ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЛАВНО ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК G02B15/16 G02B13/14 

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

Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент США №6091551, М. кл. G02B 15/14; G02B 13/14, публ. 18.07.2000 г., схема на фиг.6), содержащий последовательно расположенные неподвижный компонент I с фокусным расстоянием f₁, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный компонент II с фокусным расстоянием f₂, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной двояковогнутой линзы, подвижный компонент III с фокусным расстоянием f₃, далее неподвижные компонент IV с фокусным расстоянием f₄ и компонент V с фокусным расстоянием f₅.

Фокусное расстояние объектива изменяется в пределах от 50 до 200 мм. Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному в этом инфракрасном объективе достигает М=4. Качество изображения обеспечивается заданными пределами соотношений 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<0.7. В рассматриваемой конструкции объектива его длина - расстояние от первой поверхности объектива до плоскости изображения превышает максимальное фокусное расстояние в 1,83 раза.

Недостатком такого инфракрасного объектива является малая кратность изменения фокусного расстояния и большие габариты.

Указанные недостатки частично устранены в наиболее близком по технической сущности инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент РФ на полезную модель №52490, М. кл. G02B 13/14, G02B 15/14, публ. 27.03.2006, Бюл. №9), содержащем последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной двояковогнутой линзы, подвижный третий компонент, неподвижные четвертый и пятый компоненты, при этом фокусные расстояния f₁ и f₅, соответственно первого и пятого компонентов, выбраны в зависимости от максимального фокусного расстояния f_t инфракрасного объектива в следующих пределах: f₁=(от 1.22 до 1.24)f_t, f₅=(от 0.41 до 0.42)f_t.

Фокусное расстояние объектива изменяется в пределах от 60 до 300 мм. Интервал изменения фокусного расстояния - отношения максимального фокусного расстояния к минимальному в этом инфракрасном объективе достигает М=5. Отношение расстояния от первой поверхности объектива до плоскости изображения к максимальному фокусному расстоянию составляет 1,48.

Недостатком описанного инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием являются большие габариты при недостаточной кратности изменения фокусного расстояния.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния при увеличении кратности изменения фокусного расстояния.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащем последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной линзы, подвижный третий компонент, неподвижные четвертый и пятый компоненты, во втором компоненте вторая линза выполнена выпукло-вогнутой, при этом фокусные расстояния f₁ и f₅, соответственно первого и пятого компонентов, выбираются в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива следующими:

f₁=(от 0,804 до 0,948)f_t

f₅=(от 0,342 до 0,346)f_t,

где f₁ и f₅ - фокусные расстояния первого и пятого компонентов соответственно;

f_t - максимальное фокусное расстояние объектива.

Выбор значений фокусных расстояний первого и пятого компонентов меньшими, чем рекомендовано в известных ИК-объективах с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, позволил уменьшить габариты объектива (отношение его длины к максимальному фокусному расстоянию составляет 1,35 в отличии от 1,48 в прототипе) и увеличить кратность изменения фокусного расстояния объектива до 5,86 крат (в прототипе 5).

Выполнение второй отрицательной линзы второго компонента в виде выпукло-вогнутой линзы позволило обеспечить необходимую коррекцию аберраций объектива для достижения требуемого качества изображения.

На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 61,4 до 360 мм с расположением компонентов, соответствующим максимальному фокусному расстоянию 360 мм.

Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I в виде положительной выпукло-вогнутой линзы 1, подвижный второй компонент II, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2 и второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы 3, подвижный третий компонент III в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 4, неподвижный компонент IV в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы 5 и неподвижный 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 выполнена в соответствии с уравнением

у²+z²=730,332х-3,57413х²-0,06271x³+0,01527х⁴,

где у - 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.

Фокусное расстояние первого компонента f₁=341,28 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива f_t=360 мм составляет 0,948. Фокусное расстояние пятого компонента f₅=123,169 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива составляет 0,342.

Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 61,4 до 360 мм для области спектра 8,0-12,0 мкм с расположением линз для фокусного расстояния 360 мм представлены в таблице 1.

Таблица 1Компонент №Линза №Значение радиуса сферической поверхности, ммТолщина по оси, ммМатериалI1r1=386,54d1=16Германийr2=601,37   d2=194,5 II2r3=325,86d3=6ПO4r4=243,17  d4=12 3r5=268,48d5=6Германийr6=212,22   d6=19 III4r7=-273,05d7=6Германийr8=-19547,0   d8=5,73 IV5r9=-449,95d9=6Германийr10=-271,68V  d10=6.6 6r11=247,95d11=6Германийr12=365,166^*)  d12=119,7 7r13=161,98d13=6Германийr14=278,5^*)Асферическая поверхность вида

у²+z²=730,332х-3,57413х²-0,0627x³+0,01527х⁴.

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.

Таблица 2Фокусное расстояние объектива, ммd2, ммd6, ммd8, мм360194,5195,73180152,4514,6852,161,46,4513280,78

Из таблицы видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния к минимальному М=5,86.

При заявляемом конструктивном исполнении длина объектива 488,53 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше чем в 1,35 раза.

Расчеты концентрации энергии в пятне заданного диаметра 50 мкм (от 78% - для малого фокусного расстояния до 83% - для большого фокусного расстояния) показали, что характеристики качества изображения заявляемого объектива не уступают тем же характеристикам прототипа.

Таким образом, выполнение инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет уменьшить длину инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния и увеличить интервал изменения фокусного расстояния при сохранении высокого качества изображения.

Инфракрасный объектив содержит последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной линзы, выполненной выпукло-вогнутой, подвижный третий компонент, неподвижные четвертый и пятый компоненты. Фокусные расстояния f₁ и f₅ соответственно первого и пятого компонентов выбираются в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива следующими: f₁=(от 0,804 до 0,948)f_t, f₅=(от 0,342 до 0,346)f_t, где f₁ и f₅ - фокусные расстояния первого и пятого компонентов соответственно; f_t - максимальное фокусное расстояние объектива. Технический результат - уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния при увеличении кратности изменения фокусного расстояния. 1 ил.

Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащий последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной линзы, подвижный третий компонент, неподвижные четвертый и пятый компоненты, отличающийся тем, что во втором компоненте вторая линза выполнена выпукло-вогнутой, при этом фокусные расстояния f₁ и f₅, соответственно первого и пятого компонентов, выбираются в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива следующими:

F₁=(от 0,804 до 0,948)f_t,

f₅=(от 0,342 до 0,346)f_t,

где f₁ и f₅ - фокусные расстояния первого и пятого компонентов соответственно;

f_t - максимальное фокусное расстояние объектива.