линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ик-спектральных областях

Формула изобретения

Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях, состоящий из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов, причем первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения, второй - в виде одиночной двояковогнутой линзы, все подвижные элементы выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый по ходу луча компонент выполнен из оптического германия с показателем преломления n=4, отличающийся тем, что введен пятый подвижный отрицательный компонент, выполненный из оптического германия с показателем преломления n=4, в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом второй и четвертый компоненты выполнены из материала с показателем преломления n₂=n₄=2,44, а третий компонент выполнен из материала с показателем преломления n=2,78, а вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими, в оптической системе объектива выполняются соотношения:

0,8 (r₁/r₂)<1,5,

0,3<(r ₃/r₄)<1,0,

0,2<(r₅/r ₆)<0,5,

0,8<(r₇/r₈)<1,5,

1,5<(r₉/r₁₀)<2,5,

(r ₁/r₂)·d₁<10,

(r ₇/r₈)·d₉<10,

где r₁, r₂, r₃, r₄, r ₅, r₆, r₇, r₈, r₉ , r₁₀ - радиусы кривизны поверхностей объектива;

d₁, d₉ - толщины первого и пятого компонентов объектива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в качестве объектива тепловизионных приборов для наблюдения и опознавания объектов по тепловому излучению.

Известны линзовые объективы с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (авторское свидетельство SU 1048445, опубл. 15.10.83 г.; патент на изобретение RU 2365952, опубл. 27.08.2009 г.). Данные технические решения обеспечивают возможность наблюдения и опознавания только в одном спектральном интервале, а именно в 8÷14 мкм, и не позволяют вести наблюдения и в другом спектральном интервале 3÷5 мкм, содержащем важную фоноцелевую составляющую.

Наиболее близким аналогом к заявляемому линзовому объективу является объектив, описанный в патенте (патент на изобретение RU 2316797, опубл. 10.02.2008 г.). Объектив состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов. Первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения. Второй выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы. Однако в этом устройстве все линзы выполнены из одного материала - германия, что делает невозможным коррекцию хроматических аберраций, т.е. достижение высокого качества изображения в двух спектральных интервалах.

Задачей изобретения является создание линзового объектива с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях, позволяющего получить технический результат - обеспечение высоких технических характеристик объектива, а именно высокое качество изображения пространства предметов, формируемое в двух спектральных интервалах 3÷5 мкм и 8÷14 мкм при малых весогабаритных параметрах.

Технический результат достигается тем, что линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов. Первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения. Второй компонент выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы. Второй, третий компоненты имеют возможность перемещаться вдоль оптической оси. Первый по ходу луча компонент выполнен из оптического германия с показателем преломления n=4. Введен пятый подвижный отрицательный компонент, выполненный из оптического германия с показателем преломления n=4, в виде мениска обращенного вогнутостью к плоскости изображения, с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Второй и четвертый компоненты выполнены из материала с показателем преломления n ₂=n₄=2,44. Третий компонент выполнен из материала с показателем преломления n=2,78. Вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими.

В оптической системе объектива выполняются соотношения:

0,8 (r₁/r₂)<1,5,

0,3<(r ₃/r₄)<1,0,

0,2<(r₅ /r₆)<0,5,

0,8<(r₇/r ₈)<1,5,

1,5<(r₉/r₁₀ )<2,5,

(r₁/r₂)·d ₁<10,

(r₇/r₈)·d ₉<10,

где r₁, r₂ , r₃, r₄, r₅, r₆, r₇, r₈, r₉, r₁₀ - радиусы кривизны поверхностей объектива

d ₁, d₉ - толщины первого и пятого компонента объектива.

Предлагаемое изобретение поясняется фигурами 1-6.

На фиг.1 изображена оптическая схема линзового объектива для двух фокусных расстояний. При этом позиции I и II соответствуют длинному фокусу объектива, позиции III и IV - короткому фокусу.

В табл.1 указано изменение поля зрения 2 при изменении фокусного расстояния, а также воздушного промежутка d₈ при смене спектрального интервала.

На фиг.2 показаны графики осевых аберраций предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложены значения продольных аберраций S' (мм), а по оси ординат - координата у' мм в плоскости входного зрачка.

На фиг.2 - а) при f'=100 мм и =8÷12 мкм

в) при f'=100 мм и =3÷5 мкм

c) при f'=33 мм и =8÷12 мкм

d) при f'=33 мм и =3÷5 мкм

На фиг.3-6 показаны графики частотно-контрастной характеристики предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм^-1 , а по оси ординат - коэффициент передачи контраста Т в относительных единицах.

Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях (фиг.1) состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного компонента 1, выполненного в виде мениска, второго подвижного отрицательного компонента 2, выполненного в виде одиночной двояковогнутой линзы, третьего подвижного положительного компонента 3 и четвертого неподвижного положительного компонента 4, выполненных также в виде менисков, пятого подвижного отрицательного компонента, выполненного в виде мениска. Все мениски обращены вогнутостями к плоскости изображения, а вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими. При этом второй отрицательный подвижный компонент 2 в крайнем левом положении (поз.III и IV) фиксирует минимальное фокусное расстояние объектива. Положение в крайне правом состоянии этого компонента (вблизи мениска 3) фиксирует максимальное фокусное расстояние объектива. Пятый компонент выполняет функцию подфокусировки при колебаниях температуры и изменении спектрального интервала.

Второй, третий и пятый компоненты имеют возможность перемещаться вдоль оптической оси. При этом воздушные промежутки между линзами изменяются в соответствии с табл.1. Для изменения фокусного расстояния перемещаются компоненты 2 и 3, а для смены спектрального интервала перемещается компонент.

Таблица 1
f' мм	99,6	100,2	32,8	32,6
Dвх.зрачка мм	50	50	20,2	20,1
мкм	8÷12	3÷5	8÷12	3÷5
d2 мм	82,9	82,9	17,3	17,3
d 4 мм	2,64	2,64	65,4	65,4
d6 мм	7,16	7,16	10,0	10,0
d 8 мм	5,59	5,00	5,59	5,00
2 град	4°	4°	12°	12°

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого представлены в таблице 2, в которой d ₂, d₄, d₆, d₈ - var (изменяемые, см. табл.1).

Таблица 2
Конструктивные параметры объектива
Радиусы, мм	Толщины, мм	Материал	Световые диаметры, мм
r1 =50,47	d1 =5	Германий	53
r2 =51,855*1	d2=82,9-var	48
r 3=-112,98	d 3=2,5	Поликристалл оптический	32
r 4=240,4	d 4=2,64-var	32
r 5=37,76	d 5=4,5	Бескислородное стекло	32
r 6=95,72	d 6=7,16-var	32
r 7=64,71	d 7=3	Поликристалл оптический	26
r 8=68,507*2	d8=5-var	23
r 9= (АД)	d 9=0,59		36
r10=391,7	d10=3	Германий	23
r11 =191,43	d11 =-0,59	23

*¹ - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:

у²=103,71z-1,076z²,

где z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм.

*² - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:

где с=1/686507, k=0, a₂=6,4811×10 ^-6, а₃=3,0185×10^-9

z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм.

у в *¹ и *² - расстояние от оптической оси до очередной (текущей) точки светового диаметра линзы.

Объектив имеет следующие характеристики:

Фокусное расстояние, мм	33	100
Относительное отверстие	1:1,6	1:2
Рабочие спектральные интервалы, мкм	3÷5	8÷14
Линейное поле изображения 2у', мм	7	7

Из приведенных графиков (фиг.2-6) видно, что данный объектив может применяться в приборах, работающих в двух ИК-диапазонах для задач обнаружения, различения и опознавания.

Объектив имеет соотношения:

Фокусные расстояния линз соответственно f₁'=169,6; f₂'=-54,0; f₃ '=33,5; f₄'=563,3; f₁₅'=-126,0. Оптическая схема линзового объектива имеет характеристики f _var'=33÷100 мм, ₁=3÷5 мкм; ₂=8÷14 мкм; угловые поля 4÷12°, диаметры входных зрачков соответственно f_var' 20,2 мм ÷ 50 мм. ₁, ₂, - длина волны в мкм.

Для осевой точки предмета (фиг.2) линзовый объектив имеет аберрации не более 11,5 мкм для обоих спектральных интервалов.

Предлагаемая оптическая система объектива работает следующим образом: ИК-излучение от фона и цели, расположенных в бесконечности со стороны мениска 1, проходит, преломляясь через линзы 1÷5 (фиг.1), и формирует в плоскости изображения тепловую картину фоноцелевой обстановки, которая в дальнейшем обрабатывается электронным трактом (на фиг.1 не показан) и визуализируется на экране монитора (на фиг.1 не показан) как псевдоцветовое изображение пространства предметов.

Выполнение линзового объектива в соответствии с предлагаемым изобретением обеспечивает следующие технические результаты:

- высокое качество изображения в двух спектральных диапазонах;

- два режима работы: обзор и поиск в режиме широкого поля (12°) и прицеливание в режиме узкого поля (4°);

- выявление скрытых признаков объектов за счет комплексирования изображения в двух спектральных диапазонах;

- малые весогабаритные параметры, т.к. два объектива совмещены в одном.

При этом к признакам, отличающим предлагаемое изобретение от наиболее близкого аналога, следует отнести конструктивные особенности объектива, выполненного из материалов с различными показателями преломления, при этом пятый по ходу лучей элемент, введенный в схему оптики, позволяет осуществить согласование спектральных диапазонов и перепадов температур в плоскости изображения.