Светосильный объектив для инфракрасной области спектра Российский патент 2017 года по МПК G02B13/14 G02B9/06 G02B11/02 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств с линейным полем зрения 6,528×4,896 мм (диагональ 8,16 мм), чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.

К объективам, предназначенным для работы в составе наблюдательных тепловизионных приборов, предъявляются повышенные требования к полю зрения, а к объективам, предназначенным, например, для прицелов, повышенные требования к качеству изображения в центре поля зрения.

Известен светосильный объектив по патенту РФ №126479 от 07.11.2012 г., МПК G02B 13/14. Объектив состоит из двух последовательно установленных по ходу лучей одиночных положительных менисков, выполненных из германия, обращенных выпуклостью к предмету. Все оптические поверхности выполнены сферическими и выполняются условия: 0<d_в<0,2f'; 2<R₁/'f<4,5; 0,5<R₃/f'<1; 4<R₂/f'<8; 0,7<R₄/f'<2; где: R₁, R₂, R₃, R₄ - - радиусы кривизны первой, второй, третьей и четвертой оптических поверхностей; d_в - воздушный промежуток между двумя линзами; f - фокусное расстояние всего объектива.

Недостатком объектива является узкое поле зрения: 2,8 градуса.

Известен объектив по патенту США №3992078 от 06.05.1975 г., опубл. 16.11.1976 г., МПК G02B 3/00, состоящий из двух простых положительных линз, причем, каждая линза может быть выполнена либо в виде выпуклоплоской линзы, обращенной выпуклостью к плоскости предметов, либо в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению - прототипом - является вариант объектива по вышеуказанному патенту США №3992078, содержащий два одиночных положительных мениска, обращенных выпуклостью к плоскости предметов, выполненных из германия, в котором вторая поверхность первого мениска выполнена асферической. Мениски отстоят друг от друга по оси на расстоянии от 0,8F до 1,2F, где F - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива. Радиус кривизны первой по ходу лучей поверхности первого мениска R₁ составляет более 5F и менее 15F. Радиус кривизны R₃ первой по ходу лучей поверхности второго мениска составляет более 2F и менее 5F. Радиусы кривизны вторых поверхностей менисков R₂ и R₄ - более 50F. Толщины по оси менисков могут быть менее 0,05F, заднее фокусное расстояние объектива более 0,5F и менее 2F.

Недостатком указанного объектива также является узкое поле зрения. Поле зрения объектива с относительным отверстием 1:1 составляет 4 градуса, а с относительным отверстием 1:1,5 - 8 градусов.

Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: увеличение поля зрения объектива при сохранении высокого качества изображения.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Объектив для инфракрасной области спектра, как и прототип, содержит два оптически связанных одиночных положительных мениска, выполненных из германия, обращенных выпуклыми поверхностями к плоскости предметов. Вторая поверхность первого мениска выполнена асферической. В отличие от прототипа радиусы кривизны поверхностей менисков удовлетворяют следующим соотношениям: R₁=(1,04÷1,26)F; R₂=(1,03÷1,62)F; R₃=(0,5÷0,79)F; R₄=(0,59÷0,98)F, где R₁, R₂ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска, R₃, R₄ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска, F - фокусное расстояние объектива.

В частных случаях реализации - при выполнении второго мениска или всего объектива подвижным вдоль оптической оси - достигаются дополнительные технические результаты: фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С.

Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.

На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива. На фиг. 2 приведены графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива для различных точек поля зрения. На фиг. 3 приведен график дисторсии в процентах по полю зрения (ордината Y). На фиг. 4 приведены графики концентрации энергии в кружке рассеяния.

Светосильный объектив для инфракрасной области спектра (фиг. 1) содержит два оптически связанных одиночных положительных мениска 1, 2, обращенных выпуклостью к плоскости предмета. Вторая по ходу луча поверхность мениска 1 выполнена асферической. Мениски 1, 2 выполнены из германия.

Инфракрасное излучение от удаленного объекта попадает в объектив, где проходит через мениски 1, 2, и образует действительное изображение предмета в плоскости наилучшей установки фотоприемного устройства (не показано), положение которой обусловлено расстоянием до объекта (для бесконечно удаленного объекта практически совпадает с фокальной плоскостью объектива).

