ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДИСКРЕТНО ИЗМЕНЯЕМЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2013 года по МПК G02B15/02 G02B9/62 G02B13/14 

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

В тепловизорах применяются объективы с различными характеристиками: с дискретно и плавно изменяемым фокусным расстоянием, работающие в одном спектральном диапазоне (см. патенты RU 2183342 C1, публ. 10.06.2002 г., RU 2321873 C1, публ. 10.04.2008 г.); с постоянным фокусным расстоянием, работающие в двух спектральных диапазонах (см. патент US 6423969 B1, публ. 23.07.2002 г.).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объективу, принятым за прототип, является двухспектральный инфракрасный объектив с дискретно изменяемым фокусным расстоянием (см. патент US 2005/0243411 A1, МПК⁷ G02B 21/36, публ. 03.11.2005 г.), состоящий из неподвижного компонента, содержащего первую выпукло-вогнутую положительную линзу, вторую двояковогнутую отрицательную линзу, третью выпукло-вогнутую отрицательную линзу и четвертую двояковыпуклую положительную линзу, и подвижного компонента, содержащего выпукло-вогнутую положительную линзу и вогнуто-выпуклую отрицательную линзу. Кроме того, в неподвижном компоненте первая поверхность первой линзы и первая поверхность четвертой линзы выполнены асферическими, линзы подвижного компонента также содержат две асферические поверхности. Изменение фокусного расстояния объектива осуществляется введением в оптический тракт и выведением из него подвижного компонента в пространстве между второй и третьей линзами неподвижного компонента. При введении подвижного компонента фокусное расстояние объектива мм, при его выведении - мм, кратность изменения фокусного расстояния составляет 2,86. Указанный объектив формирует изображение в одной фокальной плоскости в двух спектральных диапазонах: 3,7-4,7 мкм и 8,1-8,7 мкм, при этом в неподвижном компоненте первая и четвертая линзы выполнены из селенида цинка (ZnSe), вторая и третья линзы - из фтористого бария (BaF₂), положительная линза подвижного компонента - из AMTIR1, отрицательная линза подвижного компонента - из мышьяковистого трехсернистого стекла (As₂S₃).

Длина объектива (L) от первой поверхности до плоскости изображения составляет 229 мм, при этом отношение

Недостатком этого инфракрасного объектива является малое относительное отверстие (отношение диаметра входного зрачка к величине фокусного расстояния) - 1:5,3, которое определяет светосилу объектива и влияет на его энергетическую способность. При таком невысоком относительном отверстии на фотоприемник тепловизора поступает малый поток излучения от объектов наблюдения, что значительно уменьшает дальность действия прибора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение энергетической способности двухспектрального инфракрасного объектива с дискретно изменяемым фокусным расстоянием.

Указанная цель достигается тем, что в двухспектральном инфракрасном объективе с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, состоящем из неподвижного компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу, вторую выпукло-вогнутую линзу и третью выпукло-вогнутую отрицательную линзу, и подвижного компонента, содержащего первую линзу и вторую вогнуто-выпуклую линзу, причем изменение фокусного расстояния объектива осуществляется введением в оптический тракт и выведением из него подвижного компонента в пространстве между второй и третьей линзами неподвижного компонента, в неподвижном компоненте вторая линза выполнена положительной, а в подвижном компоненте введена третья дополнительная выпукло-вогнутая положительная линза, первая линза выполнена вогнуто-выпуклой, отрицательной, а вторая линза выполнена положительной.

А также тем, что в неподвижном компоненте на первой поверхности второй линзы выполнен бинарный микрорельеф.

А также тем, что бинарный микрорельеф изменяет фазу волнового фронта в соответствии с выражением:

φ=-64,90383ρ²-2,08826ρ⁴,

где φ - фаза волнового фронта;

ρ - нормированная радиальная координата апертуры поверхности.

А также тем, что в подвижном компоненте на первой поверхности шестой линзы выполнен бинарный микрорельеф.

А также тем, что бинарный микрорельеф изменяет фазу волнового фронта в соответствии с выражением:

φ=-25,10108ρ²-1,32959ρ⁴,

где φ - фаза волнового фронта;

ρ - нормированная радиальная координата апертуры поверхности.

А также тем, что в неподвижном компоненте первая поверхность третьей линзы выполнена асферической.

А также тем, что в неподвижном компоненте асферическая поверхность третьей линзы выполнена в соответствии с уравнением:

y²+z²=153,78x+0,1171x²,

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

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

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

На чертеже представлена оптическая схема двухспектрального инфракрасного объектива с дискретно изменяемым фокусным расстоянием ( мм и мм) с расположением компонентов, соответствующим минимальному фокусному расстоянию.

Двухспектральный инфракрасный объектив с дискретно изменяемым фокусным расстоянием состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу 1, вторую положительную выпукло-вогнутую линзу 2 и третью отрицательную выпукло-вогнутую линзу 3, и подвижного компонента, содержащего первую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 4, вторую положительную вогнуто-выпуклую линзу 5 и третью положительную выпукло-вогнутую линзу 6. Изменение фокусного расстояния объектива осуществляется введением в оптический тракт и выведением из него подвижного компонента в пространстве между второй 2 и третьей 3 линзами неподвижного компонента.

Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.

Таблица 1 Линза № Радиус сферической поверхности, мм Толщина по оси, мм Материал 1 r₁=196,32 d₁=10 Германий r₂=207,43¹⁾     d₂=10   2 r₃=136,51²⁾ d₃=10 Селенид цинка r₄=199,2     d₄=20   4 r₅=-185,75 d₅=5 Германий R₆=-455,67     d₆=77   5 r₇=-1354,43 d₇=5 Германий r₈=-259,83     d₈=8   6 r₉=41,69³⁾ d₉=5 Селенид цинка r₁₀=48,05     d₁₀=25   3 r₁₁=76,89⁴⁾ d₁₁=5 Германий r₁₂=71,62 ¹⁾ - асферическая поверхность вида: y²+z²=416,86x-1,1253x²; ²⁾ - бинарный микрорельеф: φ=-64,90383ρ²-2,08826ρ⁴; ³⁾ - бинарный микрорельеф: φ=-25,10108ρ²-1,32959ρ⁴; ⁴⁾ - асферическая поверхность вида: y²+z²=153,78x+0,1171x².

Как видно из таблицы, линзы объектива выполнены из двух оптических материалов: германия и селенида цинка. Комбинация этих материалов, выбор оптических сил и формы линз, а также выполнение на двух указанных поверхностях микрорельефа бинарного типа обеспечивают коррекцию хроматических аберраций в двух спектральных диапазонах: 3-5 и 8-12 мкм.

Двухспектральный инфракрасный объектив с дискретно изменяемым 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. Наклонные пучки лучей также проходят через все линзы объектива и фокусируются соответственно в других точках фокальной плоскости.

Изменение фокусного расстояния объектива осуществляется введением в оптический тракт подвижного компонента, содержащего линзы 4, 5 и 6 (при такой конфигурации мм), или выведением этого компонента из оптического тракта (при такой конфигурации мм).

Объектив рассчитан для работы в двух спектральных диапазонах: 3-5 и 8-12 мкм, при этом использованы два оптических материала: германий и селенид цинка. Относительное отверстие объектива 1:2, длина (L) от первой поверхности до плоскости изображения составляет 215 мм, отношение составляет 1,075.

Таким образом, выполнение двухспектрального инфракрасного объектива с дискретно изменяемым фокусным расстоянием в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет повысить его энергетические характеристики за счет увеличения относительного отверстия с 1:5,3 до 1:2 при сохранении кратности изменения фокусного расстояния M=2,86.

Объектив может быть использован в тепловизионных приборах с дискретно изменяемым полем зрения. Объектив состоит из неподвижного компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу, вторую выпукло-вогнутую линзу и третью выпукло-вогнутую отрицательную линзу, и подвижного компонента, содержащего первую линзу, вторую вогнуто-выпуклую линзу и дополнительную третью выпукло-вогнутую положительную линзу. Изменение фокусного расстояния осуществляется введением в оптический тракт и выведением из него подвижного компонента между второй и третьей линзами неподвижного компонента. В неподвижном компоненте вторая линза - положительная, а в подвижном компоненте первая линза выполнена вогнуто-выпуклой, отрицательной, а вторая линза выполнена положительной. Технический результат - повышение энергетической способности объектива. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Двухспектральный инфракрасный объектив с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, состоящий из неподвижного компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу, вторую выпукло-вогнутую линзу и третью выпукло-вогнутую отрицательную линзу, и подвижного компонента, содержащего первую линзу и вторую вогнуто-выпуклую линзу, причем изменение фокусного расстояния объектива осуществляется введением в оптический тракт и выведением из него подвижного компонента в пространстве между второй и третьей линзами неподвижного компонента, отличающийся тем, что в неподвижном компоненте вторая линза выполнена положительной, а в подвижном компоненте введена третья дополнительная выпукло-вогнутая положительная линза, первая линза выполнена вогнуто-выпуклой, отрицательной, а вторая линза выполнена положительной.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что в неподвижном компоненте на первой поверхности второй положительной выпукло-вогнутой линзы выполнен бинарный микрорельеф.

3. Объектив по п.2, отличающийся тем, что бинарный микрорельеф изменяет фазу волнового фронта в соответствии с выражением
φ=-64,90383ρ²-2,08826ρ⁴,
где φ - фаза волнового фронта;
ρ - нормированная радиальная координата апертуры поверхности.

4. Объектив по п.1, отличающийся тем, что в подвижном компоненте на первой поверхности третьей положительной выпукло-вогнутой линзы выполнен бинарный микрорельеф.

5. Объектив по п.4, отличающийся тем, что бинарный микрорельеф изменяет фазу волнового фронта в соответствии с выражением
φ=-25,10108ρ²-1,32959ρ⁴,
где φ - фаза волнового фронта;
ρ - нормированная радиальная координата апертуры поверхности.

6. Объектив по п.1, отличающийся тем, что в неподвижном компоненте первая поверхность третьей отрицательной выпукло-вогнутой линзы выполнена асферической.

7. Объектив по п.6, отличающийся тем, что в неподвижном компоненте асферическая поверхность третьей линзы выполнена в соответствии с уравнением
y²+z²=153,78x+0,1171x²,
где y - ось системы координат, лежащая в плоскости меридионального сечения объектива;
z - ось системы координат, лежащая в плоскости сагиттального сечения объектива;
x - ось системы координат, совпадающая с оптической осью объектива.