Особоширокоугольный объектив
Владельцы патента RU 2767011:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» (RU)
Изобретение может быть использовано в качестве фотографического объектива. Особоширокоугольный объектив содержит два компонента, между которыми установлена апертурная диафрагма. Первый компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, вторая поверхность которого выполнена асферической, плоско-вогнутой линзы, вогнуто-плоской линзы, двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, второй компонент состоит из двух склеенных линз, при этом первая из них склеена из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, вторая – из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, и положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов. Выполняются следующие соотношения:
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в качестве фотографического объектива.
Известен широкоугольный объектив RU 2676554. Широкоугольный объектив состоит из двух оптических компонентов, разделенных воздушным промежутком, в котором установлена апертурная диафрагма, причем первый оптический компонент выполнен из последовательно расположенных по ходу лучей отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, двояковыпуклой линзы, отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, положительного мениска второй оптический компонент выполнен по ходу лучей из мениска, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений, и положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений и отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений. Недостатком широкоугольного объектива является малое поле зрения в пространстве предметов, а так же низкое качество изображения как по оси, так и по полю, не позволяющее в полной мере реализовать возможности современных матричных приемников.
Известен сверхширокоугольный объектив US 2010/0060992 A1. Сверхширокоугольный объектив состоит из расположенных по ходу луча отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, отрицательной линзы с двумя асферическими поверхностями высших порядков, двояковыпуклой линзы и положительную линзу с двумя асферическими поверхностями высших порядков, причем в объективе предусмотрено наличие светофильтра. Недостатком сверхширокоугольного объектива является малое поле зрения в пространстве предметов, низкое качество по полю зрения, а так же наличие двух линз с двусторонними асферическими поверхностями высших порядков.
В качестве прототипа выбран сверхширокоугольный объектив по патенту US 005477389 A, опубликованный 19.12.1995 МПК G02B 13/04. Сверхширокоугольный объектив состоит из двух оптических компонентов, разделенных воздушным промежутком, в котором установлена апертурная диафрагма, причем первый компонент состоит из расположенных по ходу луча двух отрицательных менисков, обращенных выпуклостью к плоскости предметов и склеенной линзы, второй компонент состоит из положительной линзы, выполненной двояковыпуклой, склеенной линзы и положительной линзы, выполненной двояковыпуклой, так же в сверхширокоугольном объективе предусмотрен светофильтр. Недостатком объектива является малое поле зрения и низкое качество изображения по полю, которое согласно существующим критериям оценки фотографических объективов, является недостаточным.
Для удобства сравнения информация о примерах конкретного исполнения объективов, приведенных в аналогах, а так же о заявляемом устройстве сведена в таблицу 1. В качестве длины по оси в последнем столбце приведены расстояния от первой поверхности объектива до плоскости изображений. Значения коэффициентов передачи контраста на оси и по полю указаны по результатам выполненных проверочных расчетов в соответствии с конструктивными параметрами объективов, приведенных в указанных патентах, и являются оценочными.
Таблица 1
| Аналог | Количество компонентов/ линз | Наличие асферических поверхностей | Угловое поле зрения, 2ω, градус | Относительное отверстие | Коэффициент передачи контраста на частоте 40 лин/мм | Длина по оси, мм | |
| на оси | по полю, max | ||||||
| Патент RU № 2676554 С1 2017 г. | 7/8 | - | 75 | 1:2,8 | 0,31 | 0,05 | 96,44 |
| Патент US № 0060992 А1 2010 г. |
4/4 | + | 150 | 1:2.8 | 0,82 | 0,61 | 15,39 |
| Патент US № 5477389 А1 1995 г. |
6/8 | + | 120 | 1:0,8 | 0,4 | 0,1 | 66,32 |
| Заявляемое устройство | 8/10 | + | 190 | 1:2 | 0,87 | 0,78 | 58,59 |
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание особоширокоугольного объектива с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, высоким качеством изображения, с расширенным полем зрения в пространстве предметов до 190° при использовании стекол отечественного производителя.
Технический результат - расширение поля зрения в пространстве предметов до 190°, повышение качества изображения.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в особоширокоугольном объективе, состоящем из двух оптически связанных компонентов (групп линз), разделенных воздушным промежутком, в котором установлена апертурная диафрагма, при этом первый компонент состоит из расположенных по ходу луча отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, причем вторая его поверхность выполнена асферической, плоско-вогнутой линзы, обращенной выпуклой стороной к плоскости предметов, вогнуто-плоской линзы, обращенной выпуклой стороной к плоскости изображений, двояковыпуклой линзы и положительного мениска, второй компонент состоит из двух склеенных линз и положительного мениска, причем имеют место соотношения:
где f' - фокусное расстояние объектива;
f1' - фокусное расстояние первой группы линз;
L - длина оптической системы от первой до последней поверхности объектива;
L2 - длина от первой до последней поверхности второй группы линз.
Так же в особоширокоугольном объективе имеют место следующие соотношения:
где 
Изобретение поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 изображена оптическая схема особоширокоугольного объектива.
На фиг. 2 представлены сечения частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) особоширокоугольного объектива для пространственных частот 10, 20, 30 и 40 лин/мм.
Особоширокоугольный объектив (фиг. 1) состоит по ходу лучей из двух оптических компонентов I и II, первый из которых (компонент I) по ходу лучей состоит из отрицательного мениска 1, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов, плоско-вогнутой линзы 2, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вогнуто-плоской линзы, 3 обращенной выпуклой стороной к плоскости изображений, двояковыпуклой линзы 4 и положительного мениска 5, второй компонент II состоит из двух склеенных линз 6 и 7 соответственно и положительного мениска 8. Апертурная диафрагма расположена между положительным мениском 5 и склеенной линзы 6.
Особоширокоугольный объектив работает следующим образом.
Излучение от объектов, расположенных в пространстве предметов в пределах более полусферы (угловое поле объектива в пространстве предметов 190°) на значительном расстоянии от объектива (в оптическом смысле «в бесконечности»), попадает в особоширокоугольный объектив и проходит последовательно его компоненты и линзы: отрицательный мениск 1, плоско-вогнутую линзу 2, вогнуто-плоскую линзу 3, двояковыпуклую линзу 4, положительный мениск 5, через склеенные линзы 6 и 7, положительный мениск 8. Оптическое действие описанных компонентов и линз заключается в том, что они формируют в плоскости изображений объектива изображения всех объектов, расположенных в пространстве предметов в пределах полусферы. С плоскостью изображений совмещается поверхность чувствительной площадки фотоприемного устройства (на фиг. не указано).
Разработанный особоширокоугольный объектив имеет следующие характеристики:
- фокусное расстояние объектива f' 3,51 мм;
- фокусное расстояние первой группы линз f'1 9,32 мм;
- относительное отверстие 1:2;
- угловое поле в пространстве предметов 190°;
- линейное поле в пространстве изображений 2Y'=7,89 мм;
- задний фокальный отрезок 9,42 мм.
В конкретном примере использованы следующие марки стекол: К8, ТФ4, ТФ8, СТК3.
Согласно существующим критериям качества фотографических объективов, качество объектива оценивается как высокое, при соблюдении следующих условий: значения ЧКХ для пространственных частот 20-40 лин/мм на оси более 0,8, а изменение значения ЧКХ по полю незначительно. В рассчитанном особоширокоугольном объективе осевая ЧКХ принимает значение 0,87 в диапазоне частот 20-40 лин/мм. Сечения ЧКХ, представленные на фиг. 2, показывают, что качество изображения к краям поля зрения снижается не более, чем на 10- 15 %, что можно признать незначительным снижением, и соответственно свидетельством высокого качества изображения в заявляемом объективе.
Поскольку в прототипе отсутствует информация о ЧКХ объектива, то был проведен проверочный расчет по конструктивным параметрам примера конкретного исполнения [Table 2, US 5477389]. Результаты проверочного расчета показали, что для пространственных частот 10-40 лин/мм, значения ЧКХ для точки на оси могут находиться в диапазоне от 0,9 до 0,4, а значения по полю снижаются до 0,1, что свидетельствует о значительном падении качества изображения на краю поля. Несмотря на то, что на результаты проверочного расчета могут оказывать влияние округления в геометрических размерах, представление стекол в виде моделей, отличия в значениях спектральной эффективности длин волн, в целом наблюдается значительное снижение качества изображения от центра к раю поля зрения.
Предлагаемый особоширокоугольный объектив имеет поле зрения 190°, при его создании удалось достичь высокого качества изображения при использовании одной асферической поверхности, а так же с использованием стекол отечественного производителя.
Авторам неизвестны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели - создание особоширокоугольного объектива с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, высоким качеством изображения, с расширенным полем зрения в пространстве предметов до 190° при использовании стекол отечественного производителя.
Особоширокоугольный объектив, содержащий два оптически связанных компонента, разделенных воздушным промежутком, в котором установлена апертурная диафрагма, причем первый компонент содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости предметов, отличающийся тем, что первый компонент состоит из пяти линз, причем состоит из расположенных по ходу луча указанного отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, вторая поверхность которого выполнена асферической, плоско-вогнутой линзы, вогнуто-плоской линзы, двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, второй компонент состоит из двух склеенных линз, при этом первая из них склеена из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, вторая – из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, и положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости предметов, причем в объективе выполняются следующие соотношения:
где f ', f '1 – фокусное расстояние соответственно объектива и его первого компонента; L – длина вдоль оптической оси между первой и последней преломляющими поверхностями объектива; L2 – длина вдоль оптической оси между первой и последней преломляющими поверхностями второго компонента объектива.
