ИНФРАКРАСНЫЙ ТЕЛЕОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G02B13/14 

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 (патент RU №2400784 С1, МПК G02B 13/14, G02B 15/16, G02B 9/64, дата приоритета 21.08.2009 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 и является его недостатком.

Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (патент RU №2299454 С1, МПК G02B 13/16, G02B 13/14, дата приоритета 31.01.2005 г.), содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, подвижные второй и третий компоненты, а также 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 приводят к значительному осевому габариту объектива, являясь его недостатком.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемой системе является инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения (патент RU №2630195 С1, МПК G02B 13/02, G02B 13/14, G02B 15/14, дата приоритета 01.0.2016 г.). Оптическая система работает в средней инфракрасной области спектра от 3,7 до 4,85 мкм. Инфракрасный телеобъектив содержит по ходу луча четыре компонента. Первый неподвижный компонент содержит два мениска, обращенные выпуклыми поверхностями к плоскости предметов, из них первый положительный, а второй отрицательный. Вторая поверхность первого мениска и первая поверхность второго мениска асферические. Второй компонент - подвижная двояковогнутая линза, вторая поверхность которой асферическая. Третий неподвижный положительный компонент содержит два мениска, обращенные выпуклыми поверхностями к плоскости предметов, из них первый положительный, второй отрицательный, вторая поверхность первого мениска и первая поверхность второго мениска асферические. Четвертый компонент - неподвижная одиночная положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклостью к плоскости предметов, вторая поверхность которой асферо-дифракционная. В пространстве между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение. Фокусное расстояние объектива инфракрасной системы узкого поля ƒ'=-183,3 мм, широкого поля ƒ'=-61 мм, линейное поле зрения в пространстве изображений 9,6 мм × 7,68 мм. Функцию апертурной диафрагмы в процессе работы объектива в составе с охлаждаемым матричным приемником ИК излучения выполняет охлаждаемая диафрагма приемника. Объектив позволяет изменять размер поля в три раза и обладает высоким качеством изображения. Но данный объектив является технически сложным в изготовлении - из шести линз пять имеют асферические поверхности, а одна асферо-дифракционную, что усложняет его производство и повышает стоимость изготовления, что является недостатком этого объектива.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание технологичной, экономически эффективной конструкции инфракрасного телеобъектива с высокими техническими характеристиками.

Технический результат заключается в уменьшении количества асферических поверхностей при сохранении количества оптических элементов, повышении кратности изменения поля зрения при сохранении качества изображения, а также выносе входного зрачка, что позволит использовать телеобъектив в специальной технике с перископическим ходом лучей, что позволит уменьшить габариты защитных окон изделий, в которых применяется предлагаемая схема.

Это достигается тем, что оптическая схема инфракрасного телеобъектива с двумя полями зрения так же, как и аналог, состоит из расположенных по ходу луча четырех компонентов. Первый неподвижный компонент содержит первую положительную линзу, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и, в отличие от аналога, выполненную из германия, вторую отрицательную линзу, которая, в отличие от аналога, выполнена плоско-вогнутой, обращенной вогнутой поверхностью к плоскости предметов и изготовленную из флюорита. Первый компонент отличается от аналога тем, что после второй линзы введена третья положительная выпукло-вогнутая линза из селенида цинка, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второй подвижный компонент представляет собой отрицательную линзу из германия, выполненную, в отличие от аналога, выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Третий компонент состоит из положительной линзы, вторая поверхность которой является асферической и, в отличие от аналога, линза выполнена плоско-выпуклой из германия, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Четвертый неподвижный компонент представляет собой одиночную положительную выпукло-вогнутую линзу из германия, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, в отличие от аналога, первая поверхность этой линзы асферическая.

Промежуточное изображение формируется между вторым и третьим компонентами.

