RU2822998C1 - Светосильный длиннофокусный объектив - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к оптическому приборостроению. Светосильный длиннофокусный объектив состоит по ходу лучей из трех оптических компонентов, первый из которых положительный, состоит из последовательно расположенных по ходу лучей положительной плоско-выпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, отрицательной двояковогнутой линзы и положительной плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второй компонент выполнен положительным и состоит по ходу лучей из первой положительной двояковыпуклой линзы, первого отрицательного выпукло-вогнутого мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов, второго отрицательного выпукло-вогнутого мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов и второй положительной двояковыпуклой линзы. Третий компонент состоит по ходу лучей из положительной выпукло-вогнутой линзы, установленной первой по ходу лучей обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и из отрицательной двояковогнутой линзы, расположенной за положительной выпукло-вогнутой линзой. За третьим компонентом расположена плоско-параллельная пластина, установленная в оптической схеме последней по ходу лучей. Технический результат - повышение технологичности при сохранении высокого качества изображения в спектральном диапазоне 400-700 нм, повышение уровня аберрационной коррекции изображения и увеличение линейного поля изображения. 2 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в качестве фотографического объектива для зеркальных и беззеркальных фотокамер.

Известен четырехлинзовый объектив, описанный в статье «Фотографические и проекционные объективы, разработанные в ГОИ. Альбом» под редакцией проф., д.т.н. Е.Н. Царевского, карточка 39.10б). Фокусное расстояние данного объектива составляет F=150 мм, относительное отверстие - 1:1,4. Четырехлинзовый объектив состоит по ходу лучей из двух разделенных воздушным промежутком компонентов - первого, состоящего из первой двояковыпуклой и второй плосковогнутой линз, объединенных в склеенный дублет, и второго компонента, состоящего из склеенных третьей по ходу лучей двояковыпуклой и четвертой вогнуто-выпуклой линз. Объектив имеет недостаточный размер формируемого изображения 2y’=30 мм и недостаточную разрешающую способность, равную 15 лин/мм при y’=0 мм и 5 лин/мм при y’=15 мм.

Известен одиннадцатилинзовый объектив, раскрытый в патенте CN №107255857, «35-mm F1.4 ultra-large aperture digital camera full frame lens», опубликованном 17.10.2017, МПК G02B 13/00. Фокусное расстояние данного объектива составляет F=135 мм, относительное отверстие - 1:1,4. Данный объектив состоит из двух компонентов, разделенных воздушным промежутком. Первый компонент состоит из восьми линз, из которых вторая и третья по ходу лучей объединены в склеенный дублет, четвертая, пятая и шестая линзы образуют склеенный триплет, седьмая и восьмая линзы - склеенный дублет, причем воздушные промежутки между элементами составляют не более 2 мм. Второй компонент объектива представляет собой три склеенных линзы. Однако, данный объектив имеет недостаточный уровень относительной освещенности при 2y’=21,6 мм равный 33% от уровня освещенности при 2y’=0 мм и недостаточное значение полихроматического коэффициента передачи модуляции для спектральной функции, характеризующей CMOS-матрицы фотоаппаратов. Кроме того, объектив имеет недостаточную технологичность, так как в его конструкции использовано два склеенных трехлинзовых и два склеенных двухлинзовых компонента.

Известен также четырнадцатилинзовый объектив, описанный в патенте JP №2020008628 «Optical system and image capturing device», МПК G02B 13/00, G02B 13/18, опубликованном 16.01.2020. Фокусное расстояние данного объектива составляет F=131 мм, относительное отверстие - 1:1,41. Этот объектив состоит из четырех компонентов, разделенных воздушными промежутками. Первый компонент состоит из первой и второй по ходу лучей линз, склеенных между собой, и является подвижным для произведения фокусировки объектива. Второй компонент состоит по ходу лучей из третьей, четвертой и пятой раздельно стоящих линз. Между вторым компонентом и третьим, состоящим из шестой и седьмой, восьмой и девятой линз, объединенных в склеенные дублеты, десятой линзы и склеенного дублета из одиннадцатой и двенадцатой линз, находится апертурная диафрагма объектива. Четвертый компонент, состоящий из склеенных тринадцатой и четырнадцатой линз, наряду с первым компонентом, также является подвижным для обеспечения фокусировки объектива. Для объективы выполнены следующие соотношения: n₂, n₃, n₅, n₁₀, n₁₁, n₁₄>1,8; n₆=1,497; v₆=81,5, где n₂, n₃, n₅, n₆, n₁₀, n₁₁, n₁₄ - показатели преломления материала второй, третьей, пятой, десятой, одиннадцатой и четырнадцатой по ходу лучей линз, а v₆ - число Аббе материала шестой линзы объектива. Также обращенная к объекту поверхность пятой линзы является асферической восьмого порядка. При этом объектив имеет недостаточный уровень относительной освещенности при 2y’=21,6 мм, равный 28% от уровня освещенности при 2y’=0 мм и недостаточное для обеспечения работы с малоформатными зеркальными камерами заднее вершинное расстояние, равное 13,87 мм. Технологичность объектива также недостаточна вследствие наличия в оптической схеме пяти склеенных элементов и применения разных радиусов кривизны для всех оптических поверхностей.

