СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНОЙ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВИЗОРА (ВАРИАНТЫ)
VARIABLE FIELD OF VIEW HIGH-APERTURE LENS FOR THERMAL IMAGER (VERSIONS)

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, обеспечивающих дискретную смену фокусного расстояния и реализующих соответственно дискретную смену полей зрения в тепловизоре «смотрящего» типа при использовании совместно с микроболометрическими матричными приемниками излучения (МБМ), не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.
Режим широкого поля зрения (ШПЗ), реализуемый в тепловизоре при меньшей величине фокусного расстояния объектива, используется для поиска объектов; режим узкого поля зрения (УПЗ) в тепловизоре, реализуемый при большей величине фокусного расстояния объектива, используется для опознавания объекта, что повышает эффективность обнаружения объектов по их тепловому излучению в дальней инфракрасной области спектра.
Для создания малогабаритных тепловизоров, построенных на основе МБМ, не требующих охлаждения до криогенных температур (неохлаждаемых), чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм, в связи с увеличением формата фотоприемных матриц и уменьшением шага между пикселями возрастает необходимость в создании светосильных объективов с изменяемой величиной фокусного расстояния, позволяющих реализовать в тепловизоре в режиме ШПЗ величину поля зрения не менее 25-30° по диагонали кадра и повышение масштаба изображения примерно в 3 раза в режиме УПЗ.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая группа устройств, объединенных единым изобретательским замыслом, (варианты) является создание малогабаритной технологичной, экономически эффективной конструкции оптической системы светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающей возможность сопряжения с современными неохлаждаемыми матричными приемниками ИК- излучения в спектральном диапазоне 8-12 мкм.
Известен линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (8-12 мкм), состоящий из четырех линз, две из которых являются подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси для смены величины поля зрения в тепловизоре [Патент RU 2316797, 2008]. Объектив имеет сменные фокусные расстояния 40 и 20 мм, относительное отверстие 1:1, сменные угловые поля в пространстве предметов 5,7° и 11,4°.
Недостатком аналога являются малая величина углового поля в режиме широкого поля зрения, малый перепад фокусных расстояний (2 крата), большая относительная длина объектива (длина объектива примерно в 1,6 раза больше наибольшей величины фокусного расстояния).
Известен линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (варианты) [Патент RU 2339983, 2008], содержащий четыре компонента. Объектив имеет сменные фокусные расстояния 180 и 60 мм, относительное отверстие 1:1,5, сменные угловые поля 15 и 5° (по диагонали), спектральный диапазон 8-12 мкм.
Недостатком аналога являются низкое относительное отверстие и недостаточная величина углового поля в режиме ШПЗ.
Указанные недостатки аналогов не позволяют их использовать в малогабаритных тепловизорах, реализующих в режиме широкого поля зрения величину поля зрения не менее 25-30° по диагонали кадра.
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>≤</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
3
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству (первый вариант) является светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора [Патент RU 2348954, 2009], содержащий расположенные по ходу лучей четыре компонента, два из которых являются подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси для смены величины поля зрения при неизменнном расстоянии вдоль оси между первым компонентом и плоскостью изображений, при этом первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй отрицательный компонент включает двояковогнутую линзу и является подвижным, третий компонент выполнен в виде положительного мениска, четвертый компонент является положительным и выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, при этом
и φ=2,0÷2,2,
12
где r - радиусы кривизны последней по ходу лучей преломляющей поверхности объектива;
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
- фокусное расстояние второго мениска четвертого компонента;
3
φ - относительная оптическая сила третьего компонента.
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
2
Объектив имеет при фокусном расстоянии 120 мм величины относительного отверстия 1:1,5 и углового поля 8°, при фокусном расстоянии 40 мм - 1:1,1 и 23,7° соответственно. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения составляет 207 мм, т.е. в 1,72 раза превышает наибольшую величину фокусного расстояния. Масса объектива, рассчитанная для входящих в него линз, диаметры которых соответствуют световым диаметрам (т.е. без учета припусков на крепление линз в оправах), составляет 480 г. Коэффициент передачи контраста на пространственной частоте 30 лин/мм составляет для точки на оси 0,32, для точек по полю - 0,25. Между параметрами в объективе выполняется соотношение
, где r - радиус кривизны второй по ходу лучей преломляющей поверхности объектива;
- фокусное расстояние первого компонента.
