RU76722U1 - LENS - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно, к объективам и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице. Задачей изобретения является уменьшение длины объектива при сохранении высокого качества изображений по всему полю зрения. Объектив состоит из четырех компонентов. Первый компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент представляет собой положительную линзу, выполненную двояковыпуклой, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы. В объективе соблюдены следующие соотношения: 0,2<d₁/f′=9,4/43,5=0,216<0,23 5,5<|f₁/f′|=|-244,2/43,5|=5,61<5,7, где f′ - фокусное расстояние объектива, f′₁ - фокусное расстояние первого компонента, d₁ - толщина линзы первого компонента. 6 илл.The utility model relates to optical instrumentation, namely, to lenses and can be used as a lens of a video camera with image formation on a CCD matrix. The objective of the invention is to reduce the length of the lens while maintaining high quality images throughout the field of view. The lens consists of four components. The first component contains a negative meniscus facing the concave surface to the space of objects, the second component is a positive lens made biconvex, the third component is made as a negative meniscus facing the concave surface to the image space and glued from the biconvex and biconcave lenses, the fourth component is made in the form biconvex lens. The following ratios are observed in the lens: 0.2 <d ₁ / f ′ = 9.4 / 43.5 = 0.216 <0.23 5.5 <| f ₁ / f ′ | = | -244.2 / 43.5 | = 5.61 <5.7, where f ′ is the focal length of the lens, f ′ ₁ is the focal length of the first component, d ₁ is the lens thickness of the first component. 6 ill.

Description

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

Известен объектив [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 отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и четвертый компонент выполнен из одиночной положительной линзы. Недостатком объектива является 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 значительной терморасстраиваемости объектива, что не позволяет использовать данную конструкцию в условиях с большим перепадом температур.A known lens [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 negative meniscus facing a concave surface to the image space and the fourth the component is made of a single positive lens. The disadvantage of the lens is the low value of the modulation transmission coefficients (T) for the entire field of view, which does not allow the image of small contrast objects to be obtained on the CCD matrix. The use of fluorite with a large coefficient of linear expansion leads to significant thermal expansion of the lens, which does not allow the use of this design in conditions with a large temperature difference.

Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив с вынесенным входным зрачком [2], содержащий отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, положительную линзу, склеенную Closest to the proposed lens is a lens with a remote entrance pupil [2], containing a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, a positive meniscus facing a concave surface to a space of objects, a positive lens glued

из положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из положительной и отрицательной линз. Данная конструкция объектива обеспечивает высокое качество изображения по всему полю зрения. Однако недостатком прототипа является большая длина объектива (от первой поверхности до плоскости изображений), составляющая более двух фокусных расстояний объектива.from a positive lens and a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, and a positive meniscus facing a concave surface to a space of images and glued from a positive and negative lenses. This lens design provides high image quality across the entire field of view. However, the disadvantage of the prototype is the large length of the lens (from the first surface to the image plane), which is more than two focal lengths of the lens.

Задачей изобретения является уменьшение длины объектива при сохранении высокого качества изображений по всему полю зрения.The objective of the invention is to reduce the length of the lens while maintaining high quality images throughout the field of view.

Объектив из четырех компонентов, первый компонент которого - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй и четвертый компоненты - положительные линзы, в отличие от прототипа, положительная линза второго компонента выполнена двояковыпуклой, третий компонент представляет собой отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, положительная линза четвертого компонента выполнена двояковыпуклой, при этом имеют место следующие соотношения:A lens of four components, the first component of which is the negative meniscus facing the concave surface to the space of objects, the second and fourth components are positive lenses, unlike the prototype, the positive lens of the second component is biconvex, the third component is the negative meniscus facing the concave surface to the image space and glued from a biconvex and biconcave lenses, the positive lens of the fourth component is made biconvex, while m the following relations:

0,2<d₁/f′<0,230.2 <d ₁ / f ′ <0.23

5,5<|f′₁/f′|<5,7,5.5 <| f ′ ₁ / f ′ | <5.7,

где f′ - фокусное расстояние объектива,where f ′ is the focal length of the lens,

f′₁ - фокусное расстояние первого компонента,f ′ ₁ is the focal length of the first component,

d₁ - толщина линзы первого компонента.d ₁ - the thickness of the lens of the first component.

Выполнение первого компонента в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, имеющего толщину не менее 0.22 фокусного расстояния объектива, и удовлетворяющего следующему соотношению: 5,5<|f′₁/f′|<5,7, обеспечивает исправление кривизны изображения.The implementation of the first component in the form of a negative meniscus facing a convex surface to the space of objects having a thickness of at least 0.22 of the focal length of the lens and satisfying the following ratio: 5.5 <| f ′ ₁ / f ′ | <5.7, provides correction of the image curvature .

Выполнение второго компонента в виде двояковыпуклой линзы, третьего компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и четвертого компонента, выполненного в виде двояковыпуклой линзы, позволило уменьшить длину объектива изображений при сохранении высокого качества изображений по всему полю зрения.The execution of the second component in the form of a biconvex lens, the third component in the form of a negative meniscus facing the concave surface to the space of images and glued from the biconvex and biconcave lenses, and the fourth component made in the form of a biconvex lens made it possible to reduce the length of the image lens while maintaining high image quality by the entire field of view.

