Широкоспектральный объектив с жидкостными линзами

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в широкоспектральных телевизионных и фотографических камерах, а также активно-импульсных приборах наблюдения и локации.
Для работы гиперспектральных и панспектральных оптических приборов, использующих кремниевые телевизионные матрицы, требуется, как правило, обеспечение качественного изображения в спектральном диапазоне 0.4-1 мкм.
Известны объективы Петцваля (https://radojuva.com/2020/11/petzval-180-mm-f-4-5-darlot-paris-1862/), состоящие из двух положительных ахроматизированных компонентов, разделенных воздушным промежутком исправленные в широком спектральном диапазоне.
Такие объективы при небольших полях зрения предоставляют высокое относительное отверстие и удобны для использования в телевизионных камерах, длиннофокусных фотографических камерах и приборах ночного видения.
Недостатком этого технического решения является относительно узкий исправленный спектральный диапазон 0.43-0.61 мкм и низкая степень исправления хроматических аберраций.
Известен также широкоспектральный объектив компании Lockheed Missiles & Space Company(US 4929071, G02B 13/02, 9/28, 9/12, 009/00, 29.09.1990), представляющий собой модифицированный оптический объектив Петцваля, конструктивная форма которого имеет большое фокусное расстояние (до 1000 мм) при большой относительной апертуре (f /2) в поле зрения 4,2 без виньетирования, который хорошо корректируется как для монохроматических, так и для хроматических аберраций, и который имеет цветокоррекцию на четырех длинах волн в спектральном диапазоне, простирающемся от видимой до ближней инфракрасной областей электромагнитного спектра, причем, оптический объектив изготовлен из двух разных оптических стекол, проектная форма может быть увеличена или уменьшена по сравнению с фокусным расстоянием 1000 мм с использованием соответствующего коэффициента масштабирования, хроматизм положения 9-линзового объектива исправлен на 4 длинах волн в диапазоне 0.5-1 мкм, что позволяет отнести объектив к суперапохроматам.
Недостатком этого технического решения является относительно большая сложность, поскольку объектив имеет значительное количество линз при многочисленных близких радиусах, разделенных малыми воздушными промежутками, требующих крайне жестких допусков на расположение и децентрировку линз, что обычно влечет серьезное ухудшение реальных характеристик объектива в сравнении с расчетными ожиданиями.
Наиболее близким к предлагаемому объективу является широкоспектральный объектив компании Lockheed Missiles & Space Company(US 5731907, G02B 3/12, 001/06, 009/00, 24.3.1998), использующий жидкостную линзу и состоящий из четырех твердотельных линз в двух группах линз, в первой группе из которых две линзы из оптического стекла разделены воздушным промежутком, во второй группе две линзы из оптического стекла заполнены оптической жидкостью с показателем преломления 1.62 и коэффициентом дисперсии 13.5.
D
D
В наиболее близком техническом решении особый ход дисперсии показателя преломления жидкости обеспечивает исправление на трех длинах волн в спектральном диапазоне 0.43-0.61 мкм, где хроматизм положения достигает 250 мкм, при этом, фокусное расстояние составляет 1519 мм, а относительное отверстие 1:10. Кроме того, в этом объективе отношение оптических сил линз компонентов к оптической силе первого компонента составляет 1, -0.5638, -1.6644, 0.5436, 1.1275, материалы линз имеют показатели преломления N 1.516800, 1.620041, 1.805182, 1.642690, 1.744002, соответственно, а коэффициент дисперсии ν 64.16, 36.36, 25.43, 13.49, 44.71, соответственно.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкий исправленный спектральный диапазон 0.43-0.61 мкм и низкая степень исправления хроматических аберраций.
Задачей, которая решается в полезной модели, является создание объектива, имеющего более широкий спектральный диапазон, обеспечивающего качественное изображение в спектральном диапазоне от 0.4 до 1 мкм, приемлемого для фотоприемной матрицы с шагом порядка 3.5 мкм.
Требуемый технический результат заключается в расширении спектрального диапазона.
Для решения указанной задачи и достижения требуемого технического результата необходимо обеспечить такое сочетание оптических сил, показателей преломления, коэффициентов дисперсий и частных дисперсий, чтобы общие оптические силы объектива на всех расчетных длинах волн в пределах требуемого спектрального диапазона существенно не отличались. При этом, критерием хроматической разности оптической силы объектива может служить хроматический сдвиг фокальной плоскости, достигающий в объективе-прототипе 250 мкм в диапазоне 0.43-0.61 мкм, а задача расширения спектрального диапазона должна решаться при условии, чтобы функция передачи модуляции на основной длине волны, являющаяся основным критерием качества изображения, не ухудшалась.
D
D
D
D
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается в устройстве, содержащем размещенные последовательно на одной оптической оси и разделенные воздушным промежутком первую группу линз, состоящую из жидкостной линзы первой группы, помещенной между первой линзой-оболочкой первой группы и второй линзой-оболочкой первой группы, и вторую группу линз, состоящую из жидкостной линзы второй группы, помещенной между первой линзой-оболочкой второй группы и второй линзой-оболочкой второй группы, причем, жидкость в жидкостной линзе первой группы имеет показатель преломления N= 1,2950 и коэффициент дисперсии ν = 101, а жидкость в жидкостной линзе второй группы имеет показатель преломления N= 1,4580 и коэффициент дисперсии ν = 57.
