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|,
5
6
0,8<R/R<0,97,
3
5
6
7
где R, R, R, R - радиусы кривизны третьей, пятой, шестой и седьмой оптических поверхностей по ходу лучей. Кроме того, в данном объективе 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 1:1,4.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив 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
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако, пересчитанный на фокусное расстояние 130 мм при относительном отверстии 1:1,08 и при угловом поле зрения 2w=6 град имеет недостаточное качество изображения и большие габариты (так, например, продольные аберрации для точки на оси равны - 0,17 мм в плоскости Гаусса и - 0,072 мм в плоскости наилучшей установки, а расстояние от первой оптической поверхности до плоскости изображения составляет 223,58 мм).
Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными оптическими и техническими характеристиками.
Технический результат - повышение качества изображения и уменьшение 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 - 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 третья линза - из селенида цинка, в отличие от известного, вторая линза представлена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, выполненного из германия.
Кроме того, могут быть выполнены следующие условия:
2
6
|R|=|R|.
3
5
|R|=|R|.
2
3
5
6
где R, R, R, R - радиусы кривизны второй, третьей, пятой и шестой оптических поверхностей по ходу лучей.
На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.
Светосильный объектив состоит по ходу лучей из четырех одиночных линз: первой линзы - положительного мениска 1, обращенного вогнутостью к изображению, второй линзы - отрицательного 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, 2 и 4 выполнены из германия, линза 3 - из селенида цинка. Радиус второй оптической поверхности по ходу лучей может быть равен по модулю радиусу шестой оптической поверхности по ходу лучей, а радиус третьей по ходу лучей оптической поверхности может быть равен радиусу пятой оптической поверхности по ходу лучей. 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.
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 рассчитаны два варианта конкретного исполнения светосильного объектива, исправленные в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм.
Конструктивные параметры объектива по первому варианту исполнения приведены в таблице 1.
Характеристики рассчитанного объектива по первому варианту:
фокусное расстояние
130 мм
относительное отверстие
1:1,08
угол поля зрения
6 град
задний фокальный отрезок
0,93 мм
задний фокальный отрезок без учета защитного стекла
27,58 мм
Входной зрачок расположен на первой оптической поверхности.
Конструктивные параметры объектива по второму варианту исполнения приведены в таблице 2.
Характеристики рассчитанного объектива по второму варианту исполнения:
фокусное расстояние
130,03 мм
относительное отверстие
1:1,08
угол поля зрения
6 град
задний фокальный отрезок
0,844 мм
задний фокальный отрезок без учета защитного стекла
27,5 мм
Входной зрачок расположен на первой оптической поверхности.
В предлагаемом варианте изобретения имеют место равенства:
2
6
|R|=|R|=274,2;
3
5
|R|=|R|=381,9
В табл. 3 приведены аберрации в плоскости Гаусса для длины волны 10 мкм ближайшего аналога, пересчитанного на фокусное расстояние 130 мм и предложенного светосильного объектива по первому и второму вариантам исполнения.
Предложенный объектив по первому и второму вариантам исполнения имеет более высокое качество изображения, что следует из табл. 3, и уменьшенные габариты, т.к. у него расстояние от первой оптической поверхности до плоскости изображения для первого варианта исполнения равно 173,44 мм, а для второго варианта исполнения равно 173,53 мм.
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 12, 5 мкм с повышенным качеством изображения и уменьшенными габаритами.