СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
LARGE-APERTURE LENS

Изобретение  относится к оптическим приборам и может использоваться для создания светосильных объективов с расширенным спектральным диапазоном, работающих с матричными приемниками.
Известны объективы, применяемые в приборах ночного видения, работающие в видимой и ближней ИК-области спектра, например светосильный объектив по патенту РФ №2178194, опубл. 10.01.2002 г. Объектив содержит пять компонентов, первый из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к изображению, второй - двояковыпуклая линза, третий - двояковогнутая линза, четвертый - двояковыпуклая линза и пятый - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к предмету. Относительное отверстие объектива 1:2, угловое поле зрения в пространстве предметов 48°, рабочий спектральный диапазон 0,6…1,0 мкм. Как видим, спектральный диапазон довольно узок и объектив не решает поставленную задачу.
Ближайшим по конструктивному исполнению к предлагаемому является светосильный объектив с увеличенным задним фокальным отрезком по авт. свид. СССР №781732, опубл. 23.11.1980 г., содержащий четыре компонента, первый из которых - отрицательный в виде склеенного мениска, обращенного выгнутостью к предмету, второй - вогнуто-выпуклый мениск, третий - выпукло-вогнутый положительный мениск, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Второй компонент расположен от первого на расстоянии 0,3-0,4 фокусного расстояния объектива, а каждый из последующих компонентов относительно своего предыдущего расположен на расстоянии не более 0,01 фокусного расстояния объектива. Второй и третий компоненты (мениски) являются общим блоком, рассчитанным на минимум сферической аберрации. Объектив имеет увеличенные относительное отверстие и угол поля зрения, но конкретные их величины не указаны. Не указана также область спектрального диапазона, в которой предназначено работать объективу, но очевидно, что это видимый спектральный диапазон.
Техническим результатом изобретения является расширение рабочей области спектра от 0,4 мкм до ближней инфракрасной (1 мкм), увеличение относительного отверстия до 1:1,4 и увеличение угла поля зрения в пространстве предметов до 88° с сохранением высокого качества изображения в указанном спектральном диапазоне.
Технический результат достигается тем, что в светосильном объективе, включающем отрицательный компонент, блок из двух положительных менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, и положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, в отличие от известного, отрицательный компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, положительный мениск - в виде склеенных друг с другом двояковыпуклой и двояковогнутой линз, перед которыми дополнительно введена двояковыпуклая линза, выполненная из стекла с коэффициентом дисперсии более 90.
Выполнение первого компонента в виде двояковогнутой линзы обеспечивает увеличение угла поля зрения при сохранении высокого качества изображения по всему полю. Группа из двух последних компонентов - двояковыпуклой линзы и положительного двусклеенного мениска - и выполнение двояковыпуклой линзы из стекла с коэффициентом дисперсии более 90 обеспечивают расширение рабочего спектрального диапазона объектива от видимой до ближней ИК-области спектра (1 мкм). Апертурная диафрагма расположена между двояковыпуклой линзой, выполненной из стекла с коэффициентом дисперсии более 90, и двусклеенным компонентом и обеспечивает получение большого значения относительного отверстия - 1:1,4.
Оптическая схема объектива поясняется чертежом и диаграммами, где:
диаграмма 1 - частотно-контрастная характеристика;
диаграмма 2 - вторичный спектр и остаточный хроматизм объектива.
Предложенный объектив показан на чертеже и содержит двояковогнутую линзу 1, положительный мениск 2, обращенный выпуклостью к изображению, положительный мениск 3, обращенный выпуклостью к предмету, двояковыпуклую линзу 4 и положительный компонент, склеенный из двояковыпуклой линзы 5 и двояковогнутой линзы 6. Линза 4 и компонент из линз 5 и 6 разделены апертурной диафрагмой 7 и образуют группу 8.
В качестве конкретного примера реализации изобретения рассчитан объектив со следующими характеристиками:
фокусное расстояние объектива f′=5,58 мм;
F′
задний фокальный отрезок S′=6,24 мм;
относительное отверстие - 1:1,4;
угловое поле в пространстве предметов - 88°;
спектральный диапазон - (0,4…1) мкм;
длина оптической системы - 6,21f′.
Радиус, мм
Толщина, мм
Показатель преломления для λ=0,546 мкм
Коэффициент дисперсии для λ=0,546 мкм
Марка стекла
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=-71,94
d<sub>1</sub>=1
1,617772
39,76
БФ21
11,3
R<sub>2</sub>=6,02
d<sub>2</sub>=7,9
8,6
R<sub>3</sub>=-32,43
d<sub>3</sub>=5,5
1,746231
27,94
ТФ4
7,9
R<sub>4</sub>=-16,368
d<sub>4</sub>=0,78
9,9
R<sub>5</sub>=9,954
d<sub>5</sub>=4,l
1,761712
27,32
ТФ5
10,4
R<sub>6</sub>=6,607
d<sub>6</sub>=l,04
8,7
R<sub>7</sub>=7,87
d<sub>7</sub>=6,5
1,4485
91,53
ОК4
9,5
R<sub>8</sub>=-11,108
d<sub>8</sub>=0,8
9,4
R<sub>9</sub>=10,814
d<sub>9</sub>=4,2
1,615506
60,33
ТК14
8,4
R<sub>10</sub>=-6,637
d<sub>10</sub>=2,9
1,761712
27,32
ТФ5
8,1
R<sub>11</sub>=83,56
7,9
Объектив работает следующим образом: параллельный световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит последовательно через компоненты 1-6 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического изображения (не показан).
Частотно-контрастная характеристика данного объектива в спектральном диапазоне: 0,4-1 мкм, представлена на диаграмме 1.
-1
Из диаграммы 1 следует, что объектив имеет высокое значение коэффициента передачи контраста (КПК) на частоте 62 мм как для осевого пучка лучей (0,6 - вторая кривая сверху), так и для внеосевых пучков (более 0,3), что подтверждает высокое качество изображения, получаемое объективом.
Вторичный спектр и остаточный хроматизм представленного объектива показан на диаграмме 2.
Диаграмма 2 показывает, что величина остаточного хроматизма представленного объектива не превышает 0,011f′, что говорит о хорошем исправлении хроматических аберраций во всем спектральном диапазоне работы объектива.
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата по сравнению с ближайшим аналогом: расширен спектральный диапазон работы до 0,4…1,0 мкм вместо 0,6…1,0 мкм (при хорошем качестве изображения точки на оси и по полю), получено относительное отверстие объектива 1:1,4 и угловое поле зрения в пространстве предметов 88.