ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G02B13/14 G02B15/16 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, работающим в инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизионных приборах, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.

Известна оптическая система инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, описанная в патенте RU №2400784 С1, МПК G02B 13/14, G02B 15/16, G02B 9/64, опубликованном 27.09.2010 г., состоящая из десяти линз. Инфракрасный объектив, выполненный без асферических и дифракционных оптических элементов, имеет высокое качество изображения (относительное отверстие 1:2). Но большое количество линз снижает коэффициент пропускания системы, что приводит к ухудшению качества объектива и является его недостатком.

Также известен инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения для инфракрасной области от 3,7 мкм до 4,85 мкм, (патент RU №2630195 С1, МПК G02B 13/02, G02B 13/14, G02B 15/14, дата публикации 05.09.2017 г.). Телеобъектив имеет фокусные расстояния ƒ’=-183,3 мм для узкого поля зрения и ƒ’=-61 мм для широкого поля зрения. Смена полей зрения (фокусного расстояния) осуществляется перемещением одной линзы вдоль оптической оси. Телеобъектив состоит из 6 линз, на каждой из первых пяти линз одна поверхность асферическая, а на шестой линзе одна поверхность выполнена асферо-дифракционной. Наличие большого количества асферических поверхностей делает телеобъектив технологически сложным в изготовлении и дорогостоящим.

Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (патент RU №2299454 С1, МПК G02B 13/16, G02B 13/14, дата публикации 25.05.2007), содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, подвижные второй и третий компоненты, а так же неподвижные четвертый и пятый компоненты. Объектив имеет большую кратность изменения фокусного расстояния М=5^× (фокусное расстояние меняется от 60 мм до 300 мм). Изменение фокусного расстояния осуществляется одновременным перемещением вдоль оптической оси второго и третьего компонентов, при этом перемещение второго компонента составляет 182 мм, а третьего - на 67,6 мм от исходного положения. Большие значения перемещений подвижных компонентов являются недостатком этого объектива. Апертурная диафрагма совмещена с первой поверхностью линзы пятого компонента, расположение апертурной диафрагмы внутри системы не обеспечивает оптимального сопряжения с современными матричными охлаждаемыми приемниками излучения, что понижает освещенность на краю изображения вследствие виньетирования наклонных пучков лучей и приводит к ухудшению качества изображения, что так же является недостатком этого объектива.

Известен телеобъектив с двумя полями зрения для средней ИК области, (патент RU №2663313 С1, МПК G02B 13/02, G02B 15/02, G02B 13/14, дата публикации 03.08.2018 г.). Телеобъектив имеет очень большое фокусное расстояние ƒ’=-550,06 мм для узкого поля зрения и ƒ’=-78,48 мм для широкого поля зрения, относительное отверстие 1:4. Телеобъектив имеет высокое качество изображения и технологичен, так как содержит только сферические поверхности. Но в данном телеобъективе большое количество линз, девять, что снижает коэффициент пропускания системы.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемой системе является инфракрасная система с двумя полями зрения, (патент RU №2624658 С1, МПК G02B 13/14, дата публикации 05.07.2017 г.). Оптическая система работает в средней инфракрасной области от 3 до 5 мкм.

Инфракрасная система с двумя полями зрения состоит из четырех компонентов. Первый неподвижный компонент содержит две выпукло- вогнутых линзы, первую положительную и вторую отрицательную. Второй компонент - двояковогнутая линза, установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий неподвижный компонент содержит двояковыпуклую линзу. Четвертый компонент состоит из четырех линз, вогнуто-выпуклой и выпукло-вогнутой положительных линз, отрицательной выпукло-вогнутой и двояковыпуклой линзы. В пространстве между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение. Оптическая система имеет высокое качество изображения. В патенте представлены рисунки с графиком функции концентрации энергии, при этом концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм в узком поле зрения составляет 73% в центре и 53 % на краю поля зрения, а в широком - 71% в центре и 64% на краю. Фокусное расстояние объектива инфракрасной системы узкого поля ƒ’=320 мм, широкого поля ƒ’=107 мм, линейное поле зрения в пространстве изображений 9,6 мм × 7,68 мм. Величина углового поля в режиме узкого поля зрения в пространстве предметов составляет 2ω=2,2°. Недостатком данного аналога является малая величина углового поля в режиме широкого поля зрения в пространстве предметов, которая составляет 2ω=6,6°.

Поле зрения оптической системы является одной из важных её характеристик. Для повышения функциональности работы тепловизионных приборов оптические системы, как правило, имеют два поля зрения. Опознавание объекта на максимальной дальности осуществляется в режиме узкого поля зрения, а поиск и обнаружение объекта обеспечивается в режиме широкого поля зрения. Оптическая система с большим значением углового поля в режиме широкого поля зрения в отличие от оптической системы с меньшим значением углового поля позволяет обеспечить больший обзор контролируемого пространства, а значит, увеличивается количество обнаруженных целей.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение значения углового поля в режиме широкого поля зрения оптической системы в пространстве предметов при обеспечении высокого качества изображения.

Технический результат - создание инфракрасного объектива с двумя полями зрения с увеличенным значением углового поля в режиме широкого поля зрения в пространстве предметов с обеспечением высокого качества изображения для широкого и узкого полей зрения.

Это достигается тем, что оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения состоит из расположенного по ходу луча первого неподвижного компонента, содержащего выпукло-вогнутую положительную линзу из кремния, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и отличающегося от аналога тем, что этот компонент содержит только одну линзу. Второй компонент содержит отрицательную двояковогнутую линзу из германия и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент состоит из положительной линзы из кремния, в отличие от аналога линза выполнена выпукло-вогнутой обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Четвертый неподвижный компонент содержит две линзы из кремния, при этом первая линза положительная, в отличие от аналога первая линза выполнена выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая линза выполнена отрицательной вогнуто- выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, при этом ее вторая поверхность выполнена асферической, также в отличие от аналога четвертый компонент состоит только из двух линз. Оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения от аналога отличается тем, что дополнительно введен пятый неподвижный компонент, содержащий две выпукло-вогнутые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями к плоскости предметов, из них первая линза выполнена положительной из кремния, а вторая линза выполнена отрицательной из флюорита, при этом первая поверхность первой линзы выполнена асферической. Промежуточное изображение формируется между четвертым и пятым компонентами.

При этом выполняются следующие соотношения:

где: - фокусные расстояния соответственно второго, третьего и пятого компонентов;

- фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;

d₁₀ - воздушный промежуток между четвертым и пятым компонентами;

n₇ - показатель преломления второй линзы пятого компонента.

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения работает с фотоприемным устройством, в котором имеется входное окно и охлаждаемая диафрагма, которая является апертурной диафрагмой оптической системы.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения (широкое поле зрения);

Фиг. 2 - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения (узкое поле зрения);

Фиг. 3 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;

Фиг. 4 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;

Фиг. 5 - функция рассеяния точки инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;

Фиг. 6 - функция рассеяния точки инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;

Фиг. 7 - функция концентрации энергии (ФКЭ) инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;

Фиг. 8 - функция концентрации энергии (ФКЭ) инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;

Фиг. 9 - кривизна поля и дисторсия инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;

Фиг. 10 - кривизна поля и дисторсия инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;

Фиг. 11 - относительная освещенность в плоскости изображения инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;

Фиг. 12 - относительная освещенность в плоскости изображения инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения.

