CZ305522B6 - Objektiv - Google Patents

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

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

«d-1 v_d= llf-líc kde n_d, n_F, n₍ jsou indexy lomu optických materiálů pro Fraunhoferovy spektrální čáry d, F, C;

částečnými disperzemi, tip-n^, kde λ, je další zvolená důležitá vlnová délka světla pro zobrazení; částečnými relativními disperzemi:

n_F-n_d

P F,d ⁼np-nc

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 US 2 600 208 a US 3 024 697. 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 speciálních krystalických optických materiálů jako je CaF₂, MgO, které jsou například známé z patentů US 4 712 886, US 6 208 459 a US 8 289 633, případně jsou omezeny jen na velmi úzké zorné pole či spektrum, což je známé například z patentu EP 0 935 772.

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).

- 1 CZ 305522 B6

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 spojeného 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 vj větším než 39,0 a menším než 60.

Dále je výhodné, když jsou dva rozptylné čočkové členy zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze [Λτ,λ,Τ a leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen dubletu je z optického skla, pro jehož relativní disperzi [Pt_r„_v(r]2 platí |[Α_Γ..νίζ·]2- [Ar,.vrhl < 0,005.

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

rio — <0,8.

R9

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 poleje 15 až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIRÁ_m,„ = 0,9 až λ_ηαχ = 2,3 pm, nebo současně ve viditelném pásmu VIS i eSWIR pásmu Z_mm = 0,47 až 2_míU. = 2,3 pm.

Současně je dále výhodné, když pro poloměry optických ploch r₃ čočkového členu, r₆ spojného rozptylného čočkového členu, r₈ rozptylný čočkový člen a r₉ krajní spojné čočky platí:

Rs r₆ — < 0,35 a současně-< 1.

r₇ r₃

Výhodou čtyřčlenného pěti čočkového objektivu podle vynálezu je to, že umožňuje zobrazit objekty v širokém spektrálním pásmu VIS+eSWIR, kdy podíl ktlliX 'min leží v rozmezí 2,5 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:

n_kr-n_st_r

V str , Ukr Wstr, Rkr,xtr ?

ftkf—Wdl Wdl kde n_str, n_kr, n<u jsou 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.

-2CZ 305522 B6

Triviální podmínku apochromatičnosti pro achromatizovanou soustavu lze u soustavy složené z čoček vyjádřit: [P^,_4ír]i = ⁼···⁼ Jak plyne z diagramu na obr. 4 je počet skel zajišťující co nejpřesnější splnění výše uvedené podmínky a současně vykazující další vlastnosti potřebné ke korelaci dalších aberací, vysokou propustnost v celém rozsahu spektra a vhodné tepelné roztažností 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.

Objasnění výkresů

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_Fd 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 až 2,3pm), obr. 5 zobrazuje soustavu grafu 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.

Příklady uskutečnění vynálezu

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 v_d větším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3, 4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze a [TV.szrU leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperzi _Zí.]₂ platí [Λ/·,.νζζ·]2 - < 0,005.

Pro podíl poloměrů optických ploch rio a r₉ krajní spojné čočky 5 platí:

Co — < 0,8.

r₉

-3 CZ 305522 B6

Ohnisková vzdálenost objektivuje 47 mm, jeho clonové číslo je 3,5, jeho zorné poleje 20°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIR2„„„ = 0,9 až λ„,_αχ = 2,3 pm, nebo současně ve viditelném VIS a eSWIR pásmu A_mi„ = 0,47 až Z„,_ox = 2,3pm.

Pro poloměry optických ploch r₃ čočkového členu 2, r₆ spojného rozptylného čočkového členu 3, r₈ rozptylný čočkový člen 4 a r₉ krajní spojné čočky 5 platí:

U r₆ — < 0,35 a současně-< 1 r₉ r₃

Kvalita zobrazení toho objektivuje 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 okraj zorného pole, a 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 S WIR) (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).

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 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 než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_d větším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3, 4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze [Ar víJí a ÚVvzrk leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperzi [-Pjtr,.wrj2 platí < 0,005.

Pro podíl poloměrů optických ploch η₀ a r₉ krajní spojné čočky 5 platí:

fio — <0,8.

Ohnisková vzdálenost objektivu leží v rozmezí 40 až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné poleje 15 až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIR/ζ,,,, = 0,9 až /ζ_(ίίϊ = 2,3 pm, nebo současně ve viditelném VIS a eSWIR pásmu Z_min = 0,48 až Z_max = 2,3pm.

-4CZ 305522 B6

Kvalita zobrazení toho objektivuje 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 okraj zorného pole, a to pro různé možné kombinace použití objektivu:

-jen pro vizuální oblast (0,47 až 0,7 pm),

- pro užší oblast S WIR) (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).

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 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 i, 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 než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_d větším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3, 4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze [Ffy,.szfy a [/^J*r.s7r]₄ leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperzi [/fy,„fy platí [/fy,„fy - [/fy,„fy| < 0,005.

Ohnisková vzdálenost objektivu leží v rozmezí 40 až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné poleje 15 až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIRfy,» = 0,9 až λ_ηαχ = 2,3 pm

Kvalita zobrazení toho objektivuje znázorněna na obr. 7. 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:

- pro užší oblast SWIR (0,9 až 1,7 pm),

- pro dlouhovlnnou část eSWIR (1,9 až 2,3 pm),

- a pro celou eSWIR oblast (0,9 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.

-5CZ 305522 B6

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (6)

1. 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 spojeného čočkového členu (2) a rozptylného čočkového členu (3), a jeden samostatný rozptylný čočkový člen (4), vyznačující se tím, že poměr ohniskových vzdáleností 44/43 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. 2. Objektiv, podle nároku 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_d větším než 39,0 a menším než 60.
3. 3. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dva rozptylné čočkové členy (3, 4) zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze a [Ραγ,5(/-]4 leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen (2) dubletu (6) je z optického skla, pro jehož relativní disperzi [Λ,„_ν/Γ]₂ platí |[Ρ^,,_ίΓ]₂- [TWbl < 0,005.
4. 4. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pro podíl poloměrů optických ploch r₎₀ a r₉ krajní spojné čočky (5) platí:

   Co — <0,8.

   R₉
5. 5. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jeho ohnisková vzdálenost leží v rozmezí 40 až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné poleje 15 až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIR2„,„, = 0,9 až λ_ηιαχ = 2,3 pm, nebo současně ve viditelném VIS a eSWIR pásmu = 0,47 až λ,„_αχ = 2,3 pm.
6. 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), r₈ rozptylný čočkový člen (4) a r₉ krajní spojné čočky (5) platí:

   r_s r₆ — < 0,35 a současně-< 1.

   r₉ ^r3

   9 výkresů

   Seznam vztahových značek:

   1 krajní spojná čočka I

   2 čočkový člen I

   3 čočkový člen II

   4 čočkový člen III

   5 krajní spojná čočka II

   6 dublet