ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2009 года по МПК G02B13/14 G02B9/60 G02B15/14 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам, предназначенным для дальней инфракрасной (ИК) области спектра, обеспечивающим дискретное изменение фокусного расстояния, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, в том числе тепловизоров смотрящего типа, использующих матричные приемники инфракрасного диапазона.

Изменяемое фокусное расстояние объектива позволяет реализовать в тепловизионном приборе два режима работы: режим поиска и режим опознавания (соответственно при меньшей и большей величине фокусного расстояния), что повышает эффективность обнаружения объектов по их тепловому излучению в дальней инфракрасной области спектра.

Известны оптические системы инфракрасных объективов, обеспечивающие изменение фокусного расстояния путем ввода-вывода в схему дополнительных оптических компонентов [Патент RU №2050564. Светосильный объектив для ИК-области спектра.]. Объектив содержит 5 линз, из которых три выводятся из схемы путем перемещения перпендикулярно оптической оси. Фокусное расстояние изменяется в 2,4 раза. Относительное отверстие при меньшем фокусном расстоянии составляет 1:1. Недостаток объектива - большие поперечные габаритные размеры, а также наличие виньетирования наклонных пучков лучей, что ведет к снижению светораспределения на краю поля. Информация о качестве изображения для большей величины фокусного расстояния не приводится.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является инфракрасный объектив [Патент WO 99-59015], имеющий два значения фокусного расстояния, содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, вторую двояковогнутую линзу, третий положительный мениск и четвертый положительный компонент, при этом вторая и третья линзы объектива имеют два фиксированных положения по оптической оси для смены фокусного расстояния и малые подвижки в этих положениях

Инфракрасный объектив содержит три асферические поверхности: вторую поверхность первого мениска, вторую поверхность второй двояковогнутой линзы и последнюю поверхность объектива. Четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображений, двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображений. Подвижные линзы в объективе перемещаются в одном направлении и на одинаковую величину, при этом значение фокусного расстояния меняется в 2,5 раза, а угловое поле объектива - с 2,9 до 7,3°. Объектив имеет относительное отверстие 1:2,5. Диаметр первого мениска в 1,8 раза превышает диаметр входного зрачка для большей величины фокусного расстояния. Относительные оптические силы первой, второй, третьей линзы и четвертого компонента объектива соответственно равны: 1,0; -7,4; 2,5; 4,0.

Основным недостатком прототипа являются: малая величина относительного отверстия и углового поля, большой диаметр первого мениска объектива, наличие большого числа нетехнологичных оптических поверхностей.

Одновременное повышение относительного отверстия, увеличение углового поля, уменьшение диаметров линз, использование технологически отработанной сферической формы преломляющих поверхностей при обеспечении высокого качества изображения, приемлемого для работы объектива с современными матричными приемниками инфракрасного излучения, в инфракрасном объективе невозможно из-за отсутствия оптимального соотношения между оптическими силами линз и четвертого компонента объектива, между радиусами кривизны поверхностей линз и их фокусным расстоянием, и значительного удаления входного зрачка относительно первого мениска для положений подвижных компонентов, соответствующих большей величине фокусного расстояния.

Предложен инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием, содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, вторую двояковогнутую линзу, третий положительный мениск и четвертый положительный компонент, при этом вторая и третья линзы объектива имеют два фиксированных положения по оптической оси для смены фокусного расстояния и малые подвижки в этих положениях. Третий положительный мениск обращен вогнутостью к плоскости изображений. Четвертый положительный компонент выполнен в виде отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью друг к другу. Подвижные вторая и третья линзы перемещаются в противоположных направлениях. Относительные оптические силы ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ и ϕ₄ компонентов по отношению к оптической силе объектива, соответствующей меньшей величине углового поля; составляют соответственно 0,8÷0,9; -(3,0÷2,5); 2,0÷2,4 и 2,2÷2,8. Все преломляющие поверхности в объективе выполнены сферическими. В объективе соблюдаются следующие соотношения:

где D₁ - диаметр первого мениска;

D_{p max} - диаметр входного зрачка, соответствующего большей величине фокусного расстояния;

r₂, r₄, r₁₀ - радиусы кривизны соответственно второй, четвертой и десятой по ходу лучей преломляющих поверхностей объектива;

f'₁, f'₂, f'₆ - фокусные расстояния соответственно первого положительного мениска, второй двояковогнутой линзы и положительного мениска четвертого положительного компонента.

Предлагаемый инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием позволяет при обеспечении высокого качества изображения, приемлемого для работы с современными матричными приемниками инфракрасного излучения, одновременно обеспечить более высокие технические характеристики: повысить относительное отверстие, повысить угловое поле, уменьшить диаметр первой линзы объектива и повысить технологичность.

Более высокие технические характеристики предлагаемого инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:

- третий положительный мениск обращен вогнутостью к плоскости изображений; четвертый положительный компонент выполнен в виде отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью друг к другу;

- относительные оптические силы ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ и ϕ₄ компонентов по отношению к оптической силе объектива, соответствующей меньшей величине углового поля; составляют соответственно 0,8÷0,9; -(3,0÷2,5); 2,0÷2,4 и 2,2÷2,8;

- подвижные вторая и третья линзы перемещаются в противоположных направлениях;

- все преломляющие поверхности в объективе выполнены сферическими и соблюдаются вышеприведенные соотношения (1).

Распределение относительных оптических сил ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ и ϕ₄ вышеуказанным образом позволяет совместить входной зрачок для большего фокусного расстояния с оправой первого мениска и обеспечить равенство: D₁=D_{p max}, а также одновременно устранить кривизну изображения и астигматизм и повысить угловое поле объектива.

Перемещение подвижных второй и третьей линз при смене фокусного расстояния в противоположных направлениях позволяет снизить аберрационную нагрузку на четвертый неподвижный компонент и уменьшить в нем количество линз до двух.

Ориентация третьего положительного мениска вогнутостью к плоскости изображений, выполнение четвертого положительного компонента в виде отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью друг к другу, при одновременном выполнении преломляющих поверхностей сферической формы при соблюдении соотношений r₂≥3,5 f^' ₁, r₄≥-7 f^' ₂, f^' ₆≤r₁₀≤5 f^' ₆ способствует уменьшению аберраций широких наклонных пучков и позволяет повысить относительное отверстие и технологичность объектива.

Предлагаемая совокупность отличительных признаков позволяет в инфракрасном объективе с переменным фокусным расстоянием повысить относительное отверстие, угловое поле, уменьшить диаметр первой линзы объектива и повысить технологичность при одновременном обеспечении качества изображения, приемлемого для использования с современными матричными приемниками инфракрасного диапазона спектра.

Авторам не известны оптические системы инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому данная система инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием обладает существенными отличиями.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг.1а - Оптическая схема инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием (большая величина фокусного расстояния) с ходом осевого и наклонного пучков лучей;

Фиг 1б - Оптическая схема инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием (меньшая величина фокусного расстояния) с ходом осевого и наклонного пучков лучей;

Фиг.2а - Частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием для большего фокусного расстояния;

Фиг.2б - ЧКХ инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием для меньшего фокусного расстояния;

Фиг.3а - Функция концентрации энергии (ФКЭ) для инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием (большая величина фокусного расстояния);

Фиг.3б - ФКЭ для инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием (меньшая величина фокусного расстояния).

На фиг.1а и 1б изображена предлагаемая оптическая схема инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием соответственно с расположением линз, соответствующих большей и меньшей величине фокусного расстояния с ходом осевого и наклонного пучков лучей.

Оптическая система содержит положительный мениск 1, двояковогнутую линзу 2, положительный мениск 3, ориентированный вогнутой стороной к плоскости изображений, и положительный компонент 4, состоящий из отрицательного мениска 5 и положительного мениска 6, расположенных выпуклыми сторонами друг к другу. Двояковогнутая линза 2 и положительный мениск 3 имеют два фиксированных положения на оптической оси, а также малые подвижки в этих положениях.

