СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
HIGH-SPEED LENS

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в среднем и дальнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.
Известен светосильный объектив по патенту России №2183340; G02B 13/14, 9/34; публ. 2002 г., который содержит четыре компонента по ходу лучей, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - вогнутоплоская линза, обращенная плоскостью к изображению, третий - положительная плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к предмету, и четвертый - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Объектив рассчитан для фокусного расстояния 51,14 мм, относительного отверстия 1:1,65, угла поля зрения 18 град., заднего фокального отрезка 45,23 мм и работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм, все линзы у него выполнены из германия с показателем преломления более 4. По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малые фокусное расстояние и относительное отверстие.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является светосильный объектив (Россия, свидетельство на полезную модель №26664; G02B 13/14, 9/34, 9/56, 3/02, публ. 2002 г.), содержащий четыре компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третий и четвертый - положительные мениски, обращенные выпуклостью к предмету. Вторая, вогнутая, поверхность первого мениска выполнена асферической, и имеют место соотношения:
5
6
|R|<|R|,
3
5
d≤0,01R,
5
6
где: R, R - радиусы кривизны пятой и шестой оптических поверхностей соответственно;
3
d - толщина третьего компонента.
Кроме того, отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,00323, и имеет место равенство:
5
6
R/R=0,1192.
Объектив работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм, все линзы выполнены из германия с показателем преломления более 4, и рассчитан для фокусного расстояния объектива - 62 мм, относительного отверстия - 1:2, угла поля зрения - 16 град., заднего фокального отрезка - 52,78 мм.
По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малые фокусное расстояние и относительное отверстие, а также недостаточную технологичность, так как содержит асферическую оптическую поверхность, а изготовление асферической поверхности более трудоемко, чем сферической; кроме того, все радиусы кривизны линз различны, что не позволяет производить унификацию эталонных пробных стекол при изготовлении объектива.
Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - повышение технологичности, увеличение фокусного расстояния и относительного отверстия при высоком качестве изображения.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из последовательно расположенных по ходу лучей одиночных линз, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третья - мениск и четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, при этом первая, третья и четвертая линзы выполнены из германия, и отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива составляет от 0 до 0,05 в отличие от известного, третья линза - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, оптические поверхности всех линз выполнены сферическими, показатель преломления материала второй линзы более 1,25 и менее 3,9, кроме того, имеет место условие:
7
8
R=R
5
6
0,8<R/R<0,96,
5
6
7
8
где R, R, R, R - радиусы кривизны пятой, шестой, седьмой и восьмой оптических поверхностей.
Кроме того, может иметь место равенство:
5
8
|R|=R;
и третья линза может быть выполнена в виде отрицательного или положительного мениска.
На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.
Светосильный объектив состоит из четырех одиночных линз по ходу лучей: первая из которых - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск 2, обращенный вогнутостью к предмету, третья - мениск 3, обращенный выпуклостью к изображению, и четвертая - положительный мениск 4, обращенный выпуклостью к предмету. За мениском 4 может быть расположена одна или несколько плоскопараллельных пластин. Линза 3 может быть как положительной, так и отрицательной.
Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив. Световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).
В соответствии с предложенным решением рассчитаны три конкретных варианта выполнения светосильного объектива, исправленные в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм. В первом и во втором вариантах выполнения светосильного объектива третья линза - мениск выполнена отрицательной, а в третьем - положительной.
Конструктивные параметры объектива по первому варианту выполнения приведены в табл.1.
Объектив рассчитан для фокусного расстояния объектива - 102,14 мм, относительного отверстия - 1:1,46, угла поля зрения - 11 град. 12 мин, заднего фокального отрезка - 14,16 мм, при этом апертурная диафрагма расположена за линзой 2 на расстоянии 28,6 мм.
В первом предлагаемом варианте выполнения изобретения имеют место равенства:
7
8
R=R
5
6
R/R=0,9355
5
8
|R|=R
3
f'=-2710,14 мм,
5
6
7
8
где: R, R, R, R - радиусы кривизны соответственно пятой, шестой, седьмой и восьмой оптических поверхностей;
3
f' - фокусное расстояние третьего компонента объектива для длины волны 10 мкм.
Кроме того, показатель преломления материала второго компонента для длины волны 10 мкм равен 2,4067, и отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,00245.
Таблица 1
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Показатель преломления для λ=10 мкм
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=102,57
70
d<sub>1</sub>=5,8
Ge
4,0024
R<sub>2</sub>=139,96
68
d<sub>2</sub>=12
1
R<sub>5</sub>=-438,5
63,6
d<sub>3</sub>=5,4
ZnSe
2,4067
R<sub>4</sub>=-523,6
62,7
d<sub>4</sub>=83
1
R<sub>5</sub>=-27,54
28
d<sub>5</sub>=2,4
Ge
4,0024
R<sub>6</sub>=-29,44
29,7
d<sub>6</sub>=0,25
1
R<sub>7</sub>=27,54
28
d<sub>7</sub>=3,1
Ge
4,0024
R<sub>8</sub>=27,54
25,8
Конструктивные параметры объектива по второму варианту выполнения приведены в табл. 2.
