CZ2014664A3

CZ2014664A3 - Objektiv

Info

Publication number: CZ2014664A3
Application number: CZ2014-664A
Authority: CZ
Inventors: VladimĂr Chlup; Filip Chlup
Original assignee: Pramacom-Ht, Spol. S R.O.
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-11-11
Also published as: CZ305522B6

Abstract

Objektiv, zejména čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast, kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami (1, 5) umístěn jeden dublet (6) složený z kladného spojného čočkového členu (2) a rozptylného čočkového členu (3), a jeden samostatný rozptylný čočkový člen (4), u kterého je poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů (3, 4) v rozmezí 0,97 až 1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu (4) je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká objektivu, zejména čtyřčlenného pěti čočkového širokopásmového snímacího refraktivní apochromatického objektivu pro viditelnou a IR oblast.

Dosavadní stav techniky

Teorie, technika a metody korekce optických soustav jsou detailně analyzovány a popsány v řadě publikací, například Conrady (1991), Kingslake (1978), Havelka (1955). Optické soustavy navržené těmito technikami dosahují velmi dobrý korekční stav ve spektrálním pásmu, které překlenuje jednu oktávu spektrálního pásma, kdy poměr nejdelší a nejkratší vlnové délky zobrazovaného spektrálního pásma je přibližně 2.

Achromatická a apochromatické korekce ve viditelné oblasti v oblasti refraktivních objektivů využívá metody korekce opírající se o disperzní vlastnosti optických materiálů prezentovaných zejména Abbeovým číslem:

M-j—1 kde jsou indexy lomu optických materiálů pro Fraunhoferovy spektrální čáry d, F, C;

částečnými disperzemi, n_F -n- kde ž, je další zvolená důležitá vlnová délka světla pro zobrazení; částečnými relativními disperzemi:

p _

Rozdílné disperzní vlastnosti optických skel ve viditelné části spektra vyjadřují diagramy -v_d -n_d a v_d - P_Fd, které jsou uvedeny na obr. 1 a obr. 2 a odpovídají 106 optickým sklům společnosti Schott.

S využitím technik popsaných ve výše uvedené literatuře byla v minulosti pro vizuální oblast vyvinuta a patentována řada optických soustav, které jsou například popsané v patentech U^600208 a US^02^697. V spektrálních pásmech, která překračují jednu oktávu, jsou ovšem tyto soustavy, vzhledem k barevným aberacím, nepoužitelné.

Nové typy a technologie obrazových detektorů umožňují záznam obrazu v širších spektrálních pásech, případně umožňují získat obraz kombinací (fúzí) obrazů z detektorů > * s rozdílnou spektrální citlivostí. Optické soustavy pro širokopásmové zobrazení využívají zorné pole či spektrum, což je známé například z patentu EF*<

Cílem vynálezu je vytvoření širokopásmového apochromatického objektiv pro viditelnou (dále VIS) a infračervenou oblast spektra (dále IR), který bude umožňovat co nejširší zobrazení v spektrálním pásmu v oblasti VIS+ rozšířené krátkovlnné infračervené části spektra (dále eSWIR).

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje a cíle vynálezu naplňuje objektiv, zejména čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast, kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami umístěn jeden dublet složený z kladného spojného čočkového členu a rozptylného čočkového členu, a jeden samostatný rozptylný čočkový člen, podle vynálezu jehož podstata spočívá v tom, že poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů v rozmezí 0,97 až 1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.

Je výhodné, když všechny vnitřní čočkové členy objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu n_d větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem větším než 39,0 a menším než 60.

Dále je výhodné, když jsou dva rozptylné čočkové členy zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperzea [P_krjrfr]₄ leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen dubletu je z optického skla, pro jehož relativní disperzi^,. _ί£._Γ]₂ platí |[R_fer^_r]₃| < 0,005.

Výhodné také je, když pro podíl poloměrů optických ploch r₁₀ a r₉ krajní spojné čočky platí

Současně je výhodné, když ohnisková vzdálenost objektivu leží v rozmezí 40 až

100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné pole je 15* až 25°, přičemž š ♦ * * zobrazuje v pásmu eSWIR λ_Γ„_έ„= 0,9 až 2,3 pm, nebo současně ve viditelném pásmu VIS i eSWIR pásmu 0,47 až Λ,„_αϊ= 2,3pm.

Současně je dále výhodné, když pro poloměry optických ploch Γ3 čočkového členu, r₆ spojného rozptylného čočkového členu, r₈ rozptylný čočkový člen a r_g krajní spojné čočky platí: — < 0,35 a současně - < 1

Výhodou čtyřčlenného pěti čočkového objektivu podle vynálezu je to, že umožňuje zobrazit objekty v širokém spektrálním pásmu VIS+eSWIR, kdy podíl leží v rozmezí 2,5 'Unin až 5, přičemž v případě širokopásmového zobrazení, kdy je podíl nejdelší a nejkratší vlnové délky záření větší než 4, kde zobrazení probíhá v oblasti větší přesahující dvě oktávy, je vhodné Abbeovo číslo a relativní částečnou disperzi zobecnit:

kde n_3fr, n_kr, nejsou indexy lomu pro střední, nejkratší a nejdelší vlnovou délku spektrálního pásma.