На фиг.1а и 1б дополнительно показано защитное стекло 7 приемника излучения.

Апертурной диафрагмой в положении линз объектива, соответствующем фиг.1а, является оправа мениска 1. Апертурной диафрагмой в положении линз объектива, соответствующем фиг.1б, является диафрагма 8. Для каждого из фиксированных положений отсутствует виньетирование наклонных пучков. Для наглядности на фиг.1а показано положение плоскости диафрагмы 8, при этом размер отрезка, расположенного перпендикулярно оптической оси, соответствует диаметру диафрагмы 8 (фиг.16).

Относительные оптические силы ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ и ϕ₄ компонентов по отношению к оптической силе объектива, соответствующей меньшей величине углового поля, составляют соответственно 0,84; -2,8; 2,2 и 2,5. Все преломляющие поверхности в объективе выполнены сферическими. В объективе соблюдаются вышеприведенные соотношения (1).

Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленного объекта, проходя последовательно линзы 1, 2, 3, 5, 6 и защитное стекло 7, фокусируется в плоскости приемника излучения. При этом в фиксированных положениях компонентов 2 и 3, соответствующих схеме, представленной на фиг.1а, обеспечивается большая величина фокусного расстояния (меньшее угловое поле в пространстве предметов), а в фиксированных положениях, соответствующих схеме, представленной на фиг.1б, - меньшая величина фокусного расстояния (большее угловое поле в пространстве предметов). В процессе смены фокусного расстояния объектива линзы 2 и 3 перемещаются вдоль оптической оси в противоположных направлениях.

Для осуществления термокомпенсации в условиях реальных температур эксплуатации и для перефокусировки на конечные расстояния до объектов наблюдения используются малые по величине подвижки линз 2 и (или) 3 вдоль оптической оси в фиксированных положениях.

В качестве конкретного примера исполнения в таблице 1 приведены конструктивные параметры оптической схемы инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием.

Таблица 1Конструктивные параметры инфракрасного объектива с переменным фокусным расстояниемПоз.№ пов.R, ммd, ммО_ф, ммМатериалf^'=120 ммf^'=40 мм11248,68,08,082,0Германий2571,662,531,580,0 23-243,14,04,051,7Германий4276,35,057,452,1 35121,07,07,058,7Германий6437,544,325,858,0 57-44,67,07,043,9Германий8-51,834,534,551,0 6942,47,07,044,7Германий1051,4  40,3 

В таблице 1 приведены конструктивные параметры инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием. Позиция линз указана в соответствии с фиг.1а и 1б; № пов. - номер преломляющей поверхности по ходу луча; R - радиус сферических преломляющих поверхностей; d - толщины линз и воздушных промежутков: O_⊘ - световые диаметры. Значения толщин указаны для двух значений фокусных расстояний f': 120 и 40 мм. Размер изображения равен 16,8 мм. Угловое поле составляет 8 и 23,7° соответственно для фокусного расстояния 120 и 40 мм. Относительное отверстие для фокусного расстояния 40 мм составляет 1:1,1, а для фокусного расстояния 120 мм - 1:1,5. Величины относительного отверстия больше 1,5÷2,4 раза по сравнению с объективом-прототипом. Угловое поле превышает угловое поле объектива-прототипа в 2,7÷3,2 раза.

Как следует из таблицы 1, в оптической системе инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием выполняется следующее распределение оптических сил: ϕ₁=0,84; ϕ₂=-2,8; ϕ₃=2,2; ϕ₄=2,5. Оптические силы указаны в относительных единицах по отношению к оптической силе объектива с фокусным расстоянием 120 мм. Одновременно в оптической системе выполняются следующие соотношения между параметрами:

D₁=1,0 D_{p max}; r₂=3,99 f'₁; r₄=-6,54 f'₂; r₁₀=1,01 f'₆,

т.е. соблюдаются вышеприведенные соотношения (1).

Диаметр первого мениска в предлагаемом объективе практически равен диаметру входного зрачка для большей величины фокусного расстояния, в то время как в объективе-прототипе они отличаются в 1,8 раза. В результате достигается уменьшение габаритных размеров и масса оптической системы.

На фиг.2а, 2б приведены ЧКХ инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием для фокусного расстояния соответственно 120 и 40 мм. По оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 100 мм^-1, отнесенные к плоскости изображений объектива. Верхняя кривая на графиках, приведенных на фиг.2а и 2б, соответствует дифракционной ЧКХ, остальные кривые - для различных точек изображения в пределах рабочего углового поля. Так, для частоты 30 мм^-1 коэффициенты передачи контраста не падают ниже 0,3, что подтверждает качество изображения, даваемое объективом, приемлемое для работы с современными матричными инфракрасными приемниками излучения.

На фиг.3а, 3б приведены ФКЭ инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием для фокусного расстояния соответственно 120 и 40 мм. По оси ординат указаны значения ФКЭ в относительных единицах, по оси абсцисс - значения радиуса пятна рассеяния, для которого рассчитаны ФКЭ. Верхняя кривая на графиках, приведенных на фиг.3а и 3б, соответствует дифракционной ФКЭ, остальные кривые - для различных точек изображения в пределах рабочего углового поля. Так, в пятне радиусом 0,15 мм объектив концентрирует не менее 60% энергии, идущей от соответствующей точки пространства предметов, для каждого из двух значений фокусного расстояния, что подтверждает качество изображения, даваемое объективом, приемлемое для работы с современными матричными инфракрасными приемниками излучения.

Таким образом, предлагаемый инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет при обеспечении высокого качества изображения, приемлемого для работы с современными матричными приемниками инфракрасного излучения, обеспечить более высокие технические характеристики: повысить относительное отверстие, повысить угловое поле, уменьшить диаметр первой линзы, повысить технологичность.

Предлагаемый инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием может быть использован в оптических системах тепловизоров, в том числе тепловизоров смотрящего типа, использующих матричные приемники инфракрасного диапазона, реализующих возможность наблюдения и опознавания объектов по их тепловому излучению при различных увеличениях.

Изобретение может быть использовано в оптических системах тепловизоров, в том числе смотрящего типа с матричными приемниками инфракрасного диапазона. Объектив содержит расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, вторую двояковогнутую линзу, третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, и четвертый положительный компонент в виде отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью друг к другу. Вторая и третья линзы перемещаются в противоположных направлениях, имеют два фиксированных положения и малые подвижки в этих положениях. Относительные оптические силы компонентов составляют, соответственно 0,8÷0,9, -(3,0÷2,5), 2,0÷2,4 и 2,2÷2,8 и в объективе соблюдаются соотношения, указанные в формуле изобретения. Все преломляющие поверхности в объективе выполнены сферическими. Технический результат - повышение относительного отверстия, углового поля, технологичности, уменьшение диаметра первой линзы при обеспечении высокого качества изображения. 6 ил.

Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием, содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, вторую двояковогнутую линзу, третий положительный мениск и четвертый положительный компонент, при этом вторая и третья линзы объектива имеют два фиксированных положения по оптической оси для смены фокусного расстояния и малые подвижки в этих положениях, отличающийся тем, что третий положительный мениск обращен вогнутостью к плоскости изображений, четвертый положительный компонент выполнен в виде отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью друг к другу, подвижные линзы перемещаются в противоположных направлениях, все преломляющие поверхности выполнены сферическими, при этом относительные оптические силы ϕ_i, ϕ₂, ϕ₃ и ϕ₄ компонентов составляют соответственно (0,8÷0,9), -(3,0÷2,5), (2,0÷2,4) и (2,2÷2,8) и в объективе соблюдаются следующие соотношения:

,

где D₁ - диаметр первого мениска;

D_{p max} - диаметр входного зрачка, соответствующего большей величине фокусного расстояния;

r₂, r₄, r₁₀ - радиусы кривизны соответственно второй, четвертой и десятой по ходу лучей преломляющих поверхностей объектива;

f'₁ f'₂ f'₆ - фокусные расстояния соответственно первого положительного мениска, второй двояковогнутой линзы и положительного мениска четвертого положительного компонента.