ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ
INFRARED LENS WITH DISCRETE CHANGE OF FOCAL DISTANCE

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к объективам с дискретным изменением фокусного расстояния, предназначенным для работы в дальней инфракрасной области спектра 8-12 мкм в составе оптических систем тепловизоров различного назначения, в том числе приборов смотрящего типа, использующих матричные приемники излучения.
min
max
max
min
Известна оптическая схема объектива [1] содержащая 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 в виде отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью друг к другу. Вторая и третья линзы перемещаются в противоположных направлениях и имеют два фиксированных положения для обеспечения двух дискретных значений фокусных расстояний (ƒ'=40 мм и ƒ'=120 мм), что соответствует перепаду увеличений m=ƒ' /ƒ'=3.
max
max
Известна другая оптическая схема объектива [2], которая содержит установленные по ходу лучей первый и последний неподвижные положительные компоненты и подвижные одиночные линзы, расположенные между ними. Все элементы оптической системы изготовлены из материала одной марки. Между второй перемещающейся линзой и последним неподвижным компонентом введена дополнительная линза, которая в первом варианте имеет возможность перемещения, и подвижные линзы перемещаются без сохранения постоянного расстояния между вершинами своих преломляющих поверхностей. Во втором варианте дополнительная линза неподвижна, а подвижные компоненты перемещаются в противоположных направлениях. Перепад увеличений в обоих вариантах объектива m=3, а продольные габариты составляют 1,3ƒ' и 1,9ƒ' для первого и второго вариантов соответственно.
max
Также существует оптическая схема объектива [3], которая содержит два неподвижных положительных компонента и подвижный отрицательный компонент, расположенный между ними. Первый по ходу лучей неподвижный компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Последний компонент выполнен в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Отрицательный компонент выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы. Между отрицательным компонентом и последним положительным компонентом дополнительно введен положительный компонент, выполненный в виде мениска, вогнутостью обращенного к плоскости изображения, жестко связанный с апертурной диафрагмой и имеющий возможность совместного с ней перемещения вдоль оптической оси. Поверхность мениска, предшествующая апертурной диафрагме, выполнена асферической. Перепад увеличений в объективе m=2, а продольные габариты составляют 1,9ƒ'.
mах
Недостатками объективов [1-3] являются малое значение перепада увеличений, большие продольные габариты, составляющие (1,3÷1,9)ƒ', низкое качество изображения, а также сложность обеспечения раздельного точного перемещения нескольких оптических компонентов и их фиксации в требуемых положениях.
1
2
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип является инфракрасный (ИК) объектив с двумя фокусными расстояниями для работы в оптических системах тепловизоров [4], состоящий из расположенных по ходу луча первого положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображений, второго отрицательного мениска с возможностью его перемещения по оптической оси для обеспечения двух значений фокусных расстояний ƒ'=15 мм и ƒ'=60 мм, апертурной диафрагмы и третьего положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображений. Первый и третий мениски содержат по одной асферической поверхности. Особенностью объектива является то, что перемещение второго мениска осуществляется за счет ввода и вывода его из оптической схемы объектива с одновременным разворотом на 180°.
max
Основным недостатком прототипа являются малое значение перепада увеличений m=4 и большие продольные габариты, составляющие 1,6ƒ'.
Технический результат - обеспечение повышения перепада увеличений объектива с дискретным изменением фокусного расстояния при одновременном уменьшении продольных габаритов и сохранении высокой его светосилы и качества изображения.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного прототипа, предложен ИК объектив с дискретным изменением фокусного расстояния, содержащий расположенные по ходу лучей первый положительный компонент, второй отрицательный компонент и третий положительный компонент, при этом второй компонент имеет два звена, которые попеременно вводятся в ход лучей в фиксированное положение на оптической оси для дискретного изменения фокусного расстояния, для чего первый компонент состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, первое звено второго компонента состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковогнутой линзы, второе звено второго компонента состоит из двух двояковогнутых линз, третий компонент состоит из двух положительных менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, и расположенного между ними отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, причем апертурная диафрагма для меньшего фокусного расстояния находится в составе третьего компонента, а для большего - в составе первого, третий компонент состоит из базового элемента и асферического корректора сферической аберрации и астигматизма, а в объективе соблюдаются следующие соотношения:
2
2
min
max
где L - осевая толщина второго компонента, включая расстояния до первого и третьего компонентов, L - длина объектива вдоль оптической оси от первого компонента до плоскости изображения, ƒ' - фокусное расстояние второго компонента, ƒ' и ƒ' - минимальное и максимальное значения фокусного расстояния объектива соответственно.
В отличие от прототипа, в котором для изменения фокусного расстояния используется разворот и перемещение вдоль оптической оси одной и той же линзы, в настоящем изобретении каждое из двух звеньев имеет свои конструктивные параметры, что позволяет добиться более высокого перепада увеличений и меньших продольных габаритов. При этом увеличивается точность установки второго подвижного компонента в ход лучей объектива за счет более простого закона перемещения звеньев компонента.
