СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
LARGE-APERTURE LENS

Предлагаемое 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 [патент России №2183340; G02B 13/14, 9/34; опубл. 2002 г.], содержащий четыре линзы по ходу лучей, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению; вторая - вогнутоплоская линза, обращенная плоскостью к изображению; третья - плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к предмету, и четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Данный объектив работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм. Объектив рассчитан для фокусного расстояния объектива - 51,14 мм, относительного отверстия - 1:1,65, угла поля зрения - 18 град., заднего фокального отрезка - 45,23 мм. Все линзы у него выполнены из германия с показателем преломления более 4.
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет малые фокусное расстояние и относительное отверстие.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является светосильный объектив [Россия, свидетельство на полезную модель №26664; G02B 13/14, 9/34, 9/56, 3/02, опубл. 2002 г.], содержащий четыре линзы, первая из которых (по ходу лучей) - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третья и четвертая - положительные мениски, обращенные выпуклостью к предмету. Вторая, вогнутая поверхность первой линзы выполнена асферической, радиус кривизны первой оптической поверхности четвертой линзы по модулю меньше радиуса второй оптической поверхности четвертой линзы и имеют место соотношения:
5
6
|R|<|R|,
3
6
|R|<|R|,
3
5
d≤0,01R,
3
5
6
где R, R, R - радиусы кривизны третьей, пятой и шестой по ходу лучей оптических поверхностей;
3
d - толщина третьего компонента.
Кроме того, имеет место равенство:
5
6
R/R=0,1192.
Отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,00323.
Данный объектив работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм и рассчитан для фокусного расстояние объектива - 62 мм, относительного отверстия - 1:2, угла поля зрения - 16 град, заднего фокального отрезка - 52,78 мм. Все линзы выполнены из германия с показателем преломления более 4.
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет малое фокусное расстояние и относительное отверстие, а также недостаточную технологичность, так как содержит асферическую оптическую поверхность, изготовление которой более трудоемко, чем сферической. Кроме того, все радиусы по модулю - разные, что не позволяет производить унификацию эталонных пробных стекол. Все линзы данного объектива выполнены из германия, который имеет пониженное пропускание для длин волн более 10 мкм.
Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной технологичностью.
Технический результат - повышение технологичности и пропускания, увеличение фокусного расстояния и относительного отверстия при высоком качестве изображения.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из четырех одиночных линз по ходу лучей: первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, третья - мениск и четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, при этом радиус кривизны первой оптической поверхности четвертой линзы по модулю меньше радиуса кривизны второй оптической поверхности четвертой линзы, кроме того, первая и четвертая линзы выполнены из германия, а вторая и третья линзы выполнены из одинакового материала, в отличие от известного вторая линза обращена вогнутостью к изображению, третья линза - отрицательная и обращена выпуклостью к изображению, причем все оптические поверхности светосильного объектива выполнены сферическими, а вторая и третья линзы выполнены из оптического бескислородного инфракрасного стекла с показателем преломления для длины волны 10 мкм более 2,5 и менее 3,1 и имеют место условия:
5
7
|R|=|R|,
3
6
|R|>|R|,
5
6
0,8<R/R<0,97,
3
5
6
7
где R, R, R, R - радиусы кривизны третьей, пятой, шестой и седьмой по ходу лучей оптических поверхностей.
На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.
Светосильный объектив состоит из четырех линз по ходу лучей: первой линзы - одиночного положительного мениска 1, обращенного вогнутостью к изображению, второй линзы - одиночного отрицательного мениска 2, обращенного вогнутостью к изображению, третьей линзы - одиночного отрицательного мениска 3, обращенного выпуклостью к изображению, и четвертой линзы - одиночного положительного мениска 4, обращенного выпуклостью к предмету. За мениском 4 может быть расположена плоскопараллельная пластина или пластины.
Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив.
Объектив работает следующим образом: световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).
В соответствии с предложенным решением рассчитан светосильный объектив, исправленный в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм.
Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.
Характеристики рассчитанного объектива:
фокусное расстояние
130 мм
относительное отверстие
1:1,4
угол поля зрения
9 град.
задний фокальный отрезок
9,45 мм
задний фокальный отрезок без учета
защитного стекла
18,7 мм
апертурная диафрагма расположена за линзой 2 на расстоянии 36,8 мм.
Таблица 1
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Показатель преломления для λ=10 мкм
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=25,31
90
d<sub>1</sub>=6
Ge
4,0024
R<sub>2</sub>=176,2
88,2
d<sub>2</sub>=14
1
R<sub>3</sub>=552,1
80,92
d<sub>3</sub>=5,5
ИКС25
2,7675
R<sub>4</sub>=406,4
78,9
d<sub>4</sub>=102,54
1
R<sub>5</sub>=-35,48
31,72
d<sub>5</sub>=2,7
ИКС25
2,7675
R<sub>6</sub>=-37,84
33,1
d<sub>6</sub>=0,3
1
R<sub>7</sub>=35,48
30,8
d<sub>7</sub>=2,7
Ge
4,0024
R<sub>8</sub>=36,64
29
d<sub>8</sub>=9
1
R<sub>9</sub>=∞
30
d<sub>9</sub>=1
Ge
4,0024
R<sub>10</sub>=∞
30
В предлагаемом варианте изобретения имеют место равенства:
5
7
|R|=|R|=35,48
5
6
R/R=0,9376,
5
6
7
где R, R, R - радиусы кривизны пятой, шестой и седьмой по ходу лучей оптических поверхностей.
Кроме того, показатель преломления материала второй и третьей линз для длины волны 10 мкм равен 2,7675, а вторая и третья линзы выполнены из оптического бескислородного инфракрасного стекла марки ИКС25.
В табл.2 приведены аберрации для длины волны 10 мкм предложенного светосильного объектива.
Таблица 2
Вид аберрации
Предложенный объектив (не более)
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:1,4
0,012 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=9 град.
0,006 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=9 град.
0,016 мм
Меридиональный астигматический отрезок Х'<sub>м</sub> для поля зрения 2W=9 град.
0,033 мм
Сагиттальный астигматический отрезок X'<sub>s</sub> для поля зрения 2W=9 град.
-0,029 мм
Дисторсия для поля зрения 2W=9 град.
-0,018%
Предложенный объектив содержит только сферические оптические поверхности и у двух поверхностей равны по модулю радиусы кривизны сферических оптических поверхностей, что обеспечивает ему более высокую технологичность. Кроме того, предложенный объектив имеет фокусное расстояние 130 мм и высокое качество изображения, что следует из таблицы 2. В предложенном объективе второй и третий компоненты выполнены из оптического бескислородного инфракрасного стекла марки ИКС25, что обеспечивает большее пропускание.
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 12,5 мкм с повышенной технологичностью и пропусканием, увеличенным фокусным расстоянием и относительным отверстием при высоком качестве изображения.