Телеобъектив с двумя полями зрения для средней ИК области спектра Российский патент 2018 года по МПК G02B13/02 G02B15/02 G02B13/14 

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.

Известна ИК система с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, описанная в патенте RU №2481602, МПК G02B 13/14, опубл. 10.05.2013 г., в которой изменение поля зрения - фокусного расстояния осуществляется введением в оптический тракт и выведением из него подвижного компонента, при этом максимальное значение фокусного расстояния f'_max=200 мм, минимальное f'_min=70 мм, длина системы L=215 мм, кратность изменения фокусного расстояния М=2,86^x, коэффициент телеукорочения T_L=1,075. Указанная система имеет малую кратность изменения поля зрения - фокусного расстояния и большое значение коэффициента телеукорочения, а также содержит технологически сложные асферические и бинарные поверхности.

Также известна оптическая система с двумя полями зрения, описанная в патенте RU №2570062, МПК G02B 13/14, опубл. 10.12.2015 г., в которой второй подвижный компонент установлен с возможностью ввода-вывода в оптический тракт, а неподвижный третий компонент состоит из четырех линз, максимальное значение фокусного расстояния f'_max=230 мм, минимальное f'_min=34 мм, М=6,76^x, T_L=0,7. Но у данной системы большое количество линз, наличие технологически сложных асферических поверхностей и небольшие значения фокусных расстояний.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемой оптической системе является оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, описанная в патенте RU №2608395 МПК G02B 13/14, опубл. 18.01.2017 г., состоящая из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную, вторую отрицательную и третью положительную выпукло-вогнутые линзы, второго компонента, содержащего первую отрицательную вогнуто-выпуклую, вторую положительную двояковыпуклую и третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзы, третьего компонента, содержащего первую положительную двояковыпуклую, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую и третью положительную выпукло-вогнутую линзы. Изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом второго компонента в оптический тракт. Вторая и третья линзы первого компонента установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Оптическая система работает с относительным отверстием 1:4, в узком поле зрения f'_max=230 мм, в широком поле зрения f'_min=33,5 мм, кратность изменения фокусного расстояния М=f'_max / f'_min =6,87^x, длина системы L=161 мм. Но у данной системы небольшие значения фокусных расстояний и наличие технологически сложной асферической поверхности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение кратности изменения фокусного расстояния при сохранении высокого качества изображения.

Технический результат - создание телеобъектива с большим значением фокусного расстояния, большой кратностью изменения фокусного расстояния, с повышенной технологичностью при высоком качестве изображения.

Это достигается тем, что в телеобъективе с двумя полями зрения для среднего ИК диапазона, состоящем из трех компонентов, причем первая линза первого компонента выполнена в виде положительного мениска, вторая - отрицательный мениск, обращенные вогнутостью к пространству изображений, за которым расположен второй компонент, установленный с возможностью ввода - вывода из оптического тракта, причем первая линза второго компонента выполнена в виде отрицательной линзы, а вторая в виде положительной линзы, кроме того в первом компоненте за вторым компонентом расположена положительная линза, в третьем компоненте расположены двояковыпуклая линза, отрицательный мениск и положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, в отличие от известного, за второй линзой первого компонента добавлена третья линза, выполненная в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству изображений и расположенного перед положительной линзой первого компонента, которая выполнена в виде мениска обращенного вогнутостью к пространству предметов и установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, во втором компоненте отрицательная линза выполнена в виде двояковогнутой линзы, а положительная линза выполнена двояковыпуклой, в третьем компоненте первой по ходу луча расположен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, а второй расположена двояковыпуклая линза, при этом второй компонент во время ввода в оптический тракт расположен между второй и третьей линзами первого компонента и все линзы - сферические.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг. 1 - оптическая схема телеобъектива с двумя полями зрения для среднего ИК диапазона;

фиг. 2 - частотно-контрастная характеристика телеобъектива в узком поле зрения;

фиг. 3 - частотно-контрастная характеристика телеобъектива в широком поле зрения;

фиг. 4 - функция концентрации энергии телеобъектива в узком поле зрения;

фиг. 5 - функция концентрации энергии телеобъектива в широком поле зрения;

фиг. 6 - астигматизм и дисторсия телеобъектива в узком поле зрения;

фиг. 7 - астигматизм и дисторсия телеобъектива в широком поле зрения.

Телеобъектив с двумя полями зрения для среднего ИК диапазона состоит из первого компонента, содержащего первый положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к пространству изображений, вторая линза первого компонента отрицательная и выполнена в виде мениска 2, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Далее по ходу луча может быть расположен второй компонент, установленный с возможностью ввода - вывода из оптического тракта. Во втором компоненте, первой расположена двояковогнутая линза 3, а второй - двояковыпуклая линза 4. Третья линза первого компонента, при введенном втором компоненте расположена за ним и выполнена в виде отрицательного мениска 5, обращенного выпуклостью к пространству изображений, а четвертая - линза, выполнена в виде положительного мениска 6, обращенного вогнутостью к пространству предметов. В третьем компоненте, первой расположен отрицательный мениск 7, обращенный вогнутостью к пространству изображений, второй - двояковыпуклая линза 8 и третьей - положительный мениск 9, обращенный вогнутостью к пространству изображений. Линза 6 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси для компенсации терморасстраиваемости системы, а второй компонент установлен с возможностью ввода-вывода в оптический тракт. Далее по ходу луча расположено входное окно 10, фильтр 11 фотоприемного устройства.

Телеобъектив с двумя полями зрения для среднего ИК диапазона в узком поле, соответствующем максимальному значению f', работает следующим образом: световой поток, исходящий из бесконечно удаленной точки предмета, проходит через линзы 1, 2, 5, 6 первого компонента и формирует промежуточное изображение, далее световой поток проходит через линзы 7, 8, 9 третьего компонента, входное окно 10, фильтр 11 фотоприемного устройства и формирует изображение на матрице чувствительных элементов фотоприемного устройства. В широком поле, соответствующем минимальному значению f', световой поток проходит через линзы 1, 2 первого компонента, линзы 3, 4 второго компонента и линзы 5, 6 первого компонента, формирует промежуточное изображение в той же плоскости, далее световой поток проходит через линзы 7, 8, 9 третьего компонента, входное окно 10, фильтр 11 фотоприемного устройства и формирует изображение на матрице чувствительных элементов фотоприемного устройства. Термооптические аберрации в телеобъективе в пределах температур от -55°С до 55°С компенсируются путем перемещения линзы 6 вдоль оптической оси.

В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая система, конструктивные параметры которой приведены в таблице 1.

Характеристики телеобъектива

Фокусное расстояние, мм -550,06/-78,48 Относительное отверстие 1:4 Линейное поле в пространстве изображений (2y'×2x'), мм 7,68×9,6 Длина от первой поверхности до плоскости изображения, мм 471,3 Спектральный диапазон работы, мкм 3-5

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

Таким образом, создан телеобъектив с двумя полями зрения для среднего ИК диапазона, обеспечивающий получение технического результата, а именно, максимальное фокусное расстояние которого равно f'_max =550 мм, коэффициент телеукорочения равен 0,86, кратность изменения фокусного расстояния f'_max / f'_min =7,0, и, кроме того, имеющий высокое качество изображения и повышенную технологичность, так как содержит только сферические поверхности.

Телеобъектив содержит три компонента. Первая линза первого компонента - положительный мениск, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, за которым расположен второй компонент, установленный с возможностью ввода-вывода из оптического тракта, первая линза которого - двояковогнутая линза, а вторая – двояковыпуклая линза. В первом компоненте за вторым компонентом расположены отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, и положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету и установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, двояковыпуклую линзу и положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Технический результат - создание телеобъектива с большим значением фокусного расстояния, большой кратностью его изменения и с повышенной технологичностью при высоком качестве изображения. 7 ил., 1 табл.

Телеобъектив с двумя полями зрения для средней ИК области спектра, состоящий из трех компонентов, причем первая линза первого компонента выполнена в виде положительного мениска, вторая - в виде отрицательного мениска, обращенные вогнутостью к пространству изображений, за которой расположен второй компонент, установленный с возможностью ввода-вывода из оптического тракта, причем первая линза второго компонента выполнена в виде отрицательной линзы, а вторая - в виде положительной линзы, кроме того, в первом компоненте за вторым компонентом расположена положительная линза, в третьем компоненте расположены двояковыпуклая линза, отрицательный мениск и положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, отличающийся тем, что, за второй линзой первого компонента добавлена третья линза, выполненная в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству изображений и расположенного перед положительной линзой первого компонента, которая выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, и установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, во втором компоненте отрицательная линза выполнена в виде двояковогнутой линзы, а положительная линза выполнена двояковыпуклой, в третьем компоненте первым по ходу луча расположен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, а второй расположена двояковыпуклая линза, при этом второй компонент во время ввода в оптический тракт расположен между второй и третьей линзами первого компонента.