СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
LARGE-APERTURE LENS

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к тепловизионным приборам в самых разнообразных условиях эксплуатации.
Известен четырехлинзовый светосильный объектив для работы в тепловизионных приборах в спектральном диапазоне от 8,0 до 14,0 мкм (В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков «Инфракрасные системы «смотрящего» типа». - М.: Логос, 2004 год, стр.121, рис.6.10а), содержащий четыре компонента, последовательно расположенные по ходу луча - положительный мениск, выполненный из Ge, отрицательный мениск, выполненный из материала AMTIR-1, положительный мениск, выполненный из Ge, и положительный мениск, выполненный из ZnSe. Отрицательный мениск служит также для механической атермализации, осуществляемой путем перемещения его вдоль оптической оси.
Недостатком этого объектива является необходимость применения трех разных оптических материалов для изготовления линз, невысокая светосила, равная 1:1,2, а также наличие асферической формы второй поверхности первой линзы, что увеличивает трудоемкость изготовления объектива.
Кроме того, обеспечение атермализации механическим перемещением внутреннего (второго) компонента объектива усложняет конструкцию объектива и повышает трудоемкость сборочных операций.
Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива, упрощение комплектования производства оптическими заготовками и упрощение конструкции объектива с сохранением высоких оптических характеристик.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем четыре компонента, первый и четвертый из которых положительные мениски, а второй - отрицательный мениск, в отличие от известного третий компонент - отрицательная плосковогнутая линза, обращенная вогнутостью к предмету, а ее оптическая сила составляет минус (0,1÷0,5) оптической силы объектива, при этом первый и четвертый компоненты выполнены из одной марки материала, второй и третий - из другой марки, а четвертый компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для обеспечения атермализации, и его оптическая сила составляет (1÷2) оптической силы объектива.
Расположение компонента для механической атермализации последним по ходу лучей облегчает его крепление и упрощает конструкцию объектива, а выполнение линз из двух марок материала вместо трех упрощает конструкцию объектива. Одновременно с этим оптические характеристики объектива обеспечивают высокое качество изображения без применения асферических поверхностей с использованием только поверхностей плоской и сферической формы.
Схема объектива показана на чертеже.
Объектив содержит первый компонент 1 - положительную менисковую линзу, второй компонент 2 - отрицательную менисковую линзу, третий компонент 3 - отрицательную плосковогнутую линзу, обращенную вогнутостью к предмету, и четвертый компонент 4 - положительный мениск.
Конструктивные параметры варианта исполнения объектива приведены в таблице.
Конструктивные параметры объектива
Радиусы
Толщины
Марка стекла
Световые диаметры
R1=269,8
d1=8
Ge
136
R2=438,5
136
d2=42,5
R3=87,54
d3=9
ZnSe
107
R4=83,95
99
d4=18
R5=-843,3
d5=9
ZnSe
99
R6=плоскость
99
d6=89,4
R7=109,4
d7=4
Ge
58
R8=166,34
58
d8=37,505
R9=плоскость
d9=0,8
Ge (стекло фотоприемника)
18
R10=плоскость
18
d10=1,3
R11=плоскость
Чувствительные элементы фотоприемника
16
Параметры такого варианта исполнения объектива:
- расчетная длина волны
11 мкм;
- рабочий спектральный диапазон
(8÷14) мкм;
- фокусное расстояние
149,95 мм;
- задний фокальный отрезок
39,09 мм;
- линейное поле зрения
16,0 мм;
- относительное отверстие
1:1,1.
Принцип действия объектива заключается в следующем.
Первый компонент 1, выполненный в виде положительного мениска, в сочетании со вторым компонентом 2. выполненным в виде отрицательного мениска и с третьим компонентом 3, являющимся отрицательной линзой, имеющей оптическую силу, равную минус (0,1÷0,5) оптической силы объектива, компенсирует хроматические аберрации и астигматизм в заданном спектральном диапазоне.
Четвертый компонент 4, выполненный в виде положительного мениска и имеющий оптическую силу, равную (1÷2) оптической силы объектива, компенсирует кривизну поверхности изображения и обеспечивает механическую атермализацию подвижкой вдоль оптической оси объектива.
Первый и четвертый компоненты и второй и третий компоненты попарно выполнены из одной марки материала, т.е.:
1
4
N=N
2
3
N=N
1
4
υ=υ
2
3
υ=υ
где N и ν - показатели преломления и коэффициенты дисперсии компонентов соответственно.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла 5 фотоприемника 6, равную 0,8 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длине волны 8 мкм, 1,0 на 11 мкм и 1,0 на 14 мкм;
- пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента 7, равным 25 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива при температуре среды, равной +20°С:
- для точки на оси
КПК=51%
- для точки поля 5,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=30%
КПК<sub>С</sub>=56%
- для точки поля 8,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=48%
КПК<sub>С</sub>=51%
При понижении температуры окружающей среды до минус 50°С величина подвижки четвертого компонента составит минус 1,665 мм, а расчетные значения величины полихроматического КПК будут следующими:
- для точки на оси
КПК=41%
- для точки поля 5,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=41%
КПК<sub>С</sub>=46%
- для точки поля 8,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=42%
КПК<sub>С</sub>=45%
При повышении температуры окружающей среды до +50°С величина подвижки четвертого компонента составит +0,72 мм, а расчетные значения величины полихроматического КПК будут следующими:
- для точки на оси
КПК=52%
- для точки поля 5,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=51%
КПК<sub>с</sub>=57%
- для точки поля 8,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=46%
КПК<sub>С</sub>=49%
Изменение фокусного расстояния при компенсирующей подвижке четвертого компонента до максимальной величины (1,665 мм при температуре минус 50°С) не превышает 1%.
Как видно из расчетов, объектив при простоте его конструкции обеспечивает приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемника микроболометрическую матрицу с размером пикселя 25 мкм в широком температурном интервале от минус 50 до +50°С.