ИНФРАКАСНЫЙ ТЕЛЕОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G02B13/02 G02B13/14 G02B15/14 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.

Известен инфракрасный объектив по патенту US №6424460, 2002. г., МПК G02B 13/14, где на фиг. 3 изображен объектив с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображения. Объектив содержит расположенные по ходу лучей оптически связанные первый и последний положительные компоненты и расположенный между ними подвижный компонент, включающий отрицательную и положительную линзы, имеющий два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения; при этом первый компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, последний компонент включает два положительных мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к плоскости изображений. Функцию апертурной диафрагмы в процессе работы объектива в комплексе с охлаждаемым матричным приемником ИК излучения выполняет охлаждаемая диафрагма приемника. Причем, две поверхности являются асферическими, на одной из них нанесен дифракционный оптический элемент (в виде голограммы). Фокусное расстояние принимает два значения: 53 и 160 мм, т.е. обеспечивается трехкратный перепад фокусного расстояния (поля зрения). Относительное отверстие имеет величину 1:2,5. Расстояние от охлаждаемой апертурной диафрагмы до плоскости изображения составляет в конкретном примере исполнения 47 мм, что составляет 0,88 от наименьшей величины фокусного расстояния. Устройство таково, что проекция апертурной диафрагмы в пространство предметов - входной зрачок - является мнимой и не совпадает с первым компонентом объектива. Это приводит к тому, что диаметр первого компонента превышает диаметр входного зрачка для наибольшего фокусного расстояния. В примере конкретного исполнения это превышение составляет 1,6 раза.

Также известен объектив для дальнего инфракрасного диапазона описанный в патенте RU №2400784 C1, МПК⁷ G02B 13/14, опубликованном 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. Но у данного объектива большое количество линз, а также наличие двух перемещаемых компонентов с величиной их перемещения для одного из компонентов более 100 мм. не позволяет использовать его в компактных объективах.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому телеобъективу является инфракрасный объектив с двумя полями зрения описанный в патенте RU №2541420, МПК G02B 13/14, опубликованном 10.02.2015 г. Объектив состоит из расположенных вдоль оптической оси по ходу луча неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу, обращенную выпуклостью к плоскости предметов, подвижного второго компонента, содержащего отрицательную двояковогнутую линзу, неподвижного третьего компонента, содержащего положительную двояковыпуклую линзу, и четвертого неподвижного компонента, содержащего первую положительную двояковыпуклую линзу и вторую положительную выпукло-вогнутую линзу, обращенную выпуклостью к плоскости предметов. Подвижный второй компонент расположен с возможностью перемещения вдоль оптической оси между первым и третьим компонентами. Вторая поверхность положительной выпукло-вогнутой линзы неподвижного первого компонента и первая поверхность первой положительной двояковыпуклой линзы неподвижного четвертого компонента выполнены асферо-дифракционными. Вторая поверхность положительной двояковыпуклой линзы неподвижного третьего компонента и первая поверхность отрицательной двояковогнутой линзы подвижного второго компонента выполнены асферическими. Но данный объектив имеет большую длину, которая больше величины фокусного расстояния для узкого поля зрения, при этом коэффициент телеукорочения T_L вычисляется по формуле:

T_L=L/f'_max=1,07,

где L - расстояние от первой поверхности до плоскости изображения,

f'_max - максимальное фокусное расстояние,

а также технологически сложную асферо-дифракционную поверхность на линзе из кремния.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание компактного телеобъектива для средней ИК области спектра с высоким качеством изображения.

Технический результат - создание компактного инфракрасного телеобъектива с двумя полями зрения, малым коэффициентом телеукорочения, при высоком качестве изображения.

Это достигается тем, что в инфракрасном телеобъективе с двумя полями зрения, содержащем по ходу луча четыре компонента, первый из которых неподвижный, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, второй компонент - подвижный отрицательный, выполнен из двояковогнутой линзы и расположен между первым и третьим компонентами, третий - неподвижный положительный компонент, содержащий положительную линзу, вторая поверхность которой асферическая, и четвертый - неподвижный положительный компонент, включающий одиночную положительную выпукло-вогнутую линзу, обращенную выпуклостью к плоскости предметов, в отличие от известного в первом компоненте за положительным мениском добавлена вторая одиночная линза в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, причем вторая поверхность первой линзы и первая поверхность второй линзы в первом компоненте асферические, во втором компоненте вторая поверхность также асферическая, в третьем компоненте положительная линза выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, и добавлена вторая - отрицательная, выполненная в виде мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, причем первая поверхность второго мениска в третьем компоненте выполнена асферической, кроме того, в четвертом компоненте, выполненном в виде одиночной линзы, вторая поверхность асферо-дифракционная.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

- фиг. 1 - оптическая схема инфракрасного телеобъектива с двумя полями зрения с узким полем зрения;

- фиг. 2 - оптическая схема инфракрасного телеобъектива с двумя полями зрения с широким полем зрения;

- фиг. 3 - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) инфракрасного телеобъектива в узком поле зрения;

- фиг. 4 - ЧКХ инфракрасного телеобъектива в широком поле зрения;

- фиг. 5 - функция концентрации энергии (ФКЭ) инфракрасного телеобъектива в узком поле зрения;

- фиг. 6 - ФКЭ инфракрасного телеобъектива в широком поле зрения;

- фиг. 7 - астигматизм и дисторсия инфракрасного телеобъектива в узком поле зрения;

- фиг. 8 - астигматизм и дисторсия инфракрасного телеобъектива в широком поле зрения.

Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения (фиг. 1, фиг. 2) состоит из четырех, расположенных по ходу луча, компонентов. Первый неподвижный положительный компонент состоит из одиночных положительной выпукло-вогнутой линзы 1, обращенной выпуклостью к плоскости предметов, вторая поверхность которой асферическая, и отрицательного мениска 2, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, первая поверхность которого асферическая. Второй отрицательный подвижный компонент состоит из двояковогнутой линзы 3, вторая поверхность которой асферическая, и имеет два фиксированных положения на оптической оси между первым и третьим неподвижными компонентами для переключения полей зрения. Третий неподвижный положительный компонент состоит из одиночных положительного мениска 4, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, вторая поверхность которого асферическая, и отрицательного мениска 5, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, первая поверхность которого асферическая. Четвертый неподвижный положительный компонент состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы 6, обращенной выпуклостью к плоскости предметов, вторая поверхность которой асферо-дифракционная. Между третьим и четвертым компонентами имеется промежуточное изображение.

В оптической схеме инфракрасного телеобъектива с узким полем зрения (фиг. 1) второй компонент в виде двояковогнутой линзы 3 находится в первом фиксированном положении и расположен перед третьим компонентом.

В оптической схеме инфракрасного телеобъектива с широким полем зрения (фиг. 2) второй компонент в виде двояковогнутой линзы 3 находится во втором фиксированном положении и расположен за первым компонентом

Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения работает следующим образом: световой поток, исходящий из бесконечно удаленной точки предмета, проходит через линзы 1-6 объектива, входное окно 7, фильтр 8 фотоприемного устройства и формирует изображение на матрице чувствительных элементов фотоприемного устройства (на фиг. не показан). Смена полей зрения (фокусного расстояния) осуществляется перемещением линзы 3 вдоль оптической оси.

В соответствии с предложенным решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

Характеристики объектива

Фокусное расстояние, мм -183,3/-61 Относительное отверстие 1:4 Линейное поле в пространстве изображений (2у'×2х'), мм² 7,68×9,6 Спектральный диапазон, мкм 3,7-4,85 Длина от первой поверхности до плоскости изображения, мм 115

Через «/» указаны значения, соответственно, для узкого и широкого полей зрения.

Таким образом, создан компактный инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения, коэффициент телеукорочения которого равен 0,63, при высоком качестве изображения, что подтверждается графиками (фиг. 3-8), при этом асферо-дифракционная поверхность выполнена только одна и на линзе из германия, что повышает технологичность системы, а диаметр первого компонента не превышает диаметр входного зрачка объектива.

Изобретение может быть использовано в тепловизорах на основе охлаждаемых матричных приемников. Телеобъектив содержит по ходу луча четыре компонента. Первый - неподвижный, содержащий положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости предметов, и дополнительно введенный одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости предметов. Вторая поверхность первого мениска и первая поверхность второго мениска асферические. Второй – подвижная двояковогнутая линза, вторая поверхность которой асферическая. Третий - неподвижный положительный компонент, содержащий положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости предметов, вторая поверхность которого асферическая, и дополнительно введенный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости предметов, первая поверхность которого выполнена асферической. Четвертый - неподвижная одиночная положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклостью к плоскости предметов, вторая поверхность которой асферо-дифракционная. Технический результат - создание компактного инфракрасного телеообъектива с двумя полями зрения и малым коэффициентом телеукорочения при высоком качестве изображения. 8 ил., 1 табл.

Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения, содержащий по ходу луча четыре компонента, первый из которых неподвижный, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, второй компонент - подвижный отрицательный, выполнен из двояковогнутой линзы и расположен между первым и третьим компонентами, третий - неподвижный положительный компонент, содержащий положительную линзу, вторая поверхность которой асферическая, и четвертый - неподвижный положительный компонент, включающий одиночную положительную выпукло-вогнутую линзу, обращенную выпуклостью к плоскости предметов, отличающийся тем, что в первом компоненте за положительным мениском добавлена вторая одиночная линза в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, причем вторая поверхность первой линзы и первая поверхность второй линзы в первом компоненте асферические, во втором компоненте вторая поверхность также асферическая, в третьем компоненте положительная линза выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, и добавлена вторая - отрицательная, выполненная в виде мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов, причем первая поверхность второго мениска в третьем компоненте выполнена асферической, кроме того, в четвертом компоненте, выполненном в виде одиночной линзы, вторая поверхность асферо-дифракционная.