Светосильный объектив
Владельцы патента RU 2351967:
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 - положительный и состоящий из одиночных двояковыпуклой и вогнутоплоской линз. Второй - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к изображению. Третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой и вогнутоплоской линз. Четвертый - обращенный вогнутостью к изображению положительный мениск. В первом компоненте радиус кривизны второй поверхности двояковыпуклой линзы по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности отрицательной линзы, а радиус кривизны выпуклой поверхности мениска второго компонента равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента. Двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной и из одного материала. Технический результат - повышение относительного отверстия при высоком качестве изображения и повышение технологичности изготовления объектива за счет равенства кривизны части оптических поверхностей и замены сферических поверхностей плоскими. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
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 фотографический объектив (SU 1691806; G02B 9/36, 11/20; публ. 1991 г.), содержащий четыре компонента. Первый компонент по ходу лучей - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и состоящий из склеенных положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к изображению. Третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету. Четвертый компонент - положительный, состоящий из склеенных отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению и двояковыпуклой линзы. Апертурная диафрагма расположена между вторым и третьим компонентами.
Характеристики объектива:
| фокусное расстояние | 52 мм |
| относительное отверстие | 1:1,9 |
| угол поля зрения | 45° |
Этот объектив имеет малое относительное отверстие.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является 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 линзы, второй - двояковыпуклая линза, третий - положительный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению.
Расстояние d2 между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:
0,5 f'<d2<f',
где f' - фокусное расстояние объектива.
Радиусы 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.
Характеристики объектива:
| фокусное расстояние | 250 мм |
| относительное отверстие | 1:1,25 |
| угол поля зрения | 5° |
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет малое относительное отверстие.
Технический результат заявляемого изобретения - повышение относительного отверстия при высоком качестве изображения и повышение технологичности изготовления объектива за счет равенства кривизны части оптических поверхностей и замены сферических поверхностей плоскими.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех компонентов, первого компонента по ходу лучей - положительного и состоящего из одиночных двояковыпуклой и отрицательной линзы, второго компонента - одиночной положительной линзы, третьего компонента - положительного, склеенного из двояковыпуклой и отрицательной линз и четвертого компонента - обращенного вогнутостью к изображению мениска, 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, в отличие от известного, отрицательные линзы первого и третьего компонентов по ходу лучей - вогнутоплоские, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента, двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной и из одного материала, а четвертый компонент - мениск - выполнен положительным.
В объективе расстояние d4 между первым и вторым компонентами может удовлетворять условию:
F'<d4<1,5f',
где f' - фокусное расстояние объектива.
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 1 и вогнутоплоской линзы 2; в нем радиус кривизны второй поверхности R2 двояковыпуклой линзы 1 по модулю больше радиуса кривизны первой поверхности R3 вогнутоплоской линзы 2. Второй компонент - одиночный положительный мениск 3, обращенный выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны R6 равен радиусу кривизны первой поверхности R3 вогнутоплоской линзы 2 первого компонента. Третий компонент - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы 4 и вогнутоплоской линзы 5. Двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов 1 и 4 выполнены каждая - симметричной, т.е. R1=R2 и R7=R8, и из одного материала, в частности из лантанового стекла. Показатель преломления двояковыпуклых линз первого и третьего компонентов более 1,63 и менее 1,71 для линии е. Коэффициент дисперсии стекла для линии е более 56,7 и менее 71. 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.
Здесь для мениска 6 применена известная формула линзы конечной толщины («Справочник конструктора оптико-механических приборов» под ред. Кругера М.Я. и Панова В.А., Л., изд-во «Машиностроение», 1968 г, с.111), связывающая фокусное расстояние линзы f'4, ее показатель преломления n, радиусы кривизны R10 и второй R11 оптических поверхностей и ее толщины d10:
1/f'4=(n-1)·(1/R10-1/R11)+(n-1)2 ·d10/(n·R10·R11).
Из этой формулы следует, что при увеличении толщины d10 отрицательного мениска с выпуклым радиусом первой оптической поверхности R10 и вогнутым R11 второй оптической поверхности с некоторой величины толщины d10, фокусное расстояние мениска становится положительным. При этом уменьшаются значения аберраций всего объектива, включающего такой положительный мениск, в частности четвертой суммы Зейделя, что позволяет повысить относительное отверстие объектива. Повышению относительного отверстия объектива способствует также то, что мениск 6 теперь является дополнительным положительным компонентом. За мениском 6 может быть расположен светофильтр и одна или несколько плоскопараллельных пластин. Расстояние d4 между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию:
f'<d4<1,5f'.