При этом выполняются следующие соотношения:

где: ƒ₁, ƒ₂, ƒ₃ - фокусные расстояния соответственно первой, второй, третьей линз первого компонента;

ƒ_УП - фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;

d₂ - воздушный промежуток между первой и второй линзами первого компонента;

d₄ - воздушный промежуток между второй и третьей линзами первого компонента;

n₂ - показатель преломления второй линзы первого компонента для λ=4 нм.

Инфракрасный телеобъектив 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 телеобъектива с двумя полями зрения (широкое поле зрения);

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

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

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

Фиг. 5 - диаграмма пятна рассеяния инфракрасного телеобъектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;

Фиг. 6 - диаграмма пятна рассеяния инфракрасного телеобъектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;

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

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

Фиг. 9 - относительная освещенность в плоскости изображения инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;

Фиг. 10 - относительная освещенность в плоскости изображения инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения.

Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из четырех расположенных по ходу луча компонентов. Первый компонент I неподвижный, состоит из трех линз, первая выпукло-вогнутая положительная линза из германия поз. 1, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая отрицательная плоско-вогнутая линза из флюорита поз. 2, обращенная вогнутой поверхностью к плоскости предметов, третья положительная выпукло-вогнутая линза из селенида цинка поз. 3, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второй компонент II, содержащий отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия поз. 4, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент III состоит из положительной плоско-выпуклой линзы из германия поз. 5, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, вторая поверхность линзы асферическая и установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Четвертый компонент IV неподвижный, состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы из германия поз. 6, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, первая поверхность линзы асферическая.

При этом выполняются следующие соотношения:

где: ƒ₁, ƒ₂, ƒ₃, - фокусные расстояния соответственно первой, второй, третьей линз первого компонента;

ƒ_УП - фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;

d₂ - воздушный промежуток между первой и второй линзами первого компонента;

d₄ - воздушный промежуток между второй и третьей линзами первого компонента;

n₂ - показатель преломления второй линзы первого компонента для λ=4 нм.

Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения работает с фотоприемным устройством (охлаждаемый матричный приемник инфракрасного излучения) поз. 7, в котором имеется входное окно поз. 8 и охлаждаемая диафрагма поз. 9, которая является апертурной диафрагмой оптической системы инфракрасного телеобъектива.

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

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

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

Оптическая схема инфракрасного телеобъектива с двумя полями зрения работает следующим образом: инфракрасное излучение, исходящее из бесконечно удаленных точек предмета, проходит через линзы поз. 1, поз. 2, поз. 3 первого компонента I, линзу поз. 4 второго компонента II, формирует действительное изображение в плоскости промежуточного изображения, далее излучение проходит через линзу поз. 5 третьего компонента III и линзу поз. 6 четвертого компонента IV в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного приемника инфракрасного излучения и фокусным расстоянием инфракрасного телеобъектива (фиг. 1, фиг. 2), затем через входное окно поз. 8 и диафрагму поз. 9 фотоприемного устройства поз. 7 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 телеобъектива с широкого поля зрения на узкое поле зрения осуществляется одновременным перемещением линзы поз. 4 второго компонента II и линзы поз. 5 третьего компонента III, при этом линза поз. 4 второго компонента II смещается в направлении линз поз. 1, поз. 2 и поз. 3 первого компонента I (величина перемещения составляет Δ=51,22-29,14=22,08 мм), а линза поз. 5 третьего компонента III перемещается в направление линзы поз. 6 четвертого компонента IV (величина перемещения составляет Δ=43,37-32,30=11,07 мм).

Фокусное расстояние объектива при этом изменяется от ƒ'=-34,6 мм (минимальное) до ƒ'=-138,88 мм (максимальное). Кратность М изменения фокусного расстояния составляет:

У аналога изменение фокусного расстояния составляет 3 крата.

При смене поля зрения с узкого на широкое поле зрения угловое поле телеобъектива так же увеличивается в четыре раза.

