УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G02B13/14 G02B15/16 G02B9/64 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в тепловизионных приборах с плавным изменением угловых размеров наблюдаемого пространства.

Известна система с плавно изменяющимся фокусным расстоянием для дальней инфракрасной области спектра (см. патент CN 102866485 A, МПК⁷ G02B 15/173, 15/20, опубл. 01.09.2013 г.), которая содержит неподвижный первый положительный компонент, подвижные второй отрицательный и третий положительный компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижные четвертый отрицательный, пятый и шестой положительные компоненты. Для обеспечения компактности системы в пространстве между линзами пятого компонента установлено первое плоское зеркало, изменяющее направление оптической оси, а между последней линзой пятого и первой линзой шестого компонентов - второе. В системе четыре асферические и три асферо-дифракционные поверхности. Фокусное расстояние системы изменяется от 60 (f′_min) до 420 (f′_max) мм, кратность изменения фокусного расстояния M=f′_max/f′_min=7^×, относительное отверстие 1:2.

Недостатком этой инфракрасной системы является небольшая кратность изменения фокусного расстояния.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и количеству совпадающих признаков является устройство для формирования инфракрасного изображения (см. патент GB №2474762 А, МПК⁷ G02B 13/14, 23/12, 9/60, опубл. 27.04.2011 г., схема на фиг. 1), состоящее из последовательно расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента из двух положительных выпукло-вогнутых линз, подвижных второго, выполненного в виде отрицательной двояковогнутой линзы, и третьего, выполненного в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, компонентов, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижного четвертого компонента из двух линз, первая из которых положительная двояковыпуклая, а вторая - отрицательная вогнуто-выпуклая, неподвижного пятого компонента из трех линз, первая из которых отрицательная выпукло-вогнутая, вторая и третья - положительные двояковыпуклые, и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой. Перемещением второго и третьего компонентов обеспечивается плавное изменение фокусного расстояния устройства от 23 (f′_min) до 207 (f′_max) мм, кратность изменения М=9^×. Фокусные расстояния первого f_I, второго f_II и третьего f′_III компонентов могут принимать следующие значения: f_I от 60 до 190 мм, f_II от (-15) до (-25) мм, f′_III от (-35) до (-90) мм. Между неподвижными четвертым и пятым компонентами формируется промежуточное изображение, которое пятым компонентом переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения. Выходной зрачок устройства совмещен с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения. Длина устройства от первой поверхности входной линзы до плоскости изображения L составляет 325 мм; коэффициент телеукорочения $$T_L=L/f{\text{'}}_{\max }=\mathrm{1,57}$$ .

Устройство предназначено для работы в спектральном диапазоне 7,1…9,5 мкм с относительным отверстием 1:2,1; оптическая схема устройства содержит семь асферических и одну асферо-дифракционную поверхность.

Недостатком описанного устройства является небольшая кратность изменения его фокусного расстояния и большое значение коэффициента телеукорочения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение кратности плавного изменения фокусного расстояния при уменьшении коэффициента телеукорочения.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для формирования инфракрасного изображения, состоящем из последовательно расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу, подвижных второго компонента, содержащего отрицательную линзу, и третьего компонента, содержащего отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижных четвертого компонента, содержащего отрицательную линзу, и пятого компонента, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую и положительную линзы, и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, причем между неподвижными четвертым и пятым компонентами формируется промежуточное изображение, а выходной зрачок устройства совмещен с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения, во втором компоненте линза выполнена выпукло-вогнутой, в третьем компоненте дополнительно введена положительная выпукло-вогнутая линза, при этом третий компонент в целом - положительный, в четвертом компоненте линза выполнена выпукло-вогнутой, в пятом компоненте положительная линза выполнена выпукло-вогнутой.

На фигуре 1 представлена оптическая схема устройства для формирования инфракрасного изображения.

На фигуре 2 представлена оптическая схема устройства для формирования инфракрасного изображения с ходом лучей, соответствующим расположению компонентов при максимальном фокусном расстоянии 500 мм (а) и при минимальном фокусном расстоянии 20 мм (б).

