Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием
INFRARED LENS WITH VARIABLE FOCAL DISTANCE

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к оптико-электронным приборам, работающим в дальней ИК-области спектра.
Известен инфракрасный объектив с двумя фокусными расстояниями для работы в оптических системах тепловизоров (патент RU 2348954 С1, опубл. 10.03.2009), содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, вторую двояковогнутую линзу, третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, и четвертый положительный компонент, выполненный в виде отрицательного и положительного менисков. Фокусное расстояние изменяется в три раза перемещением второй и третьей линзы в противоположных направлениях с двумя фиксированными положениями, при достаточно высоких значениях светосилы (1:1,1 и 1:1,5) и с применением сферических поверхностей.
Недостатком этого объектива является изменение светосилы при изменении фокусного расстояния, большое число линз из германия - пять, что снижает значение физической светосилы (с учетом светопропускания), и малый диапазон изменения фокусных расстояний - в 3 раза.
Наиболее близким по технической сущности является инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием (патент RU 2578268 С1, опубл. 27.03.2016), содержащий расположенные по ходу луча первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, второй мениск с возможностью его перемещения по оптической оси, апертурную диафрагму и третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, а первый и третий мениски содержат по одной асферической поверхности. Фокусное расстояние изменяется в три раза перемещением второго компонента с его разворотом на 180°.
Недостатком этого объектива является большая длина по оптической оси (~ 95 мм) и большой вес оптических деталей (~ 52 г), что не позволяет в полной мере реализовать миниатюрную конструкцию тепловизионного прибора с минимально возможным весом и с сохранением двух режимов работы: режима поиска и режима опознавания (при меньшей и большей величине фокусного расстояния соответственно), с сохранением эффективности поиска объектов по их тепловому излучению в дальней инфракрасной области спектра.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритных размеров оптики по диаметру и по оптической оси и уменьшение веса оптических деталей с сохранением светосилы и приемлемого качества изображения.
6
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в инфракрасном объективе с переменным фокусным расстоянием, включающем расположенные по ходу луча первый положительный мениск с одной асферической поверхностью, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, второй мениск с возможностью его поворота на 180° и перемещения по оптической оси и третий положительный мениск с одной асферической поверхностью, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, в отличие от известного, апертурная диафрагма расположена между третьим положительным мениском и плоскостью изображения, а воздушный промежуток d между третьим положительным мениском и апертурной диафрагмой составляет:
ƒ'
где S' об - задний фокальный отрезок объектива.
Размещение апертурной диафрагмы между третьим положительным мениском и плоскостью изображения позволяет уменьшить габаритные размеры оптики по диаметру и по оптической оси и уменьшить вес оптических деталей с сохранением светосилы и приемлемого качества изображения.
Схема объектива показана на чертеже.
Объектив содержит первый по ходу луча компонент - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, второй компонент - отрицательный мениск 2, обращенный выпуклостью к плоскости изображений, третий компонент - положительный мениск 3, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, апертурную диафрагму 4, плоскость изображений 5. При этом у менисков 1 и 4 поверхности R2 и R5 - асферические, а мениск 2 имеет возможность установки в положениях «а» и «б», где в положении «б» он повернут на 180° и обращен выпуклостью к предмету. Все мениски выполнены из Ge.
Конструктивные данные при положении второго компонента в поз. 2а и при фокусном расстоянии объектива 15 мм приведены в таблице 1.
При перемещении второго компонента в положение «б» с его одновременным разворотом на 180° фокусное расстояние объектива становится равным 60 мм. Конструктивные данные при таком положении приведены в таблице 2.
Таким образом, параметры вариантов исполнения объектива:
расчетная длина волны
10,6 мкм
рабочий спектральный диапазон
8,0…14,0 мкм
фокусное расстояние
15 и 60 мм
задний фокальный отрезок
27,2 мм
линейное поле зрения
9,0 мм
относительное отверстие
1:1,34
длина по оптической оси
84 мм
масса оптических деталей
36 г
Принцип действия объектива заключается в следующем.
Первый компонент 1, третий компонент 3, апертурная диафрагма 4 и плоскость изображений 5 неподвижны.
Второй компонент 2 установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси и с возможностью его разворота на 180°. Второй компонент, поворачиваясь, занимает два фиксированных положения«а» и «б», при которых изображение апертурной диафрагмы 4, установленной между третьим компонентом 3 и плоскостью изображений 5, строится в пространстве предметов компонентами 1, 2 и 3 как входной зрачок оптической системы с разным диаметром для каждого фиксированного положения второго компонента 2.
В таком случае размещение апертурной диафрагмы 4 между третьим положительным мениском 3 и плоскостью изображения 5 позволяет уменьшить габаритные размеры оптики по диаметру (с 48 мм на 46 мм, с 24 мм на 22 мм) и по оптической оси (с 95 мм на 84 мм) и уменьшить вес оптических деталей (с 52 г на 36 г) с сохранением светосилы (1:1,3) и приемлемого качества изображения.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла фотоприемника, равную 1,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива: 1,0 - на длине волны 8 мкм; 1,0 - на длине волны 10,6 мкм; 1,0 - на длине волны 14 мкм;
- пространственную частоту 30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм),
получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива.
При положении подвижной линзы, соответствующем
ƒ<sub>об.мин. </sub>= 15 мм:
для точки на оси (дифракционное качество)
КПК = 45,1%
для точки на оси (аберрационное качество)
КПК = 39,8%
для точки поля 3 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub> = 27,7%
КПК <sub>С</sub> = 34,8%
для точки поля 4,5 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub> = 36,1%
КПК <sub>С</sub> = 22,4%
При положении подвижной линзы, соответствующем
ƒ<sub>об.макс.</sub> = 60 мм:
для точки на оси (дифракционное качество)
КПК = 44,5%
для точки на оси (аберрационное качество)
КПК = 33,4%
для точки поля 3 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub> = 28,8%
КПК <sub>С</sub> = 32,4%
для точки поля 4,5 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub> = 22,1%
КПК <sub>С</sub> = 31,5%
Как видно из расчетов, инфракрасный объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает уменьшение габаритных размеров оптики по диаметру и по оптической оси и уменьшение веса оптических деталей с сохранением светосилы и приемлемого качества изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников микроболометрические матрицы с размером пикселя до 17 мкм.