СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2009 года по МПК G02B9/34 G02B13/14 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в среднем и дальнем ИК-диапазонах длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.

Известен светосильный объектив по патенту России №2183340, G02B 13/14, 9/34, публ. 2002 г., который содержит четыре компонента по ходу лучей, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - вогнутоплоская линза, обращенная плоскостью к изображению, третий - плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к предмету и четвертый - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Объектив рассчитан для фокусного расстояния объектива - 51,14 мм, относительного отверстия - 1:1,65, угла поля зрения - 18 град., заднего фокального отрезка - 45,23 мм и работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм, все линзы у него выполнены из германия с показателем преломления более 4. По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малые фокусное расстояние и относительное отверстие.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является светосильный объектив (Россия, свидетельство на полезную модель №26664, G02B 13/14, 9/34, 9/56, 3/02, публ. 2002 г.), содержащий четыре компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третий и четвертый - положительные мениски, обращенные выпуклостью к предмету. Вторая вогнутая поверхность первого мениска выполнена асферической, имеют место соотношения:

,

d₃≤0,01R₅,

где R₅, R₆ - радиусы кривизны пятой и шестой оптических поверхностей соответственно;

d₃ - толщина третьего компонента.

Объектив работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм, все линзы выполнены из германия с показателем преломления более 4, и рассчитан для фокусного расстояния объектива - 62 мм, относительного отверстия - 1:2, угла поля зрения - 16 град., заднего фокального отрезка - 52,78 мм и отношения расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива - 3,4077.

По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малые фокусное расстояние и относительное отверстие, а также большое отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива, что увеличивает продольные габариты всей конструкции объектива.

Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками при высоком качестве изображения.

Технический результат - увеличение фокусного расстояния, относительного отверстия и уменьшение габаритов при высоком качестве изображения.

Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех одиночных линз по ходу лучей: первой линзы - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второй линзы - отрицательного мениска, третьей линзы - мениска и четвертой линзы - положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, причем первая, вторая и четвертая линзы выполнены из германия; а радиус кривизны первой оптической поверхности третьей линзы по модулю меньше радиуса кривизны второй оптической поверхности третьей линзы, в отличие от известного между первой и второй линзами введена плоскопараллельная пластина, выполненная из селенида цинка; вторая линза обращена вогнутостью к изображению; третья линза - отрицательная, обращенная выпуклостью к изображению, выполнена из селенида цинка и ее толщина находится в пределах от 0,03 до 0,3 величины по модулю радиуса кривизны первой оптической поверхности третьей линзы, все линзы объектива выполнены со сферическими поверхностями.

Кроме того, радиус кривизны первой оптической поверхности третьей линзы может быть равен по модулю радиусу кривизны первой оптической поверхности по ходу лучей четвертой линзы.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.

Светосильный объектив состоит из четырех линз: первой линзы - положительного мениска 1, обращенного вогнутостью к изображению, плоскопараллельной пластины 2, второй линзы - отрицательного мениска 3, обращенного вогнутостью к изображению, третьей линзы - отрицательного мениска 4, обращенного выпуклостью к изображению; четвертой линзы - положительного мениска 5, обращенного выпуклостью к предмету. За мениском 5 может быть расположена одна или несколько плоскопараллельных пластин. Линзы 1, 3 и 5 выполнены из германия, а пластина 2 и линза 4 выполнены из селенида цинка. Радиус кривизны первой оптической поверхности линзы 4 равен по модулю радиусу кривизны первой оптической поверхности линзы 5.

В предложенном объективе отсутствуют асферические поверхности.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив: световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзу 1, плоскопараллельную пластину 2, далее через линзы 3, 4, 5 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).

В соответствии с предложенным решением рассчитан светосильный объектив, исправленный в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм.

Конструктивные параметры светосильного объектива приведены в табл.1.

Объектив рассчитан для фокусного расстояния 100,13 мм, относительного отверстия 1:1,43, угла поля зрения 6 град. 53 мин, заднего фокального отрезка 3,52 мм, отношения расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива 0,9959, апертурной диафрагмы, расположенной на второй оптической поверхности плоскопараллельной пластины 2. Выполнены условия: радиус первой поверхности третьей линзы равен по модулю 34,28 мм и меньше радиуса второй поверхности третьей линзы, равного по модулю 47,64 мм. Толщина третьей линзы по модулю равна 3,1 мм и более 0,03 величины первого радиуса третьей линзы, равной 1,0284 и менее 0,3 величины первого радиуса третьей линзы по модулю, равной 10,284.

