СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2004 года по МПК G02B13/14 

Предлагаемое изобретение относится к оптическим системам, в частности к светосильным объективам, работающим в инфракрасной области спектра 3,0-5,0 мкм, и может быть использовано в сканерах тепловизионных приборов.

Известно, что сканирующий элемент может быть расположен в объективе как в сходящихся, так и в параллельных пучках лучей. Существует достаточно компактный и простой светосильный объектив, в котором сканирующий элемент расположен в сходящемся пучке лучей [1], однако такая конструкция не обеспечивает высокое качество изображения в пределах всего углового поля в спектральном диапазоне 3,0-5,0 мкм и имеет большую световую зону на сканирующем элементе, соизмеримую с диаметром входящего пучка лучей.

Известны объективы, в которых сканирующий элемент расположен в параллельном пучке лучей либо перед объективом [2], либо между афокальной насадкой негалилеевского типа и фокусирующим объективом [3]. При этом системы [2] имеют большую световую зону на сканирующем элементе, соизмеримую с диаметром входного светового пучка и, как следствие, большие габариты сканирующего элемента и громоздкость системы в целом.

Система [3], работающая в диапазоне 3,0-5,0 мкм, имеет большие продольные габариты афокальной насадки, длина насадки в 2,5 раза больше диаметра головной линзы, небольшое угловое поле 2ω ≤ 4° и большое количество конструктивных элементов в насадке.

Из известных объективов наиболее близким к предлагаемому является объектив [4], состоящий из афокальной насадки, выполненной по схеме Галилея, содержащей три оптических компонента, имеющих форму одиночных менисков, первый из которых имеет отрицательную оптическую силу, выполнен из кремния и обращен вогнутостью к изображению, второй, отрицательный, выполнен из германия и обращен вогнутостью к предмету, третий, положительный, выполнен из кремния и обращен выпуклостью к изображению, и фокусирующего объектива, состоящего из трех одиночных линз менисковой формы, обращенных вогнутостью к изображению, первая из которых имеет положительную оптическую силу и выполнена из кремния, вторая, отрицательная, выполнена из германия, третья, положительная, выполнена из кремния. Между афокальной насадкой и фокусирующим объективом в параллельном пучке лучей находится преломляющий сканирующий элемент, выполненный из кремния. Объектив имеет большую световую зону на сканирующем элементе, примерно в 1,6 раза больше диаметра входного пучка, относительное отверстие 1:1,5, спектральный диапазон 3,0-4,2 мкм, большую длину, но при этом малый задний вершинный отрезок, что создает определенные трудности расположения приемников излучения и системы охлаждения и небольшой воздушный промежуток между афокальной насадкой и фокусирующим объективом, что ограничивает применение различных типов сканирующих элементов.

Задачей изобретения является создание светосильного объектива для сканирующего устройства с повышенными оптическими характеристиками. Технический результат - повышение качества изображения объектива и, одновременно, увеличение относительного отверстия до 1:К=1:1,25 при угловом поле 2ω =6,5° , расширение спектрального диапазона до 3,0-5,0 мкм, увеличение заднего вершинного отрезка, расстояния между афокальной насадкой и фокусирующим объективом, уменьшение размеров световой зоны на сканирующем элементе.

Технический результат достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из афокальной насадки и фокусирующего объектива, между которыми расположен сканирующий элемент, афокальная насадка и фокусирующий объектив выполнены из одиночных менисковых линз, причем афокальная насадка выполнена по схеме телескопа Галилея, в которой первый мениск обращен выпуклостью к предмету, а второй, отрицательный, выполнен из германия, в фокусирующем объективе первый мениск положительный и обращен выпуклостью к предмету в отличие от известного, первый мениск афокальной насадки - положительный, а второй - обращен вогнутостью к изображению, второй мениск фокусирующего объектива - отрицательный, обращенный вогнутостью к предмету и выполнен из флюорита, кроме того, материал, из которого выполнены положительные линзы, удовлетворяет следующим условиям:

2,4≤ n_4,0≤3,5

((n_4,0-1)/(n_3,0-n_5,0))≥ 180,

где n_4,0 - показатель преломления материала для λ =4,0 мкм;

n_3,0- показатель преломления материала для λ =3,0 мкм;

n_5,0 - показатель преломления материала для λ =5,0 мкм;

λ - длина волны излучения.

Рассчитано два варианта светосильного объектива. В первом варианте головная линза афокальной насадки и первая линза фокусирующего объектива выполнены из кремния, во втором варианте - из бескислородного оптического стекла

На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема предлагаемого объектива.

На фиг.2 представлены графики поперечных аберраций для первого варианта предлагаемого объектива.

На фиг.3 представлены кривые астигматизма и дисторсии первого варианта предлагаемого объектива.

На фиг.4 показаны полихроматические функции передачи модуляции (MTF) первого варианта предлагаемого объектива в спектральном диапазоне 3,0-5,0 мкм.

На фиг.5 представлены графики поперечных аберраций для второго варианта предлагаемого объектива.

На фиг.6 представлены кривые астигматизма и дисторсии второго варианта предлагаемого объектива.

На фиг.7 показаны полихроматические функции передачи модуляции (MTF) второго варианта предлагаемого объектива в спектральном диапазоне 3,0-5,0 мкм.

Объектив (фиг.1) состоит из афокальной насадки I и фокусирующего объектива II. Афокальная насадка I содержит положительную одиночную менисковую линзу 1, обращенную выпуклостью к предмету, и отрицательную одиночную менисковую линзу 2, обращенную выпуклостью к предмету, и выполненную из германия. Фокусирующий объектив II содержит положительный мениск 3, обращенный выпуклостью к предмету, и отрицательный мениск 4, обращенный вогнутостью к предмету и выполненный из флюорита. Между афокальной насадкой I и фокусирующим объективом II в плоскости апертурной диафрагмы расположен сканирующий элемент 5, например плоское зеркало, находящийся под углом 45° к оптической оси. При этом положительные мениски 1 и 3 в первом варианте выполнены из кремния, во втором варианте - из бескислородного оптического стекла.

