ОБЪЕКТИВ КОЛЛИМАТОРА
COLLIMATOR LENS

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам коллиматоров, работающим в среднем ИК-диапазоне длин волн (для спектрального диапазона от 3 до 5 мкм), и может быть использовано в тепловизионных коллиматорах или в приемных тепловизионных объективах (в обратном ходе лучей) в различных приборах.
Известна катодиоптрическая система телефотообъектива (патент США №3632190; МПК G02B 17/08; НКИ 350/201; опубл. 1972 г.). Данный объектив может работать в качестве объектива коллиматора, т.е. в обратном ходе лучей. Лучи идут из плоскости установки, в которой находится тест-объект. В обратном ходе лучей объектив состоит из трех компонентов: первого, выполненного в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, причем периферийная кольцевая зона его выпуклой поверхности имеет зеркальное внутреннее покрытие, а в центральной части отрицательного мениска к нему со стороны изображения последовательно приклеена выпукло-плоская линза и к ней - плоско-вогнутая линза; второго - положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, расположенного за первым компонентом со стороны изображения и имеющего зеркальное внутреннее покрытие со стороны изображения, и третьего - положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению и расположенного по ходу лучей за вторым компонентом (т.е. со стороны изображения). Однако данный объектив имеет низкое относительное отверстие 1:7 и сложную конструкцию (состоит из пяти линз).
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является катодиоптрическая система (патент США №4264136; МПК G02B 17/08; НКИ 350/444; опубл. 1981 г.). Данный объектив может работать в качестве объектива коллиматора, т.е. в обратном ходе лучей. При этом лучи идут из плоскости установки, в которой находится тест-объект. При этом объектив, состоящий по ходу лучей из линзового компенсатора, выполненного последовательно из одиночных двояковыпуклой и двояковогнутой линз и трех компонентов, первый из которых - положительный мениск -, обращенный выпуклостью к плоскости предметов и расположенный за двояковогнутой линзой компенсатора со стороны изображения с зеркальным внутренним покрытием вогнутой поверхности со стороны изображения, второй выполнен в виде отрицательного мениска с отверстием в центре, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, причем его выпуклая поверхность имеет зеркальное внутреннее покрытие, и третий - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению и расположенный между первым компонентом и изображением. Все линзы объектива выполнены из оптического стекла. Однако данный объектив имеет недостаточные относительное отверстие 1:4,5; небольшое фокусное расстояние, равное 100 мм, сложную конструкцию (состоит из пяти линз) и недостаточную технологичность, так как два компонента - первый и второй - выполнены в виде менисков с внутренним отражением.
Задача изобретения - создание объектива коллиматора с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - повышение относительного отверстия, увеличение фокусного расстояния при упрощении конструкции и повышении технологичности при высоком качестве изображения.
Это достигается тем, что в объективе коллиматора, состоящем из трех компонентов, причем первый компонент по ходу лучей выполнен в виде зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости предметов. Второй компонент выполнен в виде одиночного отрицательного мениска с отверстием в центре, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, причем его выпуклая поверхность имеет зеркальное внутреннее покрытие и расположен он между первым компонентом и плоскостью предметов. Третий компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению и расположенного между первым компонентом и изображением. В отличие от известного, второй и третий компоненты выполнены из селенида цинка, а в первом компоненте зеркальное покрытие нанесено на первую выпуклую поверхность зеркала. При этом радиус сферической оптической отражающей поверхности зеркала первого компонента по модулю равен радиусу выпуклой поверхности третьего компонента.
На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива коллиматора.
Объектив коллиматора состоит по ходу лучей из выпуклого зеркала 1 с внешним отражением, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, одиночного отрицательного мениска 2 с отверстием в центре, обращенного выпуклостью к плоскости предметов и расположенного между зеркалом 1 и плоскостью предметов, причем выпуклая поверхность мениска 2 имеет зеркальное внутреннее покрытие, и одиночного положительного мениска 3, обращенного выпуклостью к изображению и расположенного между зеркалом 1 и изображением. Апертурная диафрагма совпадает с вогнутой поверхностью мениска 2, но может находиться и в другом месте.
Объектив коллиматора работает следующим образом: световой поток, исходящий из плоскости тест-объекта (не показан), проходит через отверстие в центре мениска 2, попадает на выпуклую поверхность зеркала 1, отражается от этой выпуклой поверхности зеркала 1 и идет, расходясь в обратную сторону (в сторону предмета), и попадает на мениск 2, проходит через мениск 2 и отражается от его внутренней выпуклой поверхности и идет опять в обратную сторону (в сторону изображения), попадает на положительный мениск 3, проходит сквозь него и коллимирует в бесконечность.
В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный объектив коллиматора, исправленный в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм.
Конструктивные параметры объектива коллиматора приведены в таблице 1.
Таблица 1
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Показатель преломления для λ=4 мкм
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=227
23
d<sub>1</sub>=-70
1
R<sub>2</sub>=201,4
51,7
d<sub>2</sub>=-5,3
ZnSe
2,4331
R<sub>3</sub>=241
52,4
d<sub>3</sub>=5,3
ZnSe
2,4331
R4=201,4
51,7
d,=86
1
R<sub>5</sub>=-294,4
60
d<sub>5</sub>=5,3
ZnSe
2,4331
R<sub>6</sub>=-227
60
1
Характеристики рассчитанного объектива:
фокусное расстояние, f'
260 мм
относительное отверстие
1:4,3
угол поля зрения
1 град 6 мин
передний фокальный отрезок
-91,47 мм
диаметр выходного зрачка
60 мм
В таблице 2 приведены аберрации для длины волны 4 мкм предложенного объектива коллиматора в обратном ходе лучей при относительном отверстии 1:4,3 и угловом поле в пространстве предметов 2W=1 град 6 мин.
Предлагаемый объектив имеет повышенное относительное отверстие 1:4,3; увеличенное фокусное расстояние 260 мм, упрощенную конструкцию (состоит из трех одиночных элементов) и повышенную технологичность, так как первый компонент объектива выполнен в виде зеркала с внешним отражением. Предлагаемый объектив коллиматора имеет высокое качество изображения, что следует из таблицы 2.
Таблица 2
Вид аберрации
Значение аберраций не более
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси
0,00077 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении
-0,005 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении
-0,0013 мм
Меридиональный астигматический отрезок <maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Х</mi><mi>м</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-0,0405 мм
Сагиттальный астигматический отрезок <maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>s</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-0,0136 мм
Дисторсия
0,0098%
Таким образом, достигнут технический результат - создан объектив коллиматора с повышенным относительным отверстием и увеличенным фокусным расстоянием при упрощенной конструкции и повышенной технологичности при высоком качестве изображения.