ВАРИОСИСТЕМА ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2018 года по МПК G02B15/17 G02B13/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в тепловизионных приборах с плавным изменением угловых размеров наблюдаемого пространства.

Известна инфракрасная камера с вариообъективом большой кратности (см. патент US 8379091 В2, МПК⁷ H04N 5/33, публ. 19.02.2013 г.), предназначенная для работы в среднем инфракрасном диапазоне спектра. Вариообъектив содержит четыре компонента: первый и четвертый неподвижные, второй и третий установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Общее число линз в объективе - десять: две из них в первом компоненте, три - во втором, одна - в третьем и четыре - в четвертом компоненте. Фокусное расстояние вариообъектива изменяется от 21 (f'_min) до 420 (f'_max) мм, кратность изменения фокусного расстояния М = f'_max/f'_min=20^×, относительное отверстие 1:4. Длина оптической системы L от первой поверхности входной линзы до плоскости изображения составляет 358 мм; коэффициент телеукорочения T_L=L/f'_max=0,85, при этом первый из подвижных компонентов перемещается на 55 мм, а второй - на 40 мм. Для обеспечения компактности камеры в пространстве между линзами четвертого компонента установлены два плоских зеркала, изменяющих направление оптической оси.

Недостатком этого вариообъектива является большое число оптических элементов и то, что два из них содержатся в первом компоненте, существенно увеличивая этим его массу (определяющим является большой диаметр элементов), что ухудшает габаритно-массовые характеристики камеры в целом.

Также известна вариосистема для среднего инфракрасного диапазона (см. патент CN 102590990 А, МПК⁷ G02B 15/173, 15/20, 17/06, публ. 18.07.2012 г.), содержащая семь компонентов, из которых четыре неподвижные, а три установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В системе десять линз, три из них содержат асферические поверхности, а одна - с асферо-дифракционной поверхностью. Фокусное расстояние вариосистемы изменяется от 25 до 750 мм, кратность изменения фокусного расстояния М=30^×, относительное отверстие 1:4. Длина оптической системы L от первой поверхности входной линзы до плоскости изображения составляет 520,9 мм; коэффициент телеукорочения T_L=0,7, при этом первый из подвижных компонентов перемещается на 70,85 мм, а второй - на 33,4 мм, третий - на 16 мм. Для обеспечения компактности вариосистемы используются два плоских зеркала, изменяющих направление оптической оси.

К недостаткам этой вариосистемы можно отнести наличие трех подвижных компонентов, причем один из них имеет большую величину перемещения, а также большое число оптических элементов, в том числе с асферическими поверхностями.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой вариосистеме, принятой в качестве прототипа, является вариосистема для средней инфракрасной области спектра (см. патент US 7961382 В2, МПК⁷ G02B 15/14, G02B 13/14, G02B 21/00, публ. 14.06.2011 г. схема на фиг. 2а), состоящая из фокусирующего объектива с плавно изменяемым фокусным расстоянием, проекционного объектива и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой. Фокусирующий объектив содержит неподвижный первый компонент, выполненный в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, и подвижные второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, из которых второй выполнен в виде двояковогнутой и положительной выпукло-вогнутой линз, а третий - в виде двух положительных выпукло-вогнутых линз и отрицательной выпукло-вогнутой линзы. Проекционный объектив содержит пять линз, из которых первая - отрицательная вогнуто-выпуклая, вторая - положительная выпукло-вогнутая, третья - двояковогнутая, четвертая - отрицательная выпукло-вогнутая, пятая - двояковыпуклая. Фокусное расстояние вариосистемы изменяется от 17,6 до 440 мм; кратность изменения фокусного расстояния М=25^×. Для фокусных расстояний первого f'_I, второго f'_II, третьего f'_III компонентов и максимального фокусного расстояния f'_max вариосистемы выполняются следующие соотношения: f'_I/f'_max = 0,35 f'_II/f'_max = -0,06; f'_III/f'_max = 0,09. Система работает с относительным отверстием 1:4; общая длина оптической схемы L составляет 333,4 мм, при этом длина фокусирующего объектива от первой поверхности входной линзы до плоскости промежуточного изображения - 234,55 мм, длина проекционного объектива от плоскости промежуточного изображения до плоскости чувствительных элементов приемника излучения - 98,85 мм. Коэффициент телеукорочения вариосистемы T_L = 0,75; величина перемещения первого подвижного компонента - 85,4 мм, второго - 45 мм. Фокусирующий объектив формирует промежуточное изображение, которое проекционным объективом переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения (увеличение проекционного объектива β=-1,15). В описанной системе одиннадцать линз, из них шесть в фокусирующем объективе, а пять - в проекционном. Четыре линзы фокусирующего объектива и три линзы проекционного объектива содержат асферические поверхности, причем в фокусирующем объективе первая поверхность входной линзы выполнена асферической, а вторая - асферо-дифракционной. В качестве материалов линз используются германий, кремний, селенид цинка, AMTIRI, IRG2.