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 телеобъектива в сравнении с дифракционно-ограниченной 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 диаграммы пятна рассеяния. Геометрический радиус кружка рассеяния точки не превышает 19,9 мкм в центре поля зрения и 43,9 мкм на краю поля зрения для широкого поля зрения и 23,8 мкм в центре поля зрения и 28,9 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 и фиг. 8.

Оптическая система инфракрасного телеобъектива имеет очень высокое качество изображения, в широком поле зрения концентрация энергии в кружке радиусом 15 мкм составляет при дифракционном пределе 79% для осевого пучка 71%, для внеосевого (2ω=20°) 63%, для узкого поля зрения значение концентрации энергии составляет для осевого пучка 72%, для внеосевого (2ω=5°) 61%.

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 0,89 для широкого и от 1 до 0,86 для узкого полей зрения, что подтверждается графиками фиг. 9 и фиг. 10.

Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения позволяет изменить размер поля в четыре раза, имеет высокое качество изображения и все его поверхности, кроме двух, сферические.

Таким образом, достигнут технический результат - создан инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения, вынесенной апертурной диафрагмой, которая совпадает с охлаждаемой диафрагмой приемника, что обеспечивает возможность сопряжения телеобъектива с современными охлаждаемыми матричными приемниками излучения ИК диапазона, с уменьшенным количеством асферических поверхностей при увеличении кратности изменения поля зрения, высоком качестве изображения и прежнем количестве линз в телеобъективе, а именно шести, а также вынос входного зрачка, что позволит использовать телеобъектив в специальной технике с перископическим ходом лучей, что позволит уменьшить габариты защитных окон изделий, в которых применяется предлагаемая схема.

Изобретение относится к телеобъективам для тепловизионных приборов на основе охлаждаемых матричных приемников. Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси четырех компонентов. Первый компонент неподвижный, состоит из трех линз, первая выпукло-вогнутая положительная линза из германия, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая отрицательная плоско-вогнутая линза из флюорита, обращенная вогнутой поверхностью к плоскости предметов, третья положительная выпукло-вогнутая линза из селенида цинка, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второй и третий компоненты подвижные и имеют по два фиксированных положения. Второй компонент выполнен в виде отрицательной выпукло-вогнутой линзы из германия, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Третий компонент выполнен в виде положительной плоско-выпуклой линзы из германия, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, вторая поверхность линзы асферическая. Четвертый компонент неподвижный, состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы из германия, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, первая поверхность линзы асферическая. Технический результат - уменьшение количества асферических поверхностей при сохранении количества оптических элементов, повышение кратности изменения поля зрения при сохранении качества изображения. 10 ил., 6 табл.

Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения, содержащий по ходу луча четыре компонента, первый из которых неподвижный, состоящий из первой положительной линзы, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и второй отрицательной линзы, второй подвижный компонент, выполненный в виде отрицательной линзы из германия, третий компонент выполнен в виде положительной линзы, вторая поверхность которой является асферической, четвертый компонент неподвижный, включающий одиночную положительную выпукло-вогнутую линзу из германия, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, отличающийся тем, что в первом компоненте первая положительная линза выполнена из германия, а вторая отрицательная линза выполнена плоско-вогнутой из флюорита, обращенная вогнутой поверхностью к плоскости предметов, также в первом компоненте за второй отрицательной линзой добавлена третья линза из селенида цинка в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов, отрицательная линза второго компонента выполнена выпукло-вогнутой, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, в третьем компоненте положительная линза выполнена плоско-выпуклой из германия, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости изображения и установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, кроме того, первая поверхность положительной выпукло-вогнутой линзы четвертого компонента выполнена асферической, и при этом выполняются следующие соотношения:

n₂≤1,45;

где: ƒ₁, ƒ₂, ƒ₃, - фокусные расстояния соответственно первой, второй, третьей линз первого компонента;

ƒ_УП - фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;

d₂ - воздушный промежуток между первой и второй линзами первого компонента;

d₄ - воздушный промежуток между второй и третьей линзами первого компонента;

n₂ - показатель преломления второй линзы первого компонента для λ=4 нм.