Недостатками наиболее близкого аналога являются малая величина углового поля, малая величина относительного отверстия в режиме УПЗ (большого фокусного расстояния), приводящая к неравным значениям относительных отверстий при смене поля зрения, большая относительная длина объектива.
Малая величина относительного отверстия объектива в режиме УПЗ (при большой величине фокусного расстояния объектива) ограничивает дальности обнаружения и распознавания объектов по их тепловому излучению в тепловизоре; изменение величин относительных отверстий при смене полей зрения увеличивает нагрузку на модуль электронной обработки, что снижает эффективность применения объектива и потребительские качества тепловизионного прибора в целом.
Величина углового поля в наиболее близком аналоге ограничивается возрастанием аберраций наклонных пучков, прежде всего сферической аберрации широких наклонных пучков.
Малая величина относительного отверстия в объективе в режиме УПЗ (при большой величине фокусного расстояния объектива) ограничена тем, что четвертый компонент в схеме является неподвижным и имеет большую оптическую силу. Этими же причинами обусловлено и большое различие в величинах относительных отверстий при смене полей зрения.
По своей принципиальной схеме построения наиболее близкий аналог в каждом из фиксированных положений компонентов является «инвертированным телеобъективом», отрицательный компонент которого включает первый и второй компонент объектива-аналога, положительный - третий и четвертый. Чем выше по абсолютной величине оптическая сила отрицательного компонента в инвертированном телеобъективе для узкого поля (большого фокусного расстояния), тем больше относительная длина системы в целом. Значения оптических сил в наиболее близком аналоге таковы, что они требуют большого расстояния между компонентами для достижения заявленного соотношения между сменными фокусными расстояниями, равного трем, и тем самым не позволяют сократить относительную длину объектива.
Таким образом, достичь повышения величины углового поля, величины относительного отверстия в режиме УПЗ (большого фокусного расстояния) и обеспечить квазиравные значения относительных отверстий при смене поля зрения, уменьшение относительной длины объектива в наиболее близком аналоге не возможно без существенного изменения устройства оптической системы объектива и его компонентов, изменения соотношения между оптическими силами компонентов и параметрами объектива.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении углового поля, повышении относительного отверстия в режиме узкого поля зрения, в обеспечении квазиравных значений относительных отверстий при смене поля зрения, в уменьшении относительной длины объектива при обеспечении высокого качества изображения. Значения относительных отверстий считаются квазиравными, если различие в диафрагменных числах не превышает 0,1.
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога, в предлагаемом устройстве объектива во втором компоненте перед двояковогнутой линзой введен отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к двояковогнутой линзе, при этом относительная оптическая сила введенного отрицательного мениска составляет 1,3÷1,6 от оптической силы второго компонента, положительный мениск третьего компонента обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполнен неподвижным, четвертый компонент выполнен подвижным и имеет два фиксированных положения по оптической оси, при этом относительные оптические силы первого, второго и четвертого компонентов составляют соответственно (0,9÷1,3); -(0,4÷0,7) и (0,9÷1,3) и соблюдается соотношение
.
Все преломляющие поверхности объектива являются сферическими.
В частном случае исполнения перемещения подвижных компонентов из одного фиксированного положения в другое равны по величине и направлению. В частном случае исполнения в качестве материала отрицательного мениска второго компонента использован селенид цинка или инфракрасное стекло.
Введение во второй компонент перед двояковогнутой линзой отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к двояковогнутой линзе, при этом относительная оптическая сила введенного отрицательного мениска составляет 1,3÷1,6 от оптической силы второго компонента, позволяет уменьшить аберрации широких наклонных пучков и увеличить угловые поля.
Размещение положительного мениска третьего компонента выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполнение его неподвижным, позволяет повысить относительные отверстия в режиме узкого поля зрения и обеспечить квазиравные значения относительных отверстий при смене поля зрения.
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Выполнение четвертого компонента подвижным с двумя фиксированными положениями по оптической оси, обеспечение относительных оптических сил первого, второго и четвертого компонентов соответственно равными (0,9÷1,3); -(0,4÷0,7) и (0,9÷1,3) и соблюдение соотношения
позволяет уменьшить относительную длину объектива и обеспечить квазиравные значения относительных отверстий при смене поля зрения.
Совокупное действие всех введенных признаков позволяет сохранить в объективе высокое качество изображения при смене угловых полей и обеспечении постоянства относительного отверстия.
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
По второму варианту исполнения технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога второй отрицательный компонент выполнен в виде двух отрицательных менисков, обращенных друг к другу своими вогнутыми поверхностями, при этом оптическая сила первого отрицательного мениска второго компонента составляет (0,05÷0,15) от оптической силы второго отрицательного мениска второго компонента; положительный мениск третьего компонента обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполнен неподвижным, четвертый компонент выполнен подвижным и имеет два фиксированных положения по оптической оси, при этом относительные оптические силы первого, второго и четвертого компонентов составляют соответственно (0,8÷1,2); -(2,2÷2,6) и (0,7÷1,2) и соблюдается соотношение
.
В частном случае исполнения в качестве материала первого отрицательного мениска второго компонента использован селенид цинка или инфракрасное стекло.
Указанные совокупности признаков в каждом из вариантов позволяют создать малогабаритную технологичную, экономически эффективную конструкцию оптической системы светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающую возможность сопряжения с современными матричными приемниками ИК- излучения, работающими в спектральном диапазоне 8-12 мкм.
Предлагаемое решение (варианты), на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны светосильные объективы с измененяемой величиной поля зрения для тепловизоров, в которых были бы реализованы совокупности указанных признаков, соответствующие предлагаемым вариантам.
Предложенное решение иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1а - оптическая схема светосильного объектива с измененяемой величиной поля зрения для тепловизора (первый вариант, УПЗ);
фиг.1б - оптическая схема светосильного объектива с измененяемой величиной поля зрения для тепловизора (первый вариант, ШПЗ);
фиг.2а - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) (первый вариант, УПЗ);
фиг.2б - ЧКХ (первый вариант, ШПЗ);
фиг.3а - функция концентрации энергии (ФКЭ) (первый вариант, УПЗ);
фиг.3б - ФКЭ (первый вариант, ШПЗ);
фиг.4а - оптическая схема светосильного объектива с измененяемой величиной поля зрения для тепловизора (второй вариант, УПЗ);
фиг.4б - оптическая схема светосильного объектива с измененяемой величиной поля зрения для тепловизора (второй вариант, ШПЗ);
фиг.5а - ЧКХ (второй вариант, УПЗ);
фиг.5б - ЧКХ (второй вариант, ШПЗ);
фиг.6а - ФКЭ (второй вариант, УПЗ);
фиг.6б - ФКЭ (второй вариант, ШПЗ).
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>≤</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора (первый вариант) (фиг.1) содержит расположенные по ходу лучей четыре компонента 1-4. Компонент 1 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Отрицательный компонент 2 состоит из отрицательного мениск 5 и двояковогнутой линзы 6. Мениск 5 обращен выпуклой поверхностью к линзе 6 и его относительная оптическая сила составляет 1,3÷1,6 от оптической силы компонента 2. Компонент 3 выполнен в виде положительного мениска, который обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Положительный компонент 4 выполнен в виде менисков 7 и 8, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу. Компоненты 2 и 4 выполнены подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси. Расстояние вдоль оси между первым компонентом и плоскостью изображений сохраняется неизменным для любого из двух положений подвижных компонентов. Относительные оптические силы компонентов 1-4 соответственно равны: (0,9÷1,3); -(0,4÷0,7); (2,0÷2,2); (0,9÷1,3). Между параметрами объектива имеют место следующие соотношения:
;
,
2
12
где r, r - радиусы кривизны соответственно второй и последней по ходу лучей преломляющих поверхностей объектива;
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
- фокусное расстояние первого компонента;
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
- фокусное расстояние второго мениска четвертого компонента.
