Инфракрасный зеркально-линзовый объектив с двойным полем зрения
Владельцы патента RU 2292066:
Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (RU)
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических системах, работающих в среднем и дальнем ИК-диапазоне длин волн, например, в тепловизионных приборах. Инфракрасный зеркально-линзовый объектив с двойным полем зрения включает линзовый компенсатор, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету с отверстием в центральной части, вогнутое первичное зеркало Манжена, выполненное в виде отрицательного мениска, обращенное выпуклостью к изображению, на выпуклой поверхности которого нанесено зеркальное покрытие с отверстием в центральной части, вторичное контрзеркало, с зеркальным покрытием на выпуклой поверхности, обращенное выпуклостью к изображению и установленное с возможностью ввода и вывода его из хода лучей, фокальный компенсатор, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету и установленного в отверстии первичного зеркала Манжена. Перед линзовым компенсатором - положительным мениском расположен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, а за ним, перед контрзеркалом - двояковыпуклая линза в центральном отверстии линзового компенсатора - положительного мениска. Технический результат - увеличение угла поля зрения узкопольного канала объектива при сохранении высокого качества изображения. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.
Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в среднем и дальнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.
Известна зеркально-линзовая оптическая система с двойным полем зрения [Европейский патент №0145845, G 02 В, 17/08, публ. 1985 г.], включающая узкопольную зеркально-линзовую оптическую подсистему, состоящую из первичного вогнутого зеркала, обращенного вогнутостью к предмету, и вторичного выпуклого контрзеркала, обращенного выпуклостью к изображению; широкоугольную линзовую оптическую подсистему; общую оптическую подсистему, совмещенную с широкоугольной оптической подсистемой. Переключение оптической системы из узкопольной в широкопольную производится выводом вторичного контрзеркала за пределы световых пучков.
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет слишком сложную конструкцию (состоит из двух зеркал и шести линз).
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является оптическая система с двойным полем зрения [Европейский патент №0051970, G 02 В, 17/08, публ. 1982 г.], состоящая из линзового компенсатора, выполненного в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, вогнутого первичного зеркала Манжена, выполненного в виде отрицательного мениска с отверстием в центральной части, вторичного контрзеркала, установленного с возможностью ввода и вывода его из оптической схемы, с зеркальным покрытием на выпуклой, обращенной к изображению поверхности, фокального компенсатора, выполненного из двух одиночных линз, расположенных за первичным зеркалом. Между линзовым компенсатором и вторичