Фотографический объектив Российский патент 2017 года по МПК G02B9/64 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве приемного объектива в оптико-электронных приборах, формирующих изображения объектов земной поверхности через реальную атмосферу и работающих без перефокусировки с фотоприемными устройствами видимого, ближнего и коротковолнового ИК диапазонов в аппаратуре различного назначения, например в космической аппаратуре.

Известен телеобъектив коллиматора для ближней ИК области спектра, состоящий их двух компонентов с расположением апертурной диафрагмы перед первой линзой первого компонента (патент RU 2247416 С1, опубл. 27.02.2005) с расширенным спектральным диапазоном, с фокусным расстоянием f'=599,91 мм, относительным отверстием 1:7,5, линейным полем зрения 72 мм (при угловом поле зрения 2W=6°54'), с хорошим исправлением всех аберраций. Объектив состоит из 8 линз, скомпонованных в два компонента, первый компонент - шестилинзовый, второй - двухлинзовый, первый компонент содержит линзы 1, 3 и 5 - двояковыпуклые, линзы 2, 3 и 6 - двояковогнутые, второй компонент содержит двояковогнутую линзу 7 и двояковыпуклую линзу 8.

Недостатком этого объектива является малый спектральный диапазон (600-1000 нм) и небольшая величина относительного отверстия (1:7,5).

Наиболее близким по технической сущности является фотографический объектив (патент RU 2183028 С1, опубл. 27.05.2002) с фокусным расстоянием f'=192,5 мм, относительным отверстием 1:4,8, линейным полем зрения 58 мм (при угловом поле зрения 2W=17°), с хорошим исправлением всех аберраций в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн (540-900 нм), состоящий из двух компонентов, первый из которых по ходу лучей содержит первый и второй положительные мениски, третий отрицательный мениск, обращенные вогнутостью к изображению, и положительную двояковыпуклую линзу. Второй компонент содержит первую и вторую отрицательные двояковогнутые линзы, третью положительную двояковыпуклую линзу и четвертую в виде или положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, или в виде двояковыпуклой положительной линзы.

Недостатком этого объектива является малый спектральный диапазон (540-900 нм), отсутствие коротковолнового ИК диапазона и недостаточное линейное поле зрения (58 мм при угловом поле зрения 2W=17°).

Задачей настоящего изобретения является увеличение линейного поля зрения и расширение спектрального диапазона, включая коротковолновый ИК с сохранением одновременно приемлемого качества изображения в видимом, ближнем ИК (400-900 нм) и коротковолновом ИК диапазонах (1500-1700 нм) в расширенном температурном интервале.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в объективе, состоящем из двух компонентов, состоящих из последовательно расположенных одиночных линз, первый компонент содержит положительную линзу, второй компонент содержит четыре одиночные линзы, первая из которых отрицательная, третья - двояковыпуклая, отличающийся тем, что содержит апертурную диафрагму, расположенную между компонентами, первый компонент выполнен из двух линз, первая линза которого выполнена в виде двояковыпуклой положительной линзы, а вторая - в виде двояковогнутой отрицательной линзы, первая линза второго компонента выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, вторая - в виде положительной двояковыпуклой линзы, четвертая - в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и второй компонент дополнен двумя отрицательными менисками, обращенными выпуклостью к изображению, а группа из первых трех линз второго компонента имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, а в объективе имеет место соотношение:

где Δl_гЗk2 - величина перемещения по оптической оси группы из первых трех линз второго компонента;

- фокусное расстояние объектива.

Схема объектива показана на чертеже.

Объектив состоит по ходу лучей из двояковыпуклой линзы 1, двояковогнутой линзы 2, выпукловогнутой линзы 3, обращенной вогнутостью к изображению, двояковыпуклой линзы 4, двояковыпуклой линзы 5, выпукловогнутой линзы 6, обращенной выпуклостью к изображению, выпукловогнутой линзы 7, обращенной выпуклостью к изображению, выпукловогнутой линзы 8, обращенной выпуклостью к изображению и плоскопараллельной пластины 9. При этом группа линз 3, 4 и 5 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси.

Апертурная диафрагма расположена между линзами 2 и 3.

Конструктивные данные объектива приведены в таблице 1.

При перемещении группы линз 3, 4 и 5 вдоль оптической оси на величину ±0,158 мм осуществляется термокомпенсация положения плоскости наилучшей установки (ПНУ) в диапазоне температур от +5 до +35°С.

