Широкоугольный объектив типа рыбий глаз

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а точнее, к объективам, работающими с ПЗС-приемниками и может быть использована для получения информации от внешних объектов. Широкоугольный объектив типа рыбий глаз, содержащий семь компонентов, первый и второй компоненты - отрицательные, причем второй компонент выполнен в форме мениска, а остальные - положительные, при этом пятый компонент склеен из положительной и отрицательной линз, причем первый компонент - плосковогнутая линза, выполненная из сверхтяжелого крона, второй компонент обращен вогнутостью к объекту, третий, четвертый, шестой и седьмой компоненты - одиночные линзы, положительная линза пятого компонента выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой, при этом апертурная диафрагма расположена между третьим и четвертым компонентами, после седьмого компонента установлен биасферический отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, обе поверхности мениска представляют собой асферики высшего порядка, форма поверхностей которых описывается уравнением:

,

где z - стрелка поверхности, рассчитываемая вдоль оптической оси объектива; h - текущая координата, измеряемая по оси перпендикулярной оптической оси объектива выражает высоту падения луча на поверхность; с=1/r - кривизна поверхности при ее вершине; r - радиус кривизны при вершине; k - коэффициент эксцентриситета; _i - коэффициенты полинома. 1 з.п., 2 илл.

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а точнее, к объективам, работающими с ПЗС-приемниками и может быть использована для получения информации от внешних объектов.

Известен широкоугольный объектив по патенту США, N7,239,456 В2, МПК G02B 13/04, опубл. 06.10.2005, который содержит 10 компонентов.

Объектив аналог имеет угловое поле 100 угловых градусов и относительное отверстие 1:2.8.

Недостаток известного объектива - малое угловое поле и неудовлетворительное качество изображения.

Наиболее близким по техническому решению является широкоугольный объектив типа рыбий глаз патент РФ 2379722,МПК G02В 9/64, опубл. 20.01.2010 со следующими техническими характеристиками: фокусное расстояние 1.93 мм, относительное отверстие 1:2.8, угловое поле 2w=170 угловых градусов, толщина пластинки, выполненной из стекла К8, составляет 1.8 мм. Этот объектив выбран авторами за прототип.

Объектив-прототип содержит семь компонентов, первый и второй из которых - отрицательные мениски, обращенные вогнутостью к пространству изображений, третий - склеенный из отрицательной и положительной линз, четвертый склеен из отрицательного и положительного менисков, за ним расположена апертурная диафрагма, пятый компонент - положительный, склеенный из положительного и отрицательного менисков, причем четвертый и пятый компоненты ориентированы вогнутой стороной в сторону диафрагмы, шестой склеен из отрицательной и положительной линз, а седьмой - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту.

К недостаткам прототипа относится неудовлетворительное качество изображения, которое снижает информативность объектива, малое линейное поле изображения и невысокое относительное отверстие, большая величина аберрации дисторсии, характерная для всех особо широкоугольных объективов со сферическими поверхностями.

Задачей изобретения является создание объектива с повышенной информативностью с одновременным увеличением линейного поля изображения и относительного отверстия за счет конструктивного выполнения его оптической схемы.

Решение указанной задачи достигается тем, что в широкоугольном объективе типа рыбий глаз, содержащем семь компонентов, первый и второй компоненты - отрицательные, причем второй компонент выполнен в форме мениска, а остальные - положительные, при этом пятый компонент склеен из положительной и отрицательной линз, первый компонент - плосковогнутая линза, выполненная из сверхтяжелого крона, второй компонент обращен вогнутостью к объекту, третий, четвертый, шестой и седьмой компоненты - одиночные линзы, положительная линза пятого компонента выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой, при этом после седьмого компонента установлен биасферический отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, обе поверхности мениска представляют собой асферики высшего порядка, форма поверхностей которых описывается уравнением:

где z - стрелка поверхности, рассчитываемая вдоль оптической оси объектива; h - текущая координата, измеряемая по оси перпендикулярной оптической оси объектива выражает высоту падения луча на поверхность; с=1/r - кривизна поверхности при ее вершине; r - радиус кривизны при вершине; k - коэффициент эксцентриситета; _i - коэффициенты полинома.

Выполнение первого компонента в виде плосковогнутой линзы, изготовленной из сверхтяжелого крона, а второго компонента в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, позволяет корригировать кривизну изображения и кому высшего порядка, а также хроматические аберрации.

Третий, четвертый, шестой и седьмой компоненты - одиночные линзы, положительная линза пятого компонента выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой, при этом после седьмого компонента установлен биасферический отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, обе поверхности мениска представляют собой асферики высшего порядка, форма поверхностей которых описывается уравнением:

именно такое выполнение компонентов позволяют исправлять астигмо-хроматические аберрации и кривизну поля, а также аберрации высшего порядка в широких наклонных пучках.

Расположение апертурной диафрагмы между третьим и четвертым компонентами позволяет улучшить коррекцию аберраций в зрачках, которые сильно влияют на качество изображения при больших углах, характерных для объективов типа рыбий глаз.

Плоскопараллельная пластинка, установленная в плоскости изображения, должна учитываться при коррекции аберраций, поскольку она расположена в сходящемся пучке лучей. Пластинка является элементом приемника изображения - ПЗС-матрицы и должна обеспечивать ее функционирование ПЗС-камеры.

Указанная совокупность обеспечивает необходимое и достаточное количество параметров оптической системы, позволяющих создать объектив с повышенной информативностью с одновременным улучшением качества изображения за счет конструктивного выполнения его оптической схемы.

Совокупность всех признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации широкоугольного объектива с вынесенным входным зрачком, большим линейным полем в пространстве изображений, одновременно обладающим улучшенным качеством изображения.