Недостатком описанной вариосистемы является большое значение коэффициента телеукорочения и большая величина перемещения подвижных компонентов, а также большое общее число оптических элементов, в том числе с асферическими поверхностями.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение габаритно-массовых характеристик вариосистемы путем уменьшения коэффициента телеукорочения и величины перемещения подвижных компонентов при обеспечении высокой кратности изменения фокусного расстояния и упрощении конструкции.

Поставленная задача решается за счет того, что в вариосистеме для инфракрасной области спектра, состоящей из фокусирующего объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, выполненный в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, проекционного объектива и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, в фокусирующем объективе второй подвижный компонент выполнен в виде отрицательной выпукло-вогнутой линзы, третий подвижный компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, кроме того, дополнительно введен четвертый неподвижный компонент, содержащий две положительные и одну отрицательную выпукло-вогнутые линзы, а проекционный объектив выполнен в виде одиночной положительной выпукло-вогнутой линзы, при этом выполняются следующие условия:

0,25<f'_I/f'_max<0,33;

0,15<|f'_II/f'_max|<0,25;

0,02<|f'_III/f'_max|<0,04;

0,03<f'_IV/f'_max<0,05;

0,07 f'_max<d₄<0,15 f'_max;

1,2<|β_ПО|<1,5,

где f'_I, f'_II, f'_III, f'_IV - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов;

f'_max - максимальное фокусное расстояние вариосистемы;

d₄ - расстояние между последней линзой четвертого компонента и линзой проекционного объектива;

β_ПО - увеличение проекционного объектива.

На фигуре 1 представлена оптическая схема вариосистемы для инфракрасной области спектра.

На фигуре 2 представлена оптическая схема вариосистемы с ходом лучей, соответствующим расположению компонентов при максимальном фокусном расстоянии 500 мм (а) и при минимальном фокусном расстоянии 20 мм (б).

Вариосистема состоит из фокусирующего объектива ФО, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I, выполненный в виде положительной выпукло-вогнутой линзы 1, подвижные второй компонент II, выполненный в виде отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2, и третий компонент III, выполненный в виде двояковогнутой линзы 3, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижный четвертый компонент IV, выполненный в виде двух положительных выпукло-вогнутых линз 4, 5 и отрицательной выпукло-вогнутой линзы 6, проекционного объектива ПО, выполненного в виде положительной выпукло-вогнутой линзы 7 и приемника излучения 8, с охлаждаемой диафрагмой 9.

Для фокусных расстояний первого, второго, третьего, четвертого компонентов, расстояния между последней линзой четвертого компонента и линзой проекционного объектива и максимального фокусного расстояния вариосистемы выполняются соотношения: 0,25<f'_I/f'_max<0,33; 0,15<|f'_II/f'_max|<0,25; 0,02<|f'_III/f'_max|<0,04; 0,03<f'_IV/f'_max<0,05; 0,07f'_max<d₄<0,15f'_max. Увеличение проекционного объектива выбирается из условия: 1,2<|β_ПО|<1,5.

В таблице 1 приведены технические характеристики заявляемой вариосистемы.

В таблице 2 приведены конструктивные параметры примера конкретного исполнения оптической схемы заявляемой вариосистемы.

^{1), 5)} - асферо-дифракционные поверхности;

²⁾, ³⁾, ⁴⁾ - асферические поверхности;

d1, d2, d3 - переменные воздушные промежутки.

В таблице 3 приведены значения переменных воздушных промежутков d1, d2, d3 для некоторых значений фокусного расстояния вариосистемы.

В таблице 4 приведены условия, выполняемые в заявляемой вариосистеме для конкретного примера исполнения, приведенного в таблице 2.