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из пяти, расположенных по ходу луча, компонентов. Первый неподвижный компонент I состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния поз. 1, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второй компонент II, содержащий отрицательную двояковогнутую линзу из германия поз. 2, установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент III состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния поз. 3, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Четвертый компонент IV положительный и выполнен в виде двух линз из кремния, первая положительная выпукло-вогнутая поз. 4, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая - отрицательная вогнуто- выпуклая поз. 5, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Пятый компонент V положительный и содержит две линзы, первая положительная выпукло-вогнутая из кремния поз. 6, вторая - отрицательная выпукло-вогнутая из флюорита поз. 7, обе линзы обращены выпуклыми поверхностями к плоскости предметов. Между четвертым IV и пятым V компонентами формируется промежуточное изображение. Вторая поверхность второй линзы четвертого компонента поз. 5 и первая поверхность первой линзы пятого компонента поз. 6 выполнены асферическими.

При этом выполняются следующие соотношения:

где: - фокусные расстояния соответственно второго, третьего и пятого компонент;

- фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;

d₁₀ - воздушный промежуток между четвертым и пятым компонентами;

n₇ - показатель преломления второй линзы пятого компонента.

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения работает с фотоприемным устройством (охлаждаемый матричный приемник инфракрасного излучения) поз. 8, в котором имеется входное окно поз. 9 и охлаждаемая диафрагма поз. 10, которая является апертурной диафрагмой оптической системы инфракрасного объектива.

В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения, технические характеристики которой приведены в таблице 1.

Конструктивные параметры, предложенной оптической схемы инфракрасного объектива с двумя полями зрения приведены в таблице 2.

В таблице 3 приведены значения переменных воздушных промежутков для двух полей зрения инфракрасного объектива с двумя полями зрения.

Оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения работает следующим образом: инфракрасное излучение, исходящее из бесконечно удаленных точек предмета, проходит через линзу поз. 1 первого компонента I, линзу поз. 2 второго компонента II, линзу поз. 3 третьего компонента III, линзы поз. 4 и поз. 5 четвертого компонента IV в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного приемника инфракрасного излучения и фокусным расстоянием инфракрасного объектива (фиг. 2), формирует действительное изображение в плоскости промежуточного изображения, далее излучение проходит через линзы поз. 6 и поз. 7 пятого компонента V, затем через входное окно поз. 9 и диафрагму поз. 10 фотоприемного устройства поз. 8 переносится в плоскость изображений объектива, обеспечивая для каждой точки предмета фокусировку в пятно малого размера, которое по величине сопоставимо с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Плоскость чувствительных элементов фотоприемного устройства совмещается с плоскостью изображений инфракрасного объектива.

Смена полей зрения (фокусного расстояния) инфракрасного объектива с узкого поля зрения на широкое поле зрения осуществляется одновременным перемещением линзы поз. 2 второго компонента II и линзы поз. 3 третьего компонента III, при этом линза поз. 2 второго компонента II смещается в направлении линзы поз. 1 первого компонента I (величина перемещения составляет Δ=42,82-21,08=21,74 мм), а линза поз. 3 третьего компонента III перемещается в направление четвертого компонента IV (величина перемещения составляет Δ=85,63-26,192=59,438). Угловое поле при этом увеличивается в четыре раза. Положение плоскости промежуточного изображения и положение плоскости изображений объектива при изменении фокусного расстояния (поля зрения) остается неизменным как при узком поле, так и при широком поле зрения.

При смене угловых полей зрения в объективе сохраняется высокое качество изображения и обеспечивается постоянство относительного отверстия, которое составляет 1:4.

Качество изображения оптической системы объектива оценивается с помощью параметров кружка рассеяния и модуляционной передаточной функции. Параметры модуляционной передаточной функции оптической системы инфракрасного объектива в сравнении с дифракционноограниченной системой приведены в таблице 4 для широкого поля зрения и в таблице 5 для узкого поля зрения, а также показаны на фиг. 3 и фиг. 4.

На фиг. 5 и фиг. 6 приведены значения функции рассеяния точки. Геометрический радиус кружка рассеяния точки не превышает 7,3 мкм в центре поля зрения и 20,5 мкм на краю поля зрения для широкого поля зрения и 4,7 мкм в центре поля зрения и 13,2 мкм на краю поля зрения для узкого поля зрения.

