RU2377619C1

RU2377619C1 - High-aperture lens

Info

Publication number: RU2377619C1
Application number: RU2008127094/28A
Authority: RU
Inventors: Наталья Ефимовна Кунделева (BY); Наталья Ефимовна Кунделева; Анатолий Михайлович Тареев (BY); Анатолий Михайлович Тареев; Анна Петровна Николаева (BY); Анна Петровна Николаева
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2009-12-27

Abstract

FIELD: physics; optics.

SUBSTANCE: lens can be used for forming an image on a CCD matrix. The lens includes power and correction components. The power component contains a positive double-glued lens, a negative meniscus, whose concave surface faces the object space and a lens made from a biconcave and a biconvex lens stuck together, and a single positive meniscus, whose concave surface faces the image space. The correction component contains a single positive meniscus, whose concave surface faces the image space, and a biconcave lens. The distance between the negative and positive meniscuses of the power component is not less than 0.3 of the focal distance of the lens. The single positive meniscus of the power component is made from material with Abbe number greater than 81. The sum of optical power of the power and correction components does not exceed 0.004 mm^-1.

EFFECT: higher image quality owing to increase in modulation transfer constants when the spectral range is increased to (560…1000) nm with retention of aperture ratio.

6 dwg

Description

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

Известен объектив из пяти компонентов [1], первый компонент которого - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенный из отрицательной и положительной линз, второй компонент - одиночная положительная линза, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, пятый компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из положительной и отрицательной линз. Данный объектив имеет хорошее качество изображения при относительном отверстии не более 1:2,5 и угле поля зрения 2W=3°.A known lens of five components [1], the first component of which is a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects and glued from a negative and positive lenses, the second component is a single positive lens, the third component is made in the form of a negative meniscus facing a concave surface to the space images, the fourth component is made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image space, the fifth component is made in the form of positive lens glued from the positive and negative lenses. This lens has good image quality with a relative aperture of not more than 1: 2.5 and a field of view angle of 2W = 3 °.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объективу является объектив [2], состоящий из силового и коррекционного компонентов. Силовой компонент состоит из положительной двухлинзовой склейки, одиночного мениска, отрицательной двухлинзовой склейки, установленной после одиночного мениска, коррекционный компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу. Данная конструкция объектива обеспечивает относительно высокое качество изображения при относительном отверстии 1:1,5, угле поля зрения 2W=12° в спектральном диапазоне 680…880 нм. Коэффициент передачи контраста на частоте 50 мм^-1 для точки на оси составляет 0,62.The closest in technical essence to the proposed lens is a lens [2], consisting of power and correction components. The power component consists of a positive two-lens gluing, a single meniscus, a negative two-lens gluing, installed after a single meniscus, the correction component is made in the form of two menisci facing convex surfaces to each other. This lens design provides a relatively high image quality with a relative aperture of 1: 1.5, an angle of view 2W = 12 ° in the spectral range of 680 ... 880 nm. The contrast transmission coefficient at a frequency of 50 mm ^-1 for a point on the axis is 0.62.

Задачей изобретения является повышение качества изображения путем повышения коэффициентов передачи модуляции при увеличении спектрального диапазона до 560…1000 нм при сохранении относительного отверстия.The objective of the invention is to improve image quality by increasing the modulation transmission coefficients while increasing the spectral range to 560 ... 1000 nm while maintaining the relative aperture.

Светосильный объектив, включающий установленные по ходу луча силовой и коррекционный компоненты, при этом силовой компонент содержит положительную двусклеенную линзу, отрицательную двусклеенную линзу и одиночный мениск, коррекционный компонент содержит одиночный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, и линзу, отличается от прототипа тем, что отрицательная двусклеенная линза силового компонента выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и состоит из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, одиночный мениск силового компонента выполнен положительным, обращенным вогнутой поверхностью к пространству изображений, и расположен после отрицательной двусклеенной линзы, одиночный мениск коррекционного компонента выполнен положительным, а линза коррекционного компонента выполнена двояковогнутой и расположена после положительного одиночного мениска, расстояние между отрицательной двусклеенной линзой и положительным одиночным мениском силового компонента составляет не менее 0,3 фокусного расстояния объектива, причем одиночный мениск силового компонента изготовлен из материала, имеющего число Аббе более 81, сумма оптических сил силового и коррекционного компонентов не превышает 0,004 мм^-1.A fast lens, including power and correction components installed along the beam, the power component contains a positive double-glued lens, a negative double-glued lens and a single meniscus, the correction component contains a single meniscus facing a concave surface to the image space, and the lens differs from the prototype in that that the negative two-glued lens of the power component is made in the form of a meniscus facing a concave surface to the space of objects, and consists of a double with a hollow and biconvex lens, the single meniscus of the power component is made positive, facing the concave surface to the image space, and is located after the negative double-glued lens, the single meniscus of the correction component is positive, and the lens of the correction component is biconcave and located after the positive single meniscus, the distance between the negative double-glued the lens and the positive single meniscus of the power component is at least 0.3 focal lengths a lens, and a single meniscus of the power component is made of a material having an Abbe number of more than 81, the sum of the optical forces of the power and correction components does not exceed 0.004 mm ^-1 .