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 ve | Световой диаметр, мм |
| R1=165,96 | 60 | ||||
| d1=8,5 | СТК3 | 1,662237 | 57,09 | ||
| R2=-165,96 | 59,6 | ||||
| d2=14,4 | 1 | ||||
| R3=-83,37 | 53,2 | ||||
| d3=4,5 | ТФ5 | 1,761712 | 27,32 | ||
| R4=∞ | 53,4 | ||||
| d4=74,5 | 1 | ||||
| R5=-1000 | 57,8 | ||||
| d5=8 | ЛК3 | 1,489118 | 69,87 | ||
| R6=-83,37 | 58 | ||||
| d6=14,7 | 1 | ||||
| R7=69.5 | 52,7 | ||||
| d7=14,1 | СТК3 | 1,662237 | 57,09 | ||
| R8=-69,5 | 50,9 | ||||
| d8=4,3 | ТФ5 | 1,761712 | 27,32 | ||
| R9=∞ | 47,4 | ||||
| d9=1,5 | 1 | ||||
| R10=31,99 | 41,3 | ||||
| d10=21,2 | К8 | 1,518294 | 63,83 | ||
| R11=25,82 | 24,8 | ||||
| d11=6 | 1 | ||||
| Rl2=∞ | 22 | ||||
| d12=1.2 | КС13 | 1,525 | 63,83 | ||
| R13=∞ | 22 | ||||
| d13=12,26 | 1 | ||||
| R14=∞ | 10 | ||||
| d14=1 | К8 | 1,518294 | 63,83 | ||
| R15=∞ | 10 |
Характеристики рассчитанного объектива:
| фокусное расстояние | 67,65 мм |
| относительное отверстие | 1:1,1 |
| угол поля зрения | 5°11' |
| задний фокальный отрезок | 3,5 мм |
| апертурная диафрагма расположена | |
| за линзой 2 на расстоянии | 62,8 мм. |
В рассчитанном объективе выполнено условие d4=1,101 f', где f' - фокусное расстояние всего объектива для длины волны 766,49 нм. А фокусное расстояние четвертого компонента - мениска 6 для длины волны 766,49 нм f'4=1616,4 мм, т.е. мениск 6 выполнен положительным. Двояковыпуклая линза третьего компонента выполнена из лантанового стекла СТКЗ группы сверхтяжелых кронов.
В табл.2 приведены аберрации для длины волны 766,49 нм рассчитанного объектива.
| Таблица 2 | |
| Вид аберрации | Значение аберрации рассчитанного объектива, не более |
| Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:1,1 | 0,008 мм |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=5°11'. | 0,013 мм |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=5°11' | 0,014 мм |
| Меридиональный астигматический отрезок Х'м для поля зрения 2W=5°11' | - 0,025 мм |
| Сагиттальный астигматический отрезок X's для поля зрения 2W=5°11' | - 0,0264 мм |
| Дисторсия для поля зрения 2W=5°11' | - 0,25% |
Замена сферических оптических поверхностей плоскими позволяет обрабатывать их с помощью имеющегося в наличии в оптическом производстве инструмента и контролировать на интерферометре, не используя пробных стекол. Введение в объектив оптических поверхностей с равными радиусами кривизны обеспечивает большую унификацию пробных стекол и обрабатывающего инструмента. Все это обеспечивает достижение технического результата - повышение технологичности изготовления (в объективе имеются две плоские оптические поверхности и равенство по модулю попарно радиусов шести сферических поверхностей). Кроме того, предложенный светосильный объектив для спектрального диапазона от 650 до 900 нм имеет высокое относительное отверстие 1:1,1 при высоком качестве изображения, что следует из табл.2.
1. Светосильный объектив, состоящий из четырех компонентов, первого компонента по ходу лучей - положительного и состоящего из одиночных двояковыпуклой и отрицательной линз, второго компонента - одиночной положительной линзы, третьего компонента - положительного, склеенного из двояковыпуклой и отрицательной линз, четвертого компонента - обращенного вогнутостью к изображению мениска, 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, отличающийся тем, что отрицательные линзы первого и третьего компонентов по ходу лучей - вогнутоплоские, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к изображению, и ее радиус кривизны равен радиусу кривизны первой поверхности отрицательной линзы первого компонента, двояковыпуклые линзы первого и третьего компонентов выполнены каждая симметричной и из одного материала, а четвертый компонент - мениск - выполнен положительным.
2. Светосильный объектив по п.1, отличающийся тем, что расстояние d4 между первым и вторым компонентами удовлетворяет условию
f'<d4<1,5f',
где f' - фокусное расстояние объектива.
