Объектив

Объектив предназначен для использования в различных оптических системах, в частности в телевизионных и фотосистемах с многоэлементными приемниками излучения. Объектив содержит две группы линз - из четырех и семи линз. Первая линза по ходу луча - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, вторая линза - двояковыпуклая, третья и четвертая - отрицательные мениски, обращенные выпуклостью к предмету, пятая и седьмая - двояковыпуклые, шестая и восьмая - двояковогнутые, девятая - двояковыпуклая, десятая - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, и одиннадцатая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению. Между седьмой и восьмой линзами расположена апертурная диафрагма. По меньшей мере, для двух отрицательных менисков из первой группы линз и, по меньшей мере, для одной положительной линзы из второй группы выполняется соотношение: β_М=β_Л<-75·10^-7 1/K, где β_М и β_Л - температурные коэффициенты показателя преломления материала, соответственно, менисков из первой группы и положительной линзы из второй группы, K - Кельвин. Технический результат - увеличение поля зрения, повышение относительного отверстия и обеспечение термонерасстраиваемости при сохранении качества изображения. 2 ил., 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических системах, где требуется термонерасстраиваемость объектива, в частности в телевизионных и фотосистемах с многоэлементными приемниками излучения.

Для создания термонерасстраиваемых телецентрических объективов используют, как правило, многокомпонентные оптические системы с числом линз более 7 и с определенным сочетанием линз и менисков, с использованием особых марок стекол.

Известен объектив (патент РФ №2308063 C1, опубл. 10.10.2007), содержащий семь компонентов, расположенных последовательно на оптической оси, и апертурную диафрагму, первый и второй компоненты которого представляют собой положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к пространству изображений, третий компонент выполнен в виде отрицательной двусклеенной линзы, четвертый, пятый и шестой компоненты - положительные линзы, седьмой компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, при этом он дополнительно содержит восьмой компонент, расположенный на оптической оси после седьмого компонента и выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, отрицательная двусклеенная линза третьего компонента состоит из двояковогнутой линзы и положительного мениска, пятый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, шестой компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, апертурная диафрагма расположена между вторым и третьим компонентами, толщина второго компонента составляет не менее 0,15 фокусного расстояния объектива, расстояние между вторым и третьим компонентами составляет не менее 0,25 фокусного расстояния объектива, а оптическая сила восьмого компонента составляет не менее 0,3 оптической силы объектива. Объектив используется для формирования изображения на ПЗС-матрице.

Объектив имеет сравнительно малое угловое поле зрения (2w=20°) и не обеспечивает телецентрического хода лучей.

Известен широкоугольный телецентрический объектив (патент JP №11084232 А, опубл. 26.03.1999), содержащий первую двояковыпуклую линзу, вторую линзу - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, третью двояковогнутую линзу, четвертую положительную линзу, пятую отрицательную линзу, шестую линзу - положительный мениск, седьмую двояковыпуклую линзу, восьмой компонент - склейка из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, девятый и десятый компонент - одиночные двояковыпуклые линзы.

Объектив имеет увеличенный задний отрезок (до 100 мм), относительное отверстие 1:4. Объектив исправлен только для видимой области спектра (0,486-0,656 мкм) и не обладает термонерасстраиваемостью - в нем не сохраняется положение плоскости изображения при изменении температуры.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является телецентрический объектив (патент РФ №2278403 C1, опубл. 20.06.2006), содержащий две группы линз - из четырех и семи линз соответственно, из которых первая - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, вторая линза - двояковогнутая, третья - двояковыпуклая, четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, пятая и восьмая - отрицательные мениски, обращенные выпуклостью к предмету, шестая линза - двояковыпуклая, седьмая и десятая - отрицательные мениски, обращенные выпуклостью к изображению, девятая линза - двояковыпуклая, одиннадцатая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению.

Объектив работает с ПЗС-матрицами и имеет относительное отверстие 1:6, фокусное расстояние 40 мм, угловое поле зрения 2ω=54° (линейное поле в пространстве изображений равно 40 мм), он строит качественное изображение в единой фокальной плоскости в трех спектральных диапазонах (0,50-0,60 мкм, 0,60-0,70 мкм, 0,79-0,90 мкм). Это достигается применением стекла с особым ходом дисперсии - особого крона марки ОК4, позволяющего получить апохроматическую коррекцию системы, что вступает в противоречие с условием термонерасстраиваемости, поскольку данный материал имеет высокий температурный коэффициент показателя преломления (β≈-75…-85·10^-7 1/K, где K - Кельвин). Учитывая, что для соблюдения условия ахроматизации линзы из стекла ОК4 (четвертая и шестая линзы) выполнены положительными, в объективе-прототипе схема получается чувствительной к изменению температуры, то есть не может выполнить поставленную задачу. Кроме того, объектив имеет недостаточно большое поле зрения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание объектива с повышенными техническими и эксплуатационными характеристиками, а именно с увеличенным полем зрения, повышенным относительным отверстием и обеспечением термонерасстраиваемости при сохранении качества изображения.

