RU2801083C1

RU2801083C1 - Wide angle television lens

Info

Publication number: RU2801083C1
Application number: RU2022113761A
Authority: RU
Inventors: Владимир Львович Парко; Георгий Васильевич Вазагов; Дмитрий Сергеевич Исаков
Original assignee: Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод"
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2023-08-01

Abstract

FIELD: lenses.

SUBSTANCE: lens consists of three components and an aperture diaphragm. The first component contains four single lenses: the first is meniscus-shaped with an aspherical convex surface, located with a concave surface to the image plane, the second is biconcave, the third is a meniscus, located with a concave surface to the object space, the fourth is an aspherical biconvex, located with an aspherical surface to the object space. The second component consists of two biconvex and biconcave lenses glued in pairs, located with a concave surface to the image plane. The third component is a meniscus with an aspherical concave surface directed towards the image plane. The optical powers of the components are: (0.17-0.56)φ'_ls, (-0.07-0.26)φ'_ls, (0.028-0.47)φ'_ls respectively, where φ'_ls is the optical power of the lens.

EFFECT: increased relative aperture, field of view and improved image quality.

4 cl, 4 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности, к широкоугольным объективам, работающим с ПЗС-приемниками, и может быть использовано в различных оптических приборах и компонентах, которые требуют широкого поля зрения и высокого качества изображения.The invention relates to optical instrumentation, in particular, to wide-angle lenses that work with CCD receivers, and can be used in various optical devices and components that require a wide field of view and high image quality.

Известен широкоугольный объектив (патент РФ №2445658, от 30.12.2010, опубл. 20.03.2012, МПК G02B 9/62), состоящий из плосковыпуклой линзы, обращенной плоскостью к предмету, плосковогнутой линзы, обращенной плоскостью к предмету, одиночной двояковыпуклой линзы, двояковогнутой линзы, склеенной с двояковыпуклой линзой, одиночной двояковыпуклой линзы, одиночного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. В объективе имеют место соотношения: 1,63<n₁=n₂<1,68; 1,73<n₅<2,1; 1,57<п₆<1,64; 1,6<n₈<1,675, где n₁, n₂, n₅ n₆, n₈ - показатели преломления материала, соответственно, первой и второй линз первого компонента, двояковогнутой и двояковыпуклой линз третьего компонента и мениска четвертого компонента для линии d. Перед двояковонутой линзой расположена апертурная диафрагма. Перед двояковогнутой линзой может находиться плоскопараллельная пластина или светофильтр.A wide-angle lens is known (RF patent No. 2445658, dated December 30, 2010, published on March 20, 2012, IPC G02B 9/62), consisting of a plano-convex lens facing the object with its plane, a plano-concave lens facing the object with its plane, a single biconvex lens, biconcave a lens glued to a biconvex lens, a single biconvex lens, a single negative meniscus with its concavity facing the image. The following ratios take place in the lens: 1.63<n ₁ =n ₂ <1.68;1.73< _n5 <2.1;1.57<n ₆ <1.64;1.6<n ₈ <1.675, where n ₁ , n ₂ , n ₅ n ₆ , n ₈ are the refractive indices of the material, respectively, of the first and second lenses of the first component, biconcave and biconvex lenses of the third component and the meniscus of the fourth component for line d . An aperture diaphragm is located in front of the biconcave lens. A plane-parallel plate or light filter can be placed in front of a biconcave lens.

Недостатками данного объектива являются: малое относительное отверстие (1:3,5), недостаточно широкое поле зрения (70°), низкое качество формируемого изображения (низкая разрешающая способность).The disadvantages of this lens are: a small relative aperture (1:3.5), an insufficiently wide field of view (70°), low image quality (low resolution).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению - прототипом - является оптическая схема широкоуголького телевизионного объектива, описанная в патенте РФ №208915, от 26.07.2021, опубл. 21.01.2022, МПК G02B 9/64. Объектив состоит из последовательно расположенных по ходу луча пяти компонентов и действующей апертурной диафрагмы, расположенной между третьим и четвертым компонентами.The closest in technical essence to the claimed invention - the prototype - is the optical design of a wide-angle television lens, described in the patent of the Russian Federation No. 208915, dated July 26, 2021, publ. 01/21/2022, IPC G02B 9/64. The lens consists of five components sequentially arranged along the beam and an active aperture diaphragm located between the third and fourth components.

