ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ С ИЗМЕНЯЕМЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ ДЛЯ РАБОТЫ В ДВУХ ИК-СПЕКТРАЛЬНЫХ ОБЛАСТЯХ Российский патент 2012 года по МПК G02B15/14 G02B9/60 G02B13/14 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в качестве объектива тепловизионных приборов для наблюдения и опознавания объектов по тепловому излучению.

Известны линзовые объективы с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (авторское свидетельство SU 1048445, опубл. 15.10.83 г.; патент на изобретение RU 2365952, опубл. 27.08.2009 г.). Данные технические решения обеспечивают возможность наблюдения и опознавания только в одном спектральном интервале, а именно в 8÷14 мкм, и не позволяют вести наблюдения и в другом спектральном интервале 3÷5 мкм, содержащем важную фоноцелевую составляющую.

Наиболее близким аналогом к заявляемому линзовому объективу является объектив, описанный в патенте (патент на изобретение RU 2316797, опубл. 10.02.2008 г.). Объектив состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов. Первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения. Второй выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы. Однако в этом устройстве все линзы выполнены из одного материала - германия, что делает невозможным коррекцию хроматических аберраций, т.е. достижение высокого качества изображения в двух спектральных интервалах.

Задачей изобретения является создание линзового объектива с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях, позволяющего получить технический результат - обеспечение высоких технических характеристик объектива, а именно высокое качество изображения пространства предметов, формируемое в двух спектральных интервалах 3÷5 мкм и 8÷14 мкм при малых весогабаритных параметрах.

Технический результат достигается тем, что линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов. Первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения. Второй компонент выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы. Второй, третий компоненты имеют возможность перемещаться вдоль оптической оси. Первый по ходу луча компонент выполнен из оптического германия с показателем преломления n=4. Введен пятый подвижный отрицательный компонент, выполненный из оптического германия с показателем преломления n=4, в виде мениска обращенного вогнутостью к плоскости изображения, с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Второй и четвертый компоненты выполнены из материала с показателем преломления n₂=n₄=2,44. Третий компонент выполнен из материала с показателем преломления n=2,78. Вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими.

В оптической системе объектива выполняются соотношения:

0,8≤(r₁/r₂)<1,5,

0,3<(r₃/r₄)<1,0,

0,2<(r₅/r₆)<0,5,

0,8<(r₇/r₈)<1,5,

1,5<(r₉/r₁₀)<2,5,

(r₁/r₂)·d₁<10,

(r₇/r₈)·d₉<10,

где r₁, r₂, r₃, r₄, r₅, r₆, r₇, r₈, r₉, r₁₀ - радиусы кривизны поверхностей объектива

d₁, d₉ - толщины первого и пятого компонента объектива.

Предлагаемое изобретение поясняется фигурами 1-6.

На фиг.1 изображена оптическая схема линзового объектива для двух фокусных расстояний. При этом позиции I и II соответствуют длинному фокусу объектива, позиции III и IV - короткому фокусу.

В табл.1 указано изменение поля зрения 2ω при изменении фокусного расстояния, а также воздушного промежутка d₈ при смене спектрального интервала.

На фиг.2 показаны графики осевых аберраций предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложены значения продольных аберраций ΔS' (мм), а по оси ординат - координата у' мм в плоскости входного зрачка.

На фиг.2 - а) при f'=100 мм и Δλ=8÷12 мкм

в) при f'=100 мм и Δλ=3÷5 мкм

c) при f'=33 мм и Δλ=8÷12 мкм

d) при f'=33 мм и Δλ=3÷5 мкм

На фиг.3-6 показаны графики частотно-контрастной характеристики предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм^-1, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста Т в относительных единицах.

Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях (фиг.1) состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного компонента 1, выполненного в виде мениска, второго подвижного отрицательного компонента 2, выполненного в виде одиночной двояковогнутой линзы, третьего подвижного положительного компонента 3 и четвертого неподвижного положительного компонента 4, выполненных также в виде менисков, пятого подвижного отрицательного компонента, выполненного в виде мениска. Все мениски обращены вогнутостями к плоскости изображения, а вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими. При этом второй отрицательный подвижный компонент 2 в крайнем левом положении (поз.III и IV) фиксирует минимальное фокусное расстояние объектива. Положение в крайне правом состоянии этого компонента (вблизи мениска 3) фиксирует максимальное фокусное расстояние объектива. Пятый компонент выполняет функцию подфокусировки при колебаниях температуры и изменении спектрального интервала.

Второй, третий и пятый компоненты имеют возможность перемещаться вдоль оптической оси. При этом воздушные промежутки между линзами изменяются в соответствии с табл.1. Для изменения фокусного расстояния перемещаются компоненты 2 и 3, а для смены спектрального интервала перемещается компонент.

Таблица 1 f' мм 99,6 100,2 32,8 32,6 D_{вх.зрачка} мм 50 50 20,2 20,1 Δλ мкм 8÷12 3÷5 8÷12 3÷5 d₂ мм 82,9 82,9 17,3 17,3 d₄ мм 2,64 2,64 65,4 65,4 d₆ мм 7,16 7,16 10,0 10,0 d₈ мм 5,59 5,00 5,59 5,00 2ω град 4° 4° 12° 12°

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого представлены в таблице 2, в которой d₂, d₄, d₆, d₈ - var (изменяемые, см. табл.1).

