RU2213988C2 - Lens with taken-out entrance pupil - Google Patents

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: lens includes four components. First component is negative meniscus facing object space with concavity, second component is positive meniscus facing object space with concavity, third component is positive component of positive lens and negative meniscus facing object space with concavity bonded together, fourth component is positive meniscus facing image space with concavity and glued together from positive and negative lenses. Thickness of first component is equal to 0.4 focal distance of lens or more and ratio of focal powers of first and third components in absolute value does not exceed 1.03 and amounts to 0.2 optical power of entire lens. Optical power of fourth component amounts to 0.14 optical power of entire lens. Entrance pupil is removed from first surface of first component of lens to distance not less than 1.3 focal distance of lens. EFFECT: increased aperture ratio of lens, increased removal of entrance pupil, improved quality of image thanks to raised gain factor of modulation over entire vision field. 6 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице. The invention relates to optical instrumentation, namely to lenses, and can be used as a camera lens with image formation on a CCD matrix.

Известен объектив с вынесенным входным зрачком [1], содержащий четыре компонента, из которых первый компонент представляет собой одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент выполнен из одиночной положительной линзы, третий компонент состоит из двусклеенного отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и четвертый компонент выполнен из одиночной положительной линзы. A known lens with a remote entrance pupil [1] containing four components, of which the first component is a single negative meniscus facing a concave surface to the image space, the second component is made of a single positive lens, the third component consists of a double-glued negative meniscus facing a concave surface to the image space, and the fourth component is made of a single positive lens.

Недостатком объектива является невысокое относительное отверстие объектива (не более 1: 2,5) и удаление входного зрачка не более 1,2 фокусного расстояния объектива. The disadvantage of the lens is the low relative aperture of the lens (not more than 1: 2.5) and the removal of the entrance pupil of not more than 1.2 of the focal length of the lens.

Наиболее близким к предлагаемому объективу является четырехлинзовый апохроматический объектив [2], содержащий отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, одиночную положительную линзу, отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, и положительную линзу, причем положительные линзы выполнены из флюорита. Данная конструкция объектива обеспечивает исправление вторичного спектра и сферохроматических аберраций. Однако недостатком прототипа является недостаточное удаление входного зрачка менее фокусного расстояния объектива, небольшое относительное отверстие (1:2,5), а также невысокое значение коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения, что не позволяет получить на ПЗС-матрице изображение объектов малого контраста. Использование флюорита с большим коэффициентом линейного расширения приводит к терморасстраиваемости объектива. Closest to the proposed lens is a four-lens apochromatic lens [2] containing a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, a single positive lens, a negative meniscus facing a concave surface to the space of images, and a positive lens, the positive lenses being made of fluorite. This lens design provides correction of the secondary spectrum and spherochromatic aberrations. However, the disadvantage of the prototype is the insufficient removal of the entrance pupil less than the focal length of the lens, a small relative aperture (1: 2.5), as well as a low value of modulation transmission coefficients (T) for the entire field of view, which does not allow to obtain an image of small objects on the CCD contrast. The use of fluorite with a large coefficient of linear expansion leads to thermal disintegration of the lens.

Задачей изобретения является увеличение относительного отверстия объектива, увеличение удаления входного зрачка, а также повышение качества изображения за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения. The objective of the invention is to increase the relative aperture of the lens, increase the removal of the entrance pupil, and also improve the image quality by increasing the modulation transmission coefficients throughout the field of view.

Объектив с вынесенным входным зрачком содержит четыре компонента, первый из которых отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент - положительная линза, выполненная в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент представляет собой положительную линзу, склеенную из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из положительной и отрицательной линз, причем толщина первого компонента составляет не менее 0,4 фокусного расстояния объектива, а отношение оптических сил первого и третьего компонентов по абсолютной величине не превышает 1,03 и составляет 0,2 оптической силы всего объектива, оптическая сила четвертого компонента составляет 0,14 оптической силы всего объектива, входной зрачок удален от первой поверхности первого компонента объектива на расстояние не менее 1,3 фокусного расстояния объектива. A lens with a remote entrance pupil contains four components, the first of which is a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, the second component is a positive lens made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to a space of objects, the third component is a positive lens glued from a positive lens and a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, the fourth component is made in the form of a positive a meniscus facing a concave surface to the space of images glued from positive and negative lenses, the thickness of the first component being at least 0.4 of the focal length of the lens, and the ratio of the optical forces of the first and third components in absolute value does not exceed 1.03 and is 0, 2 of the optical power of the entire lens, the optical power of the fourth component is 0.14 of the optical power of the entire lens, the entrance pupil is removed from the first surface of the first component of the lens by a distance of at least 1, 3 focal lengths of the lens.

Конструкция первого компонента, содержащего отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и имеющего толщину не менее 0,4 фокусного расстояния объектива, позволяет получить удаление входного зрачка объектива не менее 1,3 фокусного расстояния объектива и обеспечивает значение кривизны изображения не более 0,007 мм. The design of the first component containing a negative meniscus facing a convex surface to the space of objects, and having a thickness of at least 0.4 of the focal length of the lens, allows you to remove the input pupil of the lens of at least 1.3 of the focal length of the lens and provides an image curvature of not more than 0.007 mm .

