RU2464600C2

RU2464600C2 - Plastic apochromatic lens

Info

Publication number: RU2464600C2
Application number: RU2010148974/28A
Authority: RU
Inventors: Григорий Исаевич Грейсух (RU); Григорий Исаевич Грейсух; Сергей Алексеевич Степанов (RU); Сергей Алексеевич Степанов; Евгений Григорьевич Ежов (RU); Евгений Григорьевич Ежов; Олег Александрович Захаров (RU); Олег Александрович Захаров; Илья Анатольевич Левин (RU); Илья Анатольевич Левин
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-10-20
Also published as: RU2010148974A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: lens consists of five components, the first of which is in form of a biconvex lens, the second consists of a negative meniscus whose convex surface faces the object, on which a holographic optical element with optical power equal to 0.005-0.015 times the optical power of the lens is deposited, and a biconvex lens whose larger convex surface faces the object; the third and fourth components are aspherical positive menisci whose convex surfaces face the object; the fifth component is a plane-parallel plate.

EFFECT: significant improvement in image quality, higher aperture ratio and reduced total length of the lens.

3 cl, 4 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может использоваться как объектив цифровых фотоаппаратов мобильных телефонов или массовых видеокамер наблюдения, работающих в режиме «день-ночь», т.е. в спектральном интервале, охватывающем видимый и ближний ИК-диапазоны.The invention relates to optical instrumentation and can be used as a lens of digital cameras of mobile phones or mass surveillance cameras operating in the "day-night" mode, i.e. in the spectral range covering the visible and near infrared ranges.

В ряде патентов, например SU 1151905 (А1) (СССР, опубл. 23.04.1985), RU 2244330 (С2) (Российская Федерация, опубл. 10.01.2005), с целью коррекции хроматических аберраций и улучшения качества изображения на одну из поверхностей объектива нанесен голограммный оптический элемент, однако его параметры и взаимосвязи с параметрами других элементов объектива неприемлемы для случая объективов данного класса.In a number of patents, for example SU 1151905 (A1) (USSR, publ. 04.23.1985), RU 2244330 (C2) (Russian Federation, publ. 10.01.2005), with the aim of correcting chromatic aberrations and improving the image quality on one of the lens surfaces a hologram optical element is applied, however, its parameters and relationships with the parameters of other lens elements are unacceptable for lenses of this class.

Известны пятикомпонентные объективы, описанные, например, в патентах JP 2000193884 (А) (Япония, опубл. 14.07.2000), JP 2001100092 (А) (Япония, опубл. 13.04.2001), US 2006024038 (А1) (США, опубл. 2.02.2006). К недостаткам указанных объективов можно отнести узкий спектральный диапазон, небольшое относительное отверстие, довольно большую длину и неудовлетворительное качество изображения.Five-component lenses are known, described, for example, in the patents JP 2000193884 (A) (Japan, publ. 14.07.2000), JP 2001100092 (A) (Japan, publ. 13.04.2001), US 2006024038 (A1) (USA, publ. 02.02.2006). The disadvantages of these lenses include a narrow spectral range, a small relative aperture, a rather large length and poor image quality.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является объектив по патенту US 2006056068 (А1) (США, опубл. 16.03.2006), принятый авторами за прототип.The closest analogue to the claimed technical solution is the lens according to the patent US 2006056068 (A1) (USA, publ. March 16, 2006), adopted by the authors for the prototype.

Данный пятикомпонентный объектив, работающий в видимом спектральном диапазоне (от λ_F=0,486 мкм до λ_C=0, 656 мкм), все элементы которого выполнены из пластика и имеют асферические поверхности, при относительном отверстии 1:2.8, фокусном расстоянии f'=5,98 мм и угловом поле в пространстве предметов 2ω=55,99° обеспечивает разрешение 100 мм^-1 при контрасте T≥0,4. Общая длина системы (от первого компонента до плоскости изображения) составляет l=8,0 мм.This five-component lens operating in the visible spectral range (from λ _F = 0.486 μm to λ _C = 0, 656 μm), all of whose elements are made of plastic and have aspherical surfaces, with a relative aperture of 1: 2.8, focal length f '= 5 , 98 mm and an angular field in the space of objects 2ω = 55.99 ° provides a resolution of 100 mm ^-1 with a contrast of T≥0.4. The total length of the system (from the first component to the image plane) is l = 8.0 mm.