На фиг. 1 - оптическая схема широкоспектрального объектива с жидкостными линзами;
-
на фиг. 2  расчетный хроматизм положения (сдвиг фокальной плоскости) в функции длины волны в спектральном диапазоне 0.4-0.1 мкм, для объектива с фокусным расстоянием 100 мм и относительным отверстием 1:5, для зонального луча (0.7 от максимальной апертуры);
на фиг. 3 - расчетный график среднеквадратичного пятна рассеяния точки по линейному полю зрения, соответствующему фотоприемной матрице 2400×1920 элементов, с шагом 3.5 мкм, при фокусном расстоянии объектива 100 мм и относительном отверстии 1:5.
На чертеже фиг. 1 обозначены
жидкостной линзы первой группы, помещенной между первой линзой-оболочкой первой группы и второй линзой-оболочкой первой группы, и вторую группу линз, состоящую из жидкостной линзы второй группы, помещенной между первой линзой-оболочкой второй группы и второй линзой-оболочкой второй группы,
1 - первая линза-оболочка первой группы (например, линза из стекла Schott SF59);
2 - жидкостная линза первой группы (например, жидкость 296244);
3 - вторая линза-оболочка первой группы (например, линза из стекла Schott LAKN13;
4 - первая линза-оболочка второй группы (например, линза из стекла Schott SF59);
5 - жидкостная линза второй группы (например, жидкость 458582);
6 - вторая линза-оболочка второй группы (например, линза из стекла Schott LAFN23).
D
D
D
D
Широкоспектральный объектив с жидкостными линзамисодержит размещенные последовательно на одной оптической оси и разделенные воздушным промежутком первую группу линз, состоящую из жидкостной линзы первой группы, помещенной между первой линзой-оболочкой первой группы и второй линзой-оболочкой первой группы, и вторую группу линз, состоящую из жидкостной линзы второй группы, помещенной между первой линзой-оболочкой второй группы и второй линзой-оболочкой второй группы, причем, жидкость в жидкостной линзе первой группы имеет показатель преломления N= 1,2950 и коэффициент дисперсии ν = 101, а жидкость в жидкостной линзе второй группы имеет показатель преломления N= 1,4580 и коэффициент дисперсии ν = 57.
D
D
Жидкость 296244 жидкостной линзы первой группы имеет показатель преломления N= 1,2950, коэффициент дисперсии ν = 101 и следующие спектральные показатели преломления:
λ, нм
365
486,1
589,3
656,3
1064,8
N<sub>λ</sub>
1,3010
1,2970
1,2950
1,2941
1,2920
D
D
Жидкость 458582 жидкостной линзы второй группы имеет показатель преломления N= 1,4580, коэффициент дисперсии N = 57 и следующие спектральные показатели преломления:
λ, нм
365
404,7
4861
589,3
656,3
1064,8
N<sub>λ</sub>
1,4780
1,4719
1,4637
1,4580
1,4557
1,4500
Отношение оптических сил линз 1-6 к оптической силе объектива составляет (последовательно, по ходу луча): -0.00015, 0.0011, -0.00043, -0.0017, 0.0058, -0.005.
Материалы линз имеют показатели преломления 1.95, 1.30, 1.69, 1.95, 1.46, 1.69 и коэффициенты дисперсии 20, 124, 53, 20, 58, 50, соответственно.
В таблице приведен пример реализации объектива на стеклах из каталога фирмы Шотт (Schott) и жидкостях 296244, 458582, соответствующих указанным сочетаниям показателей преломления и коэффициентов дисперсии.
N
Относит. сила
Показатель преломления
Коэфдисперсии
Оптическийматериал
1
-0,00015
1.952
20
Schott SF59
2
0,00106
1.295
124
Жидкость 296244
3
-0,00043
1.693
53
Schott LAKN13
4
-0,00169
1.952
20
Schott SF59
5
0,00581
1.458
58
Жидкость 458582
6
-0,00495
1.689
50
Schott LAFN23
На фиг. 2 показан расчетный хроматизм положения (сдвиг фокальной плоскости) в функции длины волны в спектральном диапазоне 0.4-0.1 мкм, для объектива с фокусным расстоянием 100 мм и относительным отверстием 1:5, для зонального луча (0.7 от максимальной апертуры).
Хроматизм положения исправлен для пяти длин волн и не превышает ±1 мкм. Эта величина пренебрежимо мала для фотоприемной матрицы с шагом фоточувствительных элементов 3.5 мкм.
При фокусном расстоянии объектива 1500 мм, расчетный хроматизм положения не превышает ±13 мкм. В двадцать раз меньше, чем хроматизм положения объектива-прототипа в более узком спектральном диапазоне.
На фиг. 3 приведен расчетный график среднеквадратичного пятна рассеяния точки по линейному полю зрения, соответствующему фотоприемной матрице 2400×1920 элементов, с шагом 3.5 мкм, при фокусном расстоянии объектива 100 мм и относительном отверстии 1:5.
По всему полю радиус полихроматического пятна рассеяния не превышает дифракционного предела разрешения 4.3 мкм.
Указанное сочетание отношений оптических сил, показателей преломления и коэффициентов дисперсий, в сочетании с использованными жидкостными оптическими материалами, обеспечивает исправление хроматизма положения на пяти длинах волн (более высокую степень по сравнению с суперапохроматом), ограничивая хроматический сдвиг положения фокальной плоскости в пределах 0.005% в широком спектральном диапазоне 0.4 - 1 мкм.
По сравнению с наиболее близким техническим решением хроматизм положения на порядок меньше при аналогичном фокусном расстоянии, аналогичном количестве твердотельных линз и втрое большем спектральном диапазоне, что подтверждает достижение требуемого технического результата.