ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G02B15/04 G02B13/14 G02B9/62 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к объективам с дискретным изменением фокусного расстояния, предназначенным для работы в дальней инфракрасной области спектра 8-12 мкм в составе оптических систем тепловизоров различного назначения, в том числе приборов смотрящего типа, использующих матричные приемники излучения.

Известна оптическая схема объектива [1] содержащая 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 в виде отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью друг к другу. Вторая и третья линзы перемещаются в противоположных направлениях и имеют два фиксированных положения для обеспечения двух дискретных значений фокусных расстояний (ƒ'_min=40 мм и ƒ'_max=120 мм), что соответствует перепаду увеличений m=ƒ'_max /ƒ'_min=3.

Известна другая оптическая схема объектива [2], которая содержит установленные по ходу лучей первый и последний неподвижные положительные компоненты и подвижные одиночные линзы, расположенные между ними. Все элементы оптической системы изготовлены из материала одной марки. Между второй перемещающейся линзой и последним неподвижным компонентом введена дополнительная линза, которая в первом варианте имеет возможность перемещения, и подвижные линзы перемещаются без сохранения постоянного расстояния между вершинами своих преломляющих поверхностей. Во втором варианте дополнительная линза неподвижна, а подвижные компоненты перемещаются в противоположных направлениях. Перепад увеличений в обоих вариантах объектива m=3, а продольные габариты составляют 1,3ƒ'_max и 1,9ƒ'_max для первого и второго вариантов соответственно.

Также существует оптическая схема объектива [3], которая содержит два неподвижных положительных компонента и подвижный отрицательный компонент, расположенный между ними. Первый по ходу лучей неподвижный компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Последний компонент выполнен в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Отрицательный компонент выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы. Между отрицательным компонентом и последним положительным компонентом дополнительно введен положительный компонент, выполненный в виде мениска, вогнутостью обращенного к плоскости изображения, жестко связанный с апертурной диафрагмой и имеющий возможность совместного с ней перемещения вдоль оптической оси. Поверхность мениска, предшествующая апертурной диафрагме, выполнена асферической. Перепад увеличений в объективе m=2, а продольные габариты составляют 1,9ƒ'_max.

Недостатками объективов [1-3] являются малое значение перепада увеличений, большие продольные габариты, составляющие (1,3÷1,9)ƒ'_mах, низкое качество изображения, а также сложность обеспечения раздельного точного перемещения нескольких оптических компонентов и их фиксации в требуемых положениях.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип является инфракрасный (ИК) объектив с двумя фокусными расстояниями для работы в оптических системах тепловизоров [4], состоящий из расположенных по ходу луча первого положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображений, второго отрицательного мениска с возможностью его перемещения по оптической оси для обеспечения двух значений фокусных расстояний ƒ'₁=15 мм и ƒ'₂=60 мм, апертурной диафрагмы и третьего положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображений. Первый и третий мениски содержат по одной асферической поверхности. Особенностью объектива является то, что перемещение второго мениска осуществляется за счет ввода и вывода его из оптической схемы объектива с одновременным разворотом на 180°.

Основным недостатком прототипа являются малое значение перепада увеличений m=4 и большие продольные габариты, составляющие 1,6ƒ'_max.

Технический результат - обеспечение повышения перепада увеличений объектива с дискретным изменением фокусного расстояния при одновременном уменьшении продольных габаритов и сохранении высокой его светосилы и качества изображения.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного прототипа, предложен ИК объектив с дискретным изменением фокусного расстояния, содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный компонент, второй отрицательный компонент и третий положительный компонент, при этом второй компонент имеет два звена, которые попеременно вводятся в ход лучей в фиксированное положение на оптической оси для дискретного изменения фокусного расстояния, для чего первый компонент состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, первое звено второго компонента состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковогнутой линзы, второе звено второго компонента состоит из двух двояковогнутых линз, третий компонент состоит из двух положительных менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, и расположенного между ними отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, причем апертурная диафрагма для меньшего фокусного расстояния находится в составе третьего компонента, а для большего - в составе первого, третий компонент состоит из базового элемента и асферического корректора сферической аберрации и астигматизма, а в объективе соблюдаются следующие соотношения:

где L₂ - осевая толщина второго компонента, включая расстояния до первого и третьего компонентов, L - длина объектива вдоль оптической оси от первого компонента до плоскости изображения, ƒ'₂ - фокусное расстояние второго компонента, ƒ'_min и ƒ'_max - минимальное и максимальное значения фокусного расстояния объектива соответственно.

В отличие от прототипа, в котором для изменения фокусного расстояния используется разворот и перемещение вдоль оптической оси одной и той же линзы, в настоящем изобретении каждое из двух звеньев имеет свои конструктивные параметры, что позволяет добиться более высокого перепада увеличений и меньших продольных габаритов. При этом увеличивается точность установки второго подвижного компонента в ход лучей объектива за счет более простого закона перемещения звеньев компонента.

Положительный эффект настоящего изобретения в отличие от прототипа заключается в том, что третий положительный компонент содержит два функциональных элемента, один из которых – базовый - служит для обеспечения требуемой оптической силы объектива и компенсации сдвига плоскости изображения, второй – коррекционный (асферический корректор) - имеет малую оптическую силу и служит для коррекции остаточных аберраций всего объектива, прежде всего сферической аберрации и астигматизма, за счет использования в его составе асферических поверхностей. При этом использование в качестве третьего компонента одной асферической линзы (прототип) является недостаточным для обеспечения высокого качества изображения при повышении перепада увеличений и уменьшении продольных габаритов.