Первый компонент выполнен в виде трех одиночных отрицательных менисков, расположенных вогнутой стороной к пространству изображения, второй и третий компонент - положительные мениски, расположенные вогнутой стороной к пространству предметов, склеенные из двояковогнутых и двояковыпуклых линз, четвертый компонент представлен в виде двух одиночных положительных мениска - первый мениск обращен вогнутой стороной к пространству изображений, а второй обращен вогнутой стороной к пространству предметов, пятый компонент - двояковыпуклая линза, склеенная из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, расстояние между третьим компонентов и диафрагмой равно расстояние между четвертым компонентом и диафрагмой равно , что обеспечивает установку действующей изменяемой ирисовой диафрагмы, оптические силы компонентов составляют: где - фокусное расстояние объектива, - оптическая сила объектива. Конструктивные параметры широкоугольного объектива, позволяют оценить величину дисторсии, которая составляет менее 15% по краю поля зрения.The first component is made in the form of three single negative menisci, located with the concave side to the image space, the second and third components are positive menisci, located with the concave side to the space of objects, glued from biconcave and biconvex lenses, the fourth component is presented in the form of two single positive menisci - the first the meniscus faces the image space with its concave side, and the second one faces the object space with its concave side, the fifth component is a biconvex lens glued from a biconvex lens and a negative meniscus, the distance between the third component and the diaphragm is the distance between the fourth component and the diaphragm is , which ensures the installation of an operating variable iris diaphragm, the optical powers of the components are: Where - focal length of the lens, - optical power of the lens. The design parameters of a wide-angle lens make it possible to estimate the amount of distortion, which is less than 15% at the edge of the field of view.

Недостатками прототипа являются: малое относительное отверстие (1:2,8), недостаточно широкое поле зрения (91°), а также низкое качество формируемого изображения (низкая разрешающая способность).The disadvantages of the prototype are: small relative aperture (1:2.8), insufficiently wide field of view (91°), as well as poor image quality (low resolution).

Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: увеличение относительного отверстия, увеличение поля зрения и улучшение качества получаемого изображения при сохранении имеющегося значения дисторсии (менее 15%).The technical problem is to obtain the following technical result: an increase in the relative aperture, an increase in the field of view and an improvement in the quality of the resulting image while maintaining the existing distortion value (less than 15%).

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом широкоугольном телевизионном объективе, состоящем из расположенных последовательно по ходу лучей трех компонентов и действующей апертурной диафрагмы, первый из которых выполнен в виде четырех одиночных линз, первая - менискообразная линза с асферической выпуклой поверхностью, расположенная вогнутой поверхностью к плоскости изображения, вторая линза - двояковогнутая отрицательная, третья линза -мениск, расположенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертая линза представлена в виде асферической двояковыпуклой линзы, расположенной асферической поверхностью к пространству предметов; второй компонент состоит из двух попарно склеенных двояковыпуклой и двояковогнутой линз, расположенных вогнутой поверхностью поверхностью к плоскости изображения; третий компонент выполнен в виде мениска с асферической вогнутой поверхностью направленной к плоскости изображения; кроме того между первым и вторым компонентами расположена действующая апертурная диафрагма; оптические силы компонентов составляют: соответственно, где - оптическая сила объектива. Все асферические поверхности объектива представляют собой кривые высших порядков.This technical result is achieved by the fact that in the proposed wide-angle television lens, consisting of three components arranged in series along the beams and an active aperture diaphragm, the first of which is made in the form of four single lenses, the first is a meniscus-shaped lens with an aspherical convex surface, located with a concave surface to image plane, the second lens is a biconcave negative, the third lens is a meniscus, located with a concave surface to the space of objects, the fourth lens is presented in the form of an aspherical biconvex lens, located with an aspherical surface to the space of objects; the second component consists of two pairs of glued biconvex and biconcave lenses, located with a concave surface to the image plane; the third component is made in the form of a meniscus with an aspherical concave surface directed towards the image plane; in addition, between the first and second components there is an active aperture diaphragm; the optical powers of the components are: respectively, where - optical power of the lens. All aspherical surfaces of the lens are higher order curves.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая схема частного случая исполнения широкоугольного телевизионного объектива; на фиг. 2 - частотно-контрастная характеристика широкоугольного телевизионного объектива 150 штр/мм; на фиг. 3 -частотно-контрастная характеристика широкоугольного телевизионного объектива 80 штр/мм; на фиг. 4 - график дисторсии в процентном соотношении к полю зрения.The invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows an optical diagram of a particular case of a wide-angle television lens; in fig. 2 - frequency-contrast characteristic of a wide-angle television lens 150 lines/mm; in fig. 3 - frequency-contrast characteristic of a wide-angle television lens 80 lines/mm; in fig. 4 - graph of distortion as a percentage of the field of view.