В частном случае исполнения перемещения подвижных компонентов 2 и 4 из одного фиксированного положения в другое равны по величине и направлению. В частном случае исполнения в качестве материала мениска 5 использован селенид цинка или инфракрасное стекло.
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>≤</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора (второй вариант) (фиг.4) содержит расположенные по ходу лучей компоненты 1-4. Компонент 1 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Отрицательный компонент 2 выполнен в виде двух отрицательных менисков 5 и 6, обращенных друг к другу своими вогнутыми поверхностями. Оптическая сила мениска 5 составляет (0,05÷0,15) от оптической силы мениска 6. Компонент 3 выполнен в виде положительного мениска, обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Положительный компонент 4 состоит из двух менисков 7 и 8, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу. Компоненты 2 и 4 выполнены подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси. Расстояние вдоль оси между первым компонентом и плоскостью изображений сохраняется неизменным для любого из двух положений подвижных компонентов. Относительные оптические силы компонентов 1-4 составляют соответственно: (0,8÷1,2); -(2,2÷2,6); (2,0÷2,2); (0,7÷1,2). Между параметрами объектива имеют место следующие соотношения:
и
. В частном случае исполнения в качестве материала мениска 5 использован селенид цинка или инфракрасное стекло.
На фиг.1 и 4 без указания номера позиций показано защитное стекло МБМ, которое установлено перед матрицей чувствительных элементов и которое учитывается при балансировке аберраций в объективе.
Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора по любому из вариантов работает следующим образом. Компоненты 1-4, расположенные в одном из фиксированных положений, соответствующих фиг.1а и 4а, фокусируют инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах небольшого углового поля, определяемого размерами чувствительной площадки МБМ и фокусным расстоянием объектива, и создают действительное изображение объектов в плоскости изображений, с которой совмещается плоскость чувствительных элементов МБМ, закрытых защитным стеклом 5. Таким образом реализуется режим УПЗ. При смещении компонентов 2 и 4 вдоль оптической оси в направлении от МБМ во второе фиксированное положение, соответствующее положениям компонентов, показанным на фиг.1б и 4б, эквивалентное фокусное расстояние объектива уменьшается при неизменном расстоянии между мениском 1 и плоскостью изображений, и на чувствительную площадку МБМ компонентами 1-4 фокусируется инфракрасное излучение, идущее от удаленных объектов, находящихся в пределах большего по величину углового поля (реализуется режим ШПЗ). В каждом из положений компоненты 1-4 обеспечивают для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Оптические силы компонентов таковы, что в каждом из двух фиксированных положений компонентов 2 и 4 обеспечивается высокое относительное отверстие, определяемое диаметром компонента 3, при этом величина относительного отверстия остается практически неизменной в режимах УПЗ и ШПЗ. На фиг.1а, 1б, 4а, 4б показан ход лучей в каждом из фиксированных положений подвижных компонентов, который свидетельствует о том, что в объективе реализуется также ход главных лучей в пространстве изображений, близкий к телецентрическому. Телецентрический ход является предпочтительным для современных матричных приемников инфракрасного излучения, так как обеспечивает одинаковые условия облученности для всех пикселей приемника.
Реализация светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора по первому варианту подтверждается примером конкретного исполнения, приведенным в таблице 1. Объектив имеет два дискретных значения фокусного расстояния: 24 мм и 72 мм, и предназначен для использования в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм с МБМ формата 384×288 (шаг пикселей 0,025 мм). Угловое поле в режиме ШПЗ составляет 30° (по диагонали кадра), в режиме УПЗ - 9,4°. Относительные отверстия соответственно равны 1:1,2 и 1:1,13.
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>н</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
В таблице 1 величины фокусного расстояния f' и размера изображения 2 у приведены в миллиметрах, значения остальных параметров приведены при нормировке наибольшего эквивалентного фокусного расстояния объективов
Кроме того, в таблице 1 приведены формат и размер (шаг) пикселя МБМ, для которого предназначен пример исполнения.