Значение концентрации энергии для двух полей зрения приведены в таблице 6 и на графиках фиг. 7 фиг. 8.

Оптическая система инфракрасного объектива имеет очень высокое качество изображения в широком поле зрения, концентрация энергии в кружке диаметром 30 мкм составляет при дифракционном пределе 79% для осевого пучка 77%, для внеосевого (2ω=20°) 66%, для узкого поля зрения значение концентрации энергии составляет для осевого пучка 78%, для внеосевого (2ω=5°) 72%.

На приведенных графиках на фиг. 9 и фиг. 10 дисторсия составляет 1,36% для широкого поля зрения и 4,3% для узкого поля зрения.

Заявленная оптическая система не имеет виньетирования, поэтому падение относительной освещенности в плоскости изображения (на плоскости чувствительных элементов матрицы фотоприемного устройства) от центра к краю составляет от 1 до 0,85 для широкого и от 1 до 0,82 для узкого полей зрения, что подтверждается графиками фиг. 11 и фиг. 12.

В результате предложенного решения, в заявляемой оптической системе инфракрасного объектива величина углового поля в режиме широкого поля зрения в пространстве предметов, в отличии от аналога, у которого она составляет 2ω=6,6°, увеличена в три раза и составляет 2ω=20°, при этом площадь обзора пространства увеличилась в 9 раз, что следует из формулы:

где:

S₁ - площадь обзора пространства аналога,

S₂ - площадь обзора пространства заявляемого объектива,

L - расстояние до объекта,

ω₁ - половина поля зрения аналога,

ω₂ - половина поля зрения заявляемого объектива.

Таким образом, создан инфракрасный объектив с двумя полями зрения с увеличенным значением углового поля в режиме широкого поля зрения по сравнению с аналогом, и при этом обеспечено высокое качество изображения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения. Инфракрасный объектив с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси пяти компонентов, второй и третий из которых подвижные и имеют по два фиксированных положения. Первый компонент выполнен в виде положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, второй компонент - в виде двояковогнутой отрицательной линзы из германия, третий компонент - в виде положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Четвертый компонент положительный и выполнен в виде двух линз из кремния, первая положительная линза выполнена выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая - отрицательной вогнуто-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Пятый компонент положительный и содержит две линзы, первая - положительная выпукло-вогнутая из кремния, вторая - отрицательная выпукло-вогнутая из флюорита, обе линзы обращены выпуклыми поверхностями к плоскости предметов. Между четвертым и пятым компонентами формируется промежуточное изображение. Технический результат - увеличение значения углового поля в режиме широкого поля зрения, повышение качества изображения. 6 табл., 12 ил.

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения, формирующий промежуточное изображение и состоящий из расположенных по ходу луча неподвижного первого компонента, содержащего выпукло-вогнутую положительную линзу из кремния, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, второго компонента, содержащего отрицательную двояковогнутую линзу из германия и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего компонента, содержащего положительную линзу из кремния, четвертого неподвижного компонента, содержащего первую положительную линзу из кремния и вторую линзу из кремния, и фотоприемного устройства, отличающийся тем, что в третьем компоненте линза выполнена выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и с возможностью перемещения вдоль оптической оси, в четвертом компоненте первая линза выполнена выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, дополнительно введен пятый неподвижный компонент, содержащий две выпукло-вогнутые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями к плоскости предметов, из них первая линза выполнена положительной из кремния, а вторая линза выполнена отрицательной из флюорита, при этом промежуточное изображение формируется между четвертым и пятым компонентами, также вторая поверхность второй линзы четвертого компонента и первая поверхность первой линзы пятого компонента выполнены асферическими и при этом выполняются следующие соотношения:

где: - фокусные расстояния соответственно второго, третьего и пятого компонентов;

- фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;

d₁₀ - воздушный промежуток между четвертым и пятым компонентами;

n₇ - показатель преломления второй линзы пятого компонента.