СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
HIGH-APERTURE LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к специальным объективам, работающим в дальнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.
Известен светосильный объектив, описанный в патенте RU №2386155, МПК G02B 9/34, 13/14, опубликованном в 2010 г., состоящий из четырех одиночных линз по ходу лучей: первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению и четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, при этом радиус кривизны первой оптической поверхности четвертой линзы по модулю меньше радиуса кривизны второй оптической поверхности четвертой линзы, кроме того, первая и четвертая линзы выполнены из германия, а вторая и третья линзы выполнены из оптического бескислородного инфракрасного стекла с показателем преломления для длины волны 10 мкм более 2,5 и менее 3,1 и имеют место условия:
5
7
|R|=|R|,
3
6
|R|=|R|,
3
5
6
7
где R, R, R, R - радиусы кривизны третьей, пятой, шестой и седьмой оптических поверхностей по ходу лучей, а отношение величины первого воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,108. Данный объектив работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм.
Характеристики объектива:
фокусное расстояние
130 мм
относительное отверстие
1:1,4
угол поля зрения
9 град
задний фокальный отрезок
9,45 мм
задний фокальный отрезок без учета защитного стекла
18,7 мм
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет малое относительное отверстие, равное 1:1,4.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив для ИК-области спектра, описанный в патенте RU №2506616, МПК G02B 9/34, 11/22, 13/14, опубликованном в 2014 г., состоящий из четырех компонентов по ходу лучей: первого компонента - одиночного положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второго компонента - одиночного положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, третьего компонента - одиночного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, и четвертого компонента - одиночного положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, кроме того, первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты - из селенида цинка, при этом фокусные расстояния компонентов удовлетворяют необходимым условиям, заявленным в патенте и, кроме того, имеют место следующие условия
3
8
|R|=|R|,
4
5
|R|=|R|,
3
4
5
8
где R, R, R, R - радиусы третьей, четвертой, пятой и восьмой оптических поверхностей соответственно.
Данный объектив может работать в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм.
Характеристики объектива:
фокусное расстояние
40 мм
относительное отверстие
1:0,84
угол поля зрения
12 град
задний фокальный отрезок
6,7 мм
Светосильный объектив близок по конструкции к заявляемому, однако, пересчитанный на фокусное расстояние 89,81 мм при относительном отверстии 1:0,998 и при угловом поле зрения 2w=8 град 43 мин имеет недостаточное качество изображения и большие габариты. Так, например поперечные аберрации для точки на оси равны  0,145 мм в плоскости Гаусса и в плоскости наилучшей установки  0,047 мм, а расстояние от первой оптической поверхности до плоскости изображения составляет 154,46 мм.
Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными оптическими и техническими характеристиками.
Технический результат - повышение качества изображения при уменьшении габаритов.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех расположенных по ходу лучей одиночных линз: первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - положительный мениск, третья - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, при этом первая и четвертая линзы выполнены из германия, а вторая и третья линзы - из селенида цинка, в отличие от известного вторая линза обращена вогнутостью к изображению, кроме того, выполнено следующее условие:
2
6
|R|=|R|,
2
6
где R, R - радиусы кривизны второй и шестой оптических поверхностей по ходу лучей.
На чертеже представлена оптическая схема предложенного светосильного объектива.
Светосильный объектив состоит по ходу лучей из четырех одиночных линз: первой линзы - положительного мениска 1, обращенного вогнутостью к изображению, второй линзы - положительного мениска 2, обращенного вогнутостью к изображению, третьей линзы - отрицательного мениска 3, обращенного вогнутостью к изображению, и четвертой линзы - положительного мениска 4, обращенного вогнутостью к изображению. Линзы 1 и 4 выполнены из германия, линзы 2 и 3 - из селенида цинка. Модули радиусов второй и шестой оптических поверхностей по ходу лучей равны. За мениском 4 расположена плоскопараллельная пластина 5, которая может быть выполнена в виде защитного стекла перед приемником оптического излучения (не показан).
Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив.
Светосильный объектив работает следующим образом: световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4 и плоскопараллельную пластину 5 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).
В соответствии с предложенным решением рассчитан светосильный объектив, исправленный в спектральном диапазоне от 8 до 13 мкм.
Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.
Характеристики светосильного объектива
фокусное расстояние
89,81 мм
относительное отверстие
1:0,998
угол поля зрения
8 град 43 мин
задний фокальный отрезок
0,766 мм
задний фокальный отрезок без учета защитного стекла
19,02 мм
Входной зрачок расположен на первой оптической поверхности.
В предлагаемом светосильном объективе имеет место равенство:
2
6
|R|=|R|=128,53.
В табл. 2 приведены аберрации в плоскости Гаусса для длины волны 10 мкм ближайшего аналога, пересчитанного на фокусное расстояние 89,81 мм и предложенного светосильного объектива. Предложенный светосильный объектив имеет более высокое качество изображения, что следует из табл. 2, и уменьшенные габариты, т.к. у него расстояние от первой оптической поверхности до плоскости изображения равно 122,17 мм.
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 13 мкм с повышенным качеством изображения и уменьшенными габаритами.