ИНФРАКРАСНАЯ СИСТЕМА С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК G02B13/14 G02B15/167 G02B15/14 

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.

Известно изобретение по патенту RU 2630195, МПК G02B 13/02, G02B 13/14, G02B 15/14, опубл. 05.09.2017 г. Объектив состоит из четырех компонентов расположенных вдоль оптической оси. Первый неподвижный положительный компонент состоит из положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к пространству предметов, вторая поверхность которого асферическая, и отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к пространству предметов, первая поверхность которого асферическая. Второй отрицательный подвижный компонент состоит из двояковогнутой линзы, вторая поверхность которой асферическая, и имеет на оптической оси, между первым и третьим неподвижными компонентами, два фиксированных положения для переключения полей зрения.

Третий неподвижный положительный компонент состоит из положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к пространству предметов, вторая поверхность которого асферическая, и отрицательного мениска, обращенного выпуклой стороной к пространству предметов, первая поверхность которого асферическая. Четвертый неподвижный положительный компонент состоит из положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к пространству предметов, вторая поверхность которой асферо-дифракционная. Между третьим и четвертым компонентами имеется промежуточное изображение.

Объектив работает в спектральном диапазоне 3,7-4,85 мкм и имеет следующие характеристики: относительное отверстие 1:4, максимальное фокусное расстояние f_max = 183,3 мм, минимальное фокусное расстояние f_{mi n} = 61 мм.

Недостатками данного технического решения являются малая кратность изменения фокусного расстояния М = f_max/f_min = 3 ^х и небольшое относительное отверстие.

Известно изобретение по патенту RU 2541420, МПК G02B 13/14, G02B 9/60, G02B 15/14, опубл. 10.02.2015 г. Инфракрасный объектив с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую положительную двояковыпуклую линзу, подвижного второго компонента, содержащего отрицательную двояковогнутую линзу, и неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную двояковыпуклую линзу и вторую положительную выпукло-вогнутую линзу. Подвижный второй компонент расположен с возможностью перемещения вдоль оптической оси между первой и второй линзами неподвижного первого компонента. Вторая поверхность первой положительной выпукло-вогнутой линзы неподвижного первого компонента и первая поверхность первой положительной двояковыпуклой линзы неподвижного третьего компонента выполнены асферо-дифракционными. Вторая поверхность второй положительной двояковыпуклой линзы неподвижного первого компонента и первая поверхность отрицательной двояковогнутой линзы подвижного второго компонента выполнены асферическими.

Инфракрасный объектив работает в спектральном диапазоне 3-5 мкм и имеет следующие характеристики: относительное отверстие 1:2, максимальное фокусное расстояние f_max = 320 мм, минимальное фокусное расстояние f_min = 107 мм.

Недостатком данного технического решения является малая кратность изменения фокусного расстояния M = f_max/f_min = 3^х.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и назначению является инфракрасный объектив с двумя полями зрения по патенту US 2010/0033578, МПК H04N 5/33, G02B 15/14, опубл. 11.02.2010 г., состоящий из трех компонентов: неподвижных первого и третьего и подвижного второго. Неподвижный первый компонент содержит первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия, вторую положительную двояковыпуклую линзу из селенида цинка с асферическими поверхностями, третью отрицательную выпукло-вогнутую линзу из фтористого кальция, четвертую положительную выпукло-вогнутую линзу из селенида цинка и пятую отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия, второй подвижный компонент содержит отрицательную вогнуто-выпуклую линзу из германия с асферическими поверхностями, третий неподвижный компонент содержит первую положительную двояковыпуклую линзу из германия с асферическими поверхностями и вторую положительную двояковыпуклую линзу из германия. Изменение поля зрения осуществляется путем перемещения подвижного компонента вдоль оптической оси в пространстве между первым и третьим компонентами. Плоскость промежуточного изображения в узком поле зрения располагается между вторым и третьем компонентами, а в широком - между первым и вторым компонентами.

Инфракрасный объектив работает в спектральном диапазоне 3,5-5 мкм и имеет следующие характеристики: относительное отверстие 1:2,7, максимальное фокусное расстояние f_max = 180 мм, минимальное фокусное расстояние f_min= 66,7 мм.

Недостатком данного технического решения является малая кратность изменения фокусного расстояния М= f_max/f_min = 3^х.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение кратности изменения фокусного расстояния инфракрасной системы.