Предлагаемый объектив работает в спектральном диапазоне λ=(550...850)нм, имеет фокусное расстояние 43,5 мм, относительное отверстие 1:2,8 и поле зрения 2W=12°. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображений 70 мм, что составляет 1,6 фокусного расстояния объектива. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N=60 мм^-1 в точке на оси не менее 0,69, на краю поля зрения не менее 0,54.The proposed lens operates in the spectral range λ = (550 ... 850) nm, has a focal length of 43.5 mm, a relative aperture of 1: 2.8 and a field of view of 2W = 12 °. The length of the lens from the first surface to the image plane is 70 mm, which is 1.6 of the focal length of the lens. Polychromatic modulation transmission coefficients (T) for the spatial frequency N = 60 mm ^-1 at a point on the axis of at least 0.69, at the edge of the field of view of at least 0.54.

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_e-число Аббе для линии е.Figure 2 shows the design parameters of the objective lenses and the characteristics of 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 _{e is the} Abbe number for line e.

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

На фиг.4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=12°.Figure 4 shows the graphs of the aberrations of wide inclined beams of the meridional section of the angle of the field of view 2W = 12 °.

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

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

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

ТаблицаTable λ, нмλ, nm 500500 550550 600600 700700 850850 СFROM 0,040.04 1one 0,830.83 0.440.44 0.050.05

Объектив (фиг.1) состоит из четырех компонентов 1-4. Первый компонент 1 содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент 2 представляет собой положительную линзу, выполненную двояковыпуклой, третий компонент 3 выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, четвертый компонент 4 выполнен в виде двояковыпуклой линзы.The lens (figure 1) consists of four components 1-4. The first component 1 contains a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, the second component 2 is a positive lens made biconvex, the third component 3 is made in the form of a negative meniscus facing a concave surface to the image space and glued from a biconvex and biconcave lenses, the fourth component 4 is made in the form of a biconvex lens.

Фокусное расстояние первого компонента f′₁=-244,2 мм, фокусное расстояние второго компонента f′₂=70,2, фокусное расстояние третьего компонента f′₃=-169,6, фокусное расстояние четвертою компонента f′₄=58,1.The focal length of the first component f ′ ₁ = -244.2 mm, the focal length of the second component f ′ ₂ = 70.2, the focal length of the third component f ′ ₃ = -169.6, the focal length of the fourth component f ′ ₄ = 58.1 .

В объективе соблюдены следующие соотношения:The following ratios are observed in the lens:

0,2<d₁/f′=9,4/43,5=0,216<0,230.2 <d ₁ / f ′ = 9.4 / 43.5 = 0.216 <0.23

5,5<|f′₁/f′|=|-244,2/43,5|=5,61<5,75.5 <| f ′ ₁ / f ′ | = | -244.2 / 43.5 | = 5.61 <5.7

Объектив содержит светофильтры 5 и 6, выделяющие спектральный диапазон в соответствии с таблицей. При расчете объектива учтена толщина защитного стекла ПЗС-матрицы.The lens contains filters 5 and 6, 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.

Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=12° попадает в объектив и, преломившись через поверхности линз компонентов 1, 2, 3, 4 и светофильтров 5 и 6, фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица.The lens works as follows: a parallel light beam with a field angle of 2W = 12 ° enters the lens and, being refracted through the lens surfaces of components 1, 2, 3, 4 and filters 5 and 6, it focuses in the image plane where the CCD is located.

Графики аберраций, приведенные на рис.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).

Таким образом, обеспечено получение технического результата: длина объектива от первой поверхности до плоскости изображений составляет 70,07 мм=1,61f′, что значительно меньше длины объектива ближайшего аналога, составляющей 2,5f′, при сохранении высокого качества объектива.Thus, a technical result is obtained: the length of the lens from the first surface to the image plane is 70.07 mm = 1.61 f ′, which is much less than the length of the lens of the closest analogue of 2.5 f ′, while maintaining high quality of the lens.

Источники информацииInformation sources

1. А.с. SU №200806, публикация 1967 г, МПК G02B 3/01.1. A.S. SU No. 20086, publication 1967, IPC G02B 3/01.

2. Патент BY №6363, публикация 2001 г, МПК G02B 9/60 - прототип.2. Patent BY No. 6363, publication 2001, IPC G02B 9/60 - prototype.

Claims (1)

Объектив, содержащий четыре компонента, первый компонент которого - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй и четвертый компоненты - положительные линзы, отличающийся тем, что положительная линза второго компонента выполнена двояковыпуклой, третий компонент представляет собой отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, положительная линза четвертого компонента выполнена двояковыпуклой, при этом имеют место следующие соотношения:A lens containing four components, the first component of which is the negative meniscus facing the concave surface to the space of objects, the second and fourth components are positive lenses, characterized in that the positive lens of the second component is biconvex, the third component is the negative meniscus facing the concave surface to the image space and glued from a biconvex and biconcave lenses, the positive lens of the fourth component is made biconvex, while m, the following relationships hold: 0,2<d₁/f'<0,230.2 <d ₁ / f '<0.23

,

, где f′ - фокусное расстояние объектива;where f ′ is the focal length of the lens; f′₁ - фокусное расстояние первого компонента;f ′ ₁ is the focal length of the first component; d₁ - толщина линзы первого компонента.

d ₁ - the thickness of the lens of the first component.