ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 2016 года по МПК G02B15/02 G02B9/16 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к оптико-электронным приборам, работающим в дальней ИК-области спектра.

Известен инфракрасный объектив (патент WO 99-59015 А1, опубл. 18.11.1999), имеющий два значения фокусного расстояния, содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, вторую двояковогнутую линзу, третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, и четвертый положительный компонент, выполненный в виде положительного мениска, двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска. Фокусное расстояние изменяется в 2,5 раза путем перемещения второй и третьей линзы в одном направлении с двумя фиксированными положениями при светосиле 1:2,5. Инфракрасный объектив содержит три асферические поверхности - вторую поверхность первого мениска, вторую поверхность второй двояковогнутой линзы и последнюю поверхность шестой линзы объектива.

Недостатком этого объектива является малая светосила, большое число линз из германия - шесть, что еще более снижает значение физической светосилы (с учетом светопропускания), и малый диапазон изменения фокусных расстояний - в 2,5 раза.

Наиболее близким по технической сущности является инфракрасный объектив с двумя фокусными расстояниями для работы в оптических системах тепловизоров (патент RU 2348954 С1, опубл. 10.03.2009), содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, вторую двояковогнутую линзу, третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, и четвертый положительный компонент, выполненный в виде отрицательного и положительного менисков. Фокусное расстояние изменяется в три раза перемещением второй и третьей линзы в противоположных направлениях с двумя фиксированными положениями, при достаточно высоких значениях светосилы (1:1,1 и 1:1,5) и с применением сферических поверхностей.

Число линз из германия в этом объективе уменьшено до пяти, а диапазон изменения фокусных расстояний увеличен до 3-х раз. Но такое улучшение также является недостаточным и не решает поставленную задачу.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение количества линз до трех с одновременным увеличением диапазона изменения фокусных расстояний до 4-х раз с сохранением высокой светосилы и качества изображения, приемлемого для работы с современными матричными приемниками инфракрасного излучения.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в инфракрасном объективе с переменным фокусным расстоянием, включающем расположенные по ходу луча первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, второй мениск с возможностью его перемещения по оптической оси, апертурную диафрагму и третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, в отличие от известного первый и третий мениски содержат по одной асферической поверхности, второй мениск выполнен отрицательным, при этом в первом фиксированном положении обращен выпуклостью к плоскости изображений, а во втором фиксированном положении повернут на 180° относительно первого фиксированного положения и обращен вогнутостью к плоскости изображений, а оптическая сила перемещаемого второго компонента ОС₂ составляет:

где OC_об.min - минимальная оптическая сила объектива.

Перемещение второго компонента с его разворотом на 180° обеспечивает ступенчатое изменение фокусного расстояния, позволяющее реализовать два режима работы: режим поиска и режим опознавания (при меньшей и большей величине фокусного расстояния соответственно), что повышает эффективность поиска объектов по их тепловому излучению в дальней инфракрасной области спектра.

Схема объектива показана на чертеже.

Объектив содержит: первый по ходу луча компонент - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, второй компонент - отрицательный мениск 2, обращенный выпуклостью к плоскости изображений, апертурную диафрагму 3, третий компонент - положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, плоскость изображений 5. При этом у менисков 1 и 4 поверхности R2 и R5 - асферические, а мениск 2 имеет возможность установки в положениях «а» и «б», где в положении «б» он повернут на 180° и обращен выпуклостью к предмету, а его оптическая сила равна -41,77 при оптической силе «OC_об.min» объектива 16,67. Все мениски выполнены из Ge.

Конструктивные данные при положении второго компонента в поз. 2а и при фокусном расстоянии объектива 15 мм приведены в таблице 1.

Примечания:

1. * - асферическая поверхность, R₀=57,41, коническая постоянная K=0,07.

3. ** - асферическая поверхность, R₀=38,46, коническая постоянная K=-0,7.

При перемещении второго компонента в положение «б» с его одновременным разворотом на 180°, фокусное расстояние объектива становится равным 60 мм. Конструктивные данные при таком положении приведены в таблице 2.

