ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЛАВНО ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ 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.

Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (заявка US 2011/0216398 А1, МПК⁷ G02B 13/14, 13/18, опубл. 08.09. 2011, схема на фиг. 4), содержащий первый неподвижный компонент с фокусным расстоянием f′₁, второй подвижный компонент с фокусным расстоянием f′₂, третий неподвижный компонент с фокусным расстоянием f′₃ и четвертый подвижный компонент с фокусным расстоянием f′₄. Фокусное расстояние объектива изменяется от 35 (f′_min) до 100 (f′_max) мм, кратность изменения фокусного расстояния М=f′_max/f′_min=2,85^×, при этом выполнены следующие соотношения: f′/f′_max=l,25; f′₂/f′_max=-0,4; f′₃/f′_max=2,0. В объективе шесть асферических поверхностей.

Недостатком этого инфракрасного объектива является малая кратность изменения фокусного расстояния.

Также известна инфракрасная система с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (патент CN 102866485 А, МПК⁷ G02B 15/173, 15/20, опубл. 01.09. 2013), которая содержит пять линзовых компонентов и два плоских зеркала для изменения направления оптической оси. Первый, четвертый и пятый линзовые компоненты неподвижные, а второй и третий перемещаются вдоль оптической оси. Фокусное расстояние системы изменяется от 60 до 420 мм, кратность изменения фокусного расстояния М=7^×. Длина системы от первой поверхности до плоскости изображения 760 мм, при этом второй подвижный компонент перемещается на 162,36 мм, а третий - на 7,5 мм. В системе четыре асферические и три асферо-дифракционные поверхности.

Недостатками такой инфракрасной системы являются большая длина и большое перемещение второго компонента.

Наиболее близким к заявляемому объективу по технической сущности и количеству совпадающих признаков является инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (патент РФ на изобретение №2299454, МПК⁷ G02B 13/16, 13/14, опубл. 25.05.2007, Бюл. №14), содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй отрицательной двояковогнутой линз, и третий компонент в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижные четвертый компонент в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы и пятый компонент, состоящий из двух положительных выпукло-вогнутых линз.

Объектив предназначен для работы в дальнем инфракрасном диапазоне спектра; фокусное расстояние изменяется от 60 мм до 300 мм, кратность изменения фокусного расстояния М=5^×. Изменение фокусного расстояния осуществляется одновременным перемещением вдоль оптической оси второго и третьего компонентов, причем второй компонент перемещается на 182 мм, а третий - на 67,6 мм от исходного положения. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения L составляет 443,75 мм; коэффициент телеукорочения T_L=L/ f''_max=1,48. Объектив работает с относительным отверстием 1:2, при этом апертурная диафрагма совмещена с первой поверхностью первой линзы пятого компонента. В рассматриваемом объективе для фокусных расстояний первого f′_I, второго f′_II, пятого f′_V компонентов и максимального фокусного расстояния выполнены следующие соотношения: f′_I/f′_max=l,22; f′_II/f′_max=-0,49; f′_V/f′_max=0,42.

Недостатками описанного инфракрасного объектива являются небольшая кратность изменения фокусного расстояния, большие значения перемещений подвижных компонентов и коэффициента телеукорочения (длина системы в 1,5 раза превышает его фокусное расстояние). Кроме того, расположение апертурной диафрагмы внутри системы не обеспечивает оптимального сопряжения с современными матричными охлаждаемыми приемниками излучения, что понижает освещенность на краю изображения вследствие виньетирования наклонных пучков лучей и приводит к ухудшению качества изображения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение кратности плавного изменения фокусного расстояния при уменьшении величины перемещения подвижных компонентов и коэффициента телеукорочения и вынос апертурной диафрагмы в пространство между объективом и плоскостью изображения.

Поставленная задача решается за счет того, что в инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащем последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй отрицательной двояковогнутой линз, и третий компонент, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижные четвертый компонент, содержащий вогнуто-выпуклую линзу, и пятый компонент, состоящий из первой выпукло-вогнутой и второй положительной линз, линза третьего компонента выполнена положительной двояковыпуклой, в четвертом компоненте вогнуто-выпуклая линза выполнена отрицательной и дополнительно введена положительная выпукло-вогнутая линза, в пятом компоненте первая выпукло-вогнутая линза выполнена отрицательной, вторая положительная линза выполнена двояковыпуклой, причем в пространстве между неподвижными четвертым и пятым компонентами формируется промежуточное изображение, а апертурная диафрагма расположена в пространстве между неподвижным пятым компонентом и плоскостью изображения объектива.

На фиг. 1 представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (расположение компонентов соответствует максимальному фокусному расстоянию 300 мм).

На фиг. 2а представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием с ходом лучей, соответствующим расположению компонентов при максимальном фокусном расстоянии 300 мм.

На фиг. 2б представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием с ходом лучей, соответствующим расположению компонентов при минимальном фокусном расстоянии 30 мм.

Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы 1, подвижные второй компонент II, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой 2 и второй отрицательной двояковогнутой 3 линз, и третий компонент III, выполненный в виде положительной двояковыпуклой линзы 4, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижные четвертый компонент IV, состоящий из первой отрицательной вогнуто-выпуклой 5 и второй положительной выпукло-вогнутой 6 линз, и пятый компонент V, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой 7 и второй положительной двояковыпуклой 8 линз. В пространстве между неподвижными четвертым IV и пятым V компонентами формируется промежуточное изображение, а апертурная диафрагма 9 расположена между неподвижным пятым компонентом V и плоскостью изображения объектива. Дополнительно показано входное окно 10 приемника инфракрасного излучения, охлаждаемая диафрагма которого совмещена с апертурной диафрагмой 9 объектива.

Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива, работающего в спектральном диапазоне 8,0…12,0 мкм, приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены значения переменных воздушных промежутков для трех значений фокусного расстояния инфракрасного объектива.

В табл. 3 приведены параметры компонентов инфракрасного объектива.

Из табл. 2 видно, что кратность изменения фокусного расстояния инфракрасного объектива М=10^×, что в 2 раза выше, чем в прототипе, причем повышение кратности обеспечивается расширением диапазона изменения фокусного расстояния в сторону минимального значения. Величина перемещения второго компонента δ_II=133,2-80,2=53 мм, третьего компонента δ_III=38,3-12,9=25,4 мм, что соответственно в 3,44 и в 2,66 раза меньше, чем в прототипе. Длина заявляемого инфракрасного объектива составляет 330 мм, коэффициент телеукорочения T_L=1,1, что в 1,35 раза меньше, чем в прототипе.

Это достигается выбором формы линз 4, 7, 8 третьего III и пятого V компонентов, изменением конструкции четвертого компонента IV, а также выбором параметров компонентов в соответствии с приведенными в табл. 3 значениями.

Выбранное конструктивное исполнение инфракрасного объектива, при котором в пространстве между четвертым IV и пятым V компонентами формируется промежуточное изображение, а апертурная диафрагма 9 вынесена в пространство между последним компонентом и плоскостью изображения, обеспечивает оптимальное сопряжение с современными матричными охлаждаемыми приемниками излучения, что приводит к повышению освещенности изображения за счет минимального виньетирования наклонных пучков лучей.

Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием работает следующим образом: излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через линзы 1-6 компонентов I, II, III и IV, при этом подвижные компоненты II и III занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f′_max=300 мм (фиг. 2а), и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем линзами 7, 8 компонента V переносится в плоскость изображения объектива. Диаметр пучка излучения определяется диаметром апертурной диафрагмы 9, расположенной в пространстве между компонентом V и плоскостью изображения объектива.

При одновременном перемещении компонентов II и III, в соответствии с приведенными в табл. 2 значениями переменных воздушных промежутков, осуществляется плавное изменение фокусного расстояния инфракрасного объектива до f′_min=30 мм (фиг. 2б). При этом излучение сначала фокусируется в плоскости промежуточного изображения, а затем линзами 7, 8 компонента V переносится в плоскость изображения объектива. Положение плоскости промежуточного изображения и положение плоскости изображения объектива при изменении фокусного расстояния остаются неизменными.

Таким образом, выполнение инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет повысить кратность изменения фокусного расстояния при уменьшении коэффициента телеукорочения и величины перемещения подвижных компонентов. При этом обеспечивается оптимальное сопряжение объектива с матричным охлаждаемым фотоприемным устройством, что улучшает характеристики и расширяет эксплуатационные возможности тепловизионного прибора в целом.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах с плавным изменением угловых размеров наблюдаемого пространства. Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй двояковогнутой линз, и третий компонент, содержащий двояковыпуклую линзу, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижные четвертый компонент, содержащий отрицательную вогнуто-выпуклую линзу и дополнительно введенную положительную выпукло-вогнутую линзу, и пятый компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй двояковыпуклой линз. Между неподвижными четвертым и пятым компонентами формируется промежуточное изображение. Апертурная диафрагма расположена между пятым компонентом и плоскостью изображения. Технический результат - повышение кратности плавного изменения фокусного расстояния при уменьшении величины перемещения подвижных компонентов и коэффициента телеукорочения и вынос апертурной диафрагмы в пространство между объективом и плоскостью изображения. 2 ил., 3 табл.

Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй отрицательной двояковогнутой линз, и третий компонент, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижные четвертый компонент, содержащий вогнуто-выпуклую линзу, и пятый компонент, состоящий из первой выпукло-вогнутой и второй положительной линз, отличающийся тем, что линза третьего компонента выполнена положительной двояковыпуклой, в четвертом компоненте вогнуто-выпуклая линза выполнена отрицательной и дополнительно введена положительная выпукло-вогнутая линза, в пятом компоненте первая выпукло-вогнутая линза выполнена отрицательной, вторая положительная линза выполнена двояковыпуклой, причем в пространстве между неподвижными четвертым и пятым компонентами формируется промежуточное изображение, а апертурная диафрагма расположена в пространстве между неподвижным пятым компонентом и плоскостью изображения объектива.