Таблица 2 Конструктивные параметры объектива Радиусы, мм Толщины, мм Материал Световые диаметры, мм r₁=50,47 d₁=5 Германий 53 r₂=51,855*¹ d₂=82,9-var 48 r₃=-112,98 d₃=2,5 Поликристалл оптический 32 r₄=240,4 d₄=2,64-var 32 r₅=37,76 d₅=4,5 Бескислородное стекло 32 r₆=95,72 d₆=7,16-var 32 r₇=64,71 d₇=3 Поликристалл оптический 26 r₈=68,507*² d₈=5-var 23 r₉=∞ (АД) d₉=0,59   36 r₁₀=391,7 d₁₀=3 Германий 23 r₁₁=191,43 d₁₁=-0,59 23

*¹ - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:

у²=103,71z-1,076z²,

где z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм.

*² - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:

где с=1/686507, k=0, a₂=6,4811×10^-6, а₃=3,0185×10^-9

z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм.

у в *¹ и *² - расстояние от оптической оси до очередной (текущей) точки светового диаметра линзы.

Объектив имеет следующие характеристики:

Фокусное расстояние, мм 33 100 Относительное отверстие 1:1,6 1:2 Рабочие спектральные интервалы, мкм 3÷5 8÷14 Линейное поле изображения 2у', мм 7 7

Из приведенных графиков (фиг.2-6) видно, что данный объектив может применяться в приборах, работающих в двух ИК-диапазонах для задач обнаружения, различения и опознавания.

Объектив имеет соотношения:

Фокусные расстояния линз соответственно f₁'=169,6; f₂'=-54,0; f₃'=33,5; f₄'=563,3; f₁₅'=-126,0. Оптическая схема линзового объектива имеет характеристики f_var'=33÷100 мм, Δλ₁=3÷5 мкм; Δλ₂=8÷14 мкм; угловые поля 4÷12°, диаметры входных зрачков соответственно f_var' 20,2 мм ÷ 50 мм. Δλ₁, Δλ₂, λ - длина волны в мкм.

Для осевой точки предмета (фиг.2) линзовый объектив имеет аберрации не более 11,5 мкм для обоих спектральных интервалов.

Предлагаемая оптическая система объектива работает следующим образом: ИК-излучение от фона и цели, расположенных в бесконечности со стороны мениска 1, проходит, преломляясь через линзы 1÷5 (фиг.1), и формирует в плоскости изображения тепловую картину фоноцелевой обстановки, которая в дальнейшем обрабатывается электронным трактом (на фиг.1 не показан) и визуализируется на экране монитора (на фиг.1 не показан) как псевдоцветовое изображение пространства предметов.

Выполнение линзового объектива в соответствии с предлагаемым изобретением обеспечивает следующие технические результаты:

- высокое качество изображения в двух спектральных диапазонах;

- два режима работы: обзор и поиск в режиме широкого поля (12°) и прицеливание в режиме узкого поля (4°);

- выявление скрытых признаков объектов за счет комплексирования изображения в двух спектральных диапазонах;

- малые весогабаритные параметры, т.к. два объектива совмещены в одном.

При этом к признакам, отличающим предлагаемое изобретение от наиболее близкого аналога, следует отнести конструктивные особенности объектива, выполненного из материалов с различными показателями преломления, при этом пятый по ходу лучей элемент, введенный в схему оптики, позволяет осуществить согласование спектральных диапазонов и перепадов температур в плоскости изображения.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах. Объектив состоит из первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного, четвертого неподвижного положительного и пятого отрицательного подвижного компонентов. Первый, третий, четвертый и пятый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения. Второй - в виде одиночной двояковогнутой линзы. Первый и пятый компоненты выполнены из оптического германия с показателем преломления n=4. Второй и четвертый - из материала с показателем преломления n₂=n₄=2,44, третий - из материала с показателем преломления n=2,78. Вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими. Между радиусами кривизны поверхностей объектива и толщинами первого и пятого компонента выполняются соотношения, приведенные в формуле изобретения. Технический результат - высокое качество изображения, формируемое в двух спектральных интервалах 3÷5 мкм и 8÷14 мкм при малых весогабаритных параметрах. 6 ил., 2 табл.

Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях, состоящий из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов, причем первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения, второй - в виде одиночной двояковогнутой линзы, все подвижные элементы выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый по ходу луча компонент выполнен из оптического германия с показателем преломления n=4, отличающийся тем, что введен пятый подвижный отрицательный компонент, выполненный из оптического германия с показателем преломления n=4, в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом второй и четвертый компоненты выполнены из материала с показателем преломления n₂=n₄=2,44, а третий компонент выполнен из материала с показателем преломления n=2,78, а вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими, в оптической системе объектива выполняются соотношения:
0,8≤(r₁/r₂)<1,5,
0,3<(r₃/r₄)<1,0,
0,2<(r₅/r₆)<0,5,
0,8<(r₇/r₈)<1,5,
1,5<(r₉/r₁₀)<2,5,
(r₁/r₂)·d₁<10,
(r₇/r₈)·d₉<10,
где r₁, r₂, r₃, r₄, r₅, r₆, r₇, r₈, r₉, r₁₀ - радиусы кривизны поверхностей объектива;
d₁, d₉ - толщины первого и пятого компонентов объектива.