ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЛАВНО ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2012 года по МПК G02B13/14 G02B15/16 G02B9/62 

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, опубл. 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, состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, далее неподвижные компонент IV с фокусным расстоянием f₄, состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы, и последний компонент V с фокусным расстоянием f₅, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы, второй отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, третьей положительной вогнуто-выпуклой линзы и четвертой положительной выпукло-вогнутой линзы.

Фокусное расстояние объектива изменяется в пределах от 50 мм до 200 мм. Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному в этом инфракрасном объективе достигает m=4. Качество изображения обеспечивается заданными пределами соотношений фокусных расстояний компонентов с максимальным фокусным расстоянием объектива f_t, в частности f₁>f_t. 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 являются большие габариты и число компонентов.

Указанные недостатки частично устранены в наиболее близком по технической сущности инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент РФ №2321873, М.кл. G02B 15/16, G02B 13/14, опубл. 10.04.2008. Бюл. №10), 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, выполненной выпукло-вогнутой, подвижный третий компонент в виде вогнуто-выпуклой линзы, неподвижный четвертый компонент в виде вогнуто-выпуклой линзы и последний компонент, состоящий из двух выпукло-вогнутых линз. Фокусное расстояние первого компонента выбрано из соотношения f₁=(от 0,804 до 0,948)f_t. Отношение расстояния от первой поверхности объектива до плоскости изображения к максимальному фокусному расстоянию составляет 1,35.

Недостатком данного инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием являются значительные габариты и большое число компонентов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния и сокращение числа компонентов при сохранении достаточно высокого качества изображения.

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 и неподвижный последний компонент, содержащий первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую линзу, во втором компоненте вторая линза выполнена двояковогнутой, третий компонент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, а в последнем компоненте вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, при этом фокусное расстояние f₁ первого компонента выбирается в зависимости от максимального фокусного расстояния следующим:

f₁=(от 0,545 до 0,8)f_t,

где f₁ - фокусное расстояние первого компонента;

f_t - максимальное фокусное расстояние объектива.

Выбор значения фокусного расстояния первого компонента меньшим, чем рекомендовано в известных ИК-объективах с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, и изменение конструкции последнего неподвижного компонента позволили уменьшить количество компонентов в объективе (в прототипе 5 компонентов, в заявляемом объективе 4) и его габариты (отношение длины заявляемого объектива к максимальному фокусному расстоянию составляет 0,98 в отличие от 1,35 в прототипе).

Выполнение второй линзы второго компонента в виде отрицательной двояковогнутой линзы, а третьего компонента в виде положительной двояковыпуклой 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 50 мм до 200 мм с расположением компонентов, соответствующим максимальному фокусному расстоянию 200 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 двояковогнутой линзы 3, подвижный третий компонент III в виде положительной двояковыпуклой линзы 4 и неподвижный компонент IV, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 5 и второй отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 6. Первая поверхность второй линзы 3 второго компонента II выполнена асферической.

Асферическая поверхность второй линзы 3 второго компонента II выполнена в соответствии с уравнением:

y²+z²=-384,5815x+27,9033x²,

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

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

x - ось системы координат, совпадающей с оптической осью объектива.

Фокусное расстояние первого компонента f₁=109,15 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива f_t=200 мм, составляет 0,545.

Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 50 до 200 мм для области спектра 8,0-12,0 мкм с расположением линз для фокусного расстояния 200 мм представлены в таблице 1.

Таблица 1 Компонент № Линза № Значение радиуса сферической поверхности, мм Толщина по оси, мм Материал I 1 r1=111,69 d1=8 Германий r2=160,32       d2=68,1   II 2 r3=174,58 d3=3 ZnSe r4=106,4     d4=8   3 r5=-192,2907^*) d5=3 Германий r6=98,17       d6=15,7   III 4 r7=377,6 d7=3 Германий r8=-325,1       d8=28,7   IV 5 r9=170,22 d9=3 Германий r10=1527,6     d10=7   6 r11=-20,32 d11=3 Германий r12=-22,59 ^*) Асферическая поверхность вида: y²+z²=-384,5815 х+27,9033 х².

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 5. 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 2 Фокусное расстояние объектива, мм d2, мм d6, мм d8, мм 200 68,1 15,7 28,7 100 56,8 50,3 5,4 50 50,8 54,3 7,4

Из таблицы видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния к минимальному m=4.

При заявляемом конструктивном исполнении длина объектива 196,5 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше чем в 0,98 раза.

Расчетные значения концентрации энергии в пятне заданного диаметра 50 мкм, характеризующие качество изображения, представлены в таблице 3 для трех значений фокусных расстояний заявляемого объектива и объектива, взятого за прототип.

Таблица 3 Параметр Заявляемый объектив Объектив-прототип Фокусное расстояние, мм 50 100 200 50 100 200 Концентрация энергии, % 80 82 81 74 81 83

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 при сохранении достаточно высокого качества изображения.

Объектив может быть использован для тепловизионного прибора с плавно изменяющимся полем зрения. 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 двояковогнутой линзы, подвижный третий компонент в виде двояковыпуклой линзы и неподвижный последний компонент, содержащий первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу. Фокусное расстояние f₁ первого компонента выбирается в соответствии с зависимостью: f₁=(oт 0,545 до 0,8)f_t, где f₁ - фокусное расстояние первого компонента; f_t - максимальное фокусное расстояние объектива. Технический результат - уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния при сохранении достаточно высокого качества изображения. 1 ил., 3 табл.

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 и неподвижный последний компонент, содержащий первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую линзу, отличающийся тем, что во втором компоненте вторая линза выполнена двояковогнутой, третий компонент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, в последнем компоненте вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, при этом фокусное расстояние f₁ первого компонента выбирается в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива следующим:
f₁=(oт 0,545 до 0,8)f_t,
где f₁ - фокусное расстояние первого компонента;
f_t - максимальное фокусное расстояние объектива.