ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК G02B13/14 G02B9/64 

Предлагаемое техническое решение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в приборах, регистрирующих тепловое излучение в средней и дальней ИК-области спектра.

Известны оптические системы для ИК-области спектра, содержащие объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив и действительный вынесенный выходной зрачок (патент РФ №2244949; Proceedings of SPIE, vol.5783, 2005, p.781, fig.4; Proceedings of SPIE, vol.5783, 2005, p.880, fig.6).

Наличие действительного вынесенного выходного зрачка позволяет совместить его с охлаждаемой диафрагмой фотоприемного устройства (ФПУ).

Входной зрачок в данных оптических системах размещается вблизи первой линзы объектива, что позволяет уменьшить диаметры и массу наиболее габаритных линз оптической системы.

Недостатком таких оптических систем является их невысокая светосила.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому решению является оптическая система для ИК-области спектра ("Proceedings of SPIE", vol.5783, 2005, p.781, fig.4, Narrow Field of View), выбранная в качестве прототипа, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первую по ходу лучей положительную линзу и линзу, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, проекционный объектив, содержащий три положительные и одну отрицательную линзы, по ходу лучей первые две линзы имеют положительную общую оптическую силу, третья линза положительная, четвертая линза выполнена в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, и действительный вынесенный выходной зрачок оптической системы.

Данная оптическая система работает в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.

Недостатком этой оптической системы является невысокая светосила. При фокусном расстоянии, равном 60 мм, и угловом поле зрения 7,5° относительное отверстие составляет 1:2.

Задачей заявляемого технического решения является повышение светосилы оптической системы для ИК-области спектра, имеющей действительное промежуточное изображение и действительный вынесенный выходной зрачок.

Это достигается тем, что оптическая система для ИК-области спектра, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первую по ходу лучей положительную линзу и линзу, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, проекционный объектив, содержащий три положительные и одну отрицательную линзы, по ходу лучей первые две линзы имеют положительную общую оптическую силу, третья линза положительная, четвертая линза выполнена в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, и действительный вынесенный выходной зрачок оптической системы, отличается тем, что в объектив после положительного мениска введена отрицательная линза со второй вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит по ходу лучей первую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью, вторую отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью и третью линзу с первой выпуклой поверхностью.

Во втором варианте исполнения оптическая система для ИК-области спектра отличается тем, что в объектив перед положительным мениском введена отрицательная линза с первой вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит по ходу лучей первую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью, вторую отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью и третью линзу с первой выпуклой поверхностью.

В третьем варианте исполнения оптическая система для ИК-области спектра отличается тем, что в объектив после положительного мениска введена отрицательная линза со второй вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит по ходу лучей первую отрицательную линзу со второй вогнутой поверхностью, вторую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью.

В четвертом варианте исполнения оптическая система для ИК-области спектра отличается тем, что в объектив перед положительным мениском введена отрицательная линза с первой вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит по ходу лучей первую отрицательную линзу со второй вогнутой поверхностью, вторую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью.

Представленные иллюстрации поясняют суть предлагаемого решения.

На фиг.1 изображена оптическая схема оптической системы для ИК-области спектра.

На фиг.2, 3, 4 изображены оптические схемы оптической системы для ИК-области спектра по второму, третьему и четвертому вариантам исполнения соответственно.

Оптическая система для ИК-области спектра содержит последовательно расположенные по ходу лучей объектив А, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив В и действительный вынесенный выходной зрачок, расположенный за проекционным объективом. Объектив А содержит по ходу лучей первую положительную линзу 1, вторую линзу 2, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, и третью отрицательную линзу 3 с второй вогнутой поверхностью. Проекционный объектив В содержит три положительные 4, 6, 7 и одну отрицательную 5 линзы. Первые две по ходу лучей линзы 4 и 5 имеют положительную общую оптическую силу, по ходу лучей первая положительная линза 4 имеет вторую выпуклую поверхность, вторая отрицательная линза 5 имеет первую вогнутую поверхность, третья положительная линза 6 имеет первую выпуклую поверхность, четвертая линза 7 выполнена в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению.

По второму варианту исполнения объектив А содержит по ходу лучей первую положительную линзу 1, вторую отрицательную линзу 2 с первой вогнутой поверхностью и третью линзу 3, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению.

По третьему варианту исполнения проекционный объектив В содержит по ходу лучей первую отрицательную линзу 4 со второй вогнутой поверхностью и вторую положительную линзу 5 со второй выпуклой поверхностью.

По четвертому варианту исполнения объектив А содержит по ходу лучей первую положительную линзу 1, вторую отрицательную линзу 2 с первой вогнутой поверхностью и третью линзу 3, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, а проекционный объектив В содержит по ходу лучей первую отрицательную линзу 4 со второй вогнутой поверхностью и вторую положительную линзу 5 со второй выпуклой поверхностью.