Поставленная задача решается тем, что в объективе, содержащем две группы линз - из четырех и семи линз соответственно, из них первая линза по ходу луча - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, восьмая линза - отрицательная, девятая линза - двояковыпуклая, десятая - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, и одиннадцатая - положительный мениск, в отличие от известного, вторая линза выполнена двояковыпуклой, третья и четвертая - в виде отрицательных менисков, обращенных выпуклостью к предмету, пятая и седьмая - двояковыпуклые, шестая и восьмая - двояковогнутые, одиннадцатая линза обращена выпуклостью к изображению, между седьмой и восьмой линзами расположена апертурная диафрагма, при этом, по меньшей мере, для двух отрицательных менисков из первой группы линз и, по меньшей мере, для одной положительной линзы из второй группы выполняется соотношение:

β_М=β_Л<-75·10^-7 1/K,

где β_Μ - температурный коэффициент показателя преломления (ТКПП) материала менисков из первой группы, β_Л - ТКПП материала положительной линзы из второй группы, K - Кельвин.

Изменение оптической силы отрицательных компонентов из первой группы линз, выполненных из материала со значительным отрицательным значением ТКПП, за счет изменения показателя преломления при колебаниях температуры позволяет скомпенсировать соответствующее изменение оптической силы положительных компонентов из того же материала, находящихся во второй группе линз. Введение отрицательных компонентов в первой группе также делает систему близкой к телецентрической.

Объектив поясняется чертежами, где:

- фиг. 1 показывает оптическую схему конкретного варианта реализации предложенного объектива;

- фиг. 2 представляет уровень расчетного качества изображения, создаваемого объективом, который оценивается коэффициентом передачи контраста (КПК) по всем спектральным диапазонам.

Объектив может быть реализован по следующей оптической схеме (фиг. 1).

Схема выполнена из двух четко выраженных частей - головной, содержащей положительные и отрицательные мениски (четыре линзы позиций 1, 2, 3, 4 на фиг. 1) и предназначенной для исправления аберраций узких полевых пучков, и силового компонента (семь линз позиций 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11), развивающего относительное отверстие и исправляющего аберрации широких наклонных пучков.

Линза 1 - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, линза 2 выполнена двояковыпуклой, линзы 3 и 4 - в виде отрицательных менисков, обращенных выпуклостью к предмету, линза 5 - двояковыпуклая, линза 6 - двояковогнутая, линза 7 - двояковыпуклая, линза 8 - двояковогнутая, линза 9 - двояковыпуклая, линзы 10 и 11 - отрицательный и положительный мениски соответственно, обращенные выпуклостью к изображению. Между седьмой и восьмой линзами расположена апертурная диафрагма 12.

Конструктивные параметры варианта исполнения объектива следующие (таблица 1).

Основные технические характеристики объектива:

- фокусное расстояние 40 мм;

- относительное отверстие 1:4;

- угловое поле зрения (2ω) 60 градусов;

- спектральный диапазон работы 0,41-0,90 мкм.

Для обеспечения высокого качества изображения при работе в широком спектральном диапазоне необходима апохроматическая коррекция оптической системы. Особенно важную роль она играет в случае проведения мультиспектральной съемки, для которой необходимо гарантировать единство положения плоскости наилучшей установки в нескольких спектральных интервалах (0,41-0,70; 0,41-0,51; 0,51-0,58; 0,60-0,70; 0,70-0,90 мкм) при условии сохранения одинаково высокого качества изображения в каждом из них.

Другим существенным требованием является обеспечение термонерасстраиваемости системы в интервале температур Δt=±15°C от номинала t=20°C, т.е. в отсутствие внутренних механических подвижек отдельных элементов оптико-электронной системы в эксплуатационном диапазоне температур должно обеспечиваться единство плоскости наилучшего изображения (ПНИ) и сохранение качества изображения. Таким образом, помимо исправления всех традиционных аберраций в оптической системе необходимо обеспечить пассивную термонерасстраиваемость.