Конструкция отрицательной двусклеенной линзы силового компонента, выполненного в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, изготовленного из материала, имеющего число Аббе более 81, выбор расстояния между отрицательной двусклеенной линзой и положительным одиночным мениском не менее 0,3 фокусного расстояния объектива обеспечили высокую степень коррекции сферохроматических аберраций, комы и вторичного спектра в широком спектральном диапазоне 560…1000 нм для точки на оси при относительном отверстии объектива не менее 1:1,5.The design of the negative double-glued lens of the power component, made in the form of a meniscus facing a concave surface to the space of objects and glued from a biconvex and biconcave lens, a positive meniscus facing a concave surface to the image space made of a material having an Abbe number of more than 81, the choice of the distance between the negative a double-glued lens and a positive single meniscus of at least 0.3 of the focal length of the lens provided a high degree of correction of the spherochrom aberrations, coma, and the secondary spectrum in the broad spectral range of 560 ... 1000 nm for a point on the axis of the lens at a relative aperture of at least 1: 1.5.

Выполнение коррекционного компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и отрицательной линзы, расположенной после положительного мениска и выполненной двояковогнутой, выбор сумм оптических сил силового и коррекционного компонентов, близкой к 0, а именно не более 0,004 мм^-1, позволяет исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких наклонных пучков.The implementation of the correction component in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image space and a negative lens located after the positive meniscus and made biconcave, the choice of the sum of the optical forces of the power and correction components close to 0, namely not more than 0.004 mm ^-1 , allows correct image curvature, astigmatism and aberration of wide inclined beams.

Предлагаемый светосильный объектив работает в спектральном диапазоне λ=560…1000 нм, имеет фокусное расстояние 75 мм, относительное отверстие 1:1,5, входной зрачок диаметром 50 мм совпадает с первой поверхностью объектива, поле зрения объектива 2W=6°.The proposed fast lens works in the spectral range λ = 560 ... 1000 nm, has a focal length of 75 mm, a relative aperture of 1: 1.5, the entrance pupil with a diameter of 50 mm coincides with the first surface of the lens, the field of view of the lens is 2W = 6 °.

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

На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз светосильного 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 lenses of the fast lens and the characteristics of the glasses, where R are the radii of curvature of the lens surfaces, D are the distances 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 number Abbe for line e.

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

На фиг.4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=6°.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 = 6 °.

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=6°.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 = 6 °.

Светосильный объектив (фиг.1) состоит из силового I и коррекционного II компонентов, установленных по ходу луча на оптической оси. Силовой компонент содержит положительную двусклеенную линзу, состоящую из двояковыпуклой 1 и двояковогнутой 2 линз, отрицательную двусклеенную линзу, выполненную в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, состоящую из двояковогнутой 3 и двояковыпуклой 4 линз, и одиночный положительный мениск 5, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Одиночный положительный мениск 5 изготовлен из стекла марки N-PK52A фирмы SCHOTT, имеющего число Аббе ν_e=81,21. Расстояние между отрицательной двусклеенной линзой и положительным мениском равно 23 мм, что составляет 0,306 фокусного расстояния объектива. Фокусное расстояние силового компонента равно 76,82 мм. Коррекционный компонент II состоит из двух линз: одиночного положительного мениска 6, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и отрицательной линзы 7, выполненной двояковогнутой. Фокусное расстояние коррекционного компонента равно -104,65 мм. Сумма оптических сил силового и коррекционного компонентов составляет 1/76,82+(-1/104,65)-0,0036 мм^-1.A fast lens (figure 1) consists of a power I and correction II components installed along the beam on the optical axis. The power component contains a positive double-glued lens, consisting of a biconvex 1 and biconcave 2 lenses, a negative double-glued lens, made in the form of a meniscus facing a concave surface to the space of objects, consisting of a biconcave 3 and a biconvex 4 lenses, and a single positive meniscus 5, facing a concave surface to image space. A single positive meniscus 5 is made of glass of the brand N-PK52A from SCHOTT, having an Abbe number ν _e = 81.21. The distance between the negative double-glued lens and the positive meniscus is 23 mm, which is 0.306 of the focal length of the lens. The focal length of the power component is 76.82 mm. Correction component II consists of two lenses: a single positive meniscus 6, facing a concave surface to the image space, and a negative lens 7, made biconcave. The focal length of the correction component is -104.65 mm. The sum of the optical powers of the power and correction components is 1 / 76.82 + (- 1 / 104.65) -0.0036 mm ^-1 .