Таким образом, параметры вариантов исполнения объектива:

- расчетная длина волны 10,6 мкм; - рабочий спектральный диапазон 8,0…14,0 мкм; - фокусное расстояние 15 и 60 мм; - фокусное расстояние подвижного компонента 23,9 мм; - задний фокальный отрезок 27,7 мм; - линейное поле зрения 9,0 мм; - относительное отверстие 1:1,32.

Принцип действия объектива заключается в следующем.

Первый компонент 1, апертурная диафрагма 3, третий компонент 4 и плоскость изображений 5 неподвижны.

Второй компонент 2, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси и с возможностью его разворота на 180°, имеет отрицательную оптическую силу OC₂, которая составляет:

где OC_об.min - минимальная оптическая сила объектива.

Второй компонент, поворачиваясь, занимает два фиксированных положения «а» и «б», при которых изображение апертурной диафрагмы 3, установленной перед третьим компонентом 4, строится в пространстве предметов как входной зрачок оптической системы с разным диаметром для каждого фиксированного положения второго компонента 2.

В таком случае оптическая система при двух фиксированных положениях второго компонента («а» и «б») обладает разными фокусными расстояниями с одинаковым положением фокальной плоскости и с одинаковой светосилой. Использование осевой подвижки второго компонента 2 с его одновременным разворотом на 180° позволяет увеличить диапазон изменений фокусного расстояния и уменьшить количество линз.

Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:

- толщину защитного стекла фотоприемника, равную 1,0 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива -1,0 на длине волны 8 мкм, 1,0 на длине волны 10,6 мкм, 1,0 на длине волны 14 мкм;

- пространственную частоту 30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива.

При положении подвижной линзы, соответствующему f_об.мин.=15 мм:

- для точки на оси (дифракционное качество) КПК=45,1% - для точки на оси (аберрационное качество) КПК=40,5% - для точки поля 3 мм от центра   изображения КПК_м=35,4%   КПК_с=39,7% - для точки поля 4,5 мм от центра   изображения КПК_м=34,7%   КПК_с=33,1%

При положении подвижной линзы, соответствующему f_{об.макс.}=60 мм:

- для точки на оси (дифракционное качество) КПК=45,1% - для точки на оси (аберрационное качество) КПК=31,3% - для точки поля 3 мм от центра   изображения КПК_м=30,2%   КПК_с=30,6% - для точки поля 4,5 мм от центра   изображения КПК_м=23,6%   КПК_с=29,2%

Как видно из расчетов, инфракрасный объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает ступенчатое изменение фокусного расстояния и близкое к дифракционному приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников микроболометрические матрицы с размером пикселя до 17 мкм.

Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием может быть использован в оптико-электронных приборах, работающих в дальней ИК-области. Объектив включает расположенные по ходу луча первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, второй мениск с возможностью его перемещения по оптической оси, апертурную диафрагму и третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений. Первый и третий мениски содержат по одной асферической поверхности. Второй мениск выполнен отрицательным и в первом фиксированном положении обращен выпуклостью к плоскости изображений, а во втором фиксированном положении повернут на 180° относительно первого фиксированного положения. Оптическая сила перемещаемого второго компонента ОС₂ составляет: |ОС₂| ≥ ОС_об.min, где ОС_об.min - минимальная оптическая сила объектива. Технический результат - уменьшение количества линз и увеличение диапазона изменения фокусных расстояний с сохранением высокой светосилы и качества изображения. 1 ил., 2 табл.

Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием, включающий расположенные по ходу луча первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, второй мениск с возможностью его перемещения по оптической оси, апертурную диафрагму и третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, отличающийся тем, что первый и третий мениски содержат по одной асферической поверхности, второй мениск выполнен отрицательным, при этом в первом фиксированном положении обращен выпуклостью к плоскости изображений, а во втором фиксированном положении повернут на 180° относительно первого фиксированного положения и обращен вогнутостью к плоскости изображений, а оптическая сила перемещаемого второго компонента ОС₂ составляет:
|ОС₂| ≥ ОС_об.min,
где ОС_об.min - минимальная оптическая сила объектива.