Также предъявляются требования к ортоскопичности (дисторсия в пределах всего поля не должна превышать 0,25%) и к телецентричности хода главных лучей в пространстве изображений.

Применение стекол с особым ходом дисперсии, в частности наилучшего на сегодняшний день материала для решения поставленной задачи - фторфосфатного крона марки ОК4, позволяющего получить апохроматическую коррекцию системы а в объективе с f′=40 мм (вторичный спектр в диапазоне 0,41-0,9 мкм составляет 0,000625f′), вступает в противоречие с условием термонерасстраиваемости, поскольку данный материал имеет высокий температурный коэффициент показателя преломления (β≈-75…-85·10^-7 1/K, где K - Кельвин). Учитывая, что для соблюдения условия ахроматизации линзы из стекла ОК4 должны быть положительными, в объективе-прототипе схема получается чувствительной к изменению температуры.

В разработанном объективе проблема устойчивости к изменению температуры решена введением в первую группу линз дополнительных отрицательных компонентов (по меньшей мере двух - в представленном примере - компоненты 3 и 4), также изготовленных из стекла ОК4, а кроме того, использованием стекол, имеющих специфические термооптические характеристики ТБФ4 (β≈42·10^-7 1/K), СТК19 (β≈37·10^-7 1/K), ТК23 (β≈14·10^-7 1/K). Изменение оптической силы компонентов 3 и 4 за счет изменения показателя преломления при колебаниях температуры позволяет скомпенсировать соответствующее изменение оптической силы положительных компонентов из того же материала (линза 9, находящаяся во второй группе линз). Введение отрицательных компонентов 3 и 4 решает еще одну задачу - делает систему близкой к телецентрической, что, в частности, создает возможность установки интерференционных светофильтров в рабочем отрезке объектива, так как угол падения лучей на чувствительную плоскость матрицы составляет не более 12°.

Уровень расчетного качества изображения, создаваемого объективом, который оценивается коэффициентом передачи контраста (КПК) по всем спектральным диапазонам, представлен на фиг. 2. На фигуре показан расчетный уровень полихроматического значения КПК в единой ПНИ короткофокусного объектива на пространственной частоте 100 мм-1 для основного канала (Δλ=0,41-0,7 мкм) - 1 (центр), 2 (поле) и на пространственной частоте 50 мм-1 для дополнительных каналов (Δλ=0,41-0,51 мкм - 3 (центр), 4 (поле); Δλ=0,51-0,58 мкм - 5 (центр), 6 (поле); Δλ=0,6-0,7 мкм - 7 (центр), 8 (поле); Δλ=0,7-0,9 мкм - 9 (центр), 10 (поле)).

Из фигуры видно, что минимальный уровень качества определяет край углового поля (2ω=60°) в спектральном диапазоне 0,41-0,7 мкм, на пространственной частоте 100 мм-1 - значение КПК Т=0,3, в остальных, более узких спектральных поддиапазонах на частоте 50 мм-1 значение КПК не ниже 0,51.

В температурном интервале от 5 до 35°С в анализируемом спектральном диапазоне значение КПК на частотах 50 и 100 мм^-1 сохраняется практически постоянным при изменении температуры, а не падает ниже расчетного минимума (для актиничного потока p_λ=1 и Δλ=0,486-0,656 мкм) (табл. 2).

Объектив выполнен со сферическими поверхностями, что обеспечивает возможность его промышленного изготовления. Экспериментальные исследования изготовленных образцов подтвердили расчетные характеристики объектива.

Объектив, содержащий две группы линз - из четырех и семи линз соответственно, из них первая линза по ходу луча - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, восьмая линза - отрицательная, девятая линза - двояковыпуклая, десятая - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, и одиннадцатая - положительный мениск, отличающийся тем, что вторая линза выполнена двояковыпуклой, третья и четвертая - в виде отрицательных менисков, обращенных выпуклостью к предмету, пятая и седьмая - двояковыпуклые, шестая и восьмая - двояковогнутые, одиннадцатая линза обращена выпуклостью к изображению, между седьмой и восьмой линзами расположена апертурная диафрагма, при этом, по меньшей мере, для двух отрицательных менисков из первой группы линз и, по меньшей мере, для одной положительной линзы из второй группы выполняется соотношение:
β_М=β_Л<-75·10^-7 1/K,
где β_М - температурный коэффициент показателя преломления материала менисков из первой группы, β_Л - температурный коэффициент показателя преломления материала положительной линзы из второй группы, K - Кельвин.