СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к линзовым объективам, и может быть использована преимущественно в оптико-электронных аппаратах обладающих высокой разрешающей способностью, большим относительным отверстием и работающих в широкой области спектра.
Известен фотографический объектив [1] для высокоразрешающего формирования изображения в широком спектральном диапазоне. Объектив содержит два компонента: первый - положительный, состоящий из трех одиночных линз, первая из которых положительная двояковыпуклая, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй компонент - отрицательный, состоящий из четырех одиночных линз, первая - двояковогнутая, вторая - двояковогнутая, третья - двояковыпуклая, а четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету.
Объектив обладает высокой коррекцией как монохроматических, так и хроматических аберраций в области спектра λ=(500…900)нм. Недостатками указанного объектива являются: небольшая светосила, и снижение качества изображения за счет терморасстраиваемости при изменении температуры окружающей среды. Расчет терморасстраиваемости объектива, приведенного в описании, показал, что изменение температуры на 5°C вызывает дефокусировку на 0.08 мм, что приводит к снижению качества изображения. В таких объективах необходимо применение служебных систем, контролирующих состояние оптической системы объектива, и, при необходимости, отрабатывающих его расфокусировку, что усложняет конструкцию и увеличивает вес аппарата.
Из известных объективов наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели можно выбрать в качестве прототипа апохроматический объектив [2].
Объектив состоит из последовательно расположенных по ходу лучей двух компонентов I и II. Компонент I выполнен из отрицательного двухлинзового склеенного блока, состоящего из двояковогнутой и двоякояковыпуклой линз, положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, положительного двухлинзового склеенного блока, состоящего из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковыпуклой линзы. Компонент II выполнен из отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, двояковыпуклой и двояковогнутой линз.
Объектив относится к классу систем с дифракционным качеством и апохроматической коррекцией вторичного спектра в спектральном диапазоне λ=(460…900)нм, низкой терморасстраиваемостью. Недостатками указанного объектива являются: низкая светосила - 1:5.6, не позволяющая производить фотографирование слабоосвещенных объектов, и недостаточное угловое поле зрения - 8°.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание термокомпенсированного объектива, предназначенного для работы в открытом космосе без размещения в гермоконтейнере, с фокусным расстоянием f'=250 мм, с относительным отверстием D/f'=1:3 и угловым полем 11.5° с обеспечением высокого качества изображения, в спектральном диапазоне λ=(420…860)нм, и с сохранением этого качества при колебании температуры окружающей среды.
Технический результат, обеспечивающий получение высокого качества изображения в широкой области спектра, достигается созданием объектива, состоящего из тринадцати линз в девяти компонентах.
В светосильном объективе, содержащем по направлению хода луча отрицательный двухлинзовый склеенный блок, положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, положительный склеенный блок, мениск, двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, в отличие от прототипа введена группа линз, расположенная за двояковогнутой линзой и состоящая из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предмета, двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, при этом отрицательный двухлинзовый склеенный блок состоит из двояковыпуклой и двояковогнутой линз и обращен вогнутостью к плоскости изображения, положительный мениск выполнен двухлинзовым склеенным блоком, состоящим из положительного и отрицательного менисков, положительный склеенный блок дополнен отрицательной двояковогнутой линзой, а мениск выполнен положительным, обращенным вогнутостью к плоскости изображения.
Введение склеенных блоков позволило изменить спектральный диапазон до λ=(420…860)нм и увеличить относительное отверстие, введение менисков обеспечивает высококачественную коррекцию полевых аберраций, что позволило увеличить поле зрения объектива до 11.5°, а относительное отверстие до 1:3.
Высокое качество изображения сохраняется при изменении температуры окружающей среды также за счет выбора марок стекол с низкими термооптическими и теплотехническими характеристиками и построения термокомпенсированной схемы объектива.
На фиг.1 изображена принципиальная оптическая схема предлагаемого объектива.
На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики использованных стекол.
Объектив состоит из последовательно расположенных по ходу лучей: отрицательного двухлинзового склеенного блока 1, состоящего из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, обращенного вогнутостью к плоскости изображений, положительного склеенного мениска 2, состоящего из положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, положительного трехлинзового склеенного блока 3, состоящего из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, двояковыпуклой и двояковогнутой линз, положительного мениска 4, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, двояковыпуклой линзы 5 и двояковогнутой линзы 6, отрицательного мениска 7, обращенного вогнутостью к плоскости предмета, двояковыпуклой линзы 8 и отрицательного мениска 9, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.
Для объективов, работающих с ПЗС-матрицей, параметрами, характеризующими качество изображения, является широкая область спектра (λ=(460…900)нм), относительное отверстие, значение коэффициентов передачи модуляции на частоте, определяемой размером пиксела, а также концентрация энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной одному пикселу ПЗС-матрицы.
Предлагаемый объектив имеет следующие характеристики:
- фокусное расстояние - 250 мм;
- относительное отверстие - 1:3;
- угловое поле зрения - 11.5°;
-1
- значение коэффициента передачи модуляции (КПМ) на пространственной частоте 70 мм во всем спектральном диапазоне в пределах всего поля зрения - не ниже 0.57-0.7. Фотограмметрическая дисторсия не превышает 0.004 мм, дифференциальная хроматическая дисторсия не более 0.002 мм.
Объектив работает следующим образом: световой поток от предмета проходит через линзы 1-9 и формирует изображение в фокальной плоскости, обеспечивая построение изображения в различных спектральных диапазонах.
Объектив можно отнести к классу светосильных систем с апохроматической коррекцией вторичного спектра. Терморасстраиваемость объектива в условиях изменения окружающей среды на ±5°С не превышает 0.008 мм, что не приводит к изменению КПМ.
В объективе обеспечен близкий к телецентрическому ход лучей в пространстве изображений, что позволяет использовать в качестве приемника информации CCD - матрицы серии EXWAVEHAD с микролинзами на поверхности CCD, которые в 3…4 раза повышают чувствительность фотокамеры.
Таким образом, предложенный объектив позволяет увеличить относительное отверстие в 1.8 раза, угловое поле зрения в 1.4 раза по сравнению с прототипом и обеспечить в условиях открытого космоса высокое качество изображения, по всему полю и в узких спектральных диапазонах в области λ=(420…860)нм.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Патент РФ №2183339 С1, публикация 2002.06.10, МКИ G02B 9/64, G02B 11/34.
2. Патент RU №58229 U1, публикация 2006, МПК G02B 9/64 - прототип.