Vzhled diagramů pro spektrální rozsah VIS+eSWIR (0,47pm až 2,3pm) je oproti oblasti VIS výrazně změněn. Pro případ 106 optických skel společnosti Schott jsou odpovídající diagramy uvedeny na obr. 3 a obr. 4.

Triviální podmínku apochromatičnosti pro achromatizovanou soustavu lze u soustavy složené z čoček vyjádřit: =...= Jak plyne z diagramu na obr. 4 je počet skel zajišťující co nejpřesnější splnění výše uvedené podmínky a současně vykazující další vlastnosti potřebné ke korekci dalších aberací, vysokou propustnost v celém rozsahu spektra a vhodné tepelné roztažnosti pro tmelené členy, je velmi omezený.

Výsledkem je jednoduchá pěti čočková konstrukce z optických skel umožňující při clonovém čísle kolem 3,5 a zorném poli 20° dosáhnout kvalitní zobrazení pro rozsah větší než dvě oktávy spektra.

Olajacnení' výkrmu

Prehled-obrázku-rra-výkrese-/

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, na kterém obr. 1 znázorňuje diagram v_d - n_d rozdílných disperzních vlastností optických skel ve viditelné části spektra pro pásmo VIS, obr. 2 znázorňuje diagram v_d - P_F>d rozdílných disperzních vlastností optických skel ve viditelné části spektra pro pásmo VIS, obr. 3 a obr. 4 znázorňují diagram pro spektrální rozsah VIS+eSWIR (0,47(ta( až 2,3pm), obr. 5 zobrazuje soustavu grafů

- 9 S » : » * ‘ * , t > i 9 > 4» ; _{} 3} » ♦ ; · ♦ ♦ * * , » 1 Λ * > » · » ⁴· , -3 3 3 ⁴ * * *' . í 4 - · » ’ * -*.**>

znázorňujících kvalitativní parametry zobrazení objektivu podle příkladu provedení 1, obr. 6 zobrazuje soustavu grafů znázorňujících kvalitativní parametry zobrazení objektivu podle příkladu provedení 2, obr. 7 zobrazuje soustavu grafů znázorňujících kvalitativní parametry zobrazení objektivu podle příkladu provedení 3, obr. 8 znázorňuje základní optické schéma objektivu, obr. 9 zobrazuje tabulku konstrukčních parametrů objektivu podle příkladu provedení 1, obr. 10 zobrazuje tabulku konstrukčních parametrů objektivu podle příkladu provedení 2, a obr. 11 zobrazuje tabulku konstrukčních parametrů objektivu podle příkladu provedení 3.

Příklad 1

Čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast (obr. 5, obr. 8, obr. 9), kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami 1,5 umístěn jeden dublet 6 složený z kladného spojného čočkového členu 2 a rozptylného čočkového členu 3, a jeden samostatný rozptylný čočkový člen 4.

Poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů 3, 4 v rozmezí 0,97 až 1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu 4 je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.

Všechny vnitřní čočkové členy 2, 3, 4 objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu n_d větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem větším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3, 4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze[A._?.₃ a [P_kr^_r]₄ leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperzi ₂ platí |[P_fcr^_r]₂- [^ΛΙ < 0,005.

Pro podíl poloměrů optických ploch η₀ a r₉ krajní spojné čočky 5 platí: — < 0,8.

Ohnisková vzdálenost objektivu je 47 mm, jeho clonové číslo je 3,5, jeho zorné pole je 20°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIRA_?n:„= 0,9 až 2,3 pm, nebo současně ve viditelném VIS a eSWIR pásmu A_min= 0,47 až z_?MX= 2,3pm.

Pro poloměry optických ploch r₃ čočkového členu 2, ^spojného rozptylného čočkového členu 3, r₈ rozptylný čočkový člen 4 a r₉ krajní spojné čočky 5 platí: — < 0,35 a současně

4*9* , 4 , > ’** > 4 i > > *» i . « í » í >

> > > 4 ’ Jí♦ . 5 » * 3 *t . ₄ a » '> '

Kvalita zobrazení toho objektivu je znázorněna na obr. 5. V levé části obrázku jsou zde uvedeny grafy přenosu kontrastu pro 25 č/mm v závislosti na ostření pro střed zorného pole, 0,7 zorného pole a kraj zorného polena to pro různé možné kombinace použití objektivu:

. jen pro vizuální oblast (0,47 až 0,7 pm), . pro užší oblast krátkovlnné infračervené části spektra (dále SWIR) (0,9 až 1,7 pm), . pro rozšířenou oblast eSWIR (0,9’μηΐ až 2,3 pm), a pro celou uvažovanou oblast (0,47až 2,3 pm).

