ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ
INFRARED LENS WITH TWO FIELDS OF VIEW

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах.
7
7
Известны объективы с двумя полями зрения для среднего инфракрасного диапазона (см. патенты US 2012/022914 A1, МПК G02B 15/14 публ. 13.09.2012 г., US 6424460 B1, МПК G02B 15/14 публ. 23.07.2002 г.) с фокусными расстояниями 508/258 мм, 160/53 мм и относительными отверстиями 1:2 и 1:2,5 соответственно, в которых смена полей зрения осуществляется перемещением одного из компонентов вдоль оптической оси. Недостатком первого из указанных объективов являются большие габариты входных линз, большое количество используемых материалов и малая кратность изменения полей зрения. Недостатком второго объектива являются малые относительное отверстие и фокусное расстояние в узком поле зрения, большое количество используемых материалов.
7
Также известен объектив для дальнего инфракрасного диапазона (см. патент RU 2400784 C1, МПК G02B 13/14 публ. 27.09.2010 г.), содержащий десять линз, с фокусным расстоянием 210/70 мм и относительным отверстием 1:2, смена полей зрения осуществляется перемещением двух компонентов вдоль оптической оси. Недостатками этого объектива являются большое количество линз, наличие двух перемещаемых компонентов и величина их перемещения (для одного из компонентов более 100 мм).
7
max
min
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объективу, принятым за прототип, является инфракрасный объектив с двумя полями зрения (см. патент US 2010/0033578 A1, МПК G02B 15/14 публ. 11.02.2010 г.), состоящий из трех компонентов: неподвижных первого и третьего и подвижного второго. Неподвижный первый компонент содержит первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия, вторую положительную двояковыпуклую линзу из селенида цинка с асферическими поверхностями, третью отрицательную выпукло-вогнутую линзу из фтористого кальция, четвертую положительную выпукло-вогнутую линзу из селенида цинка и пятую отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия, второй подвижный компонент содержит отрицательную вогнуто-выпуклую линзу из германия с асферическими поверхностями, третий неподвижный компонент содержит первую положительную двояковыпуклую линзу из германия с асферическими поверхностями и вторую положительную двояковыпуклую линзу из германия. Изменение поля зрения осуществляется путем перемещения подвижного компонента вдоль оптической оси в пространстве между первым и третьим компонентами. Объектив работает с относительным отверстием 1:2,7, в узком поле зрения фокусное расстояние объектива f′=180 мм, диаметр входного зрачка 66,7 мм, в широком поле зрения - f′=60 мм, диаметр входного зрачка 22,2 мм.
Недостатками этого инфракрасного объектива являются малые значения диаметра входного зрачка, при котором на фотоприемник тепловизора поступает малый поток излучения от объектов наблюдения, и фокусного расстояния, не обеспечивающего достаточного углового разрешения, что уменьшает дальность действия прибора.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение энергетических характеристик и углового разрешения инфракрасного объектива с двумя полями зрения за счет увеличения диаметра входного зрачка и фокусного расстояния.
Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном объективе с двумя полями зрения, состоящем из неподвижного первого компонента, содержащего первую выпукло-вогнутую линзу и вторую положительную двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, подвижного второго компонента, содержащего отрицательную линзу, первая поверхность которой выполнена асферической, установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и неподвижного третьего компонента, содержащего первую двояковыпуклую и вторую положительные линзы, первая линза первого неподвижного компонента выполнена положительной, а подвижный второй компонент расположен между первой и второй линзами неподвижного первого компонента.
А также тем, что вторая поверхность первой линзы первого неподвижного компонента выполнена асферо-дифракционной.
А также тем, что линза второго подвижного компонента выполнена двояковогнутой.
А также тем, что первая поверхность первой линзы третьего неподвижного компонента выполнена асферо-дифракционной.
А также тем, что в третьем неподвижном компоненте вторая линза выполнена выпукло-вогнутой.
На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения.
Инфракрасный объектив с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента I, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу 1 и вторую положительную двояковыпуклую линзу 2, подвижного второго компонента II, содержащего отрицательную двояковогнутую линзу 3, и неподвижного третьего компонента III, содержащего первую положительную двояковыпуклую линзу 4 и вторую положительную выпукло-вогнутую линзу 5. Подвижный второй компонент расположен с возможностью перемещения вдоль оптической оси между первой 1 и второй 2 линзами неподвижного первого компонента I. Вторая поверхность первой положительной выпукло-вогнутой линзы 1 неподвижного первого компонента I и первая поверхность первой положительной двояковыпуклой линзы 4 неподвижного третьего компонента III выполнены асферо-дифракционными. Вторая поверхность второй положительной двояковыпуклой линзы 2 неподвижного первого компонента I и первая поверхность отрицательной двояковогнутой линзы 3 подвижного второго компонента II выполнены асферическими.
В таблице 1 приведены технические характеристики объектива.
Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 2.
Таблица 1
Технические характеристики
Узкое поле зрения
Широкое поле зрения
Спектральный диапазон работы, мкм
3-5
Фокусное расстояние, мм
320
107
Диаметр входного зрачка, мм
160
53,5
Угловое поле зрения, град
1,72×1,38
5,14×4,11
Таблица 2
Линза №
Радиус сферической поверхности, мм
Толщина по оси, мм
Материал
1
r<sub>1</sub>=201,7
d<sub>1</sub>=17
Кремний
r<sub>2</sub>=344,3<sup>1)</sup>
d<sub>2</sub>=137 (112)
2
r<sub>3</sub>=-137,5<sup>2)</sup>
d<sub>3</sub>=5
Германий
r<sub>4</sub>=146
d<sub>4</sub>=8 (33)
3
r<sub>5</sub>=253,5
d<sub>5</sub>=7
Кремний
r<sub>6</sub>=-146,2<sup>3)</sup>
d<sub>6</sub>=125
4
r<sub>7</sub>=111,3<sup>4)</sup>
d<sub>7</sub>=5
Германий
r<sub>8</sub>=-326,3
d<sub>8</sub>=1
5
r<sub>9</sub>=15,9
d<sub>9</sub>=4
Кремний
r<sub>10</sub>=13,27
d<sub>10</sub>=33.3
<sup>1)</sup>,<sup>4)</sup> - асферо-диффракционная поверхность;
<sup>2)</sup>, <sup>3)</sup> - асферическая поверхность
Как видно из таблицы 2, линзы объектива выполнены из двух оптических материалов: германия и кремния. Комбинация этих материалов, выбор оптических сил и формы линз, а также выполнение поверхностей линзы 1 и линзы 4 асферо-дифракционными обеспечивают высокое качество изображения. В таблице 3 приведены расчетные значения концентрации энергии, характеризующие качество изображения объектива.
Таблица 3
Фокусное расстояние, мм
Концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм, %
в центр поля зрения
на краю поля зрения по горизонту
320
74
69
107
77
40
Инфракрасный объектив с двумя полями зрения 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. Наклонные пучки лучей также проходят через все линзы объектива и фокусируются соответственно в других точках фокальной плоскости.
Смена полей зрения (фокусного расстояния) объектива осуществляется перемещением линзы 3 подвижного второго компонента II вдоль оптической оси в пространстве между линзами 1 и 2 неподвижного первого компонента I на 25 мм.
Таким образом, выполнение инфракрасного объектива с двумя полями зрения в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет повысить его энергетические характеристики и угловое разрешение за счет увеличения в 2,4 раза диаметра входного зрачка и в 1,8 раза фокусного расстояния.