ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЛАВНО ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2007 года по МПК G02B13/16 G02B13/14 

Изобретение относится к ИК оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах.

Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент Великобритании №1 532 096), содержащий последовательно расположенные первый неподвижный компонент, состоящий из одной линзы, подвижный второй компонент, состоящий из одной линзы, подвижный третий компонент, состоящий из одной линзы и неподвижный четвертый компонент, состоящий из двух линз.

Недостатком такого инфракрасного объектива является малый интервал изменения фокусного расстояния (отношение максимального фокусного расстояния к минимальному М=3,5), а также достаточно большой кружок аберрационного рассеяния от точечного источника излучения, приводящий к размытию изображения и плохому его качеству.

Часть из указанных недостатков устранены в наиболее близком по технической сущности инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент США №6091551, М. кл. G02B 15/14; G02B 13/14, публ. 18.07.2000 г., схема на фиг.6), содержащем последовательно расположенные неподвижный компонент I с фокусным расстоянием f₁, подвижный компонент II с фокусным расстоянием f₂, подвижный компонент III с фокусным расстоянием f₃, далее неподвижные компонент IV с фокусным расстоянием f₄ и компонент V с фокусным расстоянием f₅, состоящий из пяти линз.

Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному в этом инфракрасном объективе достигает М=4. Качество изображения обеспечивается соотношениями фокусных расстояний компонентов с максимальным фокусным расстоянием объектива f_t: 1.00<f₁/f_t, -0.40>f₂/f_t и 0.35<f₅/f_t<0.70 (см. также Шпякин М.Г. "Исследование и расчет объективов с широкими интервалами изменения фокусного расстояния", автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Л. 1971 г., с.13), где приведен ряд уравнений, связывающих оптические силы компонентов, анализируя которые можно получить требуемые соотношения фокусных расстояний: f₁/f_t>1, f₂/f_t<0 и т.д. Указанные соотношения дают довольно широкий диапазон для фокусных расстояний компонентов, в котором сложно найти требуемые значения, позволяющие создать конструкцию объектива с наиболее оптимальными характеристиками. В объективе, приведенном на фиг.6 патента США №6091551, выполнены следующие соотношения: f₁/f_t=1.39; f₂/f_t=-0.627; f₅/f_t=0.438. В рассматриваемой конструкции объектива его длина - расстояние от первой поверхности объектива до плоскости изображения - превышает максимальное фокусное расстояние в 1,83 раза, причем важную роль в определении длины объектива играет пятый компонент, состоящий из пяти линз. Отношение длины этого компонента к его фокусному расстоянию составляет 1,78. Другим недостатком объектива являются плохие аберрационные характеристики, а интервал изменения фокусных расстояний - отношение максимального фокусного расстояния к минимальному М=4. Эти характеристики обусловлены в данной конструкции, по мнению авторов, неоптимальными соотношениями фокусных расстояний отдельных компонентов объектива.

Таким образом, недостатком описанного инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием является малый интервал изменения фокусных расстояний и большие габариты при недостаточном качестве изображения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния, увеличение отношения максимального фокусного расстояния к минимальному, а также повышение концентрации энергии в заданном кружке рассеяния, являющейся оптимальной характеристикой качества изображения.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащем последовательно расположенные первый неподвижный компонент, второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и неподвижные четвертый и пятый компоненты, пятый компонент выполнен в виде первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз, при этом фокусные расстояния f₁, f₂, f₅ соответственно первого, второго и пятого компонентов выбираются в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива в следующих пределах:

f₁=(от 1.22 до 1.24)f_t;

f₂=(от -0.48 до -0.5)f_t;

f₅=(от 0.41 до 0.42)f_t, где

f₁, f₂, f₅ - фокусные расстояния первого, второго и пятого компонентов соответственно;

f_t - максимальное фокусное расстояние объектива.

Вторая поверхность первой линзы пятого компонента может быть выполнена асферической.

Асферическая поверхность может быть выполнена в соответствии с уравнением

у²+z²=2rх-9.78769E-03rx²-1.7173E-04rx³+4.18166Е-05rх⁴,

где у - ось системы координат, лежащей в плоскости меридионального сечения объектива;

z - ось системы координат, лежащей в плоскости сагиттального сечения объектива;

х - ось системы координат, совпадающей с оптической осью объектива;

r - радиус кривизны начальной сферы второй поверхности первой линзы пятого компонента.

Выбор фокусных расстояний первого, второго и пятого компонентов в зависимости от максимального фокусного расстояния объектива в указанных пределах позволили повлиять на уменьшение габаритов объектива, улучшение качества его изображения и увеличить по сравнению с прототипом интервал плавного изменения фокусного расстояния объектива до 5 крат (в прототипе - 4).

Выполнение пятого компонента в виде первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз позволило уменьшить его габариты до отношения его длины к его фокусному расстоянию до 1,36 (в прототипе - 1,78) и, в совокупности с выбранными фокусными расстояниями первого и второго компонентов, обеспечить уменьшение габаритов объектива в целом до отношения его длины к фокусному расстоянию до 1,48 (в прототипе - 1,83).

Выполнение второй поверхности первой линзы пятого компонента асферической, а также подбор уравнения этой асферической поверхности позволили выполнить требуемую коррекцию аберраций объектива не только по всему полю изображения, но и во всем интервале плавного изменения его фокусного расстояния, обеспечив максимальную концентрацию энергии в пятне дифракционного диаметра, необходимую для достижения высокого качества изображения.

На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 60 до 300 мм с расположением линз для фокусного расстояния 300 мм.

Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы 1, подвижный второй компонент II, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2 и второй отрицательной двояковогнутой линзы 3, подвижный третий компонент III состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 4, неподвижный четвертый компонент IV состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы 5 и неподвижный пятый компонент V, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 6 и второй положительной выпукло-вогнутой линзы 7. Вторая поверхность первой линзы 6 пятого компонента V выполнена асферической.

Асферическая поверхность первой линзы 6 пятого компонента V может быть выполнена в соответствии с уравнением

у²+z²=2rх-9,78769E-03rx²-1,7173E-04rх³+4,18166Е-05rх⁴,

где у - ось системы координат, лежащей в плоскости меридионального сечения объектива;

z - ось системы координат, лежащей в плоскости сагиттального сечения объектива;

х - ось системы координат, совпадающей с оптической осью объектива;

r - радиус кривизны начальной сферы второй поверхности первой линзы 6 пятого компонента.

Фокусное расстояние первого компонента f₁=368.507 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива f_t=300 мм составляет 1,228. Фокусное расстояние второго компонента f₂=-146,307 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива составляет минус 0,488. Фокусное расстояние пятого компонента f₅=125,49 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива составляет 0,418.

Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 60 до 300 мм для области спектра 8,0-12,0 мкм с расположением линз для фокусного расстояния 300 мм представлены в таблице 1.

Объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием работает следующим образом: параллельный пучок лучей инфракрасного излучения проходит через все линзы объектива, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами и материалами линз и фокусируется на оптической оси в фокальной плоскости. Диаметр пучка определяется диаметром апертурной диафрагмы, расположенной на первой поверхности линзы 6. Наклонные пучки лучей также проходят через все линзы объектива и фокусируются соответственно в другой точке фокальной плоскости. Изменение фокусного расстояния объектива производится путем перемещения вдоль оптической оси объектива компонентов II и III. Компоненты II и III перемещаются каждый по своему закону. Значения переменных воздушных промежутков d2, d6 и d8 для трех значений фокусных расстояний объектива приведены в таблице 2.

Из таблицы видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния к минимальному М=5.

При заявляемом конструктивном исполнении длина объектива 443.75 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше, чем в 1,48 раза.

Таблица 1Компонент №Линза №Значение радиуса сферической поверхности, ммТолщина по оси, ммМатериалI1r1=395.25
r2=599.48d1=13.2Германий   d2=194.5 II2r3=81.43
r4=71.02d3=6ZnSe   d4=12  3r5=-1711.74
r6=856.07d5=6Германий   d6=13 III4r7=-161.78
r8=-229.52d7=6Германий   d8=5.73 IV5r9=-1835.21
r10=-488.22d9=6ГерманийV  d10=6.6 6r11=223.36
r12=365.166^*)d11=6.9Германий  d12=119.7 7r13=94.43
r14=114.58d13=6.9Германий^*) Асферическая поверхность вида у²+z²=2rx-9,78769E-03rx²-1,7173E-04rx^з+4,18166E-05rx⁴.Таблица 2Фокусное расстояние объектива, ммd2, ммd6, ммd8, мм300194.5135.73150.414135.316.93616012.45127.3673.42

Концентрация энергии, полученная расчетным путем, в пятне заданного диаметра 50 мкм, характеризующая качество изображения, представлена в таблице 3 для трех значений фокусных расстояний заявляемого объектива и объектива, взятого за прототип.

Таблица 3ПараметрЗаявляемый объективОбъектив-прототипФокусное расстояние, мм60150.41430050100200Концентрация энергии, %798383352376

В предлагаемом объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием выбор конструкции первого, второго и пятого компонентов, обеспечивающей их фокусные расстояния, находящиеся в определенном соотношении с максимальным фокусным расстоянием объектива, выполнение пятого компонента в виде первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз и выполнение второй поверхности первой линзы пятого компонента асферической с выбранным уравнением позволили увеличить интервал изменения фокусного расстояния объектива, уменьшить его габариты и улучшить качество изображения по сравнению с прототипом.

Объектив содержит последовательно расположенные первый неподвижный компонент, второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и неподвижные четвертый и пятый компоненты, пятый компонент выполнен в виде первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз. Фокусные расстояния f₁, f₂, f₅ соответственно первого, второго и пятого компонентов выбираются в зависимости от максимального фокусного расстояния f_t инфракрасного объектива в следующих пределах: f₁=(от 1.22 до 1.24)f_t; f₂=(от -0.48 до -0.5)f_t; f₅=(от 0.41 до 0.42)f_t. Вторая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена асферической. Технический результат - уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния, увеличение отношения максимального фокусного расстояния к минимальному, а также повышение концентрации энергии в заданном кружке рассеяния. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащий последовательно расположенные первый неподвижный компонент, второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и неподвижные четвертый и пятый компоненты, отличающийся тем, что пятый компонент выполнен в виде первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз, при этом фокусные расстояния f₁, f₂, f₅ соответственно первого, второго и пятого компонентов, выбираются в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива в следующих пределах:

f₁=(от 1,22 до 1,24)f_t;

f₂=(от -0,48 до -0,5)f_t;

f₅=(от 0,41 до 0,42)f_t,

где f₁, f₂, t₅ - фокусные расстояния первого, второго и пятого компонентов соответственно;

f_t - максимальное фокусное расстояние объектива.

у²+z²=2rx-9,78769E-03rx²-1,7173E-04rx³+4,18166Е-05rх⁴,

где у - ось системы координат, лежащая в плоскости меридионального сечения инфракрасного объектива;

z - ось системы координат, лежащая в плоскости сагиттального сечения инфракрасного объектива;

х - ось системы координат, совпадающая с оптической осью инфракрасного объектива;

r - радиус кривизны начальной сферы второй поверхности первой линзы пятого компонента.