Таблица 1
Параметры примера конкретного исполнения (первый вариант)
Параметр
ШПЗ
УПЗ
f', мм
24
72
D:f'
1:1,13
1:1,20
2ω, град
30
9,4
2y, мм
12
Δλ, мкм
8-12
Поз.1, 3, 6, 7, 8
Ge
Поз.5
ZnSe
Масса, г
160
Длина, мм
104
Формат МФПУ
384×288
Размер пикселя, мм
0,025
<maths num="15"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>н</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000009.tif" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
0,33
1
φ<sub>1</sub>
1,23
d<sub>12</sub>
0,08
0,38
φ<sub>2</sub>
-0,60
φ<sub>3</sub>
2,04
d<sub>34</sub>
0,05
0,35
φ<sub>4</sub>
1,02
φ<sub>5</sub>/φ<sub>2</sub>
1,42
r<sub>2</sub>
2,63
r<sub>12</sub>
0,95
<maths num="16"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
0,82
<maths num="17"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
0,48
L
1,43
i
12
34
В таблице 1 приняты следующие обозначения: φ - относительная оптическая сила i-го компонента в соответствии с позициями компонентов на фиг.1а и 1б; d - расстояние между компонентом 1 и подвижным компонентом 2 в его фиксированных положениях по оси; d - расстояние между компонентом 3 и подвижным компонентом 4 в его фиксированных положениях по оси; L - расстояние от первой поверхности мениска поз.1 до плоскости изображений объектива. Обозначения остальных величин объяснены ранее по тексту заявки, их величины приведены для указанной нормировки. Масса указана для световых диаметров линз.
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>≤</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Как следует из таблицы 1 и фиг.1а и 1б, величины оптических сил и форма выполнения линз и компонентов соответствуют заявляемым в первом варианте объектива. Между параметрами объектива в примере исполнения имеют место следующие соотношения:
;
; т.е. выполняются заявленные в первом варианте объектива соотношения:
и
. Как следует из таблицы 1, подвижные компоненты 2 и 4 в примере исполнения перемещаются вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое в одном направлении на одинаковую величину, равную 0,3 при принятой нормировке. Мениск 5 выполнен из селенида цинка, остальные линзы из германия. Использованные материалы пропускают инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм. Все линзы примера конкретного исполнения имеют сферические преломляющие поверхности.
Величина относительного отверстия в режиме УПЗ составляет 1:1,2, различие в значениях диафрагменных чисел в режимах УПЗ и ШПЗ составляет менее 0,1, т.е. относительные отверстия при смене полей являются квазиравными и повышено в режиме УПЗ по сравнению с наиболее близким аналогом. Относительная длины объектива по сравнению с наиболее близким аналогом уменьшена в 1,2 раза (1,72/1,43=1,2). При этом в примере конкретного исполнения при указанных выше соотношениях между оптическими силами линз и компонентов, форме линз и соотношений между параметрами, используя методы оптимизации, применяемые в оптических проектировочных программах, обеспечивается такая балансировка аберраций, которая соответствует требованиям к качеству изображения объективов тепловизионных приборов.
Для подтверждения высокого качества изображения предлагаемого варианта для примера конкретного исполнения, представленного в таблице 1, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения: на фиг.2а, 2б приведены графики ЧКХ, а на фиг.3а, 3б - графики ФКЭ соответственно для УПЗ и ШПЗ. На частоте 30 лин/мм значение коэффициента передачи контраста для УПЗ составляет от 0,5 (ось) до 0,4 (угол кадра); для ШПЗ - соответственно от 0,55 до 0,3. Значение ФКЭ на площадке со стороной, равной шагу пикселя, для УПЗ составляет 0,8 (ось) и 0,73 (угол кадра); для ШПЗ - соответственно 0,82 и 0,6. Таким образом, из представленных графиков следует, что заявляемый объектив обеспечивает высокое качество изображения для примера конкретного исполнения, близкое к дифракционному.
Реализация второго варианта светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора иллюстрируется конкретным примером исполнения, параметры которого приведены в таблице 2. Обозначения в таблице 2 аналогичны таблице 1.
