СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ БЛИЖНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2008 года по МПК G02B9/60 G02B11/30 G02B13/14 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических системах, например в визуальных и в ИК-системах, работающих в приборах наблюдения с электронно-оптическим преобразователем или с другим ИК-приемником.

Известен светосильный объектив для ближней ИК-области спектра (свидетельство на полезную модель России №18202, G02В 13/14, 9/34, 9/52, опубл. 2001 г.), содержащий четыре компонента, первый из которых - плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к изображению, второй выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, третий компонент выполнен в виде плосковогнутой линзы, обращенной плоскостью к предмету, четвертый компонент - двусклеенная линза, состоящая по ходу лучей из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, причем за четвертым компонентом расположен светофильтр, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из материала, для которого граничная длина волны соответствует условию:

900≤λ_гр≥630 нм

Объектив имеет фокусное расстояние 124,19 мм, относительное отверстие 1:1,5 и угол поля зрения 2W=8 град, но у данного объектива - небольшой угол поля зрения.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является объектив (а.с. СССР №182360, G02В 9/60, опубл. 1966 г.), содержащий пять компонентов, первый из которых (по ходу лучей) - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй компонент - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, третий компонент - двухсклеенный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, четвертый компонент - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, а пятый компонент - двояковыпуклая линза. Показатель преломления стекол линз склеенного компонента превышает величину 1,65, толщина второго компонента не превышает 20% величины фокусного расстояния объектива, а пятый компонент объектива выполнен из стекла, показатель преломления которого не превышает величины 1,52. Линзы первого и третьего компонента выполнены из тяжелого оптического стекла (сверхтяжелых лантановых кронов и тяжелого флинта). Величина радиуса кривизны поверхности склейки склеенного компонента не менее чем в 5 раз превышает величину фокусного расстояния всего объектива. Апертурная диафрагма расположена за вторым компонентом.

Но у данного объектива - низкое относительное отверстие 1:1,8 и низкая технологичность, так как все радиусы оптических поверхностей - разные и отсутствуют плоские поверхности.

Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива для ближней ИК-области спектра с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - повышение относительного отверстия и повышение технологичности при высоком качестве изображения.

Это достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем пять компонентов, первый из которых (по ходу лучей) - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, выполненный из стекла группы сверхтяжелых кронов, второй компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, третий компонент - двухсклеенный мениск, обращенный внешней, выпуклой поверхностью к изображению, состоящий (по ходу лучей) из отрицательной и положительной линз, четвертый и пятый компоненты - одиночные положительные линзы, в отличие от известного, отрицательная линза третьего компонента выполнена двояковогнутой, а положительная линза третьего компонента - двояковыпуклой, четвертый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы из стекла группы сверхтяжелых кронов, пятый компонент выполнен в виде выпуклоплоской линзы, обращенной плоскостью к изображению, причем показатель преломления стекла положительной линзы склеенного компонента (четвертой по ходу лучей) не превышает величину 1,62 для линии е; а пятый компонент объектива выполнен из стекла, показатель преломления которого превышает величину 1,6 для линии е, кроме того, имеют место условия:

R₄=|R₅|

d₈=d₁₀

1,2<R₆/f'<4,2

где R₄, R₅, R₆ - радиусы четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей по ходу лучей;

d₈ - толщина четвертого компонента;

d₁₀ - толщина пятого компонента;

f - фокусное расстояние всего объектива;

кроме того, перед первым компонентом может находиться светофильтр, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из материала, для которого граничная длина волны соответствует условию:

900 нм ≥ λ_гр ≥ 630 нм.

Применение стекла группы сверхтяжелых кронов в четвертом компоненте и повышение показателя преломления пятого компонента до величины более 1,6 для линии е позволяет уменьшить аберрации высших порядков, улучшить условия исправления сферической аберрации третьих порядков и астигматизма, а также уменьшить четвертую сумму Зейделя. Применение в положительной линзе (четвертой по ходу лучей) двухсклеенного третьего компонента стекла с показателем преломления не более 1,62 для линии е и применение более крутого по сравнению с ближайшим аналогом радиуса склеенной поверхности позволяет улучшить условия для исправления сферической аберрации третьих порядков, астигматизма, хроматизма положения и хроматизма увеличения, а увеличение при этом аберрации высших порядков и четвертой суммы Зейделя компенсируется увеличением толщины третьего компонента.

На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого объектива.

Светосильный объектив для ближней ИК-области спектра состоит из последовательно расположенных по ходу лучей одиночного положительного мениска 1, обращенного выпуклостью к предмету, одиночного отрицательного мениска 2, обращенного выпуклостью к предмету, двояковогнутой линзы 3, склеенной с двояковыпуклой линзой 4, двояковыпуклой одиночной линзы 5 и выпуклоплоской одиночной линзы 6, обращенной плоскостью к изображению. Перед мениском 1 может быть расположен светофильтр, выполненный в виде плоскопараллельной пластины (не показан). Апертурная диафрагма расположена за мениском 2 на расстоянии 4,2 мм.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив. Световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения или фотопленка (не показаны).

