ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЛАВНО ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ

Полезная модель относится к ИК оптическим системам и может быть использована в тепловизорах.
Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент Великобритании №1532096), содержащий последовательно расположенные первый неподвижный компонент, состоящий из одной линзы, подвижный второй компонент, состоящий из одной линзы, подвижный третий компонент, состоящий из одной линзы и неподвижный четвертый компонент, состоящий из двух линз.
Недостатком такого инфракрасного объектива является малый интервал изменения фокусного расстояния (отношение максимального фокусного расстояния к минимальному М=3,5), а также достаточно большой кружок аберрационного рассеяния от точечного источника излучения, приводящий к размытию изображения и плохому его качеству.
1
2
3
4
5
Часть из указанных недостатков устранены в наиболее близком по технической сущности инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент США №6091551, М. кл. G 02 B 15/14; G 02 B 13/14, публ. 18.07.2000 г., схема на фиг.6), содержащем последовательно расположенные неподвижный компонент I с фокусным расстоянием f, подвижный компонент II с фокусным расстоянием f, подвижный компонент III с фокусным расстоянием f, далее неподвижные компонент IV с фокусным расстоянием f и компонент V с фокусным расстоянием f, состоящий из пяти линз.
t
1
t
2
t
5
t
Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному в этом инфракрасном объективе достигает М=4. Качество изображения обеспечивается соотношениями фокусных расстояний компонентов с максимальным фокусным расстоянием объектива f:1.00<f/f, -0.40>f/f и 0.35<f/f<0.70 (см. также Шпякин М.Г. «Исследование и расчет объективов с широкими интервалами изменения фокусного расстояния», автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Л. 1971 г.,
1
t
2
t
1
t
2
t
5
t
с.13), где приведен ряд уравнений, связывающих оптические силы компонентов, анализируя которые можно получить требуемые соотношения фокусных расстояний: f/f>1, f/f<0 и т.д. Указанные соотношения дают довольно широкий диапазон для фокусных расстояний компонентов, в котором сложно найти требуемые значения, позволяющие создать конструкцию объектива с наиболее оптимальными характеристиками. В объективе, приведенном на фиг.6 патента США №6091551, выполнены следующие соотношения: f/f=1.39; f/f=-0.627; f/f=0.438. В рассматриваемой конструкции объектива его длина - расстояние от первой поверхности объектива до плоскости изображения, превышает максимальное фокусное расстояние в 1,83 раза, причем важную роль в определении длины объектива играет пятый компонент, состоящий из пяти линз. Отношение длины этого компонента к его фокусному расстоянию составляет 1,78. Другим недостатком объектива являются плохие аберрационные характеристики, а интервал изменения фокусных расстояний - отношение максимального фокусного расстояния к минимальному М=4. Эти характеристики обусловлены в данной конструкции, по мнению авторов, неоптимальными соотношениями фокусных расстояний отдельных компонентов объектива.
Таким образом, недостатком описанного инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием является малый интервал изменения фокусных расстояний и большие габариты при недостаточном качестве изображения.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния, увеличение отношения максимального фокусного расстояния к минимальному, а также повышение концентрации энергии в заданном кружке рассеяния, являющейся оптимальной характеристикой качества изображения.
Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащем последовательно расположенные первый неподвижный компонент, второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси,
1
2
5
и неподвижные четвертый и пятый компоненты, пятый компонент выполнен в виде первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз, при этом фокусные расстояния f, f, f, соответственно первого, второго и пятого компонентов, выбираются в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива в следующих пределах:
1
t
f=(от 1.22 до 1.24)f;
2
t
f=(от -0.48 до -0.5)f;
5
t
f=(от 0.41 до 0.42)f, где
1
2
5
f, f, f - фокусные расстояния первого, второго и пятого компонентов соответственно;
t
f - максимальное фокусное расстояние объектива.
Вторая поверхность первой линзы пятого компонента может быть выполнена асферической.
Асферическая поверхность может быть выполнена в соответствии с уравнением
2
2
2
3
4
у+z=2rх-9.78769E-03rx-1.7173E-04rx+4.18166E-05rх,
где у - ось системы координат, лежащей в плоскости меридионального сечения объектива;
z - ось системы координат, лежащей в плоскости сагиттального сечения объектива;
х - ось системы координат, совпадающей с оптической осью объектива;
r - радиус кривизны начальной сферы второй поверхности первой линзы пятого компонента.
Выбор фокусных расстояний первого, второго и пятого компонентов в зависимости от максимального фокусного расстояния объектива в указанных пределах позволили повлиять на уменьшение габаритов объектива, улучшение качества его изображения и увеличить по сравнению с прототипом интервал плавного изменения фокусного расстояния объектива до 5 крат (в прототипе - 4).
Выполнение пятого компонента в виде первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз позволило уменьшить его габариты до отношения
его длины к его фокусному расстоянию до 1,36 (в прототипе - 1,78) и, в совокупности с выбранными фокусными расстояниями первого и второго компонентов, обеспечить уменьшение габаритов объектива в целом до отношения его длины к фокусному расстоянию до 1,48 (в прототипе - 1,83).