Оптическая система работает следующим образом. Объектив А строит действительное промежуточное изображение удаленного предмета, а проекционный объектив В переизображает его в плоскость изображения, совпадающую со светочувствительной площадкой ФПУ.

Действительный вынесенный зрачок оптической системы совпадает с охлаждаемой диафрагмой ФПУ (не показана).

В соответствии с предложенным решением по первому варианту исполнения получена оптическая система для ИК-диапазона от 7,5 до 11 мкм. Конструктивные параметры оптической системы приведены в таблице 1.

Таблица 1Радиусы, ммТолщины, ммПоказатели преломленияr1=276,83d1=224,002172r2=415,58d2=63,02 r3=92,91d3=174,002172r4=95,68d4=20 r5=121,29d5=102,766696r6=65,075d6=89,58 пр. изоб.d6'=76,4 r7=-409,84d7=94,002172r8=-144,66d8=12 r9=-88,31d9=82,407452r10=-137,13d10=1 r11=65,635d11=104,002172r12=76,97d12=1 r13=32,34d13=124,002172r14=25  

Характеристики оптической системы:

- фокусное расстояние - 150 мм;

- относительное отверстие 1:0,8;

- угловое поле зрения - 3°;

- вынос выходного зрачка - 25 мм.

Оптическая система имеет аберрации для длины волны λ=10,6 мкм:

- продольная сферическая аберрация для точки на оси не более 0,030 мм;

- меридиональный астигматический отрезок не более 0,009 мм;

- сагиттальный астигматический отрезок не более 0,036 мм;

- дисторсия - не более 1,2%.

Оптическая система имеет хроматические аберрации для спектрального диапазона от 7,5 до 11 мкм:

- хроматизм положения - 0,053 мм;

- хроматизм увеличения - не более 0,011 мм.

В соответствии с предложенным решением по второму варианту исполнения получена оптическая система для ИК-диапазона от 7,5 до 11 мкм. Конструктивные параметры оптической системы приведены в таблице 2.

Таблица 2Радиусы, ммТолщины, ммПоказатели преломленияr1=823,09d1=204,002172r2=-2834,3d2=78,74 r3=-223,92d3=102,766696r4=-584,2d4=1 r5=112,17d5=144,002172r6=126,67d6=114,76 пр. изоб.d6'=59,5 r7=-362,3d7=94,002172r8=-133,19d8=12 r9=-64,99d9=82,407452r10=-92,85d10=1 r11=89,56d11=104,002172r12=129,64d12=1 r13=31,84d13=124,002172r14=25  

Характеристики оптической системы:

- фокусное расстояние - 150 мм;

- относительное отверстие 1:0,8;

- угловое поле зрения - 3°;

- вынос выходного зрачка - 25 мм.

Оптическая система имеет аберрации для длины волны λ=10,6 мкм:

- продольная сферическая аберрация для точки на оси не более 0,027 мм;

- меридиональный астигматический отрезок не более 0,051 мм;

- сагиттальный астигматический отрезок не более 0,023 мм;

- дисторсия - не более 1%.

Оптическая система имеет хроматические аберрации для спектрального диапазона от 7,5 до 11 мкм:

- хроматизм положения - 0,068 мм;

- хроматизм увеличения - не более 0,011 мм.

В соответствии с предложенным решением по третьему варианту исполнения получена оптическая система для ИК-диапазона от 7,5 до 11 мкм. Конструктивные параметры оптической системы приведены в таблице 3.

Таблица 3Радиусы, ммТолщины, ммПоказатели преломленияr1=246,65d1=244,002172r2=349,91d2=104,83 r3=85,67d3=144,002172r4=90,74d4=20 r5=149,98d5=82,766696r6=60,58d6=60,37 пр. изоб.d6'=66,8 r7=561,76d7=72,407452r8=150,33d8=6 r9=3285,3d9=104,002172r10=-236,9d10=7 r11=74,74d11=104,002172r12=89,47d12=1 r13=37,3d13=124,002172r14=25  

Характеристики оптической системы:

- фокусное расстояние - 150 мм;

- относительное отверстие 1:0,8;

- угловое поле зрения - 3°;

- вынос выходного зрачка - 25 мм.

Оптическая система имеет аберрации для длины волны λ=10,6 мкм:

- продольная сферическая аберрация для точки на оси не более 0,021 мм;

- меридиональный астигматический отрезок не более 0,105 мм;

- сагиттальный астигматический отрезок не более 0,028 мм;

- дисторсия - не более 2%.

Оптическая система имеет хроматические аберрации для спектрального диапазона от 7,5 до 11 мкм:

- хроматизм положения - 0,011 мм;

- хроматизм увеличения - не более 0,011 мм.

В соответствии с предложенным решением по четвертому варианту исполнения получена оптическая система для ИК-диапазона от 7,5 до 11 мкм. Конструктивные параметры оптической системы приведены в таблице 4.