Таким образом, параметры вариантов исполнения объектива:

расчетные длины волн λ₁=0,6 мкм и λ₂=1,6 мкм рабочие спектральные диапазоны Δλ₁=0,4…0,9 мкм и Δλ₂=1,5…1,7 мкм фокусное расстояние 300,00 мм (λ₁) и 300,02 мм (λ₂) линейное поле зрения 64,0 мм относительное отверстие 1:3,5; дисторсия 0,61% (λ₁) и 0,62% (λ₂) задний фокальный отрезок 32,3434 мм (λ₁) и 32,3778 мм (λ₂) задний отрезок до стекла фотоприемника, обеспечивающий положение ПНУ 32,1267 мм (для λ₁ и λ₂) длина по оптической оси 365,8 мм масса оптических деталей 1,68 кг

Принцип действия объектива заключается в следующем. Объектив работает следующим образом.

Световой поток, исходящий из плоскости предметов, находящейся в бесконечности, проходит через фотографический объектив и изображается в плоскости наилучшей установки, в которой находится фотоприемное устройство (не показано), цифровой сигнал с которого формирует изображение.

Группа линз 3, 4 и 5 второго компонента установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, которое позволяет компенсировать температурный увод плоскости наилучшей установки.

Величина перемещения группы линз 3, 4 и 5 второго компонента, достаточная для термокомпенсации смещения ПНУ в диапазоне температур от +5 до +35°С, равна 0,158 мм, что не превышает величину:

В оптическом расчете учтена толщина защитного стекла 9 фотоприемника.

Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:

- толщину защитного стекла фотоприемника, равную 2,0 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива, равную:

- в видимом и ближнем ИК диапазонах:

0,40 мкм - 0,4;

0,50 мкм - 0,6;

0,60 мкм - 1,0;

0,70 мкм - 1,0;

0,80 мкм - 0,6;

0,90 мкм - 0,3;

- в коротковолновом ИК диапазоне:

1,50 мкм - 0,5;

1,55 мкм - 0,7;

1,60 мкм - 1,0;

1,65 мкм - 0,7;

1,70 мкм - 0,5;

- пространственную частоту 100 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 5 мкм) для видимого и ближнего ИК диапазонов;

- пространственную частоту 40 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 12,5 мкм) для коротковолнового ИК диапазона, получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива:

в видимом и ближнем ИК диапазонах:

для точки на оси (дифракционное качество) КПК=70,3% для точки на оси (аберрационное качество) КПК=50,5% для точки поля 22 мм КПК_M=48,9% КПК_C=56,4% для точки поля 32 мм КПК_M=43,9% КПК_C=50,4%

в коротковолновом ИК диапазоне:

для точки на оси (дифракционное качество) КПК=70,6% для точки на оси (аберрационное качество) КПК=66,5% для точки поля 22 мм КПК_M=66,0% КПК_C=64,9% для точки поля 32 мм КПК_M=58,5% КПК_C=59,2%

Как видно из расчетов, фотографический объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает работоспособность в видимом, ближнем ИК (400-900 нм) и коротковолновом ИК диапазоне (1500-1700 нм) в расширенном температурном интервале, высокую светосилу (1:3,5), большое линейное поле зрения (64 мм) и приемлемое качествс изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников линейки или матрицы с размером пикселя 5 мкм и 12,5 мкм.

Объектив может быть применен в оптико-электронных приборах, работающих в видимом, ближнем и коротковолновом ИК диапазонах. Объектив содержит два компонента, между которыми расположена апертурная диафрагма. Первый компонент содержит двояковыпуклую и двояковогнутую линзы. Второй компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, две двояковыпуклые линзы и три отрицательных мениска, обращенных выпуклостью к изображению. Группа из трех первых линз второго компонента может перемещаться вдоль оптической оси. Технический результат - увеличение линейного поля зрения и расширение спектрального диапазона с сохранением качества изображения в видимом, ближнем и коротковолновом ИК диапазонах в расширенном температурном интервале. 1 ил., 1 табл.

Фотографический объектив, состоящий из двух компонентов, состоящих из последовательно расположенных одиночных линз, первый компонент из которых содержит положительную линзу, второй компонент содержит четыре одиночные линзы, первая из которых отрицательная, третья - двояковыпуклая, отличающийся тем, что содержит апертурную диафрагму, расположенную между компонентами, первый компонент выполнен из двух линз, первая линза которого выполнена в виде двояковыпуклой положительной линзы, а вторая - в виде двояковогнутой отрицательной линзы, первая линза второго компонента выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, вторая - в виде положительной двояковыпуклой линзы, четвертая - в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и второй компонент дополнен двумя отрицательными менисками, обращенными выпуклостью к изображению, а группа из первых трех линз второго компонента имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, а в объективе имеет место соотношение:

,

где Δl_г3k2 - величина перемещения по оптической оси группы из первых трех линз второго компонента;

- фокусное расстояние объектива.