Фотографический объектив
PHOTOGRAPHIC LENS

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:
гЗk2
где Δl - 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
λ<sub>1</sub>=0,6 мкм и
λ<sub>2</sub>=1,6 мкм
рабочие спектральные диапазоны
Δλ<sub>1</sub>=0,4…0,9 мкм и
Δλ<sub>2</sub>=1,5…1,7 мкм
фокусное расстояние
300,00 мм (λ<sub>1</sub>) и
300,02 мм (λ<sub>2</sub>)
линейное поле зрения
64,0 мм
относительное отверстие
1:3,5;
дисторсия
0,61% (λ<sub>1</sub>) и
0,62% (λ<sub>2</sub>)
задний фокальный отрезок
32,3434 мм (λ<sub>1</sub>) и
32,3778 мм (λ<sub>2</sub>)
задний отрезок до стекла фотоприемника,
обеспечивающий положение ПНУ
32,1267 мм (для λ<sub>1</sub> и λ<sub>2</sub>)
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<sub>M</sub>=48,9%
КПК<sub>C</sub>=56,4%
для точки поля 32 мм
КПК<sub>M</sub>=43,9%
КПК<sub>C</sub>=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<sub>M</sub>=66,0%
КПК<sub>C</sub>=64,9%
для точки поля 32 мм
КПК<sub>M</sub>=58,5%
КПК<sub>C</sub>=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.