ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ И ВЫНЕСЕННОЙ АПЕРТУРНОЙ ДИАФРАГМОЙ
INFRARED OBJECTIVE LENS WITH TWO FIELDS OF VISION AND REMOTE APERTURE DIAPHRAGM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.
Известен инфракрасный объектив [патент US 6424460, 2002 г., фиг.3] с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображения, содержащий расположенные по ходу лучей оптически связанные первый и последний положительные компоненты и расположенный между ними подвижный компонент, включающий отрицательную и положительную линзы, имеющий два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения; при этом первый компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, последний компонент включает два положительных мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к плоскости изображений. Функцию апертурной диафрагмы в процессе работы объектива в комплексе с охлаждаемым матричным приемником ИК-излучения выполняет охлаждаемая диафрагма приемника. Причем две поверхности являются асферическими, на одной из них нанесен дифракционный оптический элемент (в виде голограммы). Фокусное расстояние принимает два значения: 53 и 160 мм, т.е. обеспечивается трехкратный перепад фокусного расстояния (поля зрения). Относительное отверстие имеет величину 1:2,5. Расстояние р' от охлаждаемой апертурной диафрагмы до плоскости изображения составляет в конкретном примере исполнения 47 мм, что составляет 0,88 от наименьшей величины фокусного расстояния. Устройство таково, что проекция апертурной диафрагмы в пространство предметов - входной зрачок - является мнимой и не совпадает с первым компонентом объектива. Это приводит к тому, что диаметр первого компонента превышает диаметр входного зрачка для наибольшего фокусного расстояния. В примере конкретного исполнения это превышение составляет 1,6 раза. Совместить входной зрачок с первой линзой в объективе невозможно в силу того, что внутренний подвижный компонент является отрицательным.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является инфракрасный объектив с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой [патент RU 2400784, опубл. 27.09.2010 г., бюл. № 27]. Объектив содержит расположенные по ходу лучей, оптически связанные первый неподвижный положительный компонент, второй подвижный отрицательный компонент, выполненный в виде мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений, третий подвижный положительный компонент и четвертый неподвижный положительный компонент. Апертурная диафрагма размещена в пространстве между объективом и плоскостью изображений. Первый компонент выполнен в виде одиночных положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений. Третий подвижный положительный компонент включает близко расположенные одиночные отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, и отрицательную и положительную линзы. Четвертый неподвижный положительный компонент состоит из близко расположенных одиночных отрицательного мениска, двух положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательного мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений. Все преломляющие поверхности объектива выполнены сферическими. Второй и третий подвижные компоненты имеют два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения, при этом расстояния между вершинами их преломляющих поверхностей являются различными в каждом из двух фиксированных положений. Дополнительно вставлено защитное стекло приемника ИК-излучения, охлаждаемая диафрагма которого выполняет функцию апертурной диафрагмы объектива. Каждый подвижный компонент имеет два взаимных расположения для двух полей зрения. Но в данном объективе большое количество линз, что снижает коэффициент пропускания системы, и два подвижных компонента для переключения полей зрения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание ИК-объектива с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении коэффициента пропускания оптической системы, повышении технологичности при сохранении высокого относительного отверстия, перепада увеличений и качества изображения.
Это достигается тем, что в инфракрасном объективе с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображений, содержащем четыре компонента, первый из которых неподвижный выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Второй подвижный компонент выполнен из отрицательной линзы. Третий положительный компонент включает, по крайней мере, одну положительную и одну отрицательную линзы. Четвертый неподвижный положительный компонент включает два положительных и один отрицательный мениски. В отличие от известного, второй компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы. Третийкомпонент неподвижный и в нем первые два мениска положительные, обращенные выпуклостями друг к другу, а третья линза - вогнутоплоская, обращенная плоскостью к плоскости изображений. В четвертом компоненте все линзы выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображений, первая и третья из которых положительные, а вторая - отрицательная, при этом вторая поверхность линзы первого компонента, первая поверхность линзы второго компонента и вогнутая поверхность первого положительного мениска четвертого компонента выполнены асферическими.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
- фиг.1а - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой (узкое поле зрения);
- фиг.1б - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой (широкое поле зрения);
- фиг.2а - ЧКХ инфракрасного объектива для узкого поля зрения;
- фиг.2б - ЧКХ инфракрасного объектива для широкого поля зрения;
- фиг.3а - ФКЭ в инфракрасном объективе для узкого поля зрения;
- фиг.3б - ФКЭ в инфракрасном объективе для широкого поля зрения;
- фиг.4а - астигматизм и дисторсия в инфракрасном объективе для узкого поля зрения;
фиг.4б - астигматизм и дисторсия в инфракрасном объективе для широкого поля зрения.
