СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн, и может быть использована в тепловизионных приборах.
Особенностью объективов для тепловизионных приборов является работа в ИК диапазоне спектра, в частности, 8-14 мкм, высокая светосила (более 1:1,5), качество изображения, близкое к дифракционному по всему пою изображения.
Известен светосильный объектив [1], работающий в ИК диапазоне спектра, содержащий три линзы, выполненные в виде менисков, обращенных вогнутостью к изображению, из которых первый с положительной оптической силой, второй - с отрицательной оптической силой, третий - с положительной оптической силой. Материал первой и третьей линзы - кремний.
Недостатком такого объектива является малое угловое поле (равное 1,6°) и светосила.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный объектив [2], работающий в диапазоне 8-12,5 мкм, выполненный из трех менисковых линз из материала одной марки - германия.
Мениски обращены вогнутостью к изображению, при этом оптическая сила I-го мениска - положительная, II-го - отрицательная, III-го - положительная. Линзы разделены воздушными промежутками размерами, близкими к 0,35-0,4 фокусного расстояния.
2
6
Радиус (R) вогнутой поверхности первого мениска равен радиусу вогнутой поверхности третьего мениска, т.е. R=R.
m
s
Недостатком такого объектива является низкая светосила - относительное отверстие равно 1:1,65 и низкое качество изображения по полю. Так для углового поля 3° - меридиональный астигматический отрезок Х′=0,16 мм, а сагиттальный Х′=0,10 мм.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение относительного отверстия и обеспечение высокого качества изображения по всему полю.
1
2
3
Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, содержит три компонента, выполненные в виде менисков из одинакового оптического материала, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой φ, второй - с отрицательной оптической силой φ, третий - с положительной оптической силой φ и с расстоянием между компонентами не менее 0,3 фокусного расстояния объектива.
В отличие от прототипа оптические силы компонентов удовлетворяют условию:
где φ - оптическая сила объектива.
Кроме того, отношения радиусов кривизны компонентов удовлетворяют условию:
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что полученные соотношения компонентов позволили обеспечить коррекцию осевых и полевых аберраций. Это дало возможность увеличить относительное отверстие до 1:1,25 при достаточно большом значении фокусного расстояния - 115 мм, при этом среднеквадратическая волновая аберрация по всему полю RMS≤0,103.
При этом соотношении оптических сил компонентов позволили скомпенсировать хроматические аберрации и полевые аберрации: кому и кривизну изображения, а отношения радиусов кривизны второго и третьего компонентов - скомпенсировать сферическую аберрацию высших порядков и астигматизм.
1
2
3
2
3
1
Другим достоинством предложенного объектива является то, что выбранные оптические силы компонентов позволили выполнить объектив из двух частей: первая часть - это первый компонент, диаметр которого D, определяемый относительным отверстием, равен f′/K, где К=f′/D, D - диаметр входного зрачка; а вторая часть - это второй и третий компоненты, их диаметры D, D, близки друг к другу и D, D≤0,5 D
Это позволило существенно сократить массу объектива за счет уменьшения массы второго и третьего компонентов.
Таким образом, предлагаемый светосильный объектив для инфракрасной области спектра, состоящий из трех компонентов, выполненных из одного материала - германия, работает в диапазоне спектра 8-12,5 мкм и обеспечивает:
- относительное отверстие 1: 1,25;
- угловое поле 2β=6°;
- фокусное расстояние f′=115 мм;
f′
- задний отрезок S′=18 мм;
- RMS в центре поля 0,088 λ
- RMS на краю поля 0,1026 λ
- контраст - в центре и по полю для N=20 мм ≥53%
Таким образом, предлагаемый объектив при одинаковом с прототипом количестве линз обеспечивает существенно лучший параметр объектива (относительное отверстие) при высоком качестве изображения.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - представлена оптическая схема объектива, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.
1
2
3
Светосильный объектив для инфракрасной области спектра состоит из трех компонентов, выполненных в виде менисков 1, 2 и 3. Все мениски обращены вогнутостью к изображению, и выполнены: первый мениск выполнен с положительной оптической силой φ второй - с отрицательной оптической силой φи третий - с положительной оптической силой φ.
Расстояние между менисками не менее 0,3 фокусного расстояния объектива.
Оптические силы компонентов удовлетворяют условию:
где φ - оптическая сила объектива.
Кроме того, отношения радиусов кривизны компонентов удовлетворяют условию:
Апертурная диафрагма 4 расположена на первой поверхности первого компонента.
Объектив снабжен защитным стеклом 5 и приемником излучения 6. Работа объектива осуществляется следующим образом. Параллельный пучок излучения от удаленного объекта проходит через линзы 1, 2 и 3 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник излучения 6.
В Приложении приведен объектив со следующими параметрами:
- относительное отверстие 1: 1,25;
- угловое поле 2β=6°;
- фокусное расстояние f′=115 мм;
f′
- задний отрезок S′=18 мм;
- RMS в центре поля 0,088 λ
- RMS на краю поля 0,1026 λ
- контраст - в центре и по полю для N=20 мм≥53%
Таким образом, предлагаемый объектив обеспечивает существенно лучший параметр объектива (относительное отверстие) при высоком качестве изображения.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. США, патент №4537464, НКИ: 350/1.4, 1985 г.
2. Российская Федерация, патент №2187135, МПК: G02B 13/34, 9/14, 2002 г. - прототип.
ПРИЛОЖЕНИЕ ИК ОБЪЕКТИВ
Фокусное расстояние, F′, мм:
114.8737
Диафрагменное число F′/D:
1.2486
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:
92.0000
Положение входного зрачка, Sp, мм:
0.0000
Диаметр выходного зрачка, D′p, мм:
83.9195
Положение выходного зрачка, S′p, мм:
104.7715
Линейная величина изображения, 2у′, мм:
10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:
5.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:
4.0000°
Длина системы, L, мм:
120.0000
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные
веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000
главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№пов.
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
АД
82.2200
9.0000
46.0000
14.0722
Германий
2
122.7400
39.6000
44.4500
8.3315
3
438.5000
5.0000
19.3500
0.4271
Германий
4
80.7200
41.8000
18.0500
2.0440
5
30.9000
4.0000
14.2000
3.4561
Германий
6
37.7600
5.0000
13.0500
2.3268
7
плоскость
3.0000
11.7000
0.0000
Германий
8
плоскость
11.0000
11.3500
0.0000
9
плоскость
1.0000
5.7106
0.0000
Германий
10
плоскость
1.0000
5.5962
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
5.1544
0.0000