Выбор конструкции отрицательной двусклеенной линзы силового компонета, выбор материала одиночного положительного мениска 5 силового компонента, имеющего число Аббе более 81, расстояния между отрицательной двусклеенной линзой и одиночным положительным мениском силового компонента не менее 0,3 фокусного расстояния объектива, выбор конструкции коррекционного компонента и суммы оптических сил силового и коррекционного компонентов, не превышающей 0,004 мм^-1, обеспечили более высокое качество изображения при относительном отверстии объектива 1:1,5 и спектральном диапазоне от 560 нм до 1000 нм по сравнению с прототипом. Так, величина поперечной сферической аберрации не превышает 0,009 мм, величина вторичного спектра для параксиальных величин составляет 0,062 мм. Аберрации узких пучков не превышают следующих значений: астигматизм составляет 0,008 мм, кривизна изображения - 0,016 мм, дисторсия - 0,036% для угла поля зрения 2W=6°. Аберрации широких наклонных пучков не превышают 0,02 мм. Хроматизм увеличения составляет 0,0017 мм для края поля зрения. Такое исправление аберраций позволило получить коэффициенты передачи модуляции не менее 0,8 для точки на оси и не менее 0,6 для края поля зрения для частоты 60 мм^-1.The choice of the design of the negative double-glued lens of the power component, the choice of the material of the single positive meniscus 5 of the power component having an Abbe number of more than 81, the distance between the negative double-glued lens and the single positive meniscus of the power component is not less than 0.3 of the focal length of the lens, the choice of the design of the correction component and the sum of the optical forces of the power and correction components, not exceeding 0.004 mm ^-1 , ensured a higher image quality with a relative aperture of the objective wa 1: 1,5 and a spectral range from 560 nm to 1000 nm in comparison with the prototype. So, the magnitude of the transverse spherical aberration does not exceed 0.009 mm, the magnitude of the secondary spectrum for paraxial values is 0.062 mm. The aberrations of narrow beams do not exceed the following values: astigmatism is 0.008 mm, image curvature is 0.016 mm, distortion is 0.036% for a field of view angle of 2W = 6 °. The aberrations of wide inclined beams do not exceed 0.02 mm. The chromaticity of the increase is 0.0017 mm for the edge of the field of view. Such correction of aberrations made it possible to obtain modulation transmission coefficients of at least 0.8 for a point on the axis and at least 0.6 for the edge of the field of view for a frequency of 60 mm ^-1 .

Графики аберраций, приведенные на фиг.3 и 4, подтверждают, что светосильный объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения.The graphs of aberrations shown in FIGS. 3 and 4 confirm that the fast lens has good image quality over the entire field of view.

Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=6° проходит через входной зрачок объектива диаметром 50 мм, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись через поверхности линз силового компонента 1-5, линзы коррекционного компонента 6,7 и светофильтр 8, 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 = 6 ° passes through the entrance pupil of the lens with a diameter of 50 mm, which coincides with the first surface, and, being refracted through the lens surfaces of the power component 1-5, the lenses of the correction component 6.7 and the filter 8, focuses in the image plane where the CCD is located.

Источники информацииInformation sources

1. Патент BY №2797, публикация 2006 г., МПК G02B 9/00.1. Patent BY No. 2797, publication of 2006, IPC G02B 9/00.

2. Патент RU №2218585, публикация 2003 г., МПК G02B 9/60 - прототип.2. Patent RU No. 22218585, publication of 2003, IPC G02B 9/60 - prototype.

Claims

A fast lens, including power and correction components installed along the beam, while the power component contains a positive double-glued lens, a negative double-glued lens and a single meniscus, the correction component contains a single meniscus facing a concave surface to the image space, and a lens characterized in that it is negative the double-glued lens of the power component is made in the form of a meniscus facing a concave surface to the space of objects, and consists of a biconcave and two convex lens, a single meniscus of the power component is made positive, facing a concave surface to the image space, and is located after the negative double-glued lens, a single meniscus of the correction component is positive, and the lens of the correction component is biconcave and located after the positive single meniscus, the distance between the negative double-glued lens and positive single meniscus of the power component is at least 0.3 of the focal length of the object and, the meniscus single power component is made of a material having an Abbe number more than 81, the sum of optical powers of the corrective power components and does not exceed 0.004 mm ^-1.