Поставленная задача решается за счет того, что в инфракрасной системе с двумя полями зрения, состоящей из последовательно расположенных вдоль оптической оси первого неподвижного компонента, состоящего из первой выпукло-вогнутой линзы и второй линзы, второго подвижного компонента, содержащего отрицательную линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, третьего неподвижного компонента, содержащего первую двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, вторую линзу, а также фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой, в соответствии с изобретением в первом компоненте первая линза выполнена положительной, вторая поверхность которой выполнена асферической, а вторая линза - отрицательной выпукло-вогнутой, во втором компоненте первая линза выпукло-вогнутая и дополнительно введена отрицательная вогнуто-выпуклая линза, первая поверхность которой выполнена асферической, при этом линзы второго компонента установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси независимо друг от друга, в третьем компоненте вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой и дополнительно введена плоско-выпуклая линза, вторая поверхность которой выполнена асферической.

На фигуре 1 представлена оптическая схема инфракрасной системы с двумя полями зрения с расположением компонентов, соответствующим максимальному фокусному расстоянию 188 мм.

На фигуре 2 представлена оптическая схема с ходом лучей в узком поле зрения.

На фигуре 3 представлена оптическая схема с ходом лучей в широком поле зрения.

Инфракрасная система с двумя полями зрения содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси первый неподвижный компонент (I), содержащий первую положительную выпукло-вогнутую линзу (1), вторая поверхность которой выполнена асферической, и вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу (2), второй подвижный компонент (II), содержащий первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу (3), вторая поверхность которой выполнена асферической, и вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу (4), первая поверхность которой выполнена асферической, третий неподвижный компонент (III), содержащий двояковыпуклую линзу (5), вторая поверхность которой выполнена асферической, отрицательную вогнуто-выпуклую линзу (6) и плоско-выпуклую линзу (7), вторая поверхность которой выполнена асферической, а также фотоприемное устройство (9) с охлаждаемой диафрагмой (8).

В таблице 1 приведены основные параметры заявляемой инфракрасной системы.

В таблице 2 приведены конструктивные параметры примера конкретного исполнения заявляемой инфракрасной системы.

В таблице 3 приведены значения переменных воздушных промежутков.

В таблице 4 приведены основные соотношения, выполняемые в заявляемой инфракрасной системе.

Инфракрасная система с двумя полями зрения работает следующим образом.

В узком поле зрения (фиг. 2) излучение от бесконечно удаленного предмета падает на входную линзу (1), последовательно преломляется линзами (2-4) и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем линзами (5-7) переносится в плоскость чувствительных элементов фотоприемного устройства (9). Плоскость промежуточного изображения располагается между вторым и третьим компонентами.

В широком поле зрения (фиг.3) излучение от бесконечно удаленного предмета линзами (1-2) фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем линзами (3-7) переносится в плоскость чувствительных элементов фотоприемного устройства (9). Плоскость промежуточного изображения располагается между первым и вторым компонентами.

Выходной зрачок оптической системы совпадает с охлаждаемой диафрагмой (8) фотоприемного устройства (9). Перемещением третьей (3) и четвертой (4) линз второго компонента (И), в соответствии с приведенными в таблице 3 значениями, обеспечиваются изменения фокусного расстояния и углового поля зрения системы. Положение плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства (9) при изменении фокусного расстояния остается неизменным.

Оптическая система с двумя полями зрения имеет кратность изменения фокусного расстояния М = f_max/f_min = 6,79^х, что в 2,26 раза больше, чем в прототипе. Полученные результаты достигнуты за счет конструктивного исполнения оптических элементов и выбора для них соотношений, приведенных в таблице 4.

Таким образом, выполнение инфракрасной системы с двумя полями зрения в соответствии с предложенным техническим решением обеспечивает увеличение кратности изменения фокусного расстояния.

Изобретение может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения. Инфракрасная система содержит три компонента и фотоприемное устройство. Первый неподвижный компонент содержит первую положительную выпукло-вогнутую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, и вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу. Второй подвижный компонент содержит первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, и вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, первая поверхность которой выполнена асферической. Третий неподвижный компонент содержит двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, отрицательную вогнуто-выпуклую линзу и плоско-выпуклую линзу, вторая поверхность которой асферическая. Линзы второго компонента установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси независимо друг от друга. Технический результат – увеличение кратности изменения фокусного расстояния. 3 ил., 4 табл.

Инфракрасная система с двумя полями зрения, состоящая из последовательно расположенных вдоль оптической оси первого неподвижного компонента, состоящего из первой выпукло-вогнутой линзы и второй линзы, второго подвижного компонента, содержащего отрицательную линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, третьего неподвижного компонента, содержащего первую двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, вторую линзу, а также фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой, отличающаяся тем, что в первом компоненте первая линза выполнена положительной, вторая поверхность которой выполнена асферической, а вторая линза - отрицательной выпукло-вогнутой, во втором компоненте первая линза выпукло-вогнутая и дополнительно введена отрицательная вогнуто-выпуклая линза, первая поверхность которой выполнена асферической, при этом линзы второго компонента установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси независимо друг от друга, в третьем компоненте вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой и дополнительно введена плоско-выпуклая линза, вторая поверхность которой выполнена асферической.