На фиг.1а представлена принципиальная оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображений, при фиксированном положении второго компонента, в котором реализуется узкое поле зрения. Объектив состоит из четырех компонентов. Первый неподвижный положительный компонент состоит из положительного мениска 1, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Второй отрицательный подвижный компонент состоит из двояковогнутой линзы 2 и имеет два фиксированных положения на оптической оси для переключения полей зрения. Третий неподвижный положительный компонент состоит из одиночных положительных менисков 3 и 4, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательной вогнутоплоской линзы 5, обращенной плоскостью к плоскости изображений. Четвертый неподвижный положительный компонент содержит положительный 6 и отрицательный 7 мениски, обращенные вогнутостью к плоскости изображений, и положительный мениск 8, обращенный вогнутостью к плоскости изображений. Между третьим и четвертым компонентами имеется промежуточное изображение. Вторая поверхность линзы 1, первая поверхность линзы 2 и вторая поверхность линзы 6 выполнены асферическими. В матричном приемнике ИК-излучения (не показан) совмещают плоскость чувствительных элементов с плоскостью изображений объектива через защитное стекло 9 и фильтр 10.
На фиг.1б представлена принципиальная оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображений, при фиксированном положении второго компонента, в котором реализуется широкое поле зрения. При этом только второй компонент, а именно линза 2, перемещается вдоль оптической оси, а положение остальных линз остается неизменным.
Оптическая система в узком и широком полях зрения работает следующим образом. Линзы первого, второго и третьего компонентов 1, 2, 3, 4, 5 фокусируют инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного приемника инфракрасного излучения и фокусным расстоянием объектива, и создают действительное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения, которое затем линзами четвертого компонента 6, 7, 8 через защитное стекло 9 и фильтр 10 приемника переносится в плоскость изображений объектива, совмещенную с плоскостью чувствительных элементов матричного приемника ИК-излучения, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Апертурная диафрагма, совмещенная с охлаждаемой диафрагмой приемника, обеспечивает высокое относительное отверстие объектива и минимизирует фоновое излучение, поступающее на матричный приемник ИК-излучения. Плоскость чувствительных элементов матричного приемника ИК-излучения совмещается с плоскостью изображений объектива. Смена полей зрения осуществляется перемещением вдоль оптической оси второго компонента из положения, показанного на фиг.1а, в положение, показанное на фиг.1б. При этом эквивалентное фокусное расстояние инфракрасного объектива уменьшается в три раза, и, соответственно, в три раза увеличивается угловое поле в пространстве предметов. Положение плоскости изображений остается неизменным как при узком, так и при широком полях зрения.
В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1. Характеристики объектива:
Фокусное расстояние, мм
-2007-66,7
Диаметр входного зрачка, мм
85,0/33,5
Линейное поле в пространстве изображений(2у'·2х'), мм<sup>2</sup>
7,68-9,6
Через «/» указаны значения соответственно для узкого и широкого полей зрения.
Таблица 1
N поверхности
Радиус, мм
Толщина, мм
Материал
Световой ⌀, мм
1
82.600
85.00
8.00
GE
2<sup>*1</sup>
91.245
80.00
108.50/72.3
3<sup>*2</sup>
-169.750
25.50
3.50
GE
4
218.300
25.60
10.40/46.6
5
-452.900
30.50
4.80
GE
6
-114.020
31.20
3.00
7
38.900
30.30
4.00
GE
8
39.990
28.10
13.70
9
-187.930
23.90
3.00
Р04
10
Infinity
23.60
27.00
11
Infinity
18.10
46.20
12
38.640
26.40
4.20
GE
13*<sup>3</sup>
989.200
25.50
1.70
14
164.820
22.20
2.20
IKS25
15
24.890
19.80
13.30
16
Infinity
18.00
10.00
17
36.980
16.30
2.50
GE
18
85.510
15.50
4.23
19
Infinity
11.50
2.50
GE
20
Infinity
10.90
2.30
21 Stop
Infinity
8.50
4.20
22
Infinity
9.20
0.50
GE
23
Infinity
9.30
15.30
24
Infinity
12.10
Через «/» указаны расстояния между компонентами соответственно для узкого и широкого полей зрения.
1
2
3
*, *,* - асферические поверхности с уравнениями вида:
<mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>r</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mn>3</mn></msub><msup><mi>r</mi><mn>6</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mn>4</mn></msub><msup><mi>r</mi><mn>8</mn></msup></mrow>
, где
<mrow><mi>c</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>R</mi></mfrac></mrow>
-кривизна поверхности
k=0 -коническая постоянная.
1
1
* α=0
2
-8
α=1,244·10
3
-12
α=1,94·10
2
1
* α=0
2
-7
α=-1,73·10
3
-9
α=-1,75·10
4
-12
α=5,288·10
3
1
*α=0
2
-6
α=6,73·10
3
-9
α=-8,162·10
4
-11
α=1,035·10
Таким образом, создан инфракрасный объектив с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, позволяющий осуществить коррекцию аберраций осевых и внеосевых пучков лучей, получить высокие значения ЧКХ для обоих полей зрения, что сохраняет высокое качество изображения и повышает технологичность за счет значительного упрощения конструкции (всего восемь линз и только один подвижный компонент).