Таблица 1 Радиусы, мм Толщины, мм Материал Показатель преломления для λ=10 мкм Световой диаметр, мм R₁=-71,45       70   d₁=6,6 Ge 4,0024   R₂=115,08       68   d₂=12   1   R₃=∞       58,4   d₃=5,4 ZnSe 2,4067   R₄=∞       55,8   d₄=10   1   R₅=134,9       39,7   d₅=4,7 Ge 4,0024   R₆=66,37       36,6   d₆=40   1   R₇=-34,28       22,2   d₇=3,1 ZnSe 2,4067   R₈=-47,64       23   d₈=0,3   1   R₉=34,28       23   d₉=3,1 Ge 4,0024   R₁₀=44,46       21,2   d₁₀=10   1   R₁₁=∞       15   d₁₁=1 Ge 4,0024   R₁₂=∞       15

Таблица 2 Вид аберрации Предложенный объектив (не более) Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:1,43 0,007 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=6 град. 53 мин. 0,025 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=6 град. 53 мин. 0,006 мм Меридиональный астигматический отрезок Х'_м для поля зрения 2W=11 град. 12 мин. 0,0406 мм Сагиттальный астигматический отрезок X'_s для поля зрения 2W=6 град. 53 мин. 0,0271 мм Дисторсия для поля зрения 2W=6 град. 53 мин. - 0,049%

В табл.2 приведены аберрации для длины волны 10 мкм предложенного светосильного объектива.

Введение в светосильном объективе плоскопараллельной пластины между первой и второй линзами позволяет повысить качество изображения и относительное отверстие, так как уменьшает аберрации, в частности хроматические.

Предложенный объектив имеет фокусное расстояние 100,13 мм; относительное отверстие 1:1,43; при этом отношение расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,9959; а также имеет высокое качество изображения, что следует из табл.2.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 12,5 мкм с увеличенными фокусным расстоянием, относительным отверстием и малыми габаритами за счет уменьшения отношения расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива при высоком качестве изображения.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах. Объектив состоит из четырех одиночных линз по ходу лучей: первой линзы - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второй - отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, третьей - отрицательного мениска из селенида цинка, обращенного выпуклостью к изображению, толщина которого находится в пределах от 0,03 до 0,3 величины по модулю радиуса кривизны первой оптической поверхности третьей линзы, четвертой - положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету. Между первой и второй линзами расположена плоскопараллельная пластина, выполненная из селенида цинка. Первая, вторая и четвертая линзы выполнены из германия. Радиус кривизны первой оптической поверхности третьей линзы по модулю меньше радиуса кривизны второй оптической поверхности третьей линзы. Технический результат - увеличение фокусного расстояния, относительного отверстия и уменьшение отношения расстояния от первой оптической поверхности до заднего фокуса к фокусному расстоянию всего объектива при высоком качестве изображения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Светосильный объектив, состоящий из четырех одиночных линз по ходу лучей: первой линзы - положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второй линзы - отрицательного мениска, третьей линзы - мениска и четвертой линзы - положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, причем первая, вторая и четвертая линзы выполнены из германия, а радиус кривизны первой оптической поверхности третьей линзы по модулю меньше радиуса кривизны второй оптической поверхности третьей линзы, отличающийся тем, что между первой и второй линзами введена плоскопараллельная пластина, выполненная из селенида цинка, вторая линза обращена вогнутостью к изображению, третья линза - отрицательная, обращенная выпуклостью к изображению, выполнена из селенида цинка и ее толщина находится в пределах от 0,03 до 0,3 величины по модулю радиуса кривизны первой оптической поверхности третьей линзы, а все линзы объектива выполнены со сферическими поверхностями.

2. Светосильный объектив по п.1, отличающийся тем, что радиус кривизны первой оптической поверхности третьей линзы равен по модулю радиусу кривизны первой оптической поверхности четвертой линзы.