ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЛАВНО ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2007 года по МПК G02B13/14 G02B15/16 

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

Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент Великобритании №1532096, М.кл. G02В 15/18, опубл. 15.11.78 г.), 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 первый неподвижный компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, второй подвижный компонент в виде первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной двояковогнутой линзы, третий подвижный компонент в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, четвертый неподвижный компонент в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы и пятый неподвижный компонент в виде первой положительной выпукло-вогнутой линзы, второй отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, третьей положительной вогнуто-выпуклой линзы, четвертой положительной выпукло-вогнутой линзы и пятой плоскопараллельной пластины.

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. 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.

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 увеличение интервала изменения фокусного расстояния, уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния, 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, состоящем из последовательно расположенных неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси подвижных второго компонента, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую линзу, и третьего компонента, выполненного в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижных четвертого компонента, выполненного в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы, и пятого компонента, содержащего первую и вторую положительные выпукло-вогнутые линзы, в первый компонент дополнительно введены вторая отрицательная выпукло-вогнутая, третья отрицательная двояковогнутая, четвертая положительная двояковыпуклая и пятая положительная выпукло-вогнутая линзы. Вторая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена асферической. Асферическая поверхность выполнена в соответствии с уравнением

y²+z²=188,523х-1,8124x²+0,1957x³-0,0609x⁴,

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

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

х - ось системы координат, совпадающая с оптической осью объектива.

Введение в первый компонент дополнительно четырех линз, описанной конфигурации, позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, интервал плавного изменения фокусного расстояния объектива до 8,3 крат (в прототипе - 4), а также уменьшить габариты объектива в целом до отношения его длины к фокусному расстоянию до 1,6 (в прототипе - 1,83) при одновременном улучшении качества изображения.

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 59,124 до 500,14 мм с расположением линз для фокусного расстояния 59,124 мм.

Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы 1, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2, третьей отрицательной двояковогнутой линзы 3, четвертой положительной двояковыпуклой линзы 4 и пятой положительной выпукло-вогнутой линзы 5, подвижный вдоль оптической оси второй компонент II, состоящий из отрицательной выпукло-вогнутой линзы 6, подвижный вдоль оптической оси третий компонент III, состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 7, неподвижный четвертый компонент IV, состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы 8, и неподвижный пятый компонент V, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 9 и второй положительной выпукло-вогнутой линзы 10. Вторая поверхность первой линзы 9 пятого компонента V выполнена асферической.

Асферическая поверхность первой линзы 9 пятого компонента V выполнена в соответствии с уравнением

y²+z²=188,523x-1,8124x²+0,1957x³-0,0609x⁴,

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

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

х - ось системы координат, совпадающая с оптической осью объектива.

Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 59,124 до 500,14 мм для области спектра 3-5 мкм с расположением линз для фокусного расстояния 59,124 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 9. Наклонные пучки лучей также проходят через все линзы объектива и фокусируются соответственно в другой точке фокальной плоскости.

Таблица 1Компонент №Линза №Значение радиуса сферической поверхности, ммТолщина по оси, ммМатериалI1r1=671,71
r2=1105,91d1=22Германий  d2=200 2r3=431,93
r4=329,62d3=10Германий  d4=16 3r5=-615,75
r6=1231,81d5=10Германий  d6=10 4r7=1972,72
r8=-486,1d7=12Кремний  d8=5 5r9=297,53
r10=366,87d9=10 Кремний  d10=29,2 II6r11=89,23
r12=76,43d11=9Германий  d12=259,5 III7r13=159,94
r14=-1277,71d13=5Германий  d14=65,79 IV8r15=-338,69
r16=-165,04d15=5Кремний  d16=5 V9r17=87,35
r18=94,2615^*)d17=4Кремний  d18=70 10r19=105,05
r20=286,77d19=4Кремний^*) Асферическая поверхность видау²+z²=188,523х-1,8124x²+0,1957x³-0,0609х⁴.

Изменение фокусного расстояния объектива производится путем перемещения вдоль оптической оси объектива компонентов II и III. Значения переменных воздушных промежутков d10, d12 и d14 для трех значений фокусных расстояний объектива приведены в таблице 2.

Таблица 2Фокусное расстояние объектива, ммd10, ммd12, ммd14, мм500,14340,099,35,1260,08292,023,3339,1659,12429,2259,565,79

Из таблицы видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния к минимальному М=8,3.

При заявляемом конструктивном исполнении длина объектива 803,49 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше, чем в 1,6 раза.

Концентрация энергии 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, полученных расчетным путем.

Таблица 3ПараметрЗаявляемый объективОбъектив-прототипФокусное расстояние, мм59,124260,08500,1450100200Концентрация энергии, %808686352376

В предлагаемом объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием введение в конструкцию первого компонента дополнительно четырех линз описанной конфигурации и выполнение второй поверхности первой линзы пятого компонента асферической позволили увеличить интервал изменения фокусного расстояния объектива, уменьшить его габариты и улучшить качество изображения по сравнению с прототипом.

Объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием состоит из последовательно расположенных неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси подвижных второго компонента, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую линзу, и третьего компонента, выполненного в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижных четвертого компонента, выполненного в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы, и пятого компонента, содержащего первую и вторую положительные выпукло-вогнутые линзы. В первый компонент дополнительно введены вторая отрицательная выпукло-вогнутая, третья отрицательная двояковогнутая, четвертая положительная двояковыпуклая и пятая положительная выпукло-вогнутая линзы. Вторая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена асферической. Технический результат - увеличение интервала изменения фокусного расстояния, уменьшение длины объектива и повышение качества изображения. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

1. Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, состоящий из последовательно расположенных неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси подвижных второго компонента, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую линзу, и третьего компонента, выполненного в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижных четвертого компонента, выполненного в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы, и пятого компонента, содержащего первую и вторую положительные выпукло-вогнутые линзы, отличающийся тем, что в первый компонент дополнительно введены вторая отрицательная выпукло-вогнутая, третья отрицательная двояковогнутая, четвертая положительная двояковыпуклая и пятая положительная выпукло-вогнутая линзы.2. Инфракрасный объектив по п.1, отличающийся тем, что вторая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена асферической.3. Инфракрасный объектив по п.2, отличающийся тем, что асферическая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена в соответствии с уравнением

y²+z²=188,523x-1,8124x²+0,1957х³-0,0609х⁴, 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.