Таблица 2
Параметры примера конкретного исполнения (второй вариант)
Параметр
ШПЗ
УПЗ
f', мм
24
72
D:f'
1:1,17
1:1,20
2ω, град
30
9,6
2у, мм
12
Δλ, мкм
8-12
Поз.1, 3, 6, 7, 8
Gre
Поз.5
ZnSe
Масса, г
172
Длина, мм
100
Формат МФПУ
384×288
Размер пикселя, мм
0,025
<maths num="22"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>н</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000009.tif" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
0,33
1
φ<sub>1</sub>
0,95
d<sub>12</sub>
0,04
0,46
φ<sub>2</sub>
-2,40
φ<sub>3</sub>
2,16
d<sub>34</sub>
0,03
0,29
φ<sub>4</sub>
0,87
φ<sub>5</sub>/φ<sub>6</sub>
0,11
r<sub>2</sub>
1,75
r<sub>12</sub>
0,72
<maths num="23"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
1,06
<maths num="24"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
0,52
L
1,39
Объектив имеет два дискретных значения фокусного расстояния: 24 мм и 72 мм и предназначен для использования в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм с МБМ формата 384×288 (шаг пикселей 0,025 мм). Соответственно угловое поле в режиме ШПЗ составляет 30° (по диагонали кадра), в режиме УПЗ - 9,6°. Относительные отверстия соответственно равны 1:1,2 и 1:1,17, т.е. являются квазиравными.
Оптические силы компонентов 1-4 объектива (см. фиг.4) равны соответственно: 0,95; -2,4; 2,16; 0,87, что обосновывает заявленный диапазон изменения оптических сил линз в объективе по второму варианту.
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>≤</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>≤</mo><mn>5</mn><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Между параметрами объектива в примере исполнения имеют место следующие соотношения:
;
; т.е. выполняются заявленные во втором варианте объектива соотношения:
и
.
Относительная длины объектива по сравнению с наиболее близким аналогом уменьшена в 1,24 раза (1,72 /1,39=1,24).
Как следует из таблицы 2, подвижные компоненты 2 и 4 в примере исполнения перемещаются вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое в одном направлении соответственно на величины 0,42 и 0,29 (при принятой нормировке). Мениск 5 выполнен из селенида цинка, остальные линзы из германия. Использованные материалы пропускают инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм. Все линзы примера конкретного исполнения имеют сферические преломляющие поверхности.
Конкретные значения конструктивных параметров обеспечиваются стандартной оптимизацией, входящей в состав любой современной оптической программы по расчету оптических систем, при использовании указанных оптических сил, материалов и соотношений.
Для подтверждения высокого качества изображения предлагаемого варианта на фиг.5а, 5б приведены графики ЧКХ, на фиг 6а, 6б - графики ФКЭ. Из представленных графиков следует, что заявляемый объектив (второй вариант) также обеспечивает высокое качество изображения, близкое к дифракционному. Для пространственной частоты 30 лин/мм в плоскости изображений коэффициенты передачи контраста для УПЗ лежат в диапазоне от 0,5 (ось) до 0,43 (угол кадра); для ШПЗ соответственно от 0,5 до 0,3. ФКЭ для пикселя размером 0,025 мм для УПЗ лежат в диапазоне от 0,82 (ось) до 0,76 (угол кадра), для ШПЗ - соответственно от 0,8 до 0,63.
Таким образом, в примерах конкретных исполнений светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора как по первому, так и по второму вариантам исполнения достигаемый технический результат по сравнению с наиболее близким аналогом заключается в увеличении углового поля, повышении относительного отверстия в режиме узкого поля зрения и обеспечении квазиравных значений относительных отверстий при смене поля зрения, в уменьшении относительной длины объектива при обеспечении высокого качества изображения.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемых вариантов светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора позволяет создать малогабаритную технологичную, экономически эффективную конструкции оптической системы светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающую возможность сопряжения с современными неохлаждаемыми матричными приемниками ИК-излучения в диапазоне 8-12 мкм.
Литература
1. Патент RU 2316797, 2008.
2. Патент RU 2339983, 2008.
3. Патент RU 2348954, 2009.