СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, работающим в дальнем ПК-диапазоне длин волн, и может быть использована в тепловизионных приборах.
Известен двухлинзовый объектив с воздушным промежутком для спектрального диапазона от 8 до 14 мкм по патенту ФРГ №1813085; МПК G02В 13/14; НКИ 42h 3/01, публ. 1973 г., который содержит два компонента по ходу лучей, первый из которых - одиночная двояковыпуклая положительная линза, второй - одиночная отрицательная линза. Линзы выполнены из разного материала, причем, показатель преломления материала положительной линзы меньше показателя преломления материала отрицательной линзы, коэффициент дисперсии Аббе материала положительной линзы больше коэффициента дисперсии Аббе материала отрицательной линзы. Однако объектив имеет недостаточное относительное отверстие 1:2,5. Кроме того, отрицательная линза выполнена из сульфида цинка, а сульфид цинка в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм имеет худшее пропускание по сравнению с германием и селенидом цинка.
1
2
3
4
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является объектив (США, патент №3992078; МПК G02В 3/00; НКИ 350/2, 350/231; публ. 1976 г.), состоящий из передней и задней простых положительных линз, изготовленных из германия, причем, указанные элементы отстоят друг от друга по оси на расстоянии от 0,8F до 1.2F, где F - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива; причем, каждая линза может быть выполнена либо в виде выпуклоплоской, обращенной выпуклостью к предмету, либо положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, причем, первые по ходу лучей поверхности первой и второй линз выполнены с радиусами кривизны более 5F и 2F соответственно, меньшими, чем радиусы кривизны задних поверхностей указанных соответствующих линз. Кроме того, радиус задней поверхности передней линзы и радиус задней поверхности задней линзы может быть больше 50F, толщины по оси передней и задней линз могут быть менее 0,05F, заднее фокусное расстояние объектива может быть более 0,5F и менее 2F, задняя поверхность передней линзы может быть асферическая, а в двух вариантах конкретного исполнения данного объектива, приведенных в описании патента США отношения R/R и R/R составляют от 0 до 0,1 включительно. Данный объектив рассчитан для диапазона длин волн от 8 до 14 мкм, но он имеет недостаточное относительное отверстие 1:1, большие продольные габариты (расстояние от первой поверхности до фокуса не менее 1,3F; что следует из формулы изобретения). Оба варианта конкретного исполнения этого объектива имеют асферическую поверхность на второй поверхности первой линзы, а известно («Вычислительная оптика», справочник, под общей редакцией М.М.Русинова, Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1984, стр.383, 384, 385), что при больших значениях отношения расстояния между двумя линзами к фокусному расстоянию всего объектива для двухлинзовой системы из германия повышение светосилы препятствует неустранимая сферическая аберрация третьего порядка, возникающая на последней плоской (или близкой к плоскости) поверхности объектива. Устранение этой аберрации и повышение светосилы двухлинзовой системы может быть достигнута асферизацией одной из поверхностей первой линзы. Из этого следует, что область положительных решений этого объектива (с высоким качеством изображения) может быть получена только с применением асферики, что снижает технологичность данного объектива.
Задачей заявляемой полезной модели является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - повышение относительного отверстия, уменьшение габаритов и повышение технологичности при высоком качестве изображения.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из двух последовательно установленных по ходу лучей одиночных положительных менисков, обращенных выпуклостью к предмету, выполненных из германия, в отличие от известного, все оптические поверхности выполнены сферическими и имеют место соотношения:
в
0<d<0,2f';
1
2<R/f'<4,5;
3
0,5<R/f'<1;
2
4<R/f'<8;
4
0,7<R/f'<2;
1
2
3
4 -
где: R, R, R, R - радиусы кривизны первой, второй, третьей и четвертой оптических поверхностей;
в
d - воздушный промежуток между двумя линзами;
f' - фокусное расстояние всего объектива.
На фиг. представлена оптическая схема предложенного объектива.
Светосильный объектив (фиг.) состоит из двух расположенных по ходу лучей одиночных положительных менисков 1 и 2, обращенных выпуклостями к предмету. Входной зрачок или апертурная диафрагма совпадает с первой поверхностью, но могут находиться и в другом месте.
Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив, т.е. световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1 и 2 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).
В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный объектив, исправленный в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм.
Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.
Характеристики рассчитанного объектива:
фокусное расстояние f'
14,51 мм
относительное отверстие
1:0,8
угол поля зрения
2,8 град.
задний фокальный отрезок
12,41 мм
В рассчитанном объективе выполнены условия:
0<d<sub>в</sub><0,2f';
d<sub>B</sub>=0,01034f';
2<R<sub>1</sub>/f'<4,5;
R<sub>1</sub>/f'=3,882;
0,5<R<sub>3</sub>/f'<l;
R<sub>3</sub>/f'=0,779;
4<R<sub>2</sub>/f'<8;
R<sub>2</sub>/f'=5,757;
0,7<R<sub>4</sub>/f'<2;
R<sub>4</sub>/f'=0,844;
Таблица 1
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Показатель преломления для λ=4 мкм
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=56,34
18
d<sub>1</sub>=1,3
Ge
4,0024
R<sub>2</sub>=83,55
18
d<sub>2</sub>=0,15
1
R<sub>3</sub>=11,3
17
d<sub>3</sub>=1,8
Ge
4,0024
R<sub>4</sub>=12,25
16
В табл. 2 приведены аберрации для длины волны 10 мкм предложенного светосильного объектива при относительном отверстии 1:0,8 и угловом поле в пространстве предметов 2W=2,8 град.
Предлагаемый объектив имеет расстояние от первой поверхности до плоскости изображения - 1,078f', что гораздо меньше габаритов ближайшего аналога, повышенное относительное отверстие 1:0,8, повышенную технологичность (так как не содержит асферической поверхности) и высокое качество изображения, что следует из табл. 2.
Таким образом, достигнут технический результат - создан светосильный объектив с повышенным относительным отверстием, уменьшенными габаритами и повышенной технологичности при высоком качестве изображения.
Таблица 2
Вид аберрации
Значение аберраций объектива, не более
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси
0,0129 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении
0,00457 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении
0,00852 мм
Меридиональный астигматический отрезок Х'<sub>м</sub>
-0,0153 мм
Сагиттальный астигматический отрезок X'<sub>s</sub>
-0,0055 мм
Дисторсия
0,0052%