Светосильный объектив для ближней ИК области спектра
HIGH-APERTURE LENS FOR NEAR IR SPECTRAL RANGE

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС или КМОП матрицах в дневных и ночных условиях эксплуатации.
Известен светосильный объектив (патент RU 2183341 С1, опубл. 10.06.2002), содержащий два положительных компонента. Первый компонент состоит из двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, а второй - из двух линз, первая из которых двояковыпуклая, а вторая линза выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету. Апертурная диафрагма расположена за второй линзой, в объективе обеспечивается относительное отверстие 1:1,6 и угловое поле в пространстве предметов 12° при одновременном хорошем качестве изображения точки на оси и по полю в спектральном диапазоне Δλ=(0,6÷0,9) мкм.
Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила (равная 1:1,6), сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(0,6÷0,9) мкм, а также наличие в нем четырех линз, что усложняет технологию его изготовления. Внутреннее расположение апертурной диафрагмы обуславливает виньетирование наклонных пучков, за счет чего достигнуто уменьшение поперечных аберраций наклонных пучков.
Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив для ближней ИК области спектра (патент RU 2104570 C1, опубл. 10.02.1998), содержащий два компонента, первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой и двояковогнутой линз, второй компонент представляет собой положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, первая поверхность которого выполнена асферической. Апертурная диафрагма расположена за второй линзой, в объективе обеспечивается относительное отверстие 1:1,6 и угловое поле в пространстве предметов 12° при одновременном хорошем качестве изображения точки на оси и по полю в спектральном диапазоне Δλ=(0,52÷0,9) мкм.
Недостатком этого светосильного объектива для ближней ИК области спектра является невысокая светосила, равная 1:1,6, и сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(0,52÷0,9) мкм. Значительное виньетирование наклонных пучков, достигающее ~30% на краю поля зрения, обеспечивает уменьшение поперечных аберраций наклонных пучков, но при этом меняется светосила, снижаясь от центра к краю поля зрения пропорционально величине виньетирования.
Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:1,4 с расширением спектрального рабочего диапазона до значений Δλ=(0,6÷1,0) мкм, с сохранение качества изображения без виньетирования наклонных пучков.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе для ближней ИК области спектра, содержащем апертурную диафрагму и два компонента, первый из которых состоит из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, первая поверхность которого выполнена асферической, в отличие от известного, линзы первого компонента являются склейкой, а апертурная диафрагма расположена на первой поверхности первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:
4
ОБ
0,8≤d/F≤1,2,
5
6
0,4≤r/r≤0,9,
3
1,65≤n≤1,75,
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
4
d - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;
3
n - показатель преломления линзы второго компонента;
5
r - радиус кривизны при вершине асферической поверхности линзы второго компонента;
6
r - радиус кривизны второй поверхности линзы второго компонента.
Такой светосильный объектив для ближней ИК области спектра обеспечивает более высокую светосилу объектива до значения 1:1,4 и расширенный спектральный рабочий диапазон до значений Δλ=(0,6÷1,0) мкм с сохранением оптических характеристик без виньетирования наклонных пучков.
Оптической схема светосильного объектива для ближней ИК области спектра показана на фигуре 1.
Светосильный объектив для ближней ИК области спектра содержит последовательно расположенные на оптической оси два компонента I и II. Перед первым компонентом I расположена апертурная диафрагма 1, первый компонент I выполнен в виде склейки из положительной линзы 2 и отрицательной линзы 3, второй компонент II выполнен в виде одиночной положительной линзы 4, после которой расположены защитное стекло 5 фотоприемного устройства и плоскость чувствительных элементов 6 фотоприемного устройства.
Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива для ближней ИК области спектра приведены в таблице 1.
0
Примечание. * - асферическая поверхность, R=9,12, коническая постоянная K=-0,233.
Параметры варианта исполнения светосильного объектива для ближней ИК области спектра:
- расчетная длина волны
0,8 мкм;
- рабочий спектральный диапазон
(0,6÷1,0) мкм;
- фокусное расстояние
24,0 мм;
- линейное поле зрения
4,5 мм;
- угловое поле зрения
~10,2°;
- относительное отверстие
1:1,4
Принцип действия светосильного объектива для ближней ИК области спектра заключается в следующем.
Первый компонент I, выполненный в виде склейки из положительной двояковыпуклой линзы 2 и отрицательной двояковогнутой линзы 3, является силовым элементом, формирующим оптическую силу, близкую к оптической силе объектива, при этом выполнение его в виде склейки обеспечивает коррекцию сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра. Второй компонент II, выполненный в виде одиночного положительного мениска 4 с первой асферической поверхностью, является коррекционным элементом, позволяющим исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких наклонных пучков. Расположение апертурной диафрагмы 1 на первой поверхности первого компонента позволяет устранить виньетирование наклонных пучков. В объективе необходимо выполнить следующие соотношения:
4
ОБ
0,8≤d/F≤1,2,
5
6
0,4≤r/r≤0,9,
3
1,65≤n≤1,75,
ОБ
где F - фокусное расстояние объектива;
4
d - воздушный промежуток между первым I и вторым II компонентами;
3
n - показатель преломления линзы 4 компонента II;
5
r - радиус кривизны при вершине асферической поверхности линзы 4 компонента II;
6
r - радиус кривизны второй поверхности линзы 4 компонента II.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла 5 фотоприемника 6, равную 1,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника 6 и светопропускания объектива - 0,8 на длине волны 0,6 мкм, 1,0 на длине волны 0,7 мкм, 1,0 на длине волны 0,8 мкм, 0,4 на длине волны 0,9 мкм и 0,2 на длине волны 1,0 мкм;
- пространственную частоту ~88 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника 6 с размером чувствительного элемента, равным 5,625 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик светосильного объектива для ближней ИК области спектра:
Как видно из расчетов, светосильный объектив для ближней ИК области спектра обеспечивает хорошее качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу спектрального диапазона (0,6÷1,0) мкм с размером пикселя 5,625 мкм. Высокое значение относительного отверстия - 1:1,4 (у прототипа - 1:1,6) и отсутствие виньетирования наклонных пучков расширяет диапазон возможного применения объектива, в частности, позволяет более эффективно использовать его для ночного видения в условиях низкой освещенности (сумерки и темное время суток).