Объектив Российский патент 2018 года по МПК G02B9/58 

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 с фотоприемными устройствами коротковолнового ИК диапазона в аппаратуре различного назначения, например в космической аппаратуре.

Известен объектив апохромат для наблюдения и фотографирования, состоящий их шести линз (С.А. Веселков, Е.Г. Лапухин. Новые светосильные объективы-апохроматы для астрономических исследований. Вестник СибГАУ. №3(49), 2013 г., с. 17-21, рис. 1) с фокусным расстоянием f'=615 мм, относительным отверстием 1:3, линейным полем зрения 52 мм, с хорошим исправлением всех аберраций. Объектив состоит из 6 линз, скомпонованных в два компонента - трехлинзовый объектив и трехлинзовый корректор поля, которые содержат линзы 1 и 4 - двояковыпуклые, линзы 2 и 6 - двояковогнутые, линзу 3 - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, линзу 5 - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению.

Недостатком этого объектива является недостаточное линейное поле зрения (52 мм) и обеспечение коррекции в видимом диапазоне длин волн (0,486-0,656 мкм).

Наиболее близким по технической сущности является объектив (патент RU 2451312 C1, опубл. 20.05.2012) с фокусным расстоянием f'=300 мм, относительным отверстием 1:3, линейным полем зрения 16 мм, с хорошим исправлением всех аберраций в ИК диапазоне длин волн (620-850 нм), состоящий из двух компонентов, разделенных воздушным промежутком, первый из которых по ходу лучей содержит положительную двояковыпуклую линзу, отрицательную двояковогнутую линзу и положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из положительной двояковыпуклой линзы и отрицательной двояковогнутой линзы.

Апертурная диафрагма расположена между компонентами.

Недостатком этого объектива является недостаточное линейное поле зрения (16 мм для углового поля зрения 2W=3°), а также наличие склеенного компонента, что снижает устойчивость к воздействию внешних температур.

Задачей настоящего изобретения является увеличение поля зрения с сохранением приемлемого качества изображения и с обеспечением стабильности фокусного расстояния объектива в коротковолновом ИК диапазоне в расширенном температурном интервале.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в объективе, состоящем из двух компонентов, разделенных воздушным промежутком, первый из которых содержит положительную линзу, а второй компонент содержит отрицательную линзу, в отличие от известного содержится апертурная диафрагма, расположенная перед первой линзой первого компонента, первый компонент выполнен из двух линз, первая линза которого выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а вторая - в виде двояковыпуклой положительной линзы, первая линза второго компонента выполнена в виде одиночной двояковыпуклой положительной линзы и второй компонент дополнен двояковогнутой отрицательной линзой, при этом двояковогнутая отрицательная линза второго компонента совместно с фотоприемным устройством имеют возможность перемещения вдоль оптической оси, а в объективе имеют место соотношения:

где - величина перемещения по оптической оси второй отрицательной линзы второго компонента и фотоприемного устройства;

- фокусное расстояние объектива;

- фокусное расстояние первой линзы второго компонента объектива;

- фокусное расстояние второй линзы второго компонента объектива.

Схема объектива показана на чертеже.

Объектив состоит по ходу лучей из выпукловогнутой линзы 1, обращенной выпуклостью к предмету, двояковыпуклой линзы 2, двояковыпуклой линзы 3, двояковогнутой линзы 4 и плоскопараллельной пластины 5, которая является защитным стеклом фотоприемника. При этом линза 4 и фотоприемник 5 имеют возможность перемещения вдоль оптической оси для изменения воздушного промежутка «А».

Апертурная диафрагма расположена перед линзой 1.

Конструктивные данные объектива приведены в таблице 1.

При изменении воздушного промежутка между линзами 3 и 4 в пределах ±0,93 мм осуществляется термокомпенсация положения плоскости наилучшей установки и стабильность величины фокусного расстояния объектива в диапазоне температур от -50 до +50°C.

Таким образом, параметры вариантов исполнения объектива:

- расчетная длина волны 1,3 мкм - рабочий спектральный диапазон 0,9…1,7 мкм - фокусное расстояние 730 мм - линейное поле зрения 80,0 мм - относительное отверстие 1:4,96 - дисторсия 0,22% - задний фокальный отрезок 57,49 мм - длина по оптической оси 916,8 мм - масса оптических деталей 1,64 кг

Принцип действия объектива заключается в следующем.

