СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
LARGE-APERTURE LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в дальнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.
Известен светосильный объектив по патенту США №4537464; НКИ 350/1.4; публ. 1985 г., который содержит три компонента по ходу лучей, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третий - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Объектив имеет малое поле зрения 2W=1,6°, все компоненты выполнены из кремния и работает в спектральном диапазоне от 3,5 до 8 мкм. Поскольку все линзы выполнены из кремния, то объектив не может работать в дальнем ИК-диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив (Россия, патент №2187135; G02B 13/14, 9/14, публ. 2002 г.), содержащий три компонента, первый из которых (по ходу лучей) - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и третий - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Все поверхности в объективе сферические. В объективе имеют место соотношения:
6
1
R>R;
3
1
R>R;
3
6
R>R;
1
R/f'=1,037-1,061;
3
R/f'=17,58-17,62;
4
R/f'=1,68-1,74;
5
R/f'=0,81-0,84;
6
R/f'=1,691-1,74;
1
3
6
где R, R, - R - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей;
f' - фокусное расстояние всего объектива.
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 - 148 мм и 148,39 мм, относительного отверстия - 1:1,65, угла поля зрения - 6 град., заднего фокального отрезка - 44,06 мм.
По конструкции объектив близок к заявляемым, однако имеет малое относительное отверстие.
Задачей изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными качествами.
Технический результат - повышение 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 изображению, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, при этом первая линза выполнена из германия, при этом показатель преломления материала третьей линзы более 2,3 и менее 4,1 для длины волны 10 мкм, в отличие от известного, вторая линза выполнена из селенида цинка, вторая, вогнутая поверхность первой линзы выполнена асферической, кроме того, имеют место условия:
3
1
R<R;
3
6
R<R;
3
0,25<R/f'<0,5;
4
0,15<R/f'<0,45;
5
0,3<R/f'<0,7;
6
0,4<R/f'<1,3;
1
3
6
где: R, R-R - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей;
f' - фокусное расстояние всего объектива;
кроме того, могут быть выполнены соотношения:
6
1
R<R,
1
0,5<R/f'<1,
а третья линза может быть выполнена из селенида цинка.
На фигуре представлена оптическая схема предложенного объектива.
Светосильный объектив (см. фиг.2) состоит из трех расположенных по ходу лучей компонентов, первый из которых - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к изображению, второй - отрицательный мениск 2, обращенный вогнутостью к изображению и третий - положительный мениск 3, обращенный выпуклостью к предмету.
Входной зрачок совпадает с первой поверхностью. За мениском 3 находится плоскопараллельная пластина 4.
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, 2, 3, плоскопараллельную пластину 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).
В соответствии с предложенным решением рассчитаны два варианта возможного исполнения 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:
фокусное расстояние f'
130,22 мм
относительное отверстие
1:1,08
угол поля зрения
5 град 20 мин
задний фокальный отрезок
3,55 мм
Выполнены соотношения:
3
R/f'=0,319;
4
R/f'=0,258;
5
R/f'=0,429;
6
R/f'=0,517.
Таблица 1
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Показатель преломления для λ=10 мкм
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=144,54
120
d<sub>1</sub>=10
Ge
4,0024
R<sub>2</sub>=200<sup>*)</sup>
116,4
d<sub>2</sub>=100,2
1
R<sub>3</sub>=41,5
43,6
d<sub>3</sub>=4.2
ZnSe
2,4067
R<sub>4</sub>=33,65
39,2
d<sub>4</sub>=17,07
1
R<sub>5</sub>=55,85
32,4
d<sub>5</sub>=4,2
Ge
4,0024
R<sub>6</sub>=67,3
30,3
d<sub>6</sub>=16,53
1
R<sub>7</sub>=∞
16
d<sub>7</sub>=1
Ge
4,0024
R<sub>8</sub>=∞
16
<sup>*)</sup> - уравнение асферической поверхности:
y<sup>2</sup>+z<sup>2</sup>-400х+1,355х<sup>2</sup>-0,00114х<sup>3</sup>=0
Конструктивные параметры объектива по второму варианту исполнения приведены в таблице 2.
Характеристики рассчитанного объектива:
фокусное расстояние f'
130,07 мм
относительное отверстие
1:1,4
угол поля зрения
8 град 45 мин
задний фокальный отрезок
3,52 мм
Таблица 2
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Показатель преломления для λ=10 мкм
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=114,02
90
d<sub>1</sub>=7,5
Ge
4,0024
R<sub>2</sub>=160,553<sup>*)</sup>
87,5
d<sub>2</sub>=63,67
1
R<sub>3</sub>=34,04
43,9
d<sub>3</sub>=3,9
ZnSe
2,4067
R<sub>4</sub>=27,1
38,9
d<sub>4</sub>=29,25
1
R<sub>5</sub>=82,6
32
d<sub>5</sub>=3,9
ZnSe
2,4067
R<sub>6</sub>=132,13
30,9
d<sub>6</sub>=17,4
1
R<sub>7</sub>=∞
23
d<sub>7</sub>=1
Ge
4,0024
R<sub>8</sub>=∞
23
<sup>*)</sup> - уравнение асферической поверхности:
y<sup>2</sup>+z<sup>2</sup>-321,106х+1,358х<sup>2</sup>-0,002х<sup>3</sup>=0
Выполнены соотношения:
3
R/f'=0,262;
4
R/f'=0,208;
5
R/f'=0,635;
6
R/f'=1,016;
1
R/f'=0,877.
В табл.3 приведены аберрации для длины волны 10 мкм предложенного светосильного объектива по первому и второму вариантам. Аберрации по первому варианту исполнения приведены для относительного отверстия 1:1,08 и поля зрения 2W=5 град 20 мин; а по второму варианту исполнения - для относительного отверстия 1:1,4 и поля зрения 2W=8 град 45 мин.
Таблица 3
Вид аберрации
Значение аберраций объективов
по первому варианту, не более
по второму варианту, не более
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси
0,0036 мм
0,014 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении
0,011 мм
0,024 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении
0,0093 мм
0,0023 мм
Меридиональный астигматический отрезок Х'<sub>м</sub>
-0,0067 мм
-0,0289 мм
Сагиттальный астигматический отрезок X'<sub>s</sub>
-0,0066 мм
-0,0161 мм
Дисторсия
0,33%
1,1%
Предложенный объектив имеет более высокое относительное отверстие (не менее 1:1,4).
Предложенные объективы имеют также высокое качество изображения, что следует из табл.3.
Таким образом, в результате предложенных решений обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 12,5 мкм с повышенным относительным отверстием при высоком качестве изображения.