Объектив-апохромат

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 С1, опубл. 10.10.2007), 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 угловое поле зрения 2w=20°, но 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 светосильный объектив-апохромат (патент РФ №2338226 С1, опубл. 10.11.2008), состоящий по варианту 4 из расположенных по ходу лучей соответственно первого отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, второй двояковыпуклой положительной линзы, третьей отрицательной линзы с первой вогнутой поверхностью, четвертой положительной линзы с первой выпуклой поверхностью, пятой положительной линзы с первой выпуклой поверхностью, шестой положительной линзы с первой выпуклой поверхностью, седьмой отрицательной линзы с первой вогнутой поверхностью, восьмой положительной линзы с первой выпуклой поверхностью и девятой отрицательной линзы с первой вогнутой поверхностью.

Объектив имеет относительное отверстие 1:1,8, фокусное расстояние 100 мм, угловое поле зрения 2ω=8,4°, он строит качественное изображение в спектральном диапазоне 0,404-0,766 мкм. Это, в частности, достигается применением материала с особым ходом дисперсии - кристалла фторида кальция (флюорита), из которого изготовлены вторая, четвертая и шестая положительные линзы. Это позволяет получить апохроматическую коррекцию системы, но вступает в противоречие с условием термонерасстраиваемости, поскольку данный материал имеет высокий температурный коэффициент показателя преломления - ТКПП (β≈-106⋅10^-7 1/К, где К - кельвин). Учитывая, что все линзы из флюорита 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 и фокусное расстояние.

Задачей предлагаемого изобретения является создание термонерасстраиваемого объектива с повышенными техническими и эксплуатационными характеристиками, а именно с увеличенным до ближней инфракрасной области спектральным диапазоном работы, полем зрения и фокусным расстоянием при сохранении качества изображения.

Поставленная задача решается тем, что в объективе-апохромате, содержащем расположенные по ходу лучей соответственно первый отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, вторую двояковыпуклую положительную линзу, третью отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью, четвертую и пятую положительные линзы с первой выпуклой поверхностью, последовательно расположенные за ней положительную линзу с первой выпуклой поверхностью, отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью, положительную линзу с первой выпуклой поверхностью и последнюю отрицательную линзу, в отличие от известного, последняя отрицательная линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению, после пятой линзы установлена двояковогнутая отрицательная линза, при этом для четвертой положительной и последней отрицательной линзы выполняется соотношение:

β₄=β₁₀<75⋅10^-7 1/К,

а для остальных линз объектива соотношение:

|β|<35⋅10^-7 1/К,

где β₄, β₁₀, β - температурные коэффициенты показателя преломления (ТКПП) материала четвертой, последней и остальных линз объектива соответственно, К - кельвин.

Изменение оптической силы четвертой положительной линзы, выполненной из материала со значительным значением ТКПП, за счет изменения показателя преломления при колебаниях температуры компенсируется изменением оптической силы последней отрицательной линзы из того же материала. Введение в систему после пятой линзы дополнительной отрицательной линзы позволяет отказаться от использования материала с высоким коэффициентом дисперсии и значительным ТКПП (флюорита) в положительных линзах и заменить его обычным стеклом с невысоким ТКПП |β|<35⋅10^-7 1/К. Все это обеспечивает термонерасстраиваемость системы. Введение после пятой линзы дополнительной отрицательной линзы также обеспечивает апохроматическую коррекцию в широком спектральном диапазоне и позволяет увеличить поле зрения и фокусное расстояние. Придание последней отрицательной линзе формы мениска делает систему близкой к телецентрической.

Объектив поясняется чертежом, 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 линзы, и отдельно стоящего отрицательного мениска.

Линза 1 - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, линза 2 - положительная двояковыпуклая, линза 3 - отрицательная с первой вогнутой поверхностью, линзы 4, 5 - положительные с первой выпуклой поверхностью, линза 6 - двояковогнутая отрицательная, линза 7 - положительная с первой выпуклой поверхностью, линза 8 - отрицательная линза с первой вогнутой поверхностью, линза 9 - положительная с первой выпуклой поверхностью, линза 10 выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Между линзами 3 и 4 расположена апертурная диафрагма 11.

Конструктивные параметры варианта исполнения объектива представлены в таблице 1.

Основные технические характеристики объектива:

- фокусное расстояние 200 мм;

- относительное отверстие 1:3;

- угловое поле зрения (2ω) 13 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.

Другой существенной особенностью объектива 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.

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

В разработанном объективе проблема устойчивости к изменению температуры решена введением в систему после пятой линзы дополнительной отрицательной линзы, что позволяет отказаться от использования материала с высоким коэффициентом дисперсии и значительным ТКПП (флюорита) в положительных линзах и заменить его обычным стеклом с невысоким ТКПП |β|<35⋅10^-7 1/К, а изменение оптической силы четвертой положительной линзы, выполненной из материала со значительным значением ТКПП (β≈48…72⋅10^-7), за счет изменения показателя преломления при колебаниях температуры компенсируется изменением оптической силы последней отрицательной линзы из того же материала.

Все это обеспечивает термонерасстраиваемость системы. Введение после пятой линзы дополнительной отрицательной линзы также обеспечивает апохроматическую коррекцию в широком спектральном диапазоне и позволяет увеличить поле зрения и фокусное расстояние. Придание последней отрицательной линзе формы мениска делает систему близкой к телецентрической, что, в частности, создает возможность установки интерференционных светофильтров в рабочем отрезке объектива.

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 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 чертежа видно, что определяющим минимальный уровень качества является край поля зрения в диапазоне 0,41-0,7 мкм (на пространственной частоте N=100 мм^-1 - 0,44), в остальных, более узких спектральных диапазонах, КПК составляет не менее 0,5 - на пространственной частоте 50 мм^-1.

При изменении температуры на ±15° относительно 20°C, термооптическая аберрация положения составляет соответственно -0,006 мм (Т=35°C) и +0,0038 мм (Т=5°C), а термооптические аберрации по полному зрачку и полю зрения в единой плоскости изображения не приводят к снижению расчетного значения КПК более чем на 0,05 единиц контраста.

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

Объектив, содержащий расположенные по ходу лучей соответственно первый отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, вторую двояковыпуклую положительную линзу, третью отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью, четвертую и пятую положительные линзы с первой выпуклой поверхностью, последовательно расположенные за ней положительную линзу с первой выпуклой поверхностью, отрицательную линзу с первой вогнутой поверхностью, положительную линзу с первой выпуклой поверхностью и последнюю отрицательную линзу, отличающийся тем, что последняя отрицательная линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению, после пятой линзы установлена двояковогнутая отрицательная линза, при этом для четвертой положительной и последней отрицательной линзы выполняется соотношение:

,

а для остальных линз объектива соотношение:

,

где β₄, β₁₀, β - температурные коэффициенты показателя преломления (ТКПП) материала четвертой, последней и остальных линз объектива соответственно, К - кельвин.