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

Линза 4 второго компонента совместно с фотоприемным устройством (защитное стекло которого изображено поз. 5) установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, которое позволяет изменять воздушный промежуток «А», чем компенсируется температурный увод плоскости наилучшей установки и поддерживается стабильность величины фокусного расстояния в пределах требуемого допуска ±0,1 мм.

Для обеспечения термокомпенсации смещения ПНУ в диапазоне температур от -50 до +50°C величина перемещения второй линзы второго компонента и фотоприемного устройства равна ±0,93 мм, что не превышает величину:

,

где - величина перемещения по оптической оси второй отрицательной линзы второго компонента и фотоприемного устройства;

- фокусное расстояние объектива.

Для обеспечения стабильности величины фокусного расстояния объектива фокусные расстояния первой и второй линз второго компонента объектива должны быть разного знака, при этом должно быть выдержано следующее соотношение:

,

где - фокусное расстояние первой линзы второго компонента объектива.

- фокусное расстояние второй линзы второго компонента объектива.

В оптическом расчете учтена толщина защитного стекла 5 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:

0,90 мкм - 0,6;

1,05 мкм - 0,8;

1,30 мкм - 1,0;

1,45 мкм - 1,0;

1,60 мкм - 0,8;

1,70 мкм - 0,7;

- пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 25 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива:

- для точки на оси (дифракционное качество) КПК=82,8% - для точки на оси (аберрационное качество) КПК=80,7% - для точки поля 25 мм КПК_М=78,8% КПК_С=81,2% - для точки поля 40 мм КПК_М=78,4% КПК_С=81,2%

Стабильность величины фокусного расстояния объектива в зависимости от изменения температуры при этом приведены в таблице 2.

Как видно из расчетов, объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает приемлемую светосилу (1:4,96), большое линейное поле зрения (80 мм) и дифракционный уровень качества изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников линейки или матрицы с размером пикселя ~25 мкм.

Объектив может быть применен в оптико-электронных приборах, формирующих изображения объектов земной поверхности через реальную атмосферу и работающих с фотоприемными устройствами коротковолнового ИК диапазона. Объектив содержит два компонента. Первый компонент выполнен из двух линз, первая линза - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, а вторая - двояковыпуклая линза. Второй компонент выполнен из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Двояковогнутая отрицательная линза второго компонента совместно с фотоприемным устройством имеют возможность перемещения вдоль оптической оси. Перед первой линзой первого компонента установлена апертурная диафрагма. Выполняются соотношения: ; , где Δl_2k2 - величина перемещения по оптической оси второй отрицательной линзы второго компонента и фотоприемного устройства; - фокусное расстояние объектива; , - фокусные расстояния первой и второй линз второго компонента. Технический результат - увеличение поля зрения с сохранением приемлемого качества изображения и с обеспечением стабильности фокусного расстояния в коротковолновом ИК диапазоне в расширенном температурном интервале. 1 ил., 2 табл.

Объектив, состоящий из двух компонентов, разделенных воздушным промежутком, первый из которых содержит положительную линзу, а второй компонент содержит отрицательную линзу, отличающийся тем, что он содержит апертурную диафрагму, расположенную перед первой линзой первого компонента, первый компонент выполнен из двух линз, первая линза которого выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а вторая - в виде двояковыпуклой положительной линзы, первая линза второго компонента выполнена в виде одиночной двояковыпуклой положительной линзы и второй компонент дополнен двояковогнутой отрицательной линзой, при этом двояковогнутая отрицательная линза второго компонента совместно с фотоприемным устройством имеют возможность перемещения вдоль оптической оси, а в объективе имеют место соотношения:

;

,

где Δl_2k2 - величина перемещения по оптической оси второй отрицательной линзы второго компонента и фотоприемного устройства;

- фокусное расстояние объектива;

- фокусное расстояние первой линзы второго компонента объектива;

- фокусное расстояние второй линзы второго компонента объектива.