Выполнение второй поверхности первой линзы пятого компонента асферической, а также подбор уравнения этой асферической поверхности позволили выполнить требуемую коррекцию аберраций объектива не только по всему полю изображения, но и во всем интервале плавного изменения его фокусного расстояния, обеспечив максимальную концентрацию энергии в пятне дифракционного диаметра, необходимую для достижения высокого качества изображения.
На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 60 до 300 мм с расположением линз для фокусного расстояния 300 мм.
Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы 1, подвижный второй компонент II, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2 и второй отрицательной двояковогнутой линзы 3, подвижный третий компонент III состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 4, неподвижный четвертый компонент IV состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы 5 и неподвижный пятый компонент V, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 6 и второй положительной выпукло-вогнутой линзы 7. Вторая поверхность первой линзы 6 пятого компонента V выполнена асферической.
Асферическая поверхность первой линзы 6 пятого компонента V может быть выполнена в соответствии с уравнением
2
2
2
3
4
у+z=2rх-9,78769E-03rx-1,7173E-04rx+4,18166Е-05rх,
где у - ось системы координат, лежащей в плоскости меридионального сечения объектива;
z - ось системы координат, лежащей в плоскости сагиттального сечения объектива;
х - ось системы координат, совпадающей с оптической осью объектива;
r - радиус кривизны начальной сферы второй поверхности первой линзы 6 пятого компонента.
1
t
2
5
Фокусное расстояние первого компонента f=368.507 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива f=300 мм, составляет 1,228. Фокусное расстояние второго компонента f=-146,307 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива составляет минус 0,488. Фокусное расстояние пятого компонента f=l25,49 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива составляет 0,418.
Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 60 до 300 мм для области спектра 8,0-12,0 мкм с расположением линз для фокусного расстояния 300 мм представлены в таблице 1.
Объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием работает следующим образом: параллельный пучок лучей инфракрасного излучения проходит через все линзы объектива, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами и материалами линз и фокусируется на оптической оси в фокальной плоскости. Диаметр пучка определяется диаметром апертурной диафрагмы, расположенной на первой поверхности линзы 6. Наклонные пучки лучей также проходят через все линзы объектива и фокусируются соответственно в другой точке фокальной плоскости. Изменение фокусного расстояния объектива производится путем перемещения вдоль оптической оси объектива компонентов II и III. Компоненты II и III перемещаются каждый по своему закону. Значения переменных воздушных промежутков d2, d6 и d8 для трех значений фокусных расстояний объектива приведены в таблице 2.
Из таблицы видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния к минимальному М=5.
При заявляемом конструктивном исполнении длина объектива 443.75 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше, чем в 1,48 раза.
Таблица 1
Компонент №
Линза №
Значение радиуса сферической поверхности, мм
Толщина по оси, мм
Материал
I
1
r1=395.25
d1=13.2
Германий
r2=599.48
d2=194.5
II
2
r3=81.43
d3=6
ZnSe
r4=71.02
d4=12
3
r5=-1711.74
d5=6
Германий
r6=856.07
d6=13
III
4
r7=-161.78
d7=6
Германий
r8=-229.52
d8=5.73
IV
5
r9=-1835.21
d9=6
Германий
r10=-488.22
d10=6.6
V
6
r11=223.36
d11=6.9
Германий
r12=365.166<sup>*)</sup>
d12=119.7
r13=94.43
d13=6.9
Германий
7
r14=114.58
<sup>*)</sup> Асферическая поверхность видау<sup>2</sup>+z<sup>2</sup>=2rx-9,78769E-03rx<sup>2</sup>-1,7173Е-04rx<sup>3</sup>+4,18166E-05rх<sup>4</sup>.
Таблица 2
Фокусное расстояние объектива, мм
d2, мм
d6, мм
d8, мм
300
194.5
13
5.73
150.414
135.3
16.93
61
60
12.45
127.36
73.42
Концентрация энергии, полученная расчетным путем, в пятне заданного диаметра 50 мкм, характеризующая качество изображения, представлена в таблице 3 для трех значений фокусных расстояний заявляемого объектива и объектива, взятого за прототип.
Таблица 3
Параметр
Заявляемый объектив
Объектив-прототип
Фокусное расстояние, мм
60
150.414
300
50
100
200
Концентрация энергии, %
79
83
83
35
23
76
В предлагаемом объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием выбор конструкции первого, второго и пятого компонентов, обеспечивающей их фокусные расстояния, находящиеся в определенном соотношении с максимальным фокусным расстоянием объектива, выполнение пятого компонента в виде первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз и выполнение второй поверхности первой линзы пятого компонента асферической с выбранным уравнением позволили увеличить интервал изменения фокусного расстояния объектива, уменьшить его габариты и улучшить качество изображения по сравнению с прототипом.