Как следует из таблицы 1, фокусное расстояние вариосистемы изменяется от 20 до 500 мм, т.е. кратность его изменения М=25^×. Длина оптической системы составляет 269,3 мм, при этом длина фокусирующего объектива от первой поверхности входной линзы до плоскости промежуточного изображения - 206,25 мм, длина проекционного объектива от плоскости промежуточного изображения до плоскости чувствительных элементов приемника излучения - 63,05 мм; коэффициент телеукорочения T_L=0,54, что в 1,4 раза меньше, чем в прототипе. Из приведенных в таблице 3 значений переменных воздушных промежутков следует, что перемещение второго подвижного компонента от его начального положения составляет 54,1 мм, что в 1,6 раза меньше, чем в прототипе, а перемещение третьего подвижного компонента, составляющее 34,2 мм, в 1,3 раза меньше, чем в прототипе.

Уменьшение коэффициента телеукорочения вариосистемы и величины перемещения подвижных компонентов обеспечивается выполнением для фокусных расстояний компонентов фокусирующего объектива и увеличения проекционного объектива условий, приведенных в таблице 4.

Вариосистема для инфракрасной области спектра работает следующим образом: излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через линзы 1-6 фокусирующего объектива ФО, при этом подвижные линзы 2 и 3 занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f'_max=500 мм (см. фиг. 2а), и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем линзой 7 проекционного объектива ПО переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения 8. Диаметр пучка излучения определяется диаметром охлаждаемой диафрагмы 9 приемника излучения 8.

При одновременном перемещении линз 2 и 3 фокусирующего объектива ФО, в соответствии с приведенными в таблице 3 значениями переменных воздушных промежутков, осуществляется плавное изменение фокусного расстояния вариосистемы до f'_min=20 мм (см. фиг. 2б). При этом излучение сначала фокусируется в плоскости промежуточного изображения, а затем линзой 7 проекционного объектива ПО переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения 8. Положение плоскости промежуточного изображения и положение плоскости чувствительных элементов приемника излучения при изменении фокусного расстояния остаются неизменными.

Таким образом, выполнение вариосистемы для инфракрасной области спектра в соответствии с предлагаемым техническим решением обеспечивает высокую кратность изменения фокусного расстояния при упрощении конструкции и уменьшении коэффициента телеукорочения и величины перемещения подвижных компонентов, что позволяет улучшить ее габаритно-массовые характеристики.

Вариосистема состоит из фокусирующего объектива, содержащего последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, проекционного объектива и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой. В фокусирующем объективе второй подвижный компонент - отрицательная выпукло-вогнутая линза, третий - двояковогнутая линза, и введен четвертый неподвижный компонент, содержащий две положительные и одну отрицательную выпукло-вогнутые линзы. Проекционный объектив - одиночная положительная выпукло-вогнутая линза. Выполняются соотношения: 0,25<f'_I/f'_max<0,33; 0,15<|f'_II/f'_max|<0,25; 0,02<|f'_III/f'_max|<0,04; 0,03<f'_IV/f'_max<0,05; 0,07f'_max<d₄<0,15f'_max; 1,2<|β_ПО|<1,5, где f'_I, f'_II, f'_III, f'_IV - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов; f'_max - максимальное фокусное расстояние; d₄ - расстояние между последней линзой четвертого компонента и линзой проекционного объектива; β_ПО - увеличение проекционного объектива. Технический результат - уменьшение коэффициента телеукорочения и величины перемещения подвижных компонентов при обеспечении высокой кратности изменения фокусного расстояния и упрощении конструкции. 2 ил., 4 табл.

Вариосистема для инфракрасной области спектра, состоящая из фокусирующего объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, выполненный в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, проекционного объектива и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, отличающаяся тем, что в фокусирующем объективе второй подвижный компонент выполнен в виде отрицательной выпукло-вогнутой линзы, третий подвижный компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, кроме того, дополнительно введен четвертый неподвижный компонент, содержащий две положительные и одну отрицательную выпукло-вогнутые линзы, а проекционный объектив выполнен в виде одиночной положительной выпукло-вогнутой линзы, при этом выполняются следующие условия:

0,25<f'_I/f'_max<0,33;

0,15<|f'_II/f'_max|<0,25;

0,02<|f'_III/f'_max|<0,04;

0,03<f'_IV/f'_max<0,05;

0,07f'_max<d₄<0,15f'_max;

1,2<|β_ПО|<1,5,

где f'_I, f'_II, f'_III, f'_IV - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов;

f'_max - максимальное фокусное расстояние вариосистемы;

d₄ - расстояние между последней линзой четвертого компонента и линзой проекционного объектива;

β_ПО - увеличение проекционного объектива.