,05 для длины волны 546,07 нм. В данном варианте также ход лучей позволяет выполнить посадочную поверхность первого компонента конической, причем вершина конуса совпадает с положением входного зрачка.

На фиг. 1 дана принципиальная схема объектива по п.1 формулы. На фиг. 2 дана принципиальная схема объектива по п.2 формулы. На фиг. 3 - принципиальная схема объектива по п. 3 формулы. На фиг. 4 - принципиальная схема объектива по п. 8 формулы. На фиг. 5 представлена схема объектива по п.9 формулы. На фиг. 6 представлена схема объектива по п.10 формулы. На фиг. 7 - принципиальная схема объектива по п.15 формулы. На фиг. 8 приведена схема по п. 16 формулы. На фиг. 9 приведена схема по п.17 формулы. На фиг. 10 приведены графики аберраций.

В табл. 1 (см. табл. 1 и 2 в конце описания) приведены конструктивные параметры объектива. В табл. 2 приведены среднеквадратические размеры пятна рассеяния объектива по полю изображения.

Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком на фиг. 1 содержит положительный мениск 1 и положительную склеенную линзу, состоящую из двояковыпуклой линзы 2 и отрицательного мениска 3.

На фиг. 2 представлен объектив, в котором первый компонент - положительный мениск, склеенный из двух менисков 1 и 2 с радиусами одного знака. Второй компонент - положительная склеенная линза, состоящая из двояковыпуклой линзы 3 и отрицательного мениска 4. На фиг. 3 представлен объектив, в котором первый компонент - положительный мениск, склеенный из двояковогнутой линзы 1 и двояковыпуклой линзы 2. Второй компонент - положительная линза, склеенная из двояковыпуклой линзы 3 и отрицательного мениска 4. На фиг. 4 представлен объектив, в котором первый компонент - положительный мениск 1, второй компонент - триплет, склеенный из двояковыпуклой линзы 2, двояковогнутой линзы 3 и двояковыпуклой линзы 4. На фиг. 5 представлен объектив, в котором первый компонент - положительный, склеенный из двух менисков с радиусами одного знака, а второй компонент - склеенный триплет. На фиг. 6 объектив, в котором первый компонент - положительный, склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, а второй компонент - положительный склеенный триплет. На фиг. 7 представлен объектив, в котором первый компонент - положительный мениск, второй компонент-триплет, склеенный из отрицательного мениска, двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска. На фиг. 8 - объектив, в котором первый компонент - положительный мениск, склеенный из двух менисков с радиусами одного знака, второй компонент - триплет, склеенный из двух отрицательных менисков и двояковыпуклой линзы. На фиг. 9 - объектив, в котором первый компонент - положительный мениск, склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, а второй компонент - триплет, склеенный из отрицательного мениска, двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска.

Расчетом достигается незначительное изменение в положении выходного зрачка объектива для всех наклонных пучков, а также практическое постоянство апертуры в наклонных пучках. Вследствие этого достигается и равномерность освещенности по полю изображения. Общая длина объектива с учетом заднего фокального отрезка обеспечивает удобство его установки на камеры различной конструкции.

Пример выполнения объектива с вынесенным входным зрачком приведен в табл. 1.

Рассчитанные характеристики объектива:
Фокусное расстояние, мм - 3,1
Относительное отверстие - 1:2,2
Разрешающая способность, лин/мм
в центре не менее - 125
на краю не менее - 50
Максимальное угловое поле зрения, град - 144
Минимальный задний фокальный отрезок при фокусировке на бесконечность, мм - 3,5
Объектив ахроматизован для диапазона длин волн, мкм - 0,434 - 0,800
Максимальный вынос входного зрачка, мм - 0,5
Созданный по данной схеме объектив может быть установлен на камеры, работающие с ПЗС-матрицами 1/3'' и 1/4''.

Далее, в табл. 2 представлены результаты коррекции аберраций объектива в меридиональном и сагиттальном сечениях по критерию пятна рассеяния.

Проведенный анализ структуры оптического изображения показал, что полученные величины могут быть сравнимы, а на некоторых углах наклона существенно меньше размеров пикселей ПЗС-матриц, с которыми может работать объектив. Это значит, что данный объектив имеет высокое разрешение в широком диапазоне пространственных частот, которое позволяет ему работать с различными ПЗС-матрицами.

Формула изобретения

1. Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком, состоящий из двух компонентов, второй из которых - положительная двояковыпуклая линза, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, второй - в виде линзы, склеенной из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, при этом отношение суммы толщины первого компонента и расстояния до входного зрачка к абсолютным величинам первого и второго радиусов первого компонента соответственно находится в пределах от 0,80 до 0,78, а фокусное расстояние второго склеенного компонента равно по абсолютной величине фокусному расстоянию отрицательного мениска.

2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из двух менисков с радиусами одного знака.

3. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз.

4. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что между толщинами его линз и компонентов по оси и их фокусными расстояниями соблюдены следующие соотношения

D2 < 0,9 F2


где D1к - толщина по оси первого компонента;
D2 - толщина по оси двояковыпуклой линзы второго компонента;
D3 - толщина по оси отрицательного мениска второго компонента;
F1к, F2к - фокусные расстояния компонентов;
F2 - фокусное расстояние двояковыпуклой линзы второго компонента;
F3 - фокусное расстояние отрицательного мениска второго компонента.

5. Объектив по п.1, отличающийся тем, что длина объектива не превышает 3F_об, где F_об - фокусное расстояние объектива.

6. Объектив по п.1, отличающийся тем, что первый компонент и двояковыпуклая линза второго компонента выполнены из одной марки оптического стекла - сверхтяжелого крона, а отрицательный мениск второго компонента выполнен из тяжелого флинтового стекла.

7. Объектив по п.1, отличающийся тем, что посадочная поверхность первого компонента выполнена конической, причем вершина конуса совпадает с положением входного зрачка.

8. Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком, состоящий из двух компонентов, второй из которых - положительная двояковыпуклая линза, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, второй - в виде триплета, склеенного из первой двояковыпуклой, двояковогнутой и второй двояковыпуклой линз, при этом отношение суммы толщины первого компонента и расстояния до входного зрачка к абсолютным величинам первого и второго радиусов первого компонента соответственно находится в пределах от 0,80 до 0,78, а фокусные расстояния линз триплета по абсолютным величинам составляют соотношение 1 : 0,8 : 1,5.

9. Объектив по п. 8, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из двух менисков с радиусами одного знака.

10. Объектив по п. 8, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз.

11. Объектив по п.8, отличающийся тем, что между толщинами его линз и компонентов по оси и их фокусными расстояниями соблюдены следующие соотношения

D2 < 0,9 F2



где D1к - толщина по оси первого компонента;
D2 - толщина по оси двояковыпуклой линзы второго компонента;
D3 - толщина по оси двояковогнутой линзы второго компонента;
D4 - толщина по оси второй двояковыпуклой линзы второго компонента;
F1к, F2к - фокусные расстояния компонентов;
F2 - фокусное расстояние первой двояковыпуклой линзы второго компонента;
F3 - фокусное расстояние двояковогнутой линзы второго компонента;
F4 - фокусное расстояние второй двояковыпуклой линзы второго компонента.

12. Объектив по п.8, отличающийся тем, что длина объектива не превышает 3F_об, где F_об - фокусное расстояние объектива.

13. Объектив по п.8, отличающийся тем, что первый компонент и двояковыпуклые линзы второго компонента выполнены из одной марки оптического стекла - сверхтяжелого крона, а отрицательная двояковогнутая линза второго компонента выполнена из тяжелого флинтового стекла.

14. Объектив по п.8, отличающийся тем, что посадочная поверхность первого компонента выполнена конической, причем вершина конуса совпадает с положением входного зрачка.

15. Широкоугольный объектив с вынесенным входным зрачком, состоящий из двух компонентов, второй из которых - положительная двояковыпуклая линза, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, второй - в виде триплета, склеенного из первого отрицательного мениска двояковыпуклой линзы и второго отрицательного мениска, при этом отношение суммы толщины по оси первого компонента и расстояния до входного зрачка к абсолютным величинам первого и второго радиусов первого компонента соответственно находится в пределах от 1,05 до 1,15, а фокусные расстояния линз триплета составляют по абсолютным величинам следующее отношение 1 : 0,2 : 0,6.

16. Объектив по п.15, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из двух менисков с радиусами одного знака.

17. Объектив по п.15, отличающийся тем, что первый компонент выполнен склеенным из двояковогнутой и двояковыпуклой линз.

18. Объектив по п.15, отличающийся тем, что между толщинами по оси его линз и компонентов и их фокусными расстояниями соблюдены следующие соотношения
0,2 < D1к/F1к < 0,3
0,9 < (D3 + D4)/F(3 + 4) < 1,2
0,8 < (D4 + D5)/F(4 + 5) < 0,9
0,7 < (D3 + D4 + D5)/F2к < 0,8,
где D1к - толщина по оси первого компонента;
D3 - толщина по оси первого отрицательного мениска триплета;
D4 - толщина по оси двояковыпуклой линзы триплета;
D5 - толщина по оси второго отрицательного мениска триплета;
F1к, F2к - фокусные расстояния первого и второго компонентов;
F(3 + 4) - фокусное расстояние первой и второй линз триплета в склейке;
F(4 + 5) - фокусное расстояние второй и третьей линз триплета в склейке.

19. Объектив по п.15, отличающийся тем, что длина объектива не превышает 3F_об, где F_об - фокусное расстояние всего объектива.

20. Объектив по п.16, отличающийся тем, что обе линзы первого компонента выполнены из разных марок сверхтяжелого оптического кронового стекла, двояковыпуклая линза второго компонента выполнена из сверхтяжелого оптического кронового стекла, а отрицательные мениски второго компонента выполнены из тяжелого флинтового стекла.

21. Объектив по п.15, отличающийся тем, что посадочная поверхность первого компонента выполнена конической, причем вершина конуса совпадает с положением входного зрачка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 15-2004

Извещение опубликовано: 27.05.2004