Таблица 4Радиусы, ммТолщины, ммПоказатели преломленияr1=434,44d1=214,002172r2=1247,8d2=95,8 r3=-241,04d3=112,766696r4=-1820,6d4=1 r5=113,49d5=154,002172r6=136,83d6=104,2 пр. изоб.d6'=50 r7=530,54d7=62,407452r8=150,09d8=8 r9=-3213,2d9=94,002172r10=-224,62d10=7 r11=88,16d11=104,002172r12=132,56d12=1 r13=31,69d13=124,002172r14=25  

Характеристики оптической системы:

- фокусное расстояние - 150 мм;

- относительное отверстие 1:0,8;

- угловое поле зрения - 3°;

- вынос выходного зрачка - 25 мм.

Оптическая система имеет аберрации для длины волны λ=10,6 мкм:

- продольная сферическая аберрация для точки на оси не более 0,022 мм;

- меридиональный астигматический отрезок не более 0,003 мм;

- сагиттальный астигматический отрезок не более 0,009 мм;

- дисторсия - не более 1,1%.

Оптическая система имеет хроматические аберрации для спектрального диапазона от 7,5 до 11 мкм:

- хроматизм положения - 0,062 мм;

- хроматизм увеличения - не более 0,01 мм.

Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является создание оптической системы для ИК-области спектра с действительным промежуточным изображением и действительным вынесенным выходным зрачком, имеющей высокую светосилу, работающей в средней и дальней ИК-области спектра с относительным отверстием не менее 1:0,8.

Оптическая система содержит объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первую положительную линзу и положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, проекционный объектив, содержащий первые две линзы, имеющие общую положительную оптическую силу, третью положительную линзу и четвертый положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и действительный вынесенный выходной зрачок. В первом варианте в объектив после положительного мениска введена отрицательная линза со второй вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит первую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью, вторую отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью и третью линзу с первой выпуклой поверхностью. Во втором варианте в объектив перед положительным мениском введена отрицательная линза с первой вогнутой поверхностью, а проекционный объектив выполнен как в первом варианте. В третьем варианте в объектив после положительного мениска введена отрицательная линза со второй вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит первую отрицательную линзу со второй вогнутой поверхностью, вторую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью. В четвертом варианте в объектив перед положительным мениском введена отрицательная линза с первой вогнутой поверхностью, а проекционный объектив выполнен как в третьем варианте. Технический результат - повышение светосилы оптической системы для ИК-области спектра, имеющей действительное промежуточное изображение и действительный вынесенный выходной зрачок. 4 н.п. ф-лы, 4 табл., 4 ил.

1. Оптическая система для ИК-области спектра, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первую по ходу лучей положительную линзу и линзу, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, проекционный объектив, содержащий три положительные и одну отрицательную линзы, по ходу лучей первые две линзы имеют общую положительную оптическую силу, третья линза положительная, четвертая линза положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и действительный вынесенный выходной зрачок оптической системы, отличающаяся тем, что в объектив после положительного мениска введена отрицательная линза со второй вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит по ходу лучей первую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью, вторую отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью и третью линзу с первой выпуклой поверхностью.2. Оптическая система для ИК-области спектра, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первую по ходу лучей положительную линзу и линзу, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, проекционный объектив, содержащий три положительные и одну отрицательную линзы, по ходу лучей первые две линзы имеют общую положительную оптическую силу, третья линза положительная, четвертая линза положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и действительный вынесенный выходной зрачок оптической системы, отличающаяся тем, что в объектив перед положительным мениском введена отрицательная линза с первой вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит по ходу лучей первую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью, вторую отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью и третью линзу с первой выпуклой поверхностью.3. Оптическая система для ИК-области спектра, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первую по ходу лучей положительную линзу и линзу, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, проекционный объектив, содержащий три положительные и одну отрицательную линзы, по ходу лучей первые две линзы имеют общую положительную оптическую силу, третья линза положительная, четвертая линза положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и действительный вынесенный выходной зрачок оптической системы, отличающаяся тем, что в объектив после положительного мениска введена отрицательная линза со второй вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит по ходу лучей первую отрицательную линзу со второй вогнутой поверхностью, вторую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью.4. Оптическая система для ИК-области спектра, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первую по ходу лучей положительную линзу и линзу, выполненную в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, проекционный объектив, содержащий три положительные и одну отрицательную линзы, по ходу лучей первые две линзы имеют общую положительную оптическую силу, третья линза положительная, четвертая линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и действительный вынесенный выходной зрачок оптической системы, отличающаяся тем, что в объектив перед положительным мениском введена отрицательная линза с первой вогнутой поверхностью, а проекционный объектив содержит по ходу лучей первую отрицательную линзу со второй вогнутой поверхностью, вторую положительную линзу со второй выпуклой поверхностью.