Na pravé straně obrázku nahoře jsou nejprve uvedeny průběhy barevné vady polohy pro paraxiální a zonální oblast a pak pod sebou jsou postupně uvedeny grafy příčných aberací pro střed, 0,7 zorného pole a kraj zorného pole pro 20 vlnových délek pravidelně pokrývající celou část spektra.

Příklad 2

Čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast (obr. 6, obr. 8, obr. 10), kde je mezí dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami 1,5 umístěn jeden dublet 6 složený z kladného spojného čočkového členu 2 a rozptylného čočkového členu 3, a jeden samostatný rozptylný čočkový člen 4.

Všechny vnitřní čočkové členy 2, 3, 4 objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu n_d větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_dvětším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3, 4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze[R._r3 a [R._r,_sfr]4 leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperziplatí |[R_krjtr]₂- [F_fer^_r]₃| < 0,005.

Pro podíl poloměrů optických ploch r₁₀ a r₉ krajní spojné čočky 5 platí: — < 0,8.

ύ

Ohnisková vzdálenost objektivu leží v rozmezí 40 až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné pole je 15* až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIRA_OTÍ„= 0,9 až λ,_ναχ= 2,3 pm, nebo současně ve viditelném VIS a eSWIR pásmu k_min0,48 až 2,3pm.

Kvalita zobrazení toho objektivu je znázorněna na obr. 6. V levé části obrázku jsou uvedeny grafy přenosu kontrastu pro 25 č/mm v závislosti na ostření pro střed zorného pole, 0,7 zorného pole a kraj zorného pole.a to pro různé možné kombinace použití objektivu:

jen pro vizuální oblast (0,47 až 0,7 pm), pro užší oblast SWIR (0,9 až 1,7 pm), pro rozšířenou oblast eSWIR (0,9 až 2,3 pm), a pro celou uvažovanou oblast (0,47 až 2,3 pm).

Příklad 3

Čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast (obr. 7, obr. 8, obr. 11), kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami 1.,5 umístěn jeden dublet 6 složený z kladného spojného čočkového členu 2 a rozptylného čočkového členu 3, a jeden samostatný rozptylný čočkový člen 4.

Všechny vnitřní čočkové členy 2, 3, 4 objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu n_d větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v^větším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3, 4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze[P_kr5ř,.]₃ a [P_kr^_r]₄ leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperzi platí |[A^trl: [A^trLI < 0,005.

Ohnisková vzdálenost objektivu leží v rozmezí 40 mm až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné pole je 15* až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIRz_m.,,= 0,9 až 2,3 pm.

Kvalita zobrazení toho objektivu je znázorněna na obr. 7. V levé části obrázku jsou * « » Λ * * uvedeny grafy přenosu kontrastu pro 25 č/mm v závislosti na ostření pro střed zorného pole,

0,7 zorného pole a kraj zorného polena to pro různé možné kombinace použití objektivu: pro užší oblast SWIR (0,9’μπ{ až 1,7 pm), pro dlouhovlnnou část eSWIR (1,9 až 2,3 pm), a pro celou eSWIR oblast (0,9 μΠ až 2,3 pm).

Na pravé straně obrázku jsou uvedeny grafy příčných aberací pro střed, 0,7 zorného pole a kraj zorného pole pro 15 vlnových délek pravidelně pokrývající celou část spektra.

Průmyslová využitelnost

Objektiv podle vynálezu lze využít k zobrazování objektů v širokém spektrálním pásmu eSWIR nebo i na celou oblast VIS+eSWIR.

) » * · * ·

Seznam vztahových značek krajní spojná čočka I čočkový člen I čočkový člen II čočkový člen III krajní spojná čočka II dublet

Claims

Patentové nároky

1. Objektiv, zejména čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast, kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami (1,5) umístěn jeden dublet (6) složený z kladného spojného čočkového členu (2) a rozptylného čočkového členu (3), a jeden samostatný rozptylný čočkový člen (4), vyznačující se tím, že poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů (3, 4) v rozmezí 0,97 až 1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu (4) je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.
2. Objektiv, podle nároky 1, vyznačující se tím, že všechny vnitřní čočkové členy (2, 3, 4) objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu n_d větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_ávětším než 39,0 a menším než 60.
3. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dva rozptylné čočkové členy (3,4) jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze₃ a [A._r^_fr]₄ leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen (2) dubletu (6) je z optického skla, pro jehož relativní disperzi[P_k?,_íír]₂ platí |p_krMr]₂- < 0.005.
4. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pro podíl poloměrů optických ploch ho a r₉ krajní spojné čočky (5) platí: — < 0,8.

^r9
5. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jeho ohnisková vzdálenost leží v rozmezí 40>aee| až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné pole je 15^ až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIR/t_mířS= 0,9 až Α,_π£!Λ.= 2,3 pm, nebo současně ve viditelném VIS a eSWIR pásmu 'Uim= 0.47 až 2^= 2,3pm.
6. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pro poloměry optických ploch r₃ čočkového členu (2), r₆ spojného rozptylného čočkového členu (3), rg rozptylný čočkový člen (4) a r₉ krajní spojné čočky (5) platí: — < 0,35 a současně — < 1