На обеспечение высокого качества изображения объектива также направлено изменение положения апертурной диафрагмы при смене фокусных расстояний. При минимальном значении фокусного расстояния она находится в составе третьего компонента, при максимальном - в составе первого. Такое техническое решение направлено на одновременное устранение кривизны изображения и астигматизма для максимального фокусного расстояния. Конструктивно это обеспечивается за счет ограничения световых диаметров линз, при некотором снижении относительного отверстия объектива при максимальном фокусном расстоянии по сравнению с относительным отверстием при минимальном фокусном расстоянии.

В объективе соблюдаются следующие соотношения, необходимые для обеспечения продольных габаритов, удовлетворяющих соотношению

L≤1,2ƒ'_max :

Более высокие технические характеристики предлагаемого ИК объектива с дискретным изменением фокусного расстояния обеспечиваются описанной выше совокупностью отличительных признаков. Показанная совокупность отличительных признаков направлена на получение заявленного технического результата.

На фиг. 1а и 1б показана оптическая схема ИК объектива с дискретным изменением фокусного расстояния, а также ход лучей осевого и наклонного пучков.

Позиции:

1 - первый компонент, состоящий из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения;

2 - второй компонент, первое звено которого состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковогнутой линзы, второе звено - из двух двояковогнутых линз,

3 - третий компонент, состоящий из двух положительных менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, и расположенного между ними отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов.

Фиг. 1а соответствует взаимному расположению линз компонентов при ƒ'_min=20 мм, а фиг. 1б - при ƒ'_max=130 мм.

Конструктивные параметры одного из возможных вариантов предлагаемого объектива, обладающего всей совокупностью указанных отличительных признаков, приведены в таблице 1.

Стрелка прогиба (z) асферических поверхностей 9 и 12 определяется выражением:

где у (мм) - радиальная координата; r (мм) - радиус поверхности при вершине;

а ₁ (мм^-3), а₂ (мм^-5), а₃ (мм^-7) - коэффициенты асферической поверхности (таблица 2).

Первая линза третьего компонента является базовым элементом, а оставшиеся две - асферическим корректором.

При минимальном фокусном расстоянии апертурная диафрагма совпадает с первой поверхностью базовой линзы третьего компонента, при максимальном - со второй поверхностью мениска первого компонента. Относительное отверстие объектива определяется световыми диаметрами данных поверхностей и составляет 1:1 при ƒ'_min=20 мм и 1:1,6 при ƒ'_max⁼130 мм.

Перепад увеличений объектива m=6,5, длина объектива от первой линзы до плоскости изображения составляет 154,97 мм, что не превышает 1,2ƒ'_max. В объективе соблюдаются следующие соотношения:

На фиг. 2а, 26 приведены графики полихроматической функции передачи модуляции (ПФПМ) ИК объектива с дискретным изменением фокусного расстояния в меридиональной (м) и сагиттальной (с) плоскостях, для ƒ'_min=20 мм и ƒ'_max=130 мм соответственно. По оси ординат указаны коэффициенты передачи модуляции в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 30 мм^-1 (соответствует частоте Найквиста для матричного приемника излучения с размером пикселя 17 мкм), отнесенные к плоскости изображений объектива. Верхняя кривая на графиках, приведенных на фиг. 2а и 2б, соответствует дифракционной ПФПМ, остальные кривые - ПФПМ для различных точек изображения в пределах рабочего углового поля 2у'=13,6 мм. Графики подтверждают, что качество изображения объектива является достаточным для работы с современными матричными инфракрасными приемниками излучения.

Таким образом, ИК объектив с дискретным изменением фокусного расстояния, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, обеспечивает заявленный технический результат.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент RU №2348954. Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием. Опубл. 10.03.2009. Бюл. №7.

2. Патент RU №2339983. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (варианты) Опубл. 27.11.2008. Бюл. №33.

3. Патент RU №2316797. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра. Опубл. 10.02.2008 Бюл. №4.

4. Патент RU №2578268. Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием. Опубл. 27.03.2016. Бюл. №9.

Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния содержит три компонента. Первый компонент состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Второй отрицательный компонент имеет два звена, которые попеременно вводятся в ход лучей в фиксированное положение на оптической оси. Первое звено состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковогнутой линзы, второе звено состоит из двух двояковогнутых линз. Третий положительный компонент состоит из двух положительных менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, и расположенного между ними отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов. Апертурная диафрагма для меньшего фокусного расстояния находится в составе третьего компонента, а для большего - в составе первого. Третий компонент содержит базовый элемент и асферический корректор сферической аберрации и астигматизма. Выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Технический результат - повышение перепада увеличений объектива при одновременном уменьшении продольных габаритов и сохранении высокой светосилы и качества изображения. 4 ил., 2 табл.

Инфракрасный объектив с дискретным изменением фокусного расстояния, содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный компонент, второй отрицательный компонент и третий положительный компонент, при этом второй компонент имеет два звена, которые попеременно вводятся в ход лучей в фиксированное положение на оптической оси для дискретного изменения фокусного расстояния, причем первый компонент состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, первое звено второго компонента состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковогнутой линзы, второе звено второго компонента состоит из двух двояковогнутых линз, третий компонент состоит из двух положительных менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, и расположенного между ними отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, отличающийся тем, что апертурная диафрагма для меньшего фокусного расстояния находится в составе третьего компонента, а для большего - в составе первого, третий компонент содержит базовый элемент и асферический корректор сферической аберрации и астигматизма, а в объективе соблюдаются следующие соотношения:

где L₂ - осевая толщина второго компонента, включая расстояния до первого и третьего компонентов, L - длина объектива вдоль оптической оси от первого компонента до плоскости изображения, ƒ'₂ - фокусное расстояние второго компонента, ƒ'_min и ƒ'_max - минимальное и максимальное значения фокусного расстояния объектива соответственно.