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является десятилинзовый светосильный объектив, раскрытый в патенте RU №2338225 «Светосильный объектив-апохромат (Варианты)», опубликованном 10.11.2008, МПК G02B 9/64.. Фокусное расстояние данного объектива составляет F=100 мм, относительное отверстие - 1:1.8. Светосильный объектив состоит из трех оптических компонентов. Первый из которых положительный, выполнен из последовательно расположенных по ходу лучей положительной линзы, отрицательной линзы и положительной плоско-выпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второй оптический компонент положительный, выполнен из первой положительной линзы, второй положительной линзы, первого отрицательного выпукло-вогнутого мениска, второго отрицательного выпукло-вогнутого мениска. Третий оптический компонент отрицательный, содержащий отрицательную двояко-вогнутую линзу. За третьим оптическим компонентом расположена плоско-параллельная пластина, установленная последней по ходу лучей. При этом вторая, четвертая, шестая и седьмая линзы объектива выполнены из монокристаллического фторида кальция, а третья, пятая и восьмая линзы объектива - оптические стекла из группы особых флинтов (ОФ6 и ОФ4). Однако данный светосильный объектив имеет недостаточный угол поля зрения 2β=8.4°, недостаточный коэффициент передачи модуляции для спектральной функции, приведенной в таблице 2, для β=4° (средний коэффициент передачи модуляции при частоте 10 мм^-1=0,67, при частоте 30 мм^-1=0,4). Кроме того, заднее вершинное расстояние объектива составляет 1,6 мм, что недостаточно для использования с малоформатными беззеркальными и зеркальными фотокамерами. Наконец, использование в качестве материала монокристаллического фторида кальция и отсутствие поверхностей с равными радиусами кривизны делают технологичность объектива также недостаточной.

Задачей предлагаемого изобретения является создание светосильного длиннофокусного объектива с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - повышение технологичности при сохранении высокого качества изображения в спектральном диапазоне 400-700 нм, повышение уровня аберрационной коррекции изображения и увеличение линейного поля изображения.

Это достигается тем, что в светосильном длиннофокусном объективе, состоящем из трех оптических компонентов, первый из которых положительный, выполнен из последовательно расположенных по ходу лучей положительной линзы, отрицательной линзы и положительной плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, второй оптический компонент положительный, выполнен из первой положительной линзы, второй положительной линзы, первого отрицательного выпукло-вогнутого мениска, второго отрицательного выпукло-вогнутого мениска, третий оптический компонент отрицательный, содержащий отрицательную двояко-вогнутую линзу, за третьим оптическим компонентом расположена плоско-параллельная пластина, установленная последней по ходу лучей, в отличие от известного, в первом оптическом компоненте положительная линза выполнена плоско-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, отрицательная линза первого оптического компонента выполнена двояковогнутой, во втором оптическом компоненте первая и вторая положительные линзы выполнены двояковыпуклыми, по ходу лучей расположены первая положительная двояковыпуклая линза, за ней установлен первый отрицательный выпукло-вогнутый мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости предметов, за ним установлен второй отрицательный выпукло-вогнутый мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости предметов, за ним установлена вторая положительная двояковыпуклая линза, а между первым и вторым отрицательными выпукло-вогнутыми менисками, обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями, расположена апертурная диафрагма, в третьем оптическом компоненте введена положительная выпукло-вогнутая линза, установленная первой по ходу лучей перед отрицательной двояковогнутой линзой и обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, причем имеют место соотношения:

1,6>n₁>1,62,

59>v₁>61,

1,735>n₂=n₆>1,755,

49>v₂=v₆>51,

1,43>n₃=n₄=n₇=n₈>1,46,

90>v₃=v₄=v₇=v₈>94,

1,50>n₅=n₉>1,53,

62>v₅=v₉>65,

где n_i - показатель преломления n_d материала i-й линзы светосильного длиннофокусного объектива, v_i - число Аббе v_d материала i-й линзы светосильного длиннофокусного объектива.

На фиг. 1 изображена оптическая схема светосильного длиннофокусного объектива, на фиг. 2 представлена частотно-контрастная характеристика светосильного длиннофокусного объектива для показателей 10 л/мм и 30 л/мм.

Светосильный длиннофокусный объектив (фиг. 1) выполнен с фокусным расстоянием F=150 мм и относительным отверстием 1:1,4, и состоит по ходу лучей из трех оптических компонентов, первый из которых положительный, состоит из последовательно расположенных по ходу лучей положительной плоско-выпуклой линзы 1, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, отрицательной двояковогнутой линзы 2 и положительной плосковыпуклой линзы 3, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второй оптический компонент выполнен положительным и состоит по ходу лучей из первой положительной двояковыпуклой линзы 4, первого отрицательного выпукло-вогнутого мениска 5, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов, второго отрицательного выпукло-вогнутого мениска 6, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов и второй положительной двояковыпуклой линзы 7. Между первым отрицательным выпукло-вогнутым мениском 5 и вторым отрицательным выпукло-вогнутым мениском 6, обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями, расположена апертурная диафрагма на расстоянии 14,5 мм от второй по ходу лучей поверхности отрицательного выпукло-вогнутого мениска 5, установленная с целью упрощения сборки объектива. Третий оптический компонент состоит по ходу лучей из положительной выпукло-вогнутой линзы 8, установленной первой по ходу лучей обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов и из отрицательной двояковогнутой линзы 9, расположенной за положительной выпукло-вогнутой линзой 8. За третьим оптическим компонентом расположена плоско-параллельная пластина 10, установленная в оптической схеме последней по ходу лучей.

Светосильный длиннофокусный объектив работает следующим образом. Параллельные световые пучки из пространства предметов последовательно проходят оптические компоненты I-IV оптической системы. То есть, световой поток проходит через положительную плоско-выпуклую линзу 1, отрицательную двояковогнутую линзу 2, положительную плоско-выпуклую линзу 3, первую положительную двояковыпуклую линзу 4, первый отрицательный выпукло-вогнутый мениск 5, второй отрицательный выпукло-вогнутый мениск 6, вторую положительную двояковыпуклую линзу 7, положительную выпукло-вогнутую линзу 8 и через отрицательную двояковогнутую линзу 9. Далее световой поток, пройдя через все оптические элементы светосильного длиннофокусного объектива, формирует изображение в плоскости наилучшей установки, в которой находится фотоприемное устройство (на фиг. не указано). Фокусировка светосильного длиннофокусного объектива на конечное расстояние осуществляется перемещением всей оптический схемы.

В качестве конкретного примера реализации изобретения рассчитан светосильный длиннофокусный объектив, исправленный в спектральном диапазоне от 400 нм до 700 нм с конструктивными данными, представленными в таблице 1 - Параметры оптической схемы светосильного длиннофокусного объектива.

В первом оптическом компоненте поверхности 2 и 6 соответственно первого и третьего элементов в оптической схеме выполнены плоскими, а отрицательная двояковогнутая линза 2 имеет симметричные радиусы кривизны, что позволяет повысить технологичность светосильного длиннофокусного объектива. С этой же целью число линзовых компонентов ограничено девятью элементами и исключено применение склеенных линзовых компонентов.

