ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G02B13/14 G02B9/60 G02B15/14 

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

Известны объективы с двумя полями зрения для среднего инфракрасного диапазона (см. патенты US 2012/022914 A1, МПК⁷ G02B 15/14 публ. 13.09.2012 г., US 6424460 B1, МПК⁷ G02B 15/14 публ. 23.07.2002 г.) с фокусными расстояниями 508/258 мм, 160/53 мм и относительными отверстиями 1:2 и 1:2,5 соответственно, в которых смена полей зрения осуществляется перемещением одного из компонентов вдоль оптической оси. Недостатком первого из указанных объективов являются большие габариты входных линз, большое количество используемых материалов и малая кратность изменения полей зрения. Недостатком второго объектива являются малые относительное отверстие и фокусное расстояние в узком поле зрения, большое количество используемых материалов.

Также известен объектив для дальнего инфракрасного диапазона (см. патент RU 2400784 C1, МПК⁷ G02B 13/14 публ. 27.09.2010 г.), содержащий десять линз, с фокусным расстоянием 210/70 мм и относительным отверстием 1:2, смена полей зрения осуществляется перемещением двух компонентов вдоль оптической оси. Недостатками этого объектива являются большое количество линз, наличие двух перемещаемых компонентов и величина их перемещения (для одного из компонентов более 100 мм).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объективу, принятым за прототип, является инфракрасный объектив с двумя полями зрения (см. патент US 2010/0033578 A1, МПК⁷ G02B 15/14 публ. 11.02.2010 г.), состоящий из трех компонентов: неподвижных первого и третьего и подвижного второго. Неподвижный первый компонент содержит первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия, вторую положительную двояковыпуклую линзу из селенида цинка с асферическими поверхностями, третью отрицательную выпукло-вогнутую линзу из фтористого кальция, четвертую положительную выпукло-вогнутую линзу из селенида цинка и пятую отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия, второй подвижный компонент содержит отрицательную вогнуто-выпуклую линзу из германия с асферическими поверхностями, третий неподвижный компонент содержит первую положительную двояковыпуклую линзу из германия с асферическими поверхностями и вторую положительную двояковыпуклую линзу из германия. Изменение поля зрения осуществляется путем перемещения подвижного компонента вдоль оптической оси в пространстве между первым и третьим компонентами. Объектив работает с относительным отверстием 1:2,7, в узком поле зрения фокусное расстояние объектива f′_max=180 мм, диаметр входного зрачка 66,7 мм, в широком поле зрения - f′_min=60 мм, диаметр входного зрачка 22,2 мм.

Недостатками этого инфракрасного объектива являются малые значения диаметра входного зрачка, при котором на фотоприемник тепловизора поступает малый поток излучения от объектов наблюдения, и фокусного расстояния, не обеспечивающего достаточного углового разрешения, что уменьшает дальность действия прибора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение энергетических характеристик и углового разрешения инфракрасного объектива с двумя полями зрения за счет увеличения диаметра входного зрачка и фокусного расстояния.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном объективе с двумя полями зрения, состоящем из неподвижного первого компонента, содержащего первую выпукло-вогнутую линзу и вторую положительную двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, подвижного второго компонента, содержащего отрицательную линзу, первая поверхность которой выполнена асферической, установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и неподвижного третьего компонента, содержащего первую двояковыпуклую и вторую положительные линзы, первая линза первого неподвижного компонента выполнена положительной, а подвижный второй компонент расположен между первой и второй линзами неподвижного первого компонента.

А также тем, что вторая поверхность первой линзы первого неподвижного компонента выполнена асферо-дифракционной.

А также тем, что линза второго подвижного компонента выполнена двояковогнутой.

А также тем, что первая поверхность первой линзы третьего неподвижного компонента выполнена асферо-дифракционной.

А также тем, что в третьем неподвижном компоненте вторая линза выполнена выпукло-вогнутой.

На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения.

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента I, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу 1 и вторую положительную двояковыпуклую линзу 2, подвижного второго компонента II, содержащего отрицательную двояковогнутую линзу 3, и неподвижного третьего компонента III, содержащего первую положительную двояковыпуклую линзу 4 и вторую положительную выпукло-вогнутую линзу 5. Подвижный второй компонент расположен с возможностью перемещения вдоль оптической оси между первой 1 и второй 2 линзами неподвижного первого компонента I. Вторая поверхность первой положительной выпукло-вогнутой линзы 1 неподвижного первого компонента I и первая поверхность первой положительной двояковыпуклой линзы 4 неподвижного третьего компонента III выполнены асферо-дифракционными. Вторая поверхность второй положительной двояковыпуклой линзы 2 неподвижного первого компонента I и первая поверхность отрицательной двояковогнутой линзы 3 подвижного второго компонента II выполнены асферическими.

В таблице 1 приведены технические характеристики объектива.

Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 2.

Таблица 1 Технические характеристики Узкое поле зрения Широкое поле зрения Спектральный диапазон работы, мкм 3-5 Фокусное расстояние, мм 320 107 Диаметр входного зрачка, мм 160 53,5 Угловое поле зрения, град 1,72×1,38 5,14×4,11

Таблица 2 Линза № Радиус сферической поверхности, мм Толщина по оси, мм Материал 1 r₁=201,7 d₁=17 Кремний r₂=344,3¹⁾     d₂=137 (112)   2 r₃=-137,5²⁾ d₃=5 Германий r₄=146     d₄=8 (33)   3 r₅=253,5 d₅=7 Кремний r₆=-146,2³⁾     d₆=125   4 r₇=111,3⁴⁾ d₇=5 Германий r₈=-326,3     d₈=1   5 r₉=15,9 d₉=4 Кремний r₁₀=13,27     d₁₀=33.3   ¹⁾,⁴⁾ - асферо-диффракционная поверхность; ²⁾, ³⁾ - асферическая поверхность

Как видно из таблицы 2, линзы объектива выполнены из двух оптических материалов: германия и кремния. Комбинация этих материалов, выбор оптических сил и формы линз, а также выполнение поверхностей линзы 1 и линзы 4 асферо-дифракционными обеспечивают высокое качество изображения. В таблице 3 приведены расчетные значения концентрации энергии, характеризующие качество изображения объектива.

Таблица 3 Фокусное расстояние, мм Концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм, % в центр поля зрения на краю поля зрения по горизонту 320 74 69 107 77 40

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения 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.

Смена полей зрения (фокусного расстояния) объектива осуществляется перемещением линзы 3 подвижного второго компонента II вдоль оптической оси в пространстве между линзами 1 и 2 неподвижного первого компонента I на 25 мм.

Таким образом, выполнение инфракрасного объектива с двумя полями зрения в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет повысить его энергетические характеристики и угловое разрешение за счет увеличения в 2,4 раза диаметра входного зрачка и в 1,8 раза фокусного расстояния.

Инфракрасный объектив может быть использован в тепловизорах. Объектив содержит три компонента. Первый неподвижный компонент содержит первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической. Второй компонент содержит отрицательную линзу, первая поверхность которой выполнена асферической, и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий неподвижный компонент содержит первую двояковыпуклую и вторую положительные линзы. Второй подвижный компонент расположен между первой и второй линзами неподвижного первого компонента. Технический результат - повышение энергетических характеристик и углового разрешения объектива за счет увеличения диаметра входного зрачка и фокусного расстояния. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Инфракрасный объектив с двумя полями зрения, состоящий из неподвижного первого компонента, содержащего первую выпукло-вогнутую линзу и вторую положительную двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, подвижного второго компонента, содержащего отрицательную линзу, первая поверхность которой выполнена асферической, установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и неподвижного третьего компонента, содержащего первую двояковыпуклую и вторую положительные линзы, отличающийся тем, что первая линза первого неподвижного компонента выполнена положительной, а второй подвижный компонент расположен между первой и второй линзами неподвижного первого компонента.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что вторая поверхность первой линзы первого неподвижного компонента выполнена асферо-дифракционной.

3. Объектив по п.1, отличающийся тем, что линза второго подвижного компонента выполнена двояковогнутой.

4. Объектив по п.1, отличающийся тем, что первая поверхность первой линзы третьего неподвижного компонента выполнена асферо-дифракционной.

5. Объектив по п.1, отличающийся тем, что в третьем неподвижном компоненте вторая линза выполнена выпукло-вогнутой.