Широкоугольный телевизионный объектив (фиг. 1) состоит из расположенных по ходу лучей трех компонентов, действующей апертурной диафрагмы и светофильтра, первый из которых выполнен в виде четырех одиночных линз, первая - менискообразная линза с асферической выпуклой поверхностью, расположенная вогнутой поверхностью к плоскости изображения, вторая линза - двояковогнутая отрицательная, третья линза - мениск, расположенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертая линза представлена в виде асферической двояковыпуклой линзы, расположенной асферической поверхностью к пространству предметов; второй компонент состоит из двух попарно склеенных двояковыпуклой и двояковогнутой линз, расположенных вогнутой поверхностью к плоскости изображения; третий компонент выполнен в виде мениска с асферической вогнутой поверхностью направленной к плоскости изображения; кроме того, между первым и вторым компонентами расположена действующая апертурная диафрагма, а также установлен светофильтр.A wide-angle television lens (Fig. 1) consists of three components located along the beams, an active aperture diaphragm and a light filter, the first of which is made in the form of four single lenses, the first is a meniscus-shaped lens with an aspherical convex surface, located with a concave surface to the image plane, the second the lens is a biconcave negative, the third lens is a meniscus located with a concave surface to the space of objects, the fourth lens is presented in the form of an aspherical biconvex lens located with an aspherical surface to the space of objects; the second component consists of two pairs of glued biconvex and biconcave lenses, located with a concave surface to the image plane; the third component is made in the form of a meniscus with an aspherical concave surface directed towards the image plane; in addition, between the first and second components there is an active aperture diaphragm, and a light filter is also installed.

В частных случаях исполнения оптические элементы могут быть выполнены из оптического бесцветного стекла без радиационно-оптической устойчивости, или же из оптического стекла с радиационно-оптической устойчивостью.In particular cases of execution, optical elements can be made of optical colorless glass without radiation-optical stability, or of optical glass with radiation-optical stability.

Широкоугольный телевизионный объектив работает следующим образом: световой поток, исходящий из плоскости предметов, расположенной на бесконечно удаленном расстоянии, проходит последовательно через все компоненты объектива и фокусируется в плоскости изображения, где находится фотоприемное устройство, например, ПЗС-матрица (на фиг. 1 не показано).A wide-angle television lens works as follows: the light flux emanating from the plane of objects located at an infinitely distant distance passes sequentially through all the components of the lens and is focused in the image plane where the photodetector is located, for example, a CCD matrix (not shown in Fig. 1 ).

Технические характеристики конкретной реализации данного объектива представлены в таблице 1.Technical characteristics of a specific implementation of this lens are presented in Table 1.

В таблицах 2 и 3 приведены конструктивные параметры широкоугольного телевизионного объектива.Tables 2 and 3 show the design parameters of a wide-angle television lens.

