Проекционный светосильный объектив

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно, к специальным объективам, работающим в ИК области спектра, и может быть применена в установках для измерения пятен рассеяния ИК объективов и оптических зондов.
В связи с растущими объемами производства ИК техники и ужесточением требований к качеству изображения ИК объективов, требуется создание средств оперативного и точного контроля качества ИК объективов. Для проведения контроля качества ИК объективов путем исследования их пятен рассеяния требуется создание измерительного оборудования, включающего в себя матричный ИК анализатор и проекционный РЖ объектив с большим увеличением, числовой апертурой не менее 0,7 и дифракционным качеством изображения.
Известен светосильный объектив с высоким качеством изображения без виньетирования при угле зрения не менее 2W=7° [патент BY 10796 С1, МПК G02B 13/14, 2008]. Объектив содержит четыре компонента и апертурную диафрагму.
Первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент - в виде положительной линзы. В случае выполнения положительной линзы в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, объектив будет работать в средней ИК области.
Апертурная диафрагма расположена после четвертого компонента, на расстоянии
6 мм для объектива среднего ИК диапазона и совмещена с охлаждаемой диафрагмой фотоприемника. Расстояние между вторым и третьим компонентами составляет не менее 0,45 фокусного расстояния объектива. Фокусное расстояние объектива 100 мм. Концентрация энергии в кружке диаметром 0,035 мм не менее 91% (точка на оси) и 87% (край поля зрения). Первый и четвертый компоненты выполнены из кремния, второй и третий компоненты выполнены из монокристаллического германия. Относительное отверстие объектива не менее 1:1,36. Недостатком данного объектива является то, что он относится к классу изображающих систем и не может работать с объектом, находящимся на конечном расстоянии (т.е. объектив не является проекционным).
Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив микроскопа [патент US 2004/0051957 A1, G02B 21/02, 2004], включающий в себя 3 оптических компонента, работающий в видимом диапазоне длин волн, имеющий числовую апертуру в пределах от 0,6 до 0,7 (в зависимости от исполнения) и увеличение не более 12 крат.
Первая положительная линза может быть выполнена в виде плосковыпуклой линзы или мениска в предпочтительном исполнении или в виде двояковыпуклой линзы в альтернативном исполнении. Вторая положительная линза может быть выполнена в виде двояковыпуклой или плоско-выпуклой линзы в предпочтительном исполнении или в виде мениска в альтернативном исполнении. Предпочтительное исполнение третьей отрицательной линзы - в виде мениска или двояковогнутой линзы, в альтернативном исполнении - в виде плоско-вогнутой линзы. Апертурная диафрагма может располагаться перед задней поверхностью второй положительной линзы или в пределах объектива.
Поле зрения объектива составляет 220-240 мкм. Отношение поля зрения к выходному диаметру объектива не менее 0,11-0,15 (в зависимости от исполнения). Отношение увеличения объектива к числовой апертуре не превышает 27,5. Недостатком данного аналога является невозможность его использования в среднем инфракрасном диапазоне длин волн, а также недостаточное увеличение.
Задачей полезной модели является создание светосильного проекционного объектива, работающего в спектральном диапазоне 3,5…5 мкм, с числовой апертурой в пространстве предметов не менее 0,7, увеличением 13-15 крат и обладающего дифракционным качеством изображения.
Решение задачи обеспечивается тем, что проекционный светосильный объектив содержит три компонента и апертурную диафрагму, расположенную на последней поверхности третьего компонента (Фиг. 1. Оптическая схема объектива). Первый компонент представляет собой положительный мениск 1, обращенный вогнутой стороной к пространству предметов, второй компонент - двояковогнутая линза 2, третий компонент - двояковыпуклая линза 3, первый и третий компоненты выполнены из кремния, второй компонент выполнен из оптического материала с показателем преломления не менее 4, расстояние между первым и вторым компонентами не менее 0,8 от фокусного расстояния объектива. Такая конструкция позволяет обеспечить высокую степень коррекции сферической аберрации и комы при высоких значениях числовой апертуры.
Выполнение третьего компонента в виде двояковыпуклой линзы, первого и третьего компонентов из оптического материала одной марки (кремния), второй линзы - из оптического материала с показателем преломления не менее 4 (например, германия), обеспечивает работу объектива в средней инфракрасной области спектра.
Вариант исполнения оптической системы (см. таблицу) характеризуется следующими параметрами: числовая апертура в пространстве предметов 0,8, параксиальное увеличение 14 крат, фокусное расстояние f'=15,7 мм. Расстояние переноса с учетом входного окна фотоприемника из германия толщиной 2,5 мм, находящемся на расстоянии 32 мм от фоточувствительного слоя фотоприемника, составляет 225 мм. При этом расстояние от плоскости предметов до первой поверхности составляет 1,5 мм, а расстояние от последней поверхности объектива до входного окна фотоприемника составляет 180 мм.
Объектив работает следующим образом: поток излучения от предмета, расположенного на конечном расстоянии от объектива, проходит через линзы 1, 2 и 3 и образует увеличенное изображение предмета в плоскости изображений, совмещенной с плоскостью фоточувствительного слоя фотоприемника.
Объектив обладает качеством изображения, близким к дифракционному, что подтверждает график ЧКХ системы, рассчитанной в обратном ходе лучей (Фиг. 2. Частотно-контрастная характеристика объектива в обратном ходе лучей).
Графические изображения на фиг. 3, где показывается функция концентрации энергии в кружке рассеяния заданного радиуса, и фиг. 4 - аберрационные пятна рассеяния (черным цветом обозначен кружок Эйри), иллюстрируют высокое качество изображения заявляемой полезной модели.