В соответствии с предложенным решением рассчитан объектив, исправленный в спектральном диапазоне от 630 до 900 нм.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние24,95 ммотносительное отверстие1:1,5угол поля зрения18 град 20 минзадний фокальный отрезок18,73 ммапертурная диафрагма объектива расположена после линзы 2 на расстоянии4,2 ммОбъектив имеет следующие аберрации для λ=766 нм: поперечная сферическая аберрация для точки на осине более 0,024 ммпоперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=18 град. 20 мин.не более 0,029 ммпоперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=18 град. 20 мин.не более 0,029 мммеридиональный астигматический отрезок Х'_мне более 0,063 ммсагиттальный астигматический отрезок X'_sне более 0,066 ммдисторсияне более 0,95%

Конструктивные параметры объектива приведены в таблице.

ТаблицаРадиус, ммТолщина, ммМарка стеклаПоказатель преломления n_eКоэфф. дисперсии v_eСветовой диаметр, ммR₁=16,67    18 d₁=4,1СТК31,66223757,09 R₂=50,944    16,7 d₂=0,2 1  R₃=15,382    15,4 d₃=3,8Ф1011,61787836,76 R₄=8,356    11,7 d₄=8,1 1  R₅=-8,356    11,3 d₅=0,9ТФ51,76171227,32 R₆=37,142    14 d₆=5TK141,61550660,34 R₇=-11,509    15 d₇=0,2 1  R₈=52,002    16,4 d₈=4,4СТК31,66223757,09 R₉=-21,53    17,1 d₉=0,2 1  R₁₀=48,64    16,6 d₁₀=4,4TK141,61550660,34 R₁₁=∞    15,6

В предлагаемом объективе имеют место равенства:

R₄=|R₅|

d₈=d₁₀

R₆/f'=1,4887

где R₄, R₅, R₆ - радиусы четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей по ходу лучей;

d₈ - толщина четвертого компонента;

d₁₀ - толщина пятого компонента;

f' - фокусное расстояние всего объектива.

Предложенный объектив имеет высокое качество изображения. Значение полихроматического коэффициента передачи модуляции для точки на оси для частоты 60 мм^-1 не менее 0,5 и на краю поля зрения для частоты 50 мм^-1 не менее 0,45.

Таким образом, в результате предложенного решения, обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для ближней ИК-области спектра с повышенным относительным отверстием 1:1,5 при поле зрения 2W=18 град 20 мин, с очень высоким качеством изображения при повышенной технологичности. В объективе имеются два одинаковых радиуса и одна плоская поверхность. При применении оптических поверхностей с одинаковыми радиусами можно использовать одни и те же пробные стекла и обрабатывающий инструмент. Кроме того, для плоских поверхностей на производстве всегда имеются в наличии пробные стекла и обрабатывающий инструмент, а плоские поверхности вместо пробного стекла можно проверять на интерферометре.

Объектив может быть использован в приборах наблюдения с электронно-оптическим преобразователем или с другими ИК-приемниками. Светосильный объектив содержит последовательно расположенные по ходу лучей пять компонентов: одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, двояковогнутую линзу, склеенную с двояковыпуклой линзой, двояковыпуклую одиночную линзу и выпуклоплоскую одиночную линзу, обращенную плоскостью к изображению. В объективе выполняются условия: R₄=|R₅|, d₈=d₁₀, 1,2<R₆/f'<4,2, где R₄, R₅, R₆ - радиусы четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей по ходу лучей; d₈ - толщина четвертого компонента; d₁₀ - толщина пятого компонента; f' - фокусное расстояние всего объектива. Технический результат - повышение относительного отверстия и повышение технологичности при высоком качестве изображения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Светосильный объектив, содержащий пять компонентов, первый из которых (по ходу лучей) - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, выполненный из стекла группы сверхтяжелых кронов, второй компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, третий компонент - двухсклеенный мениск, обращенный внешней выпуклой поверхностью к изображению, состоящий из отрицательной и положительной линз, четвертый и пятый компоненты - одиночные положительные линзы, отличающийся тем, что отрицательная линза третьего компонента выполнена двояковогнутой, а положительная линза третьего компонента - двояковыпуклой, четвертый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы из стекла группы сверхтяжелых кронов, пятый компонент выполнен в виде выпуклоплоской линзы, обращенной плоскостью к изображению, причем показатель преломления стекла положительной линзы склеенного компонента (четвертой по ходу лучей) не превышает величину 1,62 для линии е; а пятый компонент объектива выполнен из стекла, показатель преломления которого превышает величину 1,6 для линии е, кроме того, имеют место условия

R₄=|R₅|,

d₈=d₁₀,

1,2<R₆/f'<4,2,

где R₄, R₅, R₆ - радиусы четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей по ходу лучей;

d₈ - толщина четвертого компонента;

d₁₀ - толщина пятого компонента;

f' - фокусное расстояние всего объектива.

900 нм ≥ λ_гр ≥ 630 нм.