Стрелка прогиба асферических поверхностей строится по следующему уравнению в соответствии с данными приведенными в таблице 3:The deflection arrow of aspherical surfaces is constructed according to the following equation in accordance with the data given in Table 3:

где R - радиус кривизны поверхности; k - коническая постоянная; y -высота, α₁; α₂, α_з, α₄ - коэффициенты асферики.where R is the radius of curvature of the surface; k - conic constant; y-height, α ₁ ; α ₂ , α _z , α ₄ - aspheric coefficients.

Конструктивные элементы, указанные в таблицах 1 и 2, обеспечивают следующие соотношения для компонентов объектива: The structural elements listed in tables 1 and 2 provide the following ratios for the lens components:

На фиг. 2 представлен график частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) на пространственной частоте 150 штр/мм. Контраст изображения составляет 0,583 для осевого светового пучка и 0,550 для краевого светового пучка, соответствующего полю зрения 2ω=98°. На фиг. 3 представлен график частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) на пространственной частоте 80 штр/мм. Контраст изображения составляет 0,787 для осевого светового пучка и 0,770 для краевого светового пучка, соответствующего полю зрения поля зрения 2ω=98°. На фиг. 4 изображена кривая дисторсии, на краю поля зрения дисторсия не превышает значения в 15%.In FIG. 2 is a graph of the frequency contrast response (FCR) at a spatial frequency of 150 lines/mm. The image contrast is 0.583 for the axial light beam and 0.550 for the edge light beam corresponding to the field of view 2ω=98°. In FIG. 3 is a plot of the frequency contrast response (FCR) at a spatial frequency of 80 lines/mm. The image contrast is 0.787 for the axial light beam and 0.770 for the edge light beam corresponding to the field of view of the field of view 2ω=98°. In FIG. 4 shows the distortion curve, at the edge of the field of view, the distortion does not exceed 15%.

Анализ графиков, представленных на фиг. 2-4 и сравнение данных конкретной реализации прототипа (контраст изображения 0,45 для осевого светового пучка и 0,35 для краевого светового пучка на пространственной частоте 80 штр/мм) позволяют сделать вывод о том, что разрешающая способность предлагаемого объектива увеличена более чем в 1,7 раз.Analysis of the graphs presented in Fig. 2-4 and comparing the data of a specific implementation of the prototype (image contrast 0.45 for an axial light beam and 0.35 for an edge light beam at a spatial frequency of 80 lines/mm) allow us to conclude that the resolution of the proposed lens is increased by more than 1.7 times.

Таким образом, предлагаемый телевизионный объектив обладает широким полем зрения 98°, большим относительным отверстием 1:2, улучшенным качеством изображения при сохранении дисторсии на уровне не более 15% по краю поля зрения.Thus, the proposed television lens has a wide field of view of 98°, a large relative aperture of 1:2, improved image quality while maintaining distortion at a level of no more than 15% at the edge of the field of view.

Claims

1. A wide-angle television lens, consisting of three components arranged in series along the beam path and an active aperture diaphragm, characterized in that the first component is made in the form of four single lenses, the first is a meniscus-shaped lens with an aspherical convex surface, located with a concave surface to the image plane, the second the lens is a biconcave negative, the third lens is a meniscus, located with a concave surface to the space of objects, the fourth lens is presented in the form of an aspherical biconvex lens, located with an aspherical surface to the space of objects, the second component consists of two pairs of glued biconvex and biconcave lenses, located with a concave surface to the plane image, the third component is made in the form of a meniscus with an aspherical concave surface directed to the image plane, in addition, an active aperture diaphragm is located between the first and second components, the optical powers of the components are:

(0.17-0.56) φ' _about , (-0.07-0.26) φ' _about , (0.028-0.47) φ' _about respectively,

where φ' _about is the optical power of the lens,

in this case, all aspherical surfaces of the lens are curves of higher orders.

2. A wide-angle television lens according to claim 1, characterized in that between the first and second components there is a plane-parallel plate or light filter.

3. Wide-angle television lens according to claim 1, characterized in that the optical elements are made of optical colorless glass without radiation-optical stability.

4. Wide-angle television lens according to claim 1, characterized in that the optical elements are made of optical glass with radiation-optical stability.