Устройство состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента I, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу 1, подвижных второго компонента II, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую линзу 2, и третьего компонента III, содержащего отрицательную вогнуто-выпуклую 3 и положительную выпукло-вогнутую 4 линзы, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижных четвертого компонента IV, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую линзу 5, и пятого компонента V, содержащего отрицательную 6 и положительную 7 выпукло-вогнутые линзы, и приемника излучения 8 с охлаждаемой диафрагмой 9. Между неподвижными компонентами IV и V формируется промежуточное изображение, и выходной зрачок устройства совмещен с охлаждаемой диафрагмой 9 приемника излучения 8.

В таблице 1 приведены технические характеристики заявляемого устройства.

В таблице 2 приведены конструктивные параметры оптической схемы заявляемого устройства.

В таблице 3 приведены значения переменных воздушных промежутков d1, d2, d3 для нескольких значений фокусного расстояния устройства.

В таблице 4 приведены значения фокусных расстояний компонентов I-IV и увеличение компонента V.

Как следует из таблицы 1, фокусное расстояние устройства изменяется от 20 до 500 мм, т.е. кратность его изменения М=25^×. За счет выбранного конструктивного исполнения оптической схемы расширен диапазон изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения, что обеспечивает увеличение кратности в 2,7 раза по сравнению с прототипом.

Длина заявляемого устройства от первой поверхности до плоскости изображения составляет 485 мм, коэффициент телеукорочения T_L=0,97, что в 1,6 раза меньше, чем в прототипе. Уменьшение коэффициента телеукорочения, а вместе с ним и длины устройства обеспечивается выбором параметров компонентов в соответствии с приведенными в таблице 3 значениями, а также изменением конструкции второго, третьего и пятого компонентов.

Устройство для формирования инфракрасного изображения работает следующим образом: излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через линзы 1-5 компонентов I-IV, при этом подвижные компоненты II и III занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f′_max=500 мм (см. фиг. 2а), и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем линзами 6, 7 компонента V переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения 8. Диаметр пучка излучения определяется диаметром охлаждаемой диафрагмы 9 приемника излучения 8, совмещенной с выходным зрачком устройства.

При одновременном перемещении компонентов II и III, в соответствии с приведенными в таблице 3 значениями переменных воздушных промежутков, осуществляется плавное изменение фокусного расстояния устройства до f′_min=20 мм (см. фиг. 2б). При этом излучение сначала фокусируется в плоскости промежуточного изображения, а затем линзами 6, 7 компонента V переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения 8. Положение плоскости промежуточного изображения и положение плоскости чувствительных элементов при изменении фокусного расстояния остаются неизменными.

Таким образом, выполнение устройства для формирования инфракрасного изображения в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет повысить кратность изменения фокусного расстояния при уменьшении коэффициента телеукорочения, что позволяет расширить его эксплуатационные возможности и улучшить габаритно-массовые характеристики.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах с плавным изменением угловых размеров наблюдаемого пространства. Устройство состоит из последовательно расположенных неподвижного первого компонента, подвижных второго и третьего компонентов, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижных четвертого и пятого компонентов, между которыми формируется промежуточное изображение, и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой. Выходной зрачок устройства совмещен с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения. Второй компонент содержит отрицательную выпукло-вогнутую линзу. В третьем компоненте, содержащем отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, введена положительная выпукло-вогнутая линза. В четвертом компоненте отрицательная линза выполнена выпукло-вогнутой. В пятом компоненте, содержащем отрицательную выпукло-вогнутую и положительную линзы, положительная линза выполнена выпукло-вогнутой. Технический результат - повышение кратности плавного изменения фокусного расстояния при уменьшении коэффициента телеукорочения. 2 ил., 4 табл.

Устройство для формирования инфракрасного изображения, состоящее из последовательно расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу, подвижных второго компонента, содержащего отрицательную линзу, и третьего компонента, содержащего отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижных четвертого компонента, содержащего отрицательную линзу, и пятого компонента, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую и положительную линзы, и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, причем между неподвижными четвертым и пятым компонентами формируется промежуточное изображение, а выходной зрачок устройства совмещен с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения, отличающееся тем, что во втором компоненте линза выполнена выпукло-вогнутой, в третьем компоненте дополнительно введена положительная выпукло-вогнутая линза, при этом третий компонент в целом - положительный, в четвертом компоненте линза выполнена выпукло-вогнутой, в пятом компоненте положительная линза выполнена выпукло-вогнутой.