Фотографический телеобъектив Российский патент 2018 года по МПК G02B13/02 G02B9/62 

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 видимого и ближнего ИК диапазона в аппаратуре различного назначения, например в аппаратуре аэрофотосъемки или 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 обеспечение коррекции только в видимом диапазоне длин волн (0,486-0,656 мкм), а также отсутствие пассивной атермализации для диапазона температур.

Наиболее близким по технической сущности является объектив (патент RU 2079863 С1, опубл. 20.05.1997) с фокусным расстоянием f=2700 мм, относительным отверстием 1:6, линейным полем зрения 230 мм (с угловым полем зрения 4°50'), с хорошим исправлением всех аберраций, состоящий из двух групп линз, первая из которых содержит пять последовательно расположенных по ходу луча линз, первая из которых двояковыпуклая, вторая - двояковогнутая, третья - двояковыпуклая, четвертая - двояковогнутая, пятая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, а вторая группа линз состоит из одиночных двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Апертурная диафрагма расположена между компонентами. При масштабировании фокусного расстояния этого объектива до величин ~365 мм обеспечивается достаточно большое поле зрения с хорошим исправлением всех аберраций.

Недостатком этого объектива является малая величина относительного отверстия (светосила 1:6), а также небольшая величина рабочего температурного диапазона, что снижает устойчивость к воздействию внешних температур.

Задачей настоящего изобретения является повышение светосилы с сохранением приемлемого качества изображения в ближнем ИК диапазоне в расширенном температурном интервале.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в объективе, содержащем две группы линз, разделенные воздушным промежутком, первая из которых содержит положительную линзу, отрицательную линзу, двояковыпуклую положительную линзу, отрицательную линзу, отличающийся тем, что в первой группе линз между первой и второй линзами расположена апертурная диафрагма, вторая линза выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, третья - в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, пятая - в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, вторая группа линз выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а в первой группе линз пятая линза имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, при этом в объективе имеют место соотношения:

n₁=n₃≤n₄≤n₂≤n₅=n₆,

где - величина перемещения по оптической оси пятой линзы в первой группе линз;

- фокусное расстояние объектива;

n_1,2,3,4,5,6 - показатели преломления материалов 1-й, 2-й, 3-й, 4-й, 5-й и 6-й линз соответственно;

Схема объектива показана на фиг. 1.

Объектив состоит по ходу лучей из I и II групп линз, I-я группа линз состоит из двояковыпуклой линзы 1, отрицательной выпукловогнутой линзы 2, обращенной выпуклостью к предмету, положительной выпукловогнутой линзы 3, отрицательной двояковогнутой линзы 4, обращенной выпуклостью к изображению, отрицательной выпукловогнутой линзы 5, обращенной выпуклостью к предмету, II-я группа линз состоит из положительной двояковыпуклой линзы 6 и плоскопараллельной пластины 7. При этом линза 5 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси.

Апертурная диафрагма расположена в I-й группе линз между первой 1 и второй 2 линзами.

Конструктивные данные объектива приведены в таблице 1.

При перемещении линзы 5 вдоль оптической оси на величину ±0.38 мм осуществляется термокомпенсация положения плоскости наилучшей установки в диапазоне температур от минус 10 до +50°C.

Таким образом, параметры варианта исполнения объектива:

- расчетная длина волны 1,5 мкм; - рабочий спектральный диапазон 0,9…1,7 мкм; - фокусное расстояние 365,0 мм; - линейное поле зрения 55,0 мм; - относительное отверстие 1:3; - дисторсия 0,63% - задний фокальный отрезок 90,9 мм; - длина по оптической оси 327,9 мм; - масса оптических деталей 1,84 кг.

Принцип действия объектива заключается в следующем (фиг. 1).

Объектив работает следующим образом:

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

Пятая линза 5 в первой группе линз I установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, которое позволяет компенсировать температурный увод плоскости наилучшей установки.

Величина перемещения пятой линзы 5 в первой группе линз I, достаточная для термокомпенсации смещения ПНУ в диапазоне температур от минус 10 до +50°C, равна ±0,38 мм, что не превышает величину:

Исправление аберраций достигается использованием материала с высоким показателем преломления для 5-й и 6-й линз:

n₁=n₃≤n₄≤n₂≤n₅=n₆,

В оптическом расчете учтена толщина защитного стекла 7 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: 0,9 мкм - 0,4; 1,0 мкм - 0,4; 1,1 мкм - 0,5; 1,2 мкм - 1,6; 1,3 мкм - 0,7; 1,4 мкм - 0,8; 1,5 мкм - 1,0; 1,6 мкм - 1,0; 1,7 мкм - 0,8;

- пространственную частоту 40 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 12,5 мкм),

получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива при нормальной температуре ±20°C:

При понижении температуры до минус 10°C плоскость наилучшей установки смещается на величину ~ минус 0,7 мм. В предлагаемой оптической схеме фотографического телеобъектива такое смещение можно скомпенсировать подвижкой 5-й линзы на величину минус 0,38 мм, при этом получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива:

Как видно из расчетов, объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает высокую светосилу (1:3) и приемлемое качество изображения в диапазоне температур для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников линейки или матрицы с размером пикселя до 12,5 мкм.

Телеобъектив может быть использован в оптико-электронных приборах, формирующих изображения объектов земной поверхности через реальную атмосферу и работающих с фотоприемниками видимого и ближнего ИК диапазона. Телеобъектив содержит две группы линз, в первой группе между первой и второй линзами расположена апертурная диафрагма, вторая линза - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, пятая - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Вторая группа линз - двояковыпуклая линза. Выполняются соотношения: ; n₁=n₃≤n₄≤n₂≤n₅=n₆, где Δl_1г5л - величина перемещения по оптической оси пятой линзы в первой группе линз; - фокусное расстояние объектива; n_1,2,3,4,5,6 - показатели преломления материалов 1-й, 2-й, 3-й, 4-й, 5-й и 6-й линз соответственно. Технический результат - повышение светосилы с сохранением приемлемого качества изображения в ближнем ИК диапазоне в расширенном температурном интервале. 1 ил., 1 табл.

Фотографический телеобъектив, содержащий две группы линз, разделенные воздушным промежутком, первая из которых содержит положительную линзу, отрицательную линзу, двояковыпуклую положительную линзу, отрицательную линзу, отличающийся тем, что в первой группе линз между первой и второй линзами расположена апертурная диафрагма, вторая линза выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, третья - в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, пятая - в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, вторая группа линз выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а в первой группе линз пятая линза имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, при этом в объективе имеют место соотношения:

;

n₁=n₃≤n₄≤n₂≤n₅=n₆,

где Δl_1г5л - величина перемещения по оптической оси пятой линзы в первой группе линз;

- фокусное расстояние объектива;

n_1,2,3,4,5,6 - показатели преломления материалов 1-й, 2-й, 3-й, 4-й, 5-й и 6-й линз соответственно.