Объектив рассчитан для фокусного расстояния объектива - 129,78 мм, относительного отверстия - 1:1,44, угла поля зрения - 8 град. 51 мин, заднего фокального отрезка - 18,29 мм, при этом апертурная диафрагма расположена за линзой 2 на расстоянии 36,8 мм.
Таблица 2
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Показатель преломления для λ=10 мкм
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=131,83
90
d<sub>1</sub>=7,5
Ge
4,0024
R<sub>2</sub>=180,3
87,4
d<sub>2</sub>=14
1
R<sub>3</sub>=-564,9
82,7
d<sub>3</sub>=7
ZnSe
2,4067
R<sub>4</sub>=-669,9
81,4
d<sub>4</sub>=106,8
R<sub>5</sub>=-35,48
33,2
d<sub>5</sub>=3
Ge
4,0024
R<sub>6</sub>=-37,84
35,2
d<sub>6</sub>=0,3
1
R<sub>7</sub>=35,48
32,3
d<sub>7</sub>=4
Ge
4,0024
R<sub>8</sub>=35,48
29,5
Во втором варианте выполнения изобретения имеют место равенства:
7
8
R=R
5
6
R/R=0,9376
5
8
|R|=R
3
f'=-4081,87 мм.
Кроме того, показатель преломления материала второго компонента для длины волны 10 мкм равен 2,4067, и отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,00231.
Конструктивные параметры объектива по третьему варианту выполнения приведены в табл.3.
Объектив рассчитан для фокусного расстояния объектива - 175,12 мм, относительного отверстия - 1:1,46, угла поля зрения - 6 град. 41 мин, заднего фокального отрезка - 25,24 мм, при этом апертурная диафрагма расположена за линзой 2 на расстоянии 49 мм.
Таблица 3
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Показатель преломления для λ=10 мкм
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=190,99
120
d<sub>1</sub>=9
Ge
4,0024
R<sub>2</sub>=266,7
117,3
d<sub>2</sub>=28,7
1
R<sub>3</sub>=-550,8
106,8
d<sub>3</sub>=9
ZnSe
2,4067
R<sub>4</sub>=-620,9
105,9
d<sub>4</sub>=142,5
1
R<sub>5</sub>=-55,59
36,5
d<sub>5</sub>=4,8
Ge
4,0024
R<sub>6</sub>=-58,61
38,5
d<sub>6</sub>=0,3
1
R<sub>7</sub>=43,25
36
d<sub>7</sub>=4,8
Ge
4,0024
R<sub>8</sub>=43,25
32,9
В третьем варианте выполнения изобретения имеют место равенства:
7
8
R=R
5
6
R/R=0,94
3
f'=1868,67 мм.
Кроме того, показатель преломления материала второго компонента для длины волны 10 мкм равен 2,4067, отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,0017.
В табл.4 приведены аберрации для длины волны 10 мкм предложенного светосильного объектива по трем рассчитанным вариантам.
5
6
В первом и втором вариантах выполнения объектива фокусное расстояние третьей линзы - отрицательное, а в третьем варианте - положительное. Известна формула для фокусного расстояния одиночной линзы конечной толщины, в которой фокусное расстояние является функцией от радиусов кривизны оптических поверхностей, показателя преломления и толщины линзы. В предлагаемом объективе третья линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, причем |R|<|R|. При этом при определенных значениях радиусов кривизны оптических поверхностей, показателя преломления и толщины линза может быть как отрицательной, так и положительной.
Предложенный объектив содержит только сферические оптические поверхности, и имеется равенство по модулю радиусов сферических оптических поверхностей на две или три поверхности, что обеспечивает его более высокую технологичность. Кроме того, предложенный объектив имеет фокусное расстояние не менее 102 мм, относительное отверстие не менее 1:1,46 и высокое качество изображения, что следует из табл.4.
Таблица 4
Значение аберраций объективов
Вид аберрации
по первому варианту выполнения, не более
по второму варианту выполнения, не более
по третьему варианту выполнения, не более
Относительное отверстие
1:1,46
1:1,44
1:1,46
Поле зрения 2W
11 град. 12 мин
8 град. 51 мин
6 град. 41 мин
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси
0,0095 мм
0,0146 мм
0,015 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении
0,065 мм
0,0233 мм
0,029 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении
0,031 мм
0,012 мм
0,0175 мм
Меридиональный астигматический отрезок X'<sub>м</sub>
0,148 мм
0,0096 мм
-0,0098 мм
Сагиттальный астигматический отрезок X'<sub>s</sub>
0,0287 мм
-0,0075 мм
-0,0193 мм
Дисторсия
-0,22%
-0,15%
- 0,2%
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 12,5 мкм с повышенной технологичностью и увеличенным фокусным расстоянием и относительным отверстием при высоком качестве изображения.