Задачей изобретения является создание объектива, работающего в расширенном спектральном диапазоне от λ_min=0,4 мкм до λ_max=0,9 мкм и формирующего высококачественное изображение по всему полю, с увеличенным относительным отверстием до 1:2,4, угловым полем в пространстве предметов до 2ω=60° и уменьшенной общей длиной системы до l≤5 мм.The objective of the invention is to provide a lens that operates in an extended spectral range from λ _min = 0.4 μm to λ _max = 0.9 μm and forms a high-quality image throughout the field, with an increased relative aperture up to 1: 2.4, an angular field in space objects up to 2ω = 60 ° and a reduced total length of the system to l≤5 mm.

Для решения поставленной задачи предложен пластмассово-линзовый объектив апохромат, содержащий пять компонентов (Фиг.1), первый из них выполнен в виде двояковыпуклой линзы, обращенной меньшей выпуклостью к предмету, второй компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесен голограммный оптический элемент оптической силы 0,005-0,015 оптической силы объектива, и двояковыпуклой линзы, обращенной большей выпуклостью к предмету, третий и четвертый положительные компоненты представляют собой асферические мениски, обращенные выпуклостями к предмету, пятым компонентом является плоскопараллельная пластинка.To solve this problem, a plastic lens-apochromat lens is proposed, containing five components (Figure 1), the first of them is made in the form of a biconvex lens, facing a lower convexity to the object, the second component consists of a negative meniscus facing a convex surface to the object, on which a hologram optical element of optical power of 0.005-0.015 optical power of the lens is applied, and a biconvex lens facing a greater convexity to the object, the third and fourth positive components represent they are aspherical menisci, convex to the object, the fifth component is a plane-parallel plate.

Первый, третий и четвертый компоненты объектива выполнены из полиметилметакрилата, отрицательный мениск второго компонента выполнен из поликарбоната, а двояковыпуклая линза из полиметилметакрилата.The first, third and fourth lens components are made of polymethyl methacrylate, the negative meniscus of the second component is made of polycarbonate, and the biconvex lens is made of polymethyl methacrylate.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что существенное улучшение качества изображения достигается путем замены второго компонента прототипа, выполненного в виде двояковогнутой линзы, на компонент, состоящий из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесен голограммный оптический элемент, и двояковыпуклой линзы, обращенной большей выпуклостью к предмету. Данный компонент так же, как и компонент прототипа, имеет отрицательную оптическую силу. При этом характеристическое уравнение голограммного элемента имеет видThe essence of the invention lies in the fact that a significant improvement in image quality is achieved by replacing the second component of the prototype, made in the form of a biconcave lens, with a component consisting of a negative meniscus, convex surface facing the object, which is applied to the hologram optical element, and a biconvex lens facing greater convexity to the subject. This component, like the prototype component, has a negative optical power. In this case, the characteristic equation of the hologram element has the form

где A_i - коэффициенты; r - высота на поверхности голограммного оптического элемента, причем коэффициент А₁ пропорционален оптической силе голограммного оптического элемента, а коэффициенты А₂, А₃, …, А₆ пропорциональны соответствующим коэффициентам сферической аберрации компонентов объектива.where A _i are the coefficients; r is the height on the surface of the hologram optical element, and the coefficient A _{1 is} proportional to the optical power of the hologram optical element, and the coefficients A ₂ , A ₃ , ..., A _{6 are} proportional to the corresponding coefficients of spherical aberration of the lens components.

Таким образом, в заявляемом пластмассово-линзовом объективе апохромате достигнут поставленный ранее технический результат - получено комплексное исправление монохроматических и хроматических аберраций осевого и внеосевого пучков, что приводит к существенному повышению качества изображения по всему полю.Thus, in the inventive plastic lens apochromat achieved the previously set technical result - received a comprehensive correction of monochromatic and chromatic aberrations of the axial and off-axis beams, which leads to a significant increase in image quality throughout the field.

Сущность изобретения поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

- Фиг 1. Принципиальная оптическая схема пластмассово-линзового объектива- Fig 1. Schematic optical diagram of a plastic lens

- Фиг 2. Продольный хроматизм- Fig 2. Longitudinal chromatism

- Фиг 3. Дисторсия- Fig 3. Distortion

- Фиг 4. Полихроматическая частотно-контрастная характеристика объектива- Fig 4. Polychromatic frequency-contrast characteristic of the lens

А также таблицами 1-2, в которых представлены конструктивные параметры примера конкретного исполнения. Данные таблицы представлены в формате программы оптического моделирования ZEMAX.As well as tables 1-2, which presents the design parameters of an example of a specific implementation. These tables are presented in the format of the optical modeling program ZEMAX.

В качестве примера конкретного исполнения предлагается пластмассово-линзовый объектив апохромат с задним фокусным расстоянием f≈3,7 мм; относительным отверстием 1:2,4; угловым полем в пространстве предметов 2ω=60°.As an example of a specific embodiment, a plastic-lens apochromat lens with a rear focal length f≈3.7 mm is proposed; relative aperture 1: 2.4; angular field in the space of objects 2ω = 60 °.

Технические характеристики:Specifications:

Фокусное расстояние f≈3,7 мм.Focal length f≈3.7 mm.

Относительное отверстие 1:2,4.Relative aperture 1: 2.4.

Угловое поле в пространстве предметов 2ω=60°.The angular field in the space of objects 2ω = 60 °.

Задний фокальный отрезок

.Back focal length

.

Общая длина системы l=4,84 мм.The total length of the system is l = 4.84 mm.

Работает объектив следующим образом: световые пучки, исходящие от предмета, расположенного на бесконечности, последовательно проходят компоненты 1-5 оптической системы и формируют изображение в плоскости наилучшей установки, совпадающей с плоскостью параксиального изображения.The lens works as follows: light beams emanating from an object located at infinity pass through components 1-5 of the optical system sequentially and form an image in the plane of the best setting, which coincides with the plane of the paraxial image.

Полученный дисторсирующий план-апохромат при относительном отверстии 1:2,4 обеспечивает разрешение 115 мм^-1 при контрасте не ниже 0,5 в пределах полевого угла 2ω≤60°. Остаточный хроматизм положения в диапазоне от λ_min=0,4 мкм до λ_max=0,9 мкм не превышает 5,2 мкм, а модуль дисторсии - меньше 1%.The resulting distorting plan apochromat with a relative aperture of 1: 2.4 provides a resolution of 115 mm ^-1 with a contrast of at least 0.5 within the field angle of 2ω≤60 °. The residual chromaticity of the position in the range from λ _min = 0.4 μm to λ _max = 0.9 μm does not exceed 5.2 μm, and the distortion modulus is less than 1%.

Claims

1. Объектив, содержащий пять компонентов, первый из них выполнен в виде двояковыпуклой линзы, второй компонент отрицательный, третий и четвертый положительные компоненты, представляющие собой асферические мениски, обращенные выпуклостями к предмету, пятым компонентом является плоскопараллельная пластинка, отличающийся тем, что второй компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесен голограммный оптический элемент оптической силы 0,005-0,015 оптической силы объектива, и двояковыпуклой линзы, обращенной большей выпуклостью к предмету, при этом характеристическое уравнение голограммного элемента имеет вид

где A_i - коэффициенты; r - высота на поверхности голограммного оптического элемента, причем коэффициент A₁ пропорционален оптической силе голограммного оптического элемента, а коэффициенты A₂, A₃, …, A₆пропорциональны соответствующим коэффициентам сферической аберрации компонентов объектива.1. A lens containing five components, the first of them is made in the form of a biconvex lens, the second component is negative, the third and fourth positive components are aspherical menisci convex to the object, the fifth component is a plane-parallel plate, characterized in that the second component consists from a negative meniscus facing a convex surface to an object on which a hologram optical element of optical power of 0.005-0.015 optical power of the lens is applied, and are twofold a convex lens with a greater convexity to the object, while the characteristic equation of the hologram element has the form

where A _i are the coefficients; r is the height on the surface of the hologram optical element, and the coefficient A _{1 is} proportional to the optical power of the hologram optical element, and the coefficients A ₂ , A ₃ , ..., A _{6 are} proportional to the corresponding coefficients of spherical aberration of the lens components.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что первый, третий и четвертый компоненты выполнены из полиметилметакрилата.2. The lens according to claim 1, characterized in that the first, third and fourth components are made of polymethyl methacrylate.

3. Объектив по п.1 или 2, отличающийся тем, что отрицательный мениск второго компонента выполнен из поликарбоната, а двояковыпуклая линза из полиметилметакрилата. 3. The lens according to claim 1 or 2, characterized in that the negative meniscus of the second component is made of polycarbonate, and the biconvex lens is made of polymethyl methacrylate.