Объектив обеспечивает разрешение 100 мм^-1 с коэффициентом контраста 0,3 для осевого пучка. Достигнутое оптическое качество обусловлено применением в положительной плоско-выпуклой линзе 3, первой положительной двояковыпуклой линзе 4, второй положительной двояковыпуклой линзе 7 и в положительной выпукло-вогнутой линзе 8 низкодисперсного материала с параметрами n_d=1,447, v_d=92,01, что позволяет эффективно контролировать хроматические аберрации. Коррекция аберраций наклонных пучков достигается за счет разделения собирающей системы на первый и второй оптические компоненты. Кроме того, положительная выпукло-вогнутая линза 8 и отрицательная двояковогнутая линза 9 третьего оптического компонента выполнены корректирующими кривизну поля и астигматизм, что также позволяет корректировать аберрации наклонных пучков.

Уровень освещенности светосильного длиннофокусного объектива при высоте изображения 27 мм от оптической оси составляет 30% от уровня освещенности на оси. В таблице 2 представлена спектральная функция, характеризующая CMOS матрицы фотоаппаратов, с указанием длин волн и весовых коэффициентов предлагаемого светосильного длиннофокусного объектива

В таблице 3 указан полихроматический коэффициент передачи модуляции рассчитанного светосильного длиннофокусного объектива для спектральной функции, приведенной в таблице 2.

Рассчитанный светосильный длиннофокусный объектив имеет следующие характеристики:

Фокусное расстояние объектива F	150 мм
Относительное отверстие	1:1.45
Угловое поле в пространстве предметов	20,6 град.
Линейное поле зрения	2y`-54 мм
Задний фокальный отрезок (без учета
светофильтра)	42,5 мм

Для данного объектива имеют место соотношения:

1,6>n₁>1,62,

59>v₁>61,

1,735>n₂=n₆>1,755,

49>v₂=v₆>51,

1,43>n₃=n₄=n₇=n₈>1,46,

90>v₃=v₄=v₇=v₈>94,

1,50>n₅=n₉>1,53,

62>v₅=v₉>65.

Таким образом, создан светосильный длиннофокусный объектив с уменьшенным числом оптических элементов, в оптической схеме которого отсутствуют склеенные компоненты и увеличено число линз с плоскими поверхностями, вследствие чего достигнут технический результат - повышена технологичность светосильного длиннофокусного объектива при сохранении высокого качества изображения в спектральном диапазоне 400-700 нм, повышен уровень аберрационной коррекции изображения и увеличено линейное поле изображения, достаточное для работы с КМОП матрицами размером 44×33 мм.

Claims (10)

1. Светосильный длиннофокусный объектив, состоящий из трех оптических компонентов, первый из которых положительный, выполнен из последовательно расположенных по ходу лучей положительной линзы, отрицательной линзы и положительной плоско-выпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, второй оптический компонент положительный, выполнен из первой положительной линзы, второй положительной линзы, первого отрицательного выпукло-вогнутого мениска, второго отрицательного выпукло-вогнутого мениска, третий оптический компонент отрицательный, содержащий отрицательную двояко-вогнутую линзу, за третьим оптическим компонентом расположена плоско-параллельная пластина, установленная последней по ходу лучей, отличающийся тем, что в первом оптическом компоненте положительная линза выполнена плосковыпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, отрицательная линза первого оптического компонента выполнена двояковогнутой, во втором оптическом компоненте первая и вторая положительные линзы выполнены двояковыпуклыми, по ходу лучей расположены первая положительная двояковыпуклая линза, за ней установлен первый отрицательный выпукло-вогнутый мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости предметов, за ним установлен второй отрицательный выпукло-вогнутый мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости предметов, за ним установлена вторая положительная двояковыпуклая линза, а между первым и вторым отрицательными выпукло-вогнутыми менисками, обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями, расположена апертурная диафрагма, в третьем оптическом компоненте введена положительная выпукло-вогнутая линза, установленная первой по ходу лучей перед отрицательной двояко-вогнутой линзой и обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, причем имеют место соотношения:
2. 1,6>n₁>1,62,
3. 59>v₁>61,
4. 1,735>n₂=n₆>1,755,
5. 49>v₂=v₆>51,
6. 1,43>n₃=n₄=n₇=n₈>1,46,
7. 90>v₃=v₄=v₇=v₈>94,
8. 1,50>n₅=n₉>1,53,
9. 62>v₅=v₉>65,
10. где n_i - показатель преломления n_d материала i-й линзы светосильного длиннофокусного объектива, v_i - число Аббе v_d материала i-й линзы светосильного длиннофокусного объектива.