Объектив
LENS

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<sub>М</sub>=78,8%
КПК<sub>С</sub>=81,2%
- для точки поля 40 мм
КПК<sub>М</sub>=78,4%
КПК<sub>С</sub>=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.