Сущность изобретения поясняется чертежами: где

на фиг.1 представлена оптическая схема широкоугольного объектива типа рыбий глаз;

на фиг.2 представлены графики частотно-контрастных характеристик объектива по предлагаемому изобретению

Широкоугольный объектив типа рыбий глаз, содержит последовательно расположенные по ходу луча восемь компонентов и апертурную диафрагму 4 (АД), расположенную между третьим и четвертым компонентами, первый компонент 1 - плосковогнутая линза, обращенная вогнутостью к изображению, а второй 2 - отрицательный, обращенные вогнутостью к пространству объектов, третий компонент 3 - одиночная положительная линза, четвертый компонент - одиночная положительная линза 5, пятый компонент склеен из двояковыпуклой 6 и двояковогнутой 7 линз, шестой компонент одиночная положительная линза 8, седьмой компонент - одиночная линза 9, а восьмой компонент - дополнительно установленный отрицательный мениск 10, обращенный вогнутостью к объекту, плоскопараллельная пластинка 11 - обеспечивает защиту светочувствительного слоя ПЗС матрицы.

Объектив работает следующим образом: световой поток от бесконечно удаленного объекта последовательно проходит через все элементы объектива 1-11, после которых образуется изображение в фокальной плоскости 12 объектива. Изображение затем совмещается со светочувствительным слоем ПЗС-матрицы (на чертежах не показана).

Примером конкретной реализации предлагаемого изобретения является широкоугольный объектив типа рыбий глаз, имеющий фокусное расстояние 3.83 мм, относительное отверстие 1:2.5 и угловое поле 2w=160°, полное линейное поле в пространстве изображений - 7.6 мм, толщина пластинки, выполненной из стекла К8, составляет 0.63 мм.

Конструктивные параметры объектива представлены в таблице 1, коэффициенты асферических поверхностей мениска 10 представлены в таблице 2, а его технические характеристики объектива в целом даны в таблице 3.

Таблица 1.
Конструктивные параметры объектива.
N поверхности	Радиусы, мм	Толщины, Мм	Марки стекол	Световые высоты, мм
Объект		бесконечность	Воздух	8.0
1	плоский	1.5	СТК19	4.75
2	5.321	4.3	-	4.85
3	-9.17	3.9	ТФ10	6.5
4	-13.77	0.2	-	5.5
5	11.92	2.05	СТК19	5.5
6	плоский	6.7	-	1.78
7 - диафрагма	плоский	0.2	-	3
8	6.83	1.3	ТФ10	3
9	плоский	0.13	-	2.25
10	19.422	1..65	СТК19	2.25
11	-3.133	0.5	ТФ10	2.7
12	7.727	1.5	-	4
13	32.00	1.2	К8	4
14	6.668	1.7	-	4
15	9.917	1.15	СТК19	3.7
16	-0.5204*	1.3	-	3.44
17	-0.5365*	0.6	E48R**	3.7
18	плоский	0.63		3.8
19	Плоский	0.63		3.81
Изображение				3.86
Примечание:* асферические поверхности ** - материал - Zeon E48R

Таблица 2
коэффициенты асферических поверхностей мениска 10
	Поверхность 16	Поверхность 17
h	0-3.5	0-3.8
r	-0.52	-0.54
k	9996	1484
1	0.0097839087	0.02562161
2	0.029519768	0.025186417
3	-0.0023005772	-0.0032348261
4	-0.0018508752	-0.0015539285
5	-0.00016258528	-0.00014803092
6	4.3423128е-005	-7.2290496е-005
7	-6.3655616е-005	-1.75064е-005
8	9.4671036е-006	6.1897784е-006

Техническим преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом являются:

1. улучшение качества изображения по критерию ЧКХ при частоте 50 лин/мм в 3 раза, что соответствует значению дифракционного предела для объектива с указанными характеристиками.

2. увеличение линейного поля изображения в 2 раза.

3. уменьшение дисторсии в 1.5 раза.

Реализация технических преимуществ объектива по предлагаемой полезной модели повышает его информативность, что позволяет использовать его как широкоугольный объектив типа рыбий глаз, обладающий качеством изображения, близким к дифракционному и уменьшенной аберрацией дисторсии, позволяющей обеспечить подобие изображения объекту, что важно для решения задач наблюдения.

Дополнительным преимуществом предлагаемой полезной модели является то, что первый компонент - плосковогнутая линза может использоваться в качестве защитного иллюминатора, например, при работе в жидких средах, в гидрообъективах или объективах, работающих в агрессивных средах.

Широкоугольный объектив типа рыбий глаз, содержащий семь компонентов, первый и второй компоненты - отрицательные, причем второй компонент выполнен в форме мениска, а остальные - положительные, при этом пятый компонент склеен из положительной и отрицательной линз, отличающийся тем, что первый компонент - плосковогнутая линза, выполненная из сверхтяжелого крона, второй компонент обращен вогнутостью к объекту, третий, четвертый, шестой и седьмой компоненты - одиночные линзы, положительная линза пятого компонента выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой, при этом апертурная диафрагма расположена между третьим и четвертым компонентами, после седьмого компонента установлен биасферический отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, обе поверхности мениска представляют собой асферики высшего порядка, форма поверхностей которых описывается уравнением:

,

где z - стрелка поверхности, рассчитываемая вдоль оптической оси объектива; h - текущая координата, измеряемая по оси перпендикулярной оптической оси объектива выражает высоту падения луча на поверхность; с=1/r - кривизна поверхности при ее вершине; r - радиус кривизны при вершине; k - коэффициент эксцентриситета; _i - коэффициенты полинома.