ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ С ИЗМЕНЯЕМЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ ДЛЯ РАБОТЫ В ДВУХ ИК-СПЕКТРАЛЬНЫХ ОБЛАСТЯХ
OBJECTIVE LENS WITH VARIABLE FOCAL DISTANCE FOR OPERATION IN TWO INFRARED SPECTRAL REGIONS

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.
2
4
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=n=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:
1
2
0,8≤(r/r)<1,5,
3
4
0,3<(r/r)<1,0,
5
6
0,2<(r/r)<0,5,
7
8
0,8<(r/r)<1,5,
9
10
1,5<(r/r)<2,5,
1
2
1
(r/r)·d<10,
7
8
9
(r/r)·d<10,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
где r, r, r, r, r, r, r, r, r, r - радиусы кривизны поверхностей объектива
1
9
d, d - 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.
8
В табл.1 указано изменение поля зрения 2ω при изменении фокусного расстояния, а также воздушного промежутка d при смене спектрального интервала.
На фиг.2 показаны графики осевых аберраций предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложены значения продольных аберраций ΔS' (мм), а по оси ординат - координата у' мм в плоскости входного зрачка.
На фиг.2 - а) при f'=100 мм и Δλ=8÷12 мкм
в) при f'=100 мм и Δλ=3÷5 мкм
c) при f'=33 мм и Δλ=8÷12 мкм
d) при f'=33 мм и Δλ=3÷5 мкм
-1
На фиг.3-6 показаны графики частотно-контрастной характеристики предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм, 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
D<sub>вх.зрачка</sub> мм
50
50
20,2
20,1
Δλ мкм
8÷12
3÷5
8÷12
3÷5
d<sub>2</sub> мм
82,9
82,9
17,3
17,3
d<sub>4</sub> мм
2,64
2,64
65,4
65,4
d<sub>6</sub> мм
7,16
7,16
10,0
10,0
d<sub>8</sub> мм
5,59
5,00
5,59
5,00
2ω град
4°
4°
12°
12°
2
4
6
8
В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого представлены в таблице 2, в которой d, d, d, d - var (изменяемые, см. табл.1).
Таблица 2
Конструктивные параметры объектива
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Световые диаметры, мм
r<sub>1</sub>=50,47
d<sub>1</sub>=5
Германий
53
r<sub>2</sub>=51,855*<sup>1</sup>
d<sub>2</sub>=82,9-var
48
r<sub>3</sub>=-112,98
d<sub>3</sub>=2,5
Поликристалл оптический
32
r<sub>4</sub>=240,4
d<sub>4</sub>=2,64-var
32
r<sub>5</sub>=37,76
d<sub>5</sub>=4,5
Бескислородное стекло
32
r<sub>6</sub>=95,72
d<sub>6</sub>=7,16-var
32
r<sub>7</sub>=64,71
d<sub>7</sub>=3
Поликристалл оптический
26
r<sub>8</sub>=68,507*<sup>2</sup>
d<sub>8</sub>=5-var
23
r<sub>9</sub>=∞ (АД)
d<sub>9</sub>=0,59
36
r<sub>10</sub>=391,7
d<sub>10</sub>=3
Германий
23
r<sub>11</sub>=191,43
d<sub>11</sub>=-0,59
23
1
* - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:
2
2
у=103,71z-1,076z,
где z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм.
2
* - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:
2
3
-6
-9
где с=1/686507, k=0, a=6,4811×10, а=3,0185×10
z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм.
1
2
у в * и * - 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:
1
2
3
4
15
var
1
2
var
1
2
Фокусные расстояния линз соответственно f'=169,6; f'=-54,0; f'=33,5; f'=563,3; f'=-126,0. Оптическая схема линзового объектива имеет характеристики f'=33÷100 мм, Δλ=3÷5 мкм; Δλ=8÷14 мкм; угловые поля 4÷12°, диаметры входных зрачков соответственно f' 20,2 мм ÷ 50 мм. Δλ, Δλ, λ - 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.