Патент на изобретение №2172970

(54) ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМ ВХОДНЫМ ЗРАЧКОМ

(57) Реферат:

Объектив включает первый компонент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины, являющейся афокальным коррекционным элементом, второй и третий – в виде плосковыпуклых линз, повернутых плоской стороной к входному зрачку, четвертый – в виде отрицательного мениска, и пятый компонент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины, являющейся полевым коррекционным элементом. Оба коррекционных элемента выполнены из двух стекол с разными показателями преломления и с асферической границей их соединения. Обеспечивается увеличение углового поля зрения объектива при высоком относительном отверстии, а также уменьшение толщины объектива по оси и улучшение коррекции сферической, хроматической и полевых аберраций. 3 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности, к области проектирования оптических систем и может быть использовано в оптико-механической промышленности для изготовления объективов для телевизионных камер черно-белого и цветного изображения.

В фото- и телеобъективах качество изображения определяется уровнем аберрационной коррекции. В подавляющем большинстве конструкций оптических систем для коррекции различных видов аберраций применяются композиции элементов со сферическими поверхностями. Однако применение несферических (асферических) поверхностей значительно упрощает конструкции систем, с одной стороны, и позволяет провести коррекцию аберрацией на более высоком уровне, с другой стороны. Кроме того, при проектировании оптических систем возникают дополнительные специальные требования, например, к толщине оптической системы по оси, выносу зрачка и т.п., которые также эффективно решаются с помощью асферических поверхностей оптических элементов.

В настоящее время широко ведутся поиски новых путей решения построения безаберрационных оптических систем на основе асферических элементов или элементов их заменяющих. К последним относятся способы создания оптических систем при использовании элементов дифракционной оптики, выполняющих роль корректоров аберраций оптических систем (см., например, патент США N 4770506 МПК G 02 B 3/14, G 02 B 15/00 публикации 1988 г.), а также элементов с распределенным коэффициентом преломления (см. патент Японии N 4-263211, МПК G 02 B 9/00, G 02 B 9/16, публикация 1992 года).

Применение асферических поверхностей в оптике позволяет существенно повышать важные параметры оптических и лазерных приборов – их поле зрения, светопропускание, снижать их массу, габариты и т.д. Лазерные видеопроигрыватели, современная фотоаппаратура без применения асферической оптики не могут существовать (см., например, ЕПВ (EP) заявка N 0252614, МКИ G 02 B 3/04, публикация 1988 г.).

Известно устройство однокомпонентного объектива – линзы с двумя асферическими поверхностями (см. патент США 731451 публ. 1992 г., МКИ G 02 B 13/18) “Линза для проигрывания оптических дисков”, обеспечивающая достижение относительного отверстия 1:0,6 при пониженных значениях сферической аберрации и комы. Такой конструкции присущи недостатки однокомпонентных систем, включающие невозможность получения хорошей коррекции хроматических аберраций и получение широкого поля зрения.

Известно устройство компактного широкоугольного объектива малой длины (см. патент США N 4033063 МКИ G 02 B 3/04 публикация 1977 года). “Компактный широкоугольный объектив малой длины”, содержащего три линзовых компонента и коррекционную пластину, имеющую, по крайней мере, одну асферическую поверхность. Такое устройство не позволяет получать большое относительное отверстие при широком поле зрения, а также не позволяет осуществить вынос входного зрачка.

Таким образом, в настоящее время существует множество конструкций, использующих элементы с асферическими поверхностями, существенно улучшающие характеристики оптических систем. Однако среди них нет конструкций объективов с вынесенным зрачком и повышенными требованиями к оптическим характеристикам: большому полю зрения при большой светосиле и малых хроматических аберрациях, а также малой относительной длине по оси.

Поэтому для оптики актуальным является создание новых конструкций объективов с вынесенным зрачком, включающих использование асферических поверхностей для коррекции осевых и полевых аберраций.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству объектива является конструкция объектива с вынесенным входным зрачком (см. БИ N 6, 1995 г., стр. 59, “Объектив с вынесенным входным зрачком”, Габуркин В. В. , Федорова И. Г. , Осипова Л.П.), который состоит из пяти компонентов: первый – положительная двухсклеенная линза, второй – двояковогнутая линза, третий – одиночная положительная линза, четвертый – толстая двояковыпуклая линза, а пятый компонент склеен из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Такое расположение элементов увеличивает относительное отверстие и поле зрения.

Это устройство не позволяет получать угловые поля зрения больше 45 – 50^o. Кроме того, объектив имеет большую толщину по оси.

Расчетные исследования показали, что ни одно устройство объективов с вынесенным зрачком, основанное на использовании оптических элементов только со сферическими поверхностями, не позволяет получать компактные светосильные объективы с большими полями зрения при малой толщине по оси. Применение корректора с внешней асферической поверхностью также не позволяет получить хорошую коррекцию хроматических аберраций для полевых углов, превышающих 40^o, в то время, как использование коррекционных элементов с внутренними асферическими поверхностями расширяет поле зрения объектива до 60-70^o, при этом достигается хорошая коррекция хроматических аберраций, позволяющая получать высокие частотно-контрастные характеристики.

Технический результат изобретения – увеличение углового поля зрения объектива с вынесенным входным зрачком при высоком относительном отверстии, уменьшение толщины объектива по оси и улучшение коррекции сферической, хроматической и полевых аберраций.