Выполнение второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью пространству предметов, третьего компонента в виде положительной линзы, склеенной из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и четвертого компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из положительной и отрицательной линз, позволило увеличить относительное отверстие объектива до 1:2. The execution of the second component in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the space of objects, the third component in the form of a positive lens glued from a positive lens and a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, and the fourth component in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image space glued from positive and negative lenses, allowed to increase the relative aperture of the lens to 1: 2.

Для получения высоких значений коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения за счет коррекции аберраций широких наклонных пучков и комы соотношение оптических сил первого и третьего компонентов по абсолютной величине выбраны примерно равными, а именно 1,03. To obtain high values of modulation transmission coefficients across the entire field of view due to the correction of aberrations of wide inclined beams and coma, the ratio of the optical forces of the first and third components in absolute value was chosen approximately equal, namely 1.03.

Выбор формы и оптической силы четвертого компонента, составляющей 0,14 оптической силы всего объектива, позволил получить хорошо исправленную сферическую аберрацию, что обеспечило высокие значения коэффициента передачи модуляции для точки на оси при относительном отверстии не менее 1:2. The choice of the shape and optical power of the fourth component, which is 0.14 of the optical power of the entire lens, made it possible to obtain well-corrected spherical aberration, which ensured high modulation transmission coefficients for the point on the axis with a relative aperture of at least 1: 2.

Предлагаемый объектив работает в широком спектральном диапазоне λ=500... 900 нм, имеет фокусное расстояние 30 мм, относительное отверстие 1:2 и удаление входного зрачка от первой поверхности не менее 40 мм. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N= 60 мм^-1 в точке на оси (у'=0) не менее 0,73, на краю поля зрения (у'=3,2 мм) не менее 0,58.The proposed lens operates in a wide spectral range λ = 500 ... 900 nm, has a focal length of 30 mm, a relative aperture of 1: 2 and the removal of the entrance pupil from the first surface of at least 40 mm. Polychromatic modulation transmission coefficients (T) for the spatial frequency N = 60 mm ^-1 at a point on the axis (y '= 0) of at least 0.73, at the edge of the field of view (y' = 3.2 mm) of at least 0.58 .

Такие значения коэффициентов передачи модуляции позволили получить концентрацию энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселу ПЗС-матрицы размером 0,0085х0,0085 мм, не менее 82% для точки на оси и не менее 70% для края поля. Such values of the modulation transmission coefficients made it possible to obtain the energy concentration in the image of a point on a square platform equal to a pixel of a CCD matrix measuring 0.0085x0.0085 mm, at least 82% for a point on the axis, and at least 70% for the field edge.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива. Figure 1 shows the optical scheme of the proposed lens.

На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n_е- показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии е.Figure 2 shows the design parameters of the objective lenses and the characteristics of the glasses, where R is the radius of curvature of the lens surfaces, D is the distance between the lens surfaces, n _e is the refractive index of the lens glasses for the line e (λ = 546 nm), ν is the Abbe number for line e.

На фиг.3 - график поперечной сферической аберрации объектива. Figure 3 is a graph of the transverse spherical aberration of the lens.

На фиг. 4 - графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=12^o.In FIG. 4 - graphs of aberrations of wide inclined beams of the meridional section of the angle of the field of view 2W = 12 ^o .

На фиг. 5 - график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на оси. In FIG. 5 is a graph of an estimated polychromatic frequency-contrast characteristic (T) for a point on the axis.

На фиг. 6 - график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на краю поля зрения 2W=12^o.In FIG. 6 is a graph of the calculated polychromatic frequency-contrast characteristic (T) for a point on the edge of the field of view 2W = 12 ^o .

Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей 1 коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения. The frequency-contrast characteristics of the lens are calculated in accordance with table 1 of the spectral efficiency coefficients of the actinic radiation flux.

Объектив с вынесенным входным зрачком (фиг.1) состоит из четырех компонентов 1-4. Первый компонент содержит отрицательный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент представляет собой положительную линзу 2, выполненную в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент содержит положительную линзу 3, склеенную из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент содержит положительный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенный из положительной и отрицательной линз. Объектив содержит светофильтры 5, 6, 7, выделяющие спектральный диапазон в соответствии с таблицей. При расчете объектива учтена толщина защитного стекла ПЗС-матрицы. Выбор спектрального диапазона, согласованного с ПЗС-матрицей, позволил отказаться от применения флюорита во втором и четвертом компонентах, заменив его на стекла с малым коэффициентом линейного расширения, например, ТК14 и ТК23, что обеспечивает малую величину терморасстраиваемости объектива и позволяет работать в диапазоне температур от -60^o до 50^o без дополнительной перефокусировки.The lens with a remote entrance pupil (figure 1) consists of four components 1-4. The first component contains a negative meniscus 1 facing the concave surface to the space of objects, the second component is a positive lens 2 made in the form of a meniscus facing the concave surface to the space of objects, the third component contains the positive lens 3 glued from the positive lens and the negative meniscus facing concave surface to the space of objects, the fourth component contains a positive meniscus 4 facing the concave surface to the image space glued from positive and negative lenses. The lens contains filters 5, 6, 7, highlighting the spectral range in accordance with the table. When calculating the lens, the thickness of the protective glass of the CCD matrix was taken into account. The choice of the spectral range consistent with the CCD matrix made it possible to abandon the use of fluorite in the second and fourth components, replacing it with glasses with a low coefficient of linear expansion, for example, TK14 and TK23, which ensures a low thermal disintegration of the lens and allows operating in the temperature range from -60 ^o to 50 ^o without additional refocusing.

Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W= 12^o проходит через вынесенный входной зрачок объектива, удаленный на расстояние 40 мм от первой поверхности и, преломившись через поверхности линз компонентов 1, 2, 3, 4 и светофильтров 5, 6 и 7, фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица.The lens works as follows: a parallel light beam with a field of view angle of 2W = 12 ^o passes through the remote entrance pupil of the lens, which is 40 mm away from the first surface and refracted through the surfaces of the lenses of components 1, 2, 3, 4 and filters 5, 6 and 7, focuses in the image plane where the CCD is located.

Для объективов, работающих с ПЗС-матрицей, параметрами, характеризующими качество изображения, являются широкая область спектра (от 500 до 900 нм), относительное отверстие, значение коэффициентов передачи модуляции на частоте, определяемой размером пиксела, а также концентрация энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной одному пикселу ПЗС-матрицы. For lenses that work with a CCD, the parameters characterizing the image quality are a wide spectral region (from 500 to 900 nm), a relative aperture, the value of the modulation transmission coefficients at a frequency determined by the pixel size, and the energy concentration in the image of a point per square area equal to one pixel of the CCD.

Графики аберраций, приведенные на фиг.3 и 4, а также графики полихроматической частотно-контрастной характеристики для точки на оси и для края поля зрения, приведенные на фиг.4 и 5, подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения, что позволяет получить изображение объектов с малым контрастом (К=0,1). The graphs of aberrations shown in FIGS. 3 and 4, as well as the graphs of a polychromatic frequency-contrast characteristic for a point on the axis and for the edge of the field of view, shown in FIGS. 4 and 5, confirm that the lens has good image quality over the entire field of view, which allows you to get an image of objects with low contrast (K = 0.1).

В предлагаемом объективе выполнение второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третьего компонента в виде двусклеенной положительной линзы и четвертого компонента в виде положительного двусклеенного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, выбор толщины первого мениска, а также и определенного соотношения оптических сил первого и третьего компонентов, позволили увеличить относительное отверстие до 1:2, обеспечить удаление входного зрачка объектива до 1,3 фокусного расстояния, получить изображение объектов с малым контрастом на ПЗС-матрице. In the proposed lens, the implementation of the second component in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the space of objects, the third component in the form of a two-glued positive meniscus facing a concave surface to the image space, the choice of the thickness of the first meniscus, as well as a certain the ratio of the optical forces of the first and third components, allowed to increase the relative aperture to 1: 2, to ensure the removal of the input Single lens focal length to 1.3, to obtain an image of objects with low contrast at the CCD.

Источники информации
1. А.с. SU 877452, МКИ G 02 B 9/60, публикация 1981 г.Sources of information
1. A.S. SU 877452, MKI G 02 B 9/60, 1981 publication

2. A.c. SU 200806, МКИ G 02 B 3/01, публикация 1967 г. - прототип. 2. A.c. SU 200806, MKI G 02 B 3/01, publication 1967 - prototype.

Claims (1)

Объектив с вынесенным входным зрачком, содержащий четыре компонента, первый из которых отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент - положительная линза, отличающийся тем, что положительная линза второго компонента выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент представляет собой положительную линзу, склеенную из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из положительной и отрицательной линз, причем толщина первого компонента составляет не менее 0,4 фокусного расстояния объектива, а отношение оптических сил первого и третьего компонентов по абсолютной величине не превышает 1,03 и составляет 0,2 оптической силы всего объектива, оптическая сила четвертого компонента составляет 0,14 оптической силы всего объектива, входной зрачок удален от первой поверхности первого компонента объектива на расстояние не менее 1,3 фокусного расстояния объектива. A lens with a remote entrance pupil containing four components, the first of which is a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, the second component is a positive lens, characterized in that the positive lens of the second component is made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the space of objects, the third component is a positive lens glued from a positive lens and a negative meniscus facing a concave surface to the space redmetov, the fourth component is made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the space of images glued from positive and negative lenses, the thickness of the first component being at least 0.4 of the focal length of the lens, and the ratio of the optical forces of the first and third components in absolute value is not exceeds 1.03 and is 0.2 of the optical power of the entire lens, the optical power of the fourth component is 0.14 of the optical power of the entire lens, the entrance pupil is removed from the first rhnosti first lens component for a distance not less than 1.3 times the focal length.

Images