Пучки лучей, исходящие от объекта, проходят через афокальную насадку, последовательно преломляясь на менисковых линзах 1 и 2, формируются в параллельные пучки, попадают на отражающий сканирующий элемент 5 (плоское зеркало). При этом диаметр сечения пучка, падающего на сканирующий элемент 5, в 1,5 раза меньше диаметра входящего пучка лучей. Отразившись от сканирующего элемента 5, лучи последовательно преломляются менисковыми линзами 3 и 4 фокусирующего объектива и собираются в плоскости изображения, удаленной от выпуклой поверхности мениска 4 на 24,4 мм.

Конструктивные параметры рассчитанных вариантов объектива приведены в табл.1 и 2.

Материалы линз, приведенные в табл.1 и 2, имеют значения показателя преломления n и числа Аббе ν , указанные в табл.3.

Из табл.3 видно, что материал, выбранный для положительных линз удовлетворяет указанным ранее условиям:

2,4≤ 3,425≤ 3,5 и 242,5≥ 180 (1 вариант объектива)

2,4≤ 2,7848≤ 3,5 и 182,1≥ 180 (2 вариант объектива).

Вышеуказанные конструктивные параметры позволяют получить объектив со следующими характеристиками:

- фокусное расстояние f’=75 мм;

- относительное отверстие 1:К=1:1,25;

- угловое поле в пространстве предметов 2ω =6° 25’;

- задний вершинный отрезок S’_f’=24,4 мм;

- рабочий спектральный диапазон 3,0-5,0 мкм;

- коэффициент передачи контраста для пространственной частоты 10 мм^-1 составляет 0,83 в центре, 0,8 по полю и 0,7 на краю поля зрения.

Таким образом, получен объектив более простой и компактный по конструкции, обеспечивающий дифракционное качество изображения для мозаичного приемника размером 100× 100 мкм в широком спектральном диапазоне (3,0-5,0 мкм), обладающий более высоким относительным отверстием (1:1,25), увеличенным воздушным промежутком (50 мм) между афокальной насадкой и фокусирующим объективом, что позволяет использовать различные типы сканирующих устройств, причем размер световой зоны на сканирующем элементе в 1,5 раза меньше диаметра входного пучка, увеличенным задним вершинным отрезком S’_f=24,4 мм, что дает возможность применять приемники излучения с охлаждением.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2137319, опубл. 10.09.1999 г., MПК H 04 N 5/33.

2. Патент США №5091646, опубл. 25.02.1992 г., МПК Н 01 L 31/052

3. Патент США №4199217, опубл. 22.04.1980 г., MПК G 02 B 025/00

4. Патент США №4427259, опубл. 24.01.1984 г., МПК G 02 В 013/14 (ближайший аналог).

Светосильный объектив предназначен для работы в инфракрасной области спектра 3,0-5,0 мкм и может быть использован в сканерах малогабаритных тепловизионных приборов. Объектив состоит из афокальной насадки и фокусирующего объектива, между которыми расположен сканирующий элемент. Афокальная насадка, выполненная по схеме телескопа Галилея, и фокусирующий объектив выполнены из одиночных менисковых линз. В афокальной насадке первый мениск выполнен положительным и обращен выпуклостью к предмету, а второй - отрицательный, обращен вогнутостью к изображению и выполнен из германия. В фокусирующем объективе первый мениск положительный и обращен выпуклостью к предмету, а второй - отрицательный, обращен вогнутостью к предмету и выполнен из флюорита. Материал, из которого выполнены положительные линзы, удовлетворяет следующим условиям: 2,4≤ n_4,0≤3,5, ((n4,о-1)/(n_3,0-n_5,0))≥ 180, где n_4,0, n_3,0, n_5,0 - показатели преломления материала для, соответственно, λ =4,0 мкм, λ =3,0 мкм, λ =5,0 мкм, λ - длина волны излучения. Объектив обеспечивает повышение качества изображения и увеличение относительного отверстия до 1:К=1:1,25 при угловом поле 2ω =6,5° , увеличение заднего вершинного отрезка и расстояния между афокальной насадкой и фокусирующим объективом. 7 ил., 3 табл.

Светосильный объектив для сканирующего устройства, состоящий из афокальной насадки и фокусирующего объектива, между которыми расположено сканирующее устройство, при этом и афокальная насадка, и фокусирующий объектив выполнены из одиночных менисковых линз, кроме того, афокальная насадка выполнена по схеме телескопа Галилея, в которой первый мениск обращен выпуклостью к предмету, а второй, отрицательный, выполнен из германия, в фокусирующем объективе первый мениск положительный и обращен выпуклостью к предмету, отличающийся тем, что первый мениск афокальной насадки - положительный, а второй обращен вогнутостью к изображению, второй мениск фокусирующего объектива - отрицательный, обращенный вогнутостью к предмету, и выполнен из флюорита, кроме того, материал, из которого выполнены положительные линзы, удовлетворяет следующим условиям:

2,4≤ n_4,0 ≤3,5

((n_4,0-1)/(n_3,0-n_5,0))≤ 180,

где n_4,0 - показатель преломления материала для λ=4,0 мкм;

n_3,0 - показатель преломления материала для λ=3,0 мкм;

n_5,0 - показатель преломления материала для λ=5,0 мкм;

λ - длина волны излучения.