ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ
INFRARED LENS WITH VARIABLE FOCAL DISTANCE

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к оптико-электронным приборам, работающим в дальней ИК-области спектра.
Известен инфракрасный объектив (патент WO 99-59015 А1, опубл. 18.11.1999), имеющий два значения фокусного расстояния, содержащий 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, выполненный в виде положительного мениска, двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска. Фокусное расстояние изменяется в 2,5 раза путем перемещения второй и третьей линзы в одном направлении с двумя фиксированными положениями при светосиле 1:2,5. Инфракрасный объектив содержит три асферические поверхности - вторую поверхность первого мениска, вторую поверхность второй двояковогнутой линзы и последнюю поверхность шестой линзы объектива.
Недостатком этого объектива является малая светосила, большое число линз из германия - шесть, что еще более снижает значение физической светосилы (с учетом светопропускания), и малый диапазон изменения фокусных расстояний - в 2,5 раза.
Наиболее близким по технической сущности является инфракрасный объектив с двумя фокусными расстояниями для работы в оптических системах тепловизоров (патент RU 2348954 С1, опубл. 10.03.2009), содержащий 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, выполненный в виде отрицательного и положительного менисков. Фокусное расстояние изменяется в три раза перемещением второй и третьей линзы в противоположных направлениях с двумя фиксированными положениями, при достаточно высоких значениях светосилы (1:1,1 и 1:1,5) и с применением сферических поверхностей.
Число линз из германия в этом объективе уменьшено до пяти, а диапазон изменения фокусных расстояний увеличен до 3-х раз. Но такое улучшение также является недостаточным и не решает поставленную задачу.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение количества линз до трех с одновременным увеличением диапазона изменения фокусных расстояний до 4-х раз с сохранением высокой светосилы и качества изображения, приемлемого для работы с современными матричными приемниками инфракрасного излучения.
2
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в инфракрасном объективе с переменным фокусным расстоянием, включающем расположенные по ходу луча первый положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, второй мениск с возможностью его перемещения по оптической оси, апертурную диафрагму и третий положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, в отличие от известного первый и третий мениски содержат по одной асферической поверхности, второй мениск выполнен отрицательным, при этом в первом фиксированном положении обращен выпуклостью к плоскости изображений, а во втором фиксированном положении повернут на 180° относительно первого фиксированного положения и обращен вогнутостью к плоскости изображений, а оптическая сила перемещаемого второго компонента ОС составляет:
об.min
где OC - минимальная оптическая сила объектива.
Перемещение второго компонента с его разворотом на 180° обеспечивает ступенчатое изменение фокусного расстояния, позволяющее реализовать два режима работы: режим поиска и режим опознавания (при меньшей и большей величине фокусного расстояния соответственно), что повышает эффективность поиска объектов по их тепловому излучению в дальней инфракрасной области спектра.
Схема объектива показана на чертеже.
об.min
Объектив содержит: первый по ходу луча компонент - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, второй компонент - отрицательный мениск 2, обращенный выпуклостью к плоскости изображений, апертурную диафрагму 3, третий компонент - положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, плоскость изображений 5. При этом у менисков 1 и 4 поверхности R2 и R5 - асферические, а мениск 2 имеет возможность установки в положениях «а» и «б», где в положении «б» он повернут на 180° и обращен выпуклостью к предмету, а его оптическая сила равна -41,77 при оптической силе «OC» объектива 16,67. Все мениски выполнены из Ge.
Конструктивные данные при положении второго компонента в поз. 2а и при фокусном расстоянии объектива 15 мм приведены в таблице 1.
Примечания:
0
1. * - асферическая поверхность, R=57,41, коническая постоянная K=0,07.
0
3. ** - асферическая поверхность, R=38,46, коническая постоянная K=-0,7.
При перемещении второго компонента в положение «б» с его одновременным разворотом на 180°, фокусное расстояние объектива становится равным 60 мм. Конструктивные данные при таком положении приведены в таблице 2.
Таким образом, параметры вариантов исполнения объектива:
- расчетная длина волны
10,6 мкм;
- рабочий спектральный диапазон
8,0…14,0 мкм;
- фокусное расстояние
15 и 60 мм;
- фокусное расстояние подвижного компонента
23,9 мм;
- задний фокальный отрезок
27,7 мм;
- линейное поле зрения
9,0 мм;
- относительное отверстие
1:1,32.
Принцип действия объектива заключается в следующем.
Первый компонент 1, апертурная диафрагма 3, третий компонент 4 и плоскость изображений 5 неподвижны.
2
Второй компонент 2, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси и с возможностью его разворота на 180°, имеет отрицательную оптическую силу OC, которая составляет:
об.min
где OC - минимальная оптическая сила объектива.
Второй компонент, поворачиваясь, занимает два фиксированных положения «а» и «б», при которых изображение апертурной диафрагмы 3, установленной перед третьим компонентом 4, строится в пространстве предметов как входной зрачок оптической системы с разным диаметром для каждого фиксированного положения второго компонента 2.
В таком случае оптическая система при двух фиксированных положениях второго компонента («а» и «б») обладает разными фокусными расстояниями с одинаковым положением фокальной плоскости и с одинаковой светосилой. Использование осевой подвижки второго компонента 2 с его одновременным разворотом на 180° позволяет увеличить диапазон изменений фокусного расстояния и уменьшить количество линз.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла фотоприемника, равную 1,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива -1,0 на длине волны 8 мкм, 1,0 на длине волны 10,6 мкм, 1,0 на длине волны 14 мкм;
- пространственную частоту 30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива.
об.мин.
При положении подвижной линзы, соответствующему f=15 мм:
- для точки на оси (дифракционное качество)
КПК=45,1%
- для точки на оси (аберрационное качество)
КПК=40,5%
- для точки поля 3 мм от центра
изображения
КПК<sub>м</sub>=35,4%
КПК<sub>с</sub>=39,7%
- для точки поля 4,5 мм от центра
изображения
КПК<sub>м</sub>=34,7%
КПК<sub>с</sub>=33,1%
об.макс.
При положении подвижной линзы, соответствующему f=60 мм:
- для точки на оси (дифракционное качество)
КПК=45,1%
- для точки на оси (аберрационное качество)
КПК=31,3%
- для точки поля 3 мм от центра
изображения
КПК<sub>м</sub>=30,2%
КПК<sub>с</sub>=30,6%
- для точки поля 4,5 мм от центра
изображения
КПК<sub>м</sub>=23,6%
КПК<sub>с</sub>=29,2%
Как видно из расчетов, инфракрасный объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает ступенчатое изменение фокусного расстояния и близкое к дифракционному приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников микроболометрические матрицы с размером пикселя до 17 мкм.