Положительный эффект настоящего изобретения в отличие от прототипа заключается в том, что третий положительный компонент содержит два функциональных элемента, один из которых – базовый - служит для обеспечения требуемой оптической силы объектива и компенсации сдвига плоскости изображения, второй – коррекционный (асферический корректор) - имеет малую оптическую силу и служит для коррекции остаточных аберраций всего объектива, прежде всего сферической аберрации и астигматизма, за счет использования в его составе асферических поверхностей. При этом использование в качестве третьего компонента одной асферической линзы (прототип) является недостаточным для обеспечения высокого качества изображения при повышении перепада увеличений и уменьшении продольных габаритов.
На обеспечение высокого качества изображения объектива также направлено изменение положения апертурной диафрагмы при смене фокусных расстояний. При минимальном значении фокусного расстояния она находится в составе третьего компонента, при максимальном - в составе первого. Такое техническое решение направлено на одновременное устранение кривизны изображения и астигматизма для максимального фокусного расстояния. Конструктивно это обеспечивается за счет ограничения световых диаметров линз, при некотором снижении относительного отверстия объектива при максимальном фокусном расстоянии по сравнению с относительным отверстием при минимальном фокусном расстоянии.
В объективе соблюдаются следующие соотношения, необходимые для обеспечения продольных габаритов, удовлетворяющих соотношению
max
L≤1,2ƒ' :
Более высокие технические характеристики предлагаемого ИК объектива с дискретным изменением фокусного расстояния обеспечиваются описанной выше совокупностью отличительных признаков. Показанная совокупность отличительных признаков направлена на получение заявленного технического результата.
На фиг. 1а и 1б показана оптическая схема ИК объектива с дискретным изменением фокусного расстояния, а также ход лучей осевого и наклонного пучков.
Позиции:
1 - первый компонент, состоящий из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения;
2 - второй компонент, первое звено которого состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковогнутой линзы, второе звено - из двух двояковогнутых линз,
3 - третий компонент, состоящий из двух положительных менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, и расположенного между ними отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов.
min
max
Фиг. 1а соответствует взаимному расположению линз компонентов при ƒ'=20 мм, а фиг. 1б - при ƒ'=130 мм.
Конструктивные параметры одного из возможных вариантов предлагаемого объектива, обладающего всей совокупностью указанных отличительных признаков, приведены в таблице 1.
Стрелка прогиба (z) асферических поверхностей 9 и 12 определяется выражением:
где у (мм) - радиальная координата; r (мм) - радиус поверхности при вершине;
а
а
а
1
2
3
-3
-5
-7
(мм),  (мм),  (мм) - коэффициенты асферической поверхности (таблица 2).
Первая линза третьего компонента является базовым элементом, а оставшиеся две - асферическим корректором.
min
max
=
При минимальном фокусном расстоянии апертурная диафрагма совпадает с первой поверхностью базовой линзы третьего компонента, при максимальном - со второй поверхностью мениска первого компонента. Относительное отверстие объектива определяется световыми диаметрами данных поверхностей и составляет 1:1 при ƒ'=20 мм и 1:1,6 при ƒ'130 мм.
max
Перепад увеличений объектива m=6,5, длина объектива от первой линзы до плоскости изображения составляет 154,97 мм, что не превышает 1,2ƒ'. В объективе соблюдаются следующие соотношения:
min
max
-1
На фиг. 2а, 26 приведены графики полихроматической функции передачи модуляции (ПФПМ) ИК объектива с дискретным изменением фокусного расстояния в меридиональной (м) и сагиттальной (с) плоскостях, для ƒ'=20 мм и ƒ'=130 мм соответственно. По оси ординат указаны коэффициенты передачи модуляции в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 30 мм(соответствует частоте Найквиста для матричного приемника излучения с размером пикселя 17 мкм), отнесенные к плоскости изображений объектива. Верхняя кривая на графиках, приведенных на фиг. 2а и 2б, соответствует дифракционной ПФПМ, остальные кривые - ПФПМ для различных точек изображения в пределах рабочего углового поля 2у'=13,6 мм. Графики подтверждают, что качество изображения объектива является достаточным для работы с современными матричными инфракрасными приемниками излучения.
Таким образом, ИК объектив с дискретным изменением фокусного расстояния, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, обеспечивает заявленный технический результат.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент RU №2348954. Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием. Опубл. 10.03.2009. Бюл. №7.
2. Патент RU №2339983. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (варианты) Опубл. 27.11.2008. Бюл. №33.
3. Патент RU №2316797. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра. Опубл. 10.02.2008 Бюл. №4.
4. Патент RU №2578268. Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием. Опубл. 27.03.2016. Бюл. №9.