В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный объектив, оптические характеристики которого приведены в таблице 1.

В таблице 2 приведены величины относительных оптических сил, расстояний по оси между менисками, материалы и диаметры менисков объектива.

Предлагаемый объектив по сравнению с прототипом имеет более широкое поле зрения: 12,4×9,4 град, (крайние точки поля зрения: ±6,2°×±4,7°).

Радиусы кривизны поверхностей менисков рассчитанного объектива, приведенные в таблице 2, удовлетворяют заявленным диапазонам: R₁=(1,04÷1,26)F; R₂=(1,03÷1,62)F; R₃=(0,5÷0,79)F; R₄=(0,59÷0,98)F.

Качество изображения объектива демонстрируется графиками, приведенными на фиг. 2, 3, 4. Указанные графики приведены для объектива с фокусным расстоянием 30 мм, диаметром входного зрачка 27 мм, относительным отверстием 1:1,11 и полем зрения 12,4×9,4 град.

На фиг. 2 и фиг. 4 графики построены для осевой точки (0° на графиках), для зоны на уровне 0,7 от крайней точки поля зрения (4,4°×3,3° на графиках) и для крайней точки поля зрения (6,2°×4,7° на графиках). Штриховой линией обозначен дифракционный предел.

На фиг. 2 приведены графики ЧКХ объектива на частоте 40 штрихов/мм. По оси абсцисс отложены значения пространственных частот, отнесенные к плоскости изображений объектива, по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста. Графики ЧКХ приведены для меридионального (Т) и сагиттального (S) сечений. Из приведенных графиков видно, что в предлагаемом объективе сохранено высокое, дифракционно-ограниченное качество изображения.

Высокое качество изображения объектива подтверждается графиками дисторсии (фиг. 3) и концентрации энергии в кружке рассеяния для различных точек поля зрения (фиг. 4). На фиг. 3 видно, что дисторсия составляет (-13%).

На фиг. 4 по оси абсцисс отложены значения радиуса кружка рассеяния, по оси ординат - значения соответствующих ему уровней концентрации энергии. Указанный график также демонстрирует высокое качество изображения предложенного объектива, имеющего по сравнению с прототипом большее поле зрения.

При выполнении второго мениска или всего объектива подвижными вдоль оптической оси осуществляется фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40 до 50°С.

Расчеты объектива показали, что заявленный технический результат обеспечивается при значениях радиусов кривизны поверхностей менисков 1, 2 в пределах всех заявленных диапазонов: R₁=(1,04÷1,26)F; R₂=(1,03÷1,62)F; R₃=(0,5÷0,79)F; R₄=(0,59÷0,98)F.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение обеспечивает увеличение поля зрения объектива при сохранении высокого качества изображения.

Изобретение может быть использовано в тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами, чувствительными в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит два одиночных положительных мениска, обращенных выпуклостью к плоскости предметов. Вторая поверхность первого мениска выполнена асферической. Мениски выполнены из германия. Выполняются соотношения: R₁=(1,04÷1,26)F; R₂=(1,03÷1,62)F; R₃=(0,5÷0,79)F; R₄=(0,59÷0,98)F, где R₁, R₂ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска, R₃, R₄ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска, F - фокусное расстояние объектива. Для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне температур от минус 40°С до 50°С второй мениск либо весь объектив выполняют подвижными вдоль оптической оси. Технический результат - увеличение поля зрения объектива при сохранении высокого качества изображения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Светосильный объектив для инфракрасной области спектра, содержащий два оптически связанных одиночных положительных мениска, выполненных из германия, обращенных выпуклыми поверхностями к плоскости предметов, причем вторая поверхность первого мениска выполнена асферической, отличающийся тем, что радиусы кривизны поверхностей менисков удовлетворяют следующим соотношениям:

R₁=(1,04÷1,26)F;

R₂=(1,03÷1,62)F;

R₃=(0,5÷0,79)F;

R₄=(0,59÷0,98)F,

где R₁, R₂ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска,

R₃, R₄ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска,

F - фокусное расстояние объектива.

2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

3. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.