Светосильный объектив
Владельцы патента RU 2411555:
Открытое акционерное общество "Красногорский завод имени С.А. Зверева" (RU)
Объектив может быть использован в тепловизионных приборах. Объектив состоит из трех расположенных по ходу лучей компонентов. Первый - положительный мениск из германия и второй - отрицательный мениск из селенида цинка обращены вогнутостями к изображению. Третий - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Вогнутая поверхность первого компонента - асферическая. Третий компонент выполнен из селенида цинка и имеет показатель преломления более 2,3 и менее 4,1 для длины волны 10 мкм. Радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой поверхностей и фокусное расстояние объектива связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения. Технический результат - повышение относительного отверстия при высоком качестве изображения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
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 по патенту США №4537464; НКИ 350/1.4; публ. 1985 г., который содержит три компонента по ходу лучей, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третий - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Объектив имеет малое поле зрения 2W=1,6°, все компоненты выполнены из кремния и работает в спектральном диапазоне от 3,5 до 8 мкм. Поскольку все линзы выполнены из кремния, то объектив не может работать в дальнем ИК-диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является светосильный объектив (Россия, патент №2187135; G02B 13/14, 9/14, публ. 2002 г.), содержащий три компонента, первый из которых (по ходу лучей) - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и третий - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Все поверхности в объективе сферические. В объективе имеют место соотношения:
R6>R1;
R3>R1;
R3>R6;
R1/f'=1,037-1,061;
R3/f'=17,58-17,62;
R4/f'=1,68-1,74;
R5/f'=0,81-0,84;
R6/f'=1,691-1,74;
где R1, R3, - R6 - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей;
f' - фокусное расстояние всего объектива.
Объектив работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм, все линзы выполнены из германия с показателем преломления более 4, и рассчитан для фокусного расстояния объектива - 148 мм и 148,39 мм, относительного отверстия - 1:1,65, угла поля зрения - 6 град., заднего фокального отрезка - 44,06 мм.
По конструкции объектив близок к заявляемым, однако имеет малое относительное отверстие.
Задачей изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными качествами.
Технический результат - повышение относительного отверстия при высоком качестве изображения.
Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из последовательно расположенных по ходу лучей одиночных линз, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, при этом первая линза выполнена из германия, при этом показатель преломления материала третьей линзы более 2,3 и менее 4,1 для длины волны 10 мкм, в отличие от известного, вторая линза выполнена из селенида цинка, вторая, вогнутая поверхность первой линзы выполнена асферической, кроме того, имеют место условия:
R3<R1;
R3<R6;
0,25<R3/f'<0,5;
0,15<R4/f'<0,45;
0,3<R5/f'<0,7;
0,4<R6/f'<1,3;
где: R1, R3-R6 - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей;
f' - фокусное расстояние всего объектива;
кроме того, могут быть выполнены соотношения:
R6<R1,
0,5<R1/f'<1,
а третья линза может быть выполнена из селенида цинка.
На фигуре представлена оптическая схема предложенного объектива.
Светосильный объектив (см. фиг.2) состоит из трех расположенных по ходу лучей компонентов, первый из которых - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к изображению, второй - отрицательный мениск 2, обращенный вогнутостью к изображению и третий - положительный мениск 3, обращенный выпуклостью к предмету.
Входной зрачок совпадает с первой поверхностью. За мениском 3 находится плоскопараллельная пластина 4.
Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив, т.е. световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, плоскопараллельную пластину 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).
В соответствии с предложенным решением рассчитаны два варианта возможного исполнения объектива, исправленные в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм.
Конструктивные параметры объектива по первому варианту исполнения приведены в таблице 1.
Характеристики рассчитанного объектива:
| фокусное расстояние f' | 130,22 мм |
| относительное отверстие | 1:1,08 |
| угол поля зрения | 5 град 20 мин |
| задний фокальный отрезок | 3,55 мм |
Выполнены соотношения:
R3/f'=0,319;
R4/f'=0,258;
R5/f'=0,429;
R6/f'=0,517.
| Таблица 1 | ||||
| Радиусы, мм | Толщины, мм | Материал | Показатель преломления для λ=10 мкм | Световой диаметр, мм |
| R1=144,54 | 120 | |||
| d1=10 | Ge | 4,0024 | ||
| R2=200*) | 116,4 | |||
| d2=100,2 | 1 | |||
| R3=41,5 | 43,6 | |||
| d3=4.2 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R4=33,65 | 39,2 | |||
| d4=17,07 | 1 | |||
| R5=55,85 | 32,4 | |||
| d5=4,2 | Ge | 4,0024 | ||
| R6=67,3 | 30,3 | |||
| d6=16,53 | 1 | |||
| R7=∞ | 16 | |||
| d7=1 | Ge | 4,0024 | ||
| R8=∞ | 16 | |||
| *) - уравнение асферической поверхности: | ||||
| y2+z2-400х+1,355х2-0,00114х3=0 |
Конструктивные параметры объектива по второму варианту исполнения приведены в таблице 2.
Характеристики рассчитанного объектива:
| фокусное расстояние f' | 130,07 мм |
| относительное отверстие | 1:1,4 |
| угол поля зрения | 8 град 45 мин |
| задний фокальный отрезок | 3,52 мм |
| Таблица 2 | ||||
| Радиусы, мм | Толщины, мм | Материал | Показатель преломления для λ=10 мкм | Световой диаметр, мм |
| R1=114,02 | 90 | |||
| d1=7,5 | Ge | 4,0024 | ||
| R2=160,553*) | 87,5 | |||
| d2=63,67 | 1 | |||
| R3=34,04 | 43,9 | |||
| d3=3,9 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R4=27,1 | 38,9 | |||
| d4=29,25 | 1 | |||
| R5=82,6 | 32 | |||
| d5=3,9 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R6=132,13 | 30,9 | |||
| d6=17,4 | 1 | |||
| R7=∞ | 23 | |||
| d7=1 | Ge | 4,0024 | ||
| R8=∞ | 23 | |||
| *) - уравнение асферической поверхности: | ||||
| y2+z2-321,106х+1,358х2-0,002х3=0 |
Выполнены соотношения:
R3/f'=0,262;
R4/f'=0,208;
R5/f'=0,635;
R6/f'=1,016;
R1/f'=0,877.
В табл.3 приведены аберрации для длины волны 10 мкм предложенного светосильного объектива по первому и второму вариантам. Аберрации по первому варианту исполнения приведены для относительного отверстия 1:1,08 и поля зрения 2W=5 град 20 мин; а по второму варианту исполнения - для относительного отверстия 1:1,4 и поля зрения 2W=8 град 45 мин.
| Таблица 3 | ||
| Вид аберрации | Значение аберраций объективов | |
| по первому варианту, не более | по второму варианту, не более | |
| Поперечная сферическая аберрация для точки на оси | 0,0036 мм | 0,014 мм |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении | 0,011 мм | 0,024 мм |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении | 0,0093 мм | 0,0023 мм |
| Меридиональный астигматический отрезок Х'м | -0,0067 мм | -0,0289 мм |
| Сагиттальный астигматический отрезок X's | -0,0066 мм | -0,0161 мм |
| Дисторсия | 0,33% | 1,1% |
Предложенный объектив имеет более высокое относительное отверстие (не менее 1:1,4).
Предложенные объективы имеют также высокое качество изображения, что следует из табл.3.
Таким образом, в результате предложенных решений обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 12,5 мкм с повышенным относительным отверстием при высоком качестве изображения.
1. Светосильный объектив, состоящий из последовательно расположенных по ходу лучей одиночных линз, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, первая выполнена из германия, при этом показатель преломления материала третьей линзы более 2,3 и менее 4,1 для длины волны 10 мкм, отличающийся тем, что вторая линза выполнена из селенида цинка, вторая вогнутая поверхность первой линзы выполнена асферической, выполняются условия:
R3<R1;
R3<R6;
0,2<R3/f′<0,5;
0,15<R4/f′<0,45;
0,3<R5/f′<0,7;
0,4<R6/f′<1,3,
где R1, R3-R6 - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей;
f′ - фокусное расстояние всего объектива.
2. Светосильный объектив по п.1, отличающийся тем, что выполняется условие:
R6<R1.
3. Светосильный объектив по п.1, отличающийся тем, что третья линза выполнена из селенида цинка, при этом
0,5<R1/f′<1.
