СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2016 года по МПК G02B9/38 G02B13/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к специальным объективам, работающим в дальнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.

Известен светосильный объектив, описанный в патенте RU, №2386155; МПК G02B 9/34, 13/14, опубликованном в 2010 г., состоящий из четырех одиночных линз по ходу лучей: первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению и четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, при этом радиус кривизны первой оптической поверхности четвертой линзы по модулю меньше радиуса кривизны второй оптической поверхности четвертой линзы, кроме того, первая и четвертая линзы выполнены из германия, а вторая и третья линзы выполнены из оптического бескислородного инфракрасного стекла с показателем преломления для длины волны 10 мкм более 2,5 и менее 3,1 и имеют место условия:

|R₅|=|R₇|,

|R₃|>|R₆|,

0,8<R₅/R₆<0,97,

где R₃, R₅, R₆, R₇ - радиусы кривизны третьей, пятой, шестой и седьмой оптических поверхностей по ходу лучей. Кроме того, в данном объективе отношение величины первого воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,108. Данный объектив работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм.

Характеристики объектива: фокусное расстояние 130 мм относительное отверстие 1:1,4 угол поля зрения 9 град задний фокальный отрезок 9,45 мм задний фокальный отрезок без учета защитного стекла 18,7 мм

Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет малое относительное отверстие 1:1,4.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив ИК-области спектра, описанный в патенте RU, №2506616; МПК G02B 9/34, 11/22, 13/14, опубликованном в 2014 г., состоящий из четырех компонентов по ходу лучей: первого компонента - одиночного положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второго компонента - одиночного положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, третьего компонента - одиночного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, и четвертого компонента - одиночного положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, кроме того, первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты - из селенида цинка, при этом фокусные расстояния компонентов удовлетворяют необходимым условиям, заявленным в патенте, и, кроме того, имеют место следующие условия

|R₃|=|R₈|

|R₄|=|R₅|

где R₃, R₄, R₅, R₈ - радиусы третьей, четвертой, пятой и восьмой оптических поверхностей соответственно.

Данный объектив может работать в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм.

Характеристики объектива:

фокусное расстояние 40 мм относительное отверстие 1:0,84 угол поля зрения 12 град. задний фокальный отрезок 6,7 мм

Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако, пересчитанный на фокусное расстояние 130 мм при относительном отверстии 1:1,08 и при угловом поле зрения 2w=6 град имеет недостаточное качество изображения и большие габариты (так, например, продольные аберрации для точки на оси равны - 0,17 мм в плоскости Гаусса и - 0,072 мм в плоскости наилучшей установки, а расстояние от первой оптической поверхности до плоскости изображения составляет 223,58 мм).

Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными оптическими и техническими характеристиками.

Технический результат - повышение качества изображения и уменьшение габаритов.

Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех, расположенных по ходу лучей, одиночных линз: первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - мениск, третья - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, при этом первая и четвертая линзы выполнены из германия, а третья линза - из селенида цинка, в отличие от известного, вторая линза представлена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, выполненного из германия.

Кроме того, могут быть выполнены следующие условия:

|R₂|=|R₆|.

|R₃|=|R₅|.

где R₂, R₃, R₅, R₆ - радиусы кривизны второй, третьей, пятой и шестой оптических поверхностей по ходу лучей.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.

Светосильный объектив состоит по ходу лучей из четырех одиночных линз: первой линзы - положительного мениска 1, обращенного вогнутостью к изображению, второй линзы - отрицательного мениска 2, обращенного вогнутостью к изображению, третьей линзы - отрицательного мениска 3, обращенного вогнутостью к изображению и четвертой линзы - положительного мениска 4, обращенного вогнутостью к изображению. Линзы 1, 2 и 4 выполнены из германия, линза 3 - из селенида цинка. Радиус второй оптической поверхности по ходу лучей может быть равен по модулю радиусу шестой оптической поверхности по ходу лучей, а радиус третьей по ходу лучей оптической поверхности может быть равен радиусу пятой оптической поверхности по ходу лучей. За мениском 4 расположена плоскопараллельная пластина 5, которая может быть выполнена в виде защитного стекла перед приемником оптического излучения (не показан).

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив.

Объектив работает следующим образом: световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4 и плоскопараллельную пластину 5 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).

В соответствии с предложенным решением рассчитаны два варианта конкретного исполнения светосильного объектива, исправленные в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм.

Конструктивные параметры объектива по первому варианту исполнения приведены в таблице 1.

Характеристики рассчитанного объектива по первому варианту:

фокусное расстояние 130 мм относительное отверстие 1:1,08 угол поля зрения 6 град задний фокальный отрезок 0,93 мм задний фокальный отрезок без учета защитного стекла 27,58 мм

Входной зрачок расположен на первой оптической поверхности.

Конструктивные параметры объектива по второму варианту исполнения приведены в таблице 2.

Характеристики рассчитанного объектива по второму варианту исполнения:

фокусное расстояние 130,03 мм относительное отверстие 1:1,08 угол поля зрения 6 град задний фокальный отрезок 0,844 мм задний фокальный отрезок без учета защитного стекла 27,5 мм

Входной зрачок расположен на первой оптической поверхности.

В предлагаемом варианте изобретения имеют место равенства:

|R₂|=|R₆|=274,2;

|R₃|=|R₅|=381,9

В табл. 3 приведены аберрации в плоскости Гаусса для длины волны 10 мкм ближайшего аналога, пересчитанного на фокусное расстояние 130 мм и предложенного светосильного объектива по первому и второму вариантам исполнения.

Предложенный объектив по первому и второму вариантам исполнения имеет более высокое качество изображения, что следует из табл. 3, и уменьшенные габариты, т.к. у него расстояние от первой оптической поверхности до плоскости изображения для первого варианта исполнения равно 173,44 мм, а для второго варианта исполнения равно 173,53 мм.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 12, 5 мкм с повышенным качеством изображения и уменьшенными габаритами.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах. Объектив состоит из четырех одиночных менисков, обращенных вогнутостью к изображению. Первый мениск - положительный, второй и третий - отрицательные, четвертый - положительный. Первый, второй и четвертый мениски выполнены из германия, третий - из селенида цинка. Радиус второй оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу шестой оптической поверхности. Радиус третьей оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу пятой оптической поверхности. Технический результат - повышение качества изображения и уменьшение габаритов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Светосильный объектив, состоящий из четырех, расположенных по ходу лучей, одиночных линз: первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - мениск, третья - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, при этом первая и четвертая линзы выполнены из германия, а третья - из селенида цинка, отличающийся тем, что вторая линза представлена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, выполненного из германия.

2. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что радиус второй оптической поверхности по ходу лучей по модулю равен радиусу шестой оптической поверхности, расположенной по ходу лучей.

3. Светосильный объектив по п. 2, отличающийся тем, что радиус третьей оптической поверхности по ходу лучей по модулю равен радиусу пятой оптической поверхности, расположенной по ходу лучей.