АПОХРОМАТИЧЕСКИЙ АТЕРМАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК G02B9/64 G02B13/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптико-электронных приборах, работающих в спектральном диапазоне излучения 0,4-1 мкм и в широком диапазоне температур от минус 60°C до плюс 60°C, в частности, в аэрофотоаппаратах с матричными приемниками излучения.

В аэрофотосъемочной аппаратуре RMK ТОР, созданной предприятием Carl Zeiss, применялись такие объективы как PLEOGON A3 с фокусным расстоянием 153 мм и угловым полем 93° и TOPAR A3 с фокусным расстоянием 305 мм и угловым полем 56°. Эти объективы описаны в патенте US №2836100, НПК 88-57, опубл. 27.05.1958 г. и имеют коэффициент передачи контраста при относительном отверстии 1/5,6 на частоте 50 л/мм для PLEOGON A3 - 0,63, а для TOPAR A3 - 0,33. Данные объективы обеспечивают хорошее качество изображения в видимом диапазоне при минимальной дисторсии, однако они не являются апохроматами и не позволяют получить высоко контрастные изображения в расширенном спектральном диапазоне 0,4-1 мкм.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является планапохроматический объектив для красной и ближней инфракрасной области спектра, описанный в патенте РФ №2517978, МПК G02B 9/64, G02B 13/14, опубл. в 2014 г. Он содержит два компонента, разделенных апертурной диафрагмой. Первый компонент состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, и склеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, между которыми дополнительно размещен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений. Склеенный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, выполнен положительным, состоящим из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Второй компонент содержит двояковогнутую и двояковыпуклые линзы. Двояковогнутая и первая двояковыпуклая линзы выполнены склеенными. За второй двояковыпуклой линзой дополнительно помещен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству объектов. Все поверхности в объективе сферические. Объектив имеет фокусное расстояние 125 мм, относительное отверстие 1:3,25, линейный размер изображения 62 мм, коэффициент передачи контраста на частоте 50 л/мм в диапазоне от 0,6 до 1 мкм составляет для точки на оси 0,78, для точек по полю - 0,67, задний отрезок 25 мм, максимальный угол падения лучей на приемник излучения 28°.

Задачей изобретения является создание конструкции оптической схемы апохроматического атермального объектива с относительным отверстием не менее 1:4,5, угловым полем не менее 19° для аэрофотоаппаратов с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего возможность сопряжения с современными матричными приемниками излучения, работающими в спектральном диапазоне от 0,4 до 1 мкм и диапазоне температур от минус 60 до плюс 60°C. Особенно актуальным для объективов аэрофотосъемки является оптическая компенсация изменения параметров (показателей преломления, длин, кривизны поверхностей) объектива от температуры, так как использование подвижных элементов в таких объективах недопустимо ввиду необходимости высокой степени стабилизации изображения.

Технический результат - увеличение линейного поля зрения, увеличение заднего отрезка, уменьшение угла падения лучей на приемник излучения, расширение спектрального диапазона при сохранении дифракционного качества изображения.

По первому варианту это достигается тем, что в апохроматическом атермальном объективе по ходу луча первая линза положительная, вторая - отрицательная, третья - двояковогнутая, четвертая - положительная, пятая - положительная, шестая двояковыпуклая, седьмая - отрицательная, причем, апертурная диафрагма находится между четвертой и пятой линзами, в отличие от известного, все линзы в объективе одиночные, при этом, первая линза двояковыпуклая, вторая - двояковогнутая, четвертая - мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, пятая - мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, седьмая - двояковогнутая, за которой добавлена восьмая линза, выполненная в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, причем, последние две линзы имеют асферические поверхности.

По второму варианту это достигается тем, что в апохроматическом атермальном объективе по ходу луча первая линза положительная, вторая - отрицательная, причем первая линза мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, третья - двояковыпуклая, далее расположена четвертая линза, пятая - двояковогнутая, шестая - двояковыпуклая, далее расположена седьмая линза, восьмая - мениск, в отличие от известного, вторая линза двояковогнутая, четвертая положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, седьмая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, а восьмая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, за которым добавлены три мениска, обращенных вогнутостями к пространству изображения, первый и третий из которых положительные, а второй - отрицательный, причем, все линзы в объективе одиночные, а поверхности - сферические.

Предложенное решение иллюстрируется следующими чертежами: на фиг. 1 - оптическая схема первого варианта апохроматического атермального объектива, на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 - графики, на фиг. 5 - оптическая схема второго варианта апохроматического атермального объектива, на фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8 - графики.

Первый вариант объектива (фиг. 1) содержит последовательно расположенные первую линзу, выполненную в виде двояковыпуклой линзы 1, вторую линзу, выполненную в виде двояковогнутой линзы 2, третью линзу, выполненную в виде двояковогнутой линзы 3, четвертую линзу, выполненную в виде положительного мениска 4, обращенного вогнутостью к пространству изображения, пятую линзу, выполненную в виде положительного мениска 5, обращенного вогнутостью к пространству предметов, шестую линзу, выполненную в виде двояковыпуклой линзы 6, седьмую линзу, выполненную в виде двояковогнутой линзы 7, и восьмую линзу, выполненную в виде положительного мениска 8, обращенного вогнутостью к пространству изображения. Апертурная диафрагма находится между четвертой линзой - положительным мениском 4 и пятой линзой - положительным мениском 5. Последние две линзы 7 и 8 имеют асферические поверхности, обращенные к пространству изображения.

Фиг. 2 - график продольной хроматической аберрации первого варианта апохроматического атермального объектива;

Фиг. 3а - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) первого варианта апохроматического атермального объектива при температуре окружающей среды 20°C;

Фиг. 3б - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) первого варианта апохроматического атермального объектива при температуре окружающей среды минус 60°C;

Фиг. 3в - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) первого варианта апохроматического атермального объектива при температуре окружающей среды плюс 60°C;

Фиг. 4 - график дисторсии первого варианта апохроматического атермального объектива;

Апохроматический атермальный объектив по второму варианту (фиг. 5) содержит последовательно расположенные по ходу луча первую линзу, выполненную в виде положительного мениска 9, обращенного вогнутостью к пространству изображения, вторую линзу, выполненную в виде двояковогнутой линзы 10, третью линзу, выполненную в виде двояковыпуклой линзы 11, четвертую линзу, выполненную в виде положительного мениска 12, обращенного вогнутостью к пространству предметов, пятую линзу, выполненную в виде двояковогнутой линзы 13, шестую линзу, выполненную в виде двояковыпуклой линзы 14, седьмую линзу, выполненную в виде отрицательного мениска 15, и восьмую линзу, выполненную в виде положительного мениска 16, причем, мениски 15 и 16 обращены вогнутостями к пространству изображения. Далее по ходу луча в объективе расположены девятая, десятая и одиннадцатая линзы, выполненные соответственно в виде положительного мениска 17, отрицательного мениска 18 и положительного мениска 19, обращенных вогнутостями к пространству изображения. Апертурная диафрагма находится между восьмой линзой, выполненной в виде положительного мениска 16, и девятой линзой - положительным мениском 17, обращенных вогнутостями к пространству изображения. Причем, все линзы в объективе одиночные и выполнены сферическими.

Фиг. 6 - график продольной хроматической аберрации второго варианта апохроматического атермального объектива;

Фиг. 7а - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) второго варианта апохроматического атермального объектива при температуре окружающей среды 20°C;

Фиг. 7б - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) второго варианта апохроматического атермального объектива при температуре окружающей среды минус 60°C;

Фиг. 7в - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) второго варианта апохроматического атермального объектива при температуре окружающей среды плюс 60°C;

Фиг. 8 - график дисторсии второго варианта апохроматического атермального объектива.

Апохроматические атермальные объективы, по обоим вариантам, работают следующим образом: объектив фокусирует излучение в спектральном диапазоне 0,4-1 мкм, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами чувствительной площадки матричного приемника излучения и фокусным расстоянием объектива, и создает действительное изображение объектов в плоскости изображения, с которой совмещается плоскость чувствительных элементов приемника излучения.

В первом варианте апохроматического атермального объектива положительная сферическая аберрация первой двояковыпуклой линзы, второй двояковогнутой линзы, шестой линзы, выполненной в виде двояковыпуклой, и седьмой линзы, выполненной в виде двояковогнутой, компенсируется отрицательной сферической аберрацией третьей линзы, выполненной в виде двояковогнутой, четвертой линзы, выполненной в виде положительного мениска, и пятой линзы, также выполненной в виде положительного мениска.

Восьмая линза, выполненная в виде положительного мениска, сферическую аберрацию не вносит. Отрицательная кома первой линзы, выполненной в виде двояковыпуклой линзы и второй линзы, выполненной в виде двояковогнутой, компенсируется положительной комой пятой линзы, выполненной в виде положительного мениска.

Третья линза, выполненная в виде двояковогнутой линзы, четвертая линза, выполненная в виде положительного мениска, пятая линза, также выполненная в виде положительного мениска, шестая линза, выполненная в виде двояковыпуклой, и седьмая линза, выполненная в виде двояковогнутой, не вносят кому. Положительный астигматизм первой линзы, выполненной в виде двояковыпуклой линзы, второй линзы, выполненной в виде двояковогнутой линзы, третьей линзы, выполненной в виде двояковогнутой линзы, четвертой линзы, выполненной в виде положительного мениска, и восьмой линзы, выполненной в виде положительного мениска, компенсируется отрицательным астигматизмом пятой линзы, выполненной в виде положительного мениска, и расположенных за ними шестой - двояковыпуклой и седьмой - двояковогнутой линз. Положительная кривизна третьей и четвертой линз компенсируется отрицательной кривизной пятой линзы. Первая, вторая, шестая, седьмая и восьмая линзы кривизну не вносят.

Отрицательная дисторсия третьей и четвертой линз уменьшает положительную дисторсию шестой, седьмой и восьмой линз. Первая, вторая и пятая линзы не вносят дисторсию.

Положительный хроматизм положения третьей и четвертой линз компенсируется отрицательным хроматизмом положения пятой линзы. Первая, вторая, шестая, седьмая и восьмая линзы кривизну не вносят.

Незначительный хроматизм увеличения вносят шестая линза, выполненная в виде двояковыпуклой линзы, и седьмая линза, выполненная в виде двояковогнутой линзы. Остальные компоненты хроматизм увеличения не вносят.

Параметры линз первого варианта апохроматического атермального объектива приведены в таблице 1.

Во втором варианте апохроматического атермального объектива первая, вторая, третья, четвертая, пятая, шестая, седьмая и восьмая линзы скорректированы на сферическую аберрацию и кому, вносят положительные астигматизм и кривизну и отрицательные дисторсию и хроматизм положения. Девятая, десятая и одиннадцатая линзы вносят отрицательные астигматизм и кривизну и положительный хроматизм положения, тем самым компенсируя аберрации первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой, седьмой и восьмой линз.

Параметры линз апохроматического атермального объектива по второму варианту приведены в таблице 2.

Рассчитанные объективы удовлетворяют основным условиям.

Условие исправления хроматизма положения в двухлинзовом компоненте:

φ₁+φ₂=φ

φ₁/ν₁+φ₂/ν₂=0.

Условие исправления хроматизма положения и вторичного спектра в трехлинзовых компонентах:

φ1+φ2+φ₃=φ

φ₁/ν₁+φ₂/ν₂+φ₃/ν₃=0

φ₁·P₁/ν₁+φ₂·Р₂/ν₂+φ₃·Р₃/ν₃=0.

Условие отсутствия расфокусировки с учетом изменения размера корпуса - расстояния от последней поверхности системы до плоскости приемника:

-f²Σh_k·φ_k·(β_k/(n_dk-1)-α_k)/h₁=1·α_о,

f - фокусное расстояние объектива,

h₁ - высота луча осевого пучка на первой поверхности объектива,

l - длина оправы,

α_о - коэффициент температурного линейного расширения оправы.

Реализация объектива в обоих вариантах подтверждается примерами конкретного исполнения, приведенными в таблице 3.

Из графиков фиг. 2-4, 6-8 следует, что заявляемые апохроматические атермальные объективы обеспечивают высокое качество изображения, близкое к дифракционному. Так, для пространственной частоты 50 л/мм в диапазоне длин волн от 0,4 до 1 мкм в диапазоне температур от минус 60 до плюс 60°C контраст для точки на оси 0,8, для точек поля - 0,67 для первого варианта и 0,78 и 0,7 соответственно для второго варианта. Задний отрезок увеличен, а угол падения лучей на приемник излучения уменьшен, что позволяет использовать объектив со светоделительными элементами и интерференционными светофильтрами в сходящихся пучках лучей. Изменение фокусного расстояния при уменьшении температуры до минус 60°C, примерно, 0,05% для первого варианта и 0,03% для второго варианта.

Указанная совокупность признаков в каждом из вариантов позволяет создать апохроматический атермальный объектив с угловым полем не менее 20° и фокусным расстоянием 300 мм для аэрофотоаппарата с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими возможность сопряжения с современными матричными приемниками излучения, работающими в диапазоне 0,4-1 мкм.

Таким образом, реализация технических преимуществ, предлагаемых вариантов апохроматических атермальных объективов позволяет создать конструкции объективов с угловым полем не менее 19°, фокусным расстоянием 300 мм для аэрофотоаппаратов с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками на основе современных матричных приемников излучения в диапазоне от 0,4 до 1 мкм.

Изобретение может быть использовано в оптико-электронных приборах, работающих в спектральном диапазоне излучения 0,4-1 мкм и в широком диапазоне температур, например, в аэрофотоаппаратах с матричными приемниками излучения. Первый вариант объектива содержит по ходу луча первую двояковыпуклую линзу, вторую и третью двояковогнутые линзы, четвертую линзу в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, пятую линзу в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, шестую двояковыпуклую линзу, седьмую двояковогнутую линзу и восьмую линзу в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений. Последние две линзы и имеют асферические поверхности. Объектив по второму варианту содержит по ходу луча первую линзу в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, вторую двояковогнутую линзу, третью двояковыпуклую линзу, четвертую линзу в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, пятую двояковогнутую линзу, шестую двояковыпуклую линзу, седьмую линзу в виде отрицательного мениска и восьмую линзу в виде положительного мениска, обращенных вогнутостями к пространству изображений, девятую, десятую и одиннадцатую линзы, выполненные соответственно в виде положительного, отрицательного и положительного менисков, обращенных вогнутостями к пространству изображений. Все линзы в объективе одиночные и выполнены сферическими. Технический результат - увеличение линейного поля зрения, увеличение заднего отрезка, уменьшение угла падения лучей на приемник излучения, расширение спектрального диапазона при сохранении дифракционного качества изображения. 2 н.п. ф-лы, 12 ил., 3 табл.

1. Апохроматический атермальный объектив, в котором по ходу луча первая линза положительная, вторая - отрицательная, третья - двояковогнутая, четвертая - положительная, пятая - положительная, шестая - двояковыпуклая, седьмая - отрицательная, причем, апертурная диафрагма находится между четвертой и пятой линзами, отличающийся тем, что все линзы в объективе одиночные, при этом первая линза - двояковыпуклая, вторая - двояковогнутая, четвертая - мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, пятая - мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, седьмая - двояковогнутая, за которой добавлена восьмая линза, выполненная в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, причем, последние две линзы выполнены с асферическими поверхностями.

2. Апохроматический атермальный объектив, в котором по ходу луча первая линза положительная, вторая - отрицательная, причем первая линза - мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, третья - двояковыпуклая, далее расположена четвертая линза, пятая - двояковогнутая, шестая - двояковыпуклая, далее расположена седьмая линза, восьмая - мениск, отличающийся тем, что вторая линза - двояковогнутая, четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, седьмая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, а восьмая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, за которым добавлены три мениска, обращенных вогнутостями к пространству изображения, первый и третий из которых положительные, а второй - отрицательный, причем, все линзы в объективе одиночные, а поверхности - сферические.