Этот результат достигается тем, что в объективе с вынесенным входным зрачком, включающем пять компонентов, первый компонент выполнен в виде плоскопараллельной пластины, являющейся афокальным коррекционным элементом, второй и третий – в виде плосковыпуклых линз, повернутых плоской стороной к входному зрачку, четвертый – отрицательного мениска, пятый компонент выполнен в виде плоскопараллельной пластины, являющейся полевым коррекционным элементом, при этом оба коррекционных элемента выполнены из двух стекол с разными показателями преломления и с асферической границей их соединения.

На фиг. 1 представлена оптическая схема объектива, где 1 – фронтальный коррекционный элемент, 2,3 – положительные линзы, 4 – отрицательный мениск, 5 – полевой коррекционный элемент.

На фиг. 2 представлены графики сферической аберрации объектива для трех длин волн: 0 – 700 нм, 1 – 500 нм, 2 – 800 нм для относительного отверстия D/F’=1/3,5 (a) и 1/1,8 (б).

На фиг. 3 приведены расчетные графики геометрической частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) для D/F’ = 1/3,5 (0, 1, 1′) и D/F’ = 1/1,8 (0′, 2, 2′): 0, 0′ – для осевого пучка, 1, 1′, 2, 2′ – для угла поля зрения 2 = 44^o (пунктиром указано меридиональное направление штрихов миры, сплошной – сагиттальное).

Оптическая схема объектива приведена на фиг. 1. Основную роль по коррекции сферической аберрации выполняет фронтальный коррекционный элемент 1. Плосковыпуклые линзы 2, 3 обеспечивают высокое относительное отверстие до 1: 1,8, а расположение их плоской стороной к входному зрачку обеспечивает вынос зрачка. (Качество коррекции осевых аберраций демонстрируют приведенные на фиг. 2 аберрационные характеристики объектива – геометрические аберрации для осевого пучка для трех длин волн для двух относительных отверстий 1:3,5 и 1: 1,8). Отрицательный мениск 4 осуществляет коррекцию полевых аберраций, а полевой коррекционный элемент 5 обеспечивает тонкую коррекцию хроматических и полевых аберраций для широкого спектрального диапазона, в частности, позволяет повысить частотно-контрастную характеристику (Для примера на фиг. 3 приведены графики частотно-контрастных характеристик объектива для двух относительных отверстий: 1: 3,5 и 1:1,8 для полевого угла 44^o в спектральном диапазоне 0,450…0,900 мкм).

Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь такого результата. К тому же авторами вообще не обнаружено применение коррекционных элементов с внутренними асферическими поверхностями для коррекции хроматических и полевых аберраций ни в нашей стране, ни за рубежом.

Предложенное устройство объектива (см. фиг. 1) было реализовано при создании миниобъектива для телевизионных камер скрытого наблюдения. Объектив предназначался для проецирования изображения на ПЗС матрицу с размерами приемной площадки 3,6х4,8 мм, относительное отверстие объектива 1:1,8, угловое поле зрения 66^o. Толщина по оси 6,18 мм, рабочий спектральный диапазон 450 – 900 нм.

Линзы и мениск изготавливались по традиционной технологии. Коррекционные элементы изготавливались методом спекания и горячего формообразования, разработанного на предприятии НИИКИ ОЭП.

Результаты проведенных исследований изготовленных объективов показали хорошее оптическое качество объектива. Он имел разрешающую способность в центре 125 штр. /мм и на краю 80-90 штр./мм, что соответствует 500 и 350 телевизионным линиям. Объектив имел малую дисторсию, что является важным для телеобъективов. При этом толщина по оси была 6,18 мм, а вынос входного зрачка 0,5 мм, причем объектив работал с виньетированием и при выносе входного зрачка до 2 мм. Расстояние от выходной поверхности полевого коррекционного элемента до плоскости приемной площадки ПЗС-матрицы составляло 3,28 мм, что позволяло использовать стандартную ПЗС-матрицу с защитным стеклом, имеющим толщину 2 мм.

Прототип не позволяет достичь такого результата.

Из вышесказанного следует, что изобретение имеет преимущества перед прототипом. Предложенное устройство, в отличие от прототипа, позволяет получать угловые поля зрения без виньетирования до 66^o при относительном отверстии 1: 1,8 и вынесенном входном зрачке, при хорошей компенсации сферической, хроматической и полевых аберраций и малой дисторсии, а также имеет малую толщину по оси.

Заявляемое устройство имеет широкие возможности для организации серийного производства, не требует особых материалов, особого оборудования, легко позволяет перейти на автоматизированные линии изготовления.

Кроме того, по сравнению с известными конструкциями оптических систем с малыми остаточными аберрациями предлагаемая конструкция гораздо дешевле, технологичнее, позволяет создавать компактные оптические системы с малым числом компонентов, не требует сложных устройств контроля асферических поверхностей в процессе изготовления.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что применение такого устройства в народном хозяйстве перспективно в экономическом и научном планах.

Формула изобретения

Объектив с вынесенным входным зрачком, включающий пять компонентов, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде плоскопараллельной пластины, являющейся афокальным коррекционным элементом, второй и третий – в виде плосковыпуклых линз, повернутых плоской стороной к входному зрачку, четвертый – отрицательного мениска, пятый компонент выполнен в виде плоскопараллельной пластины, являющейся полевым коррекционным элементом, при этом оба коррекционных элемента выполнены из двух стекол с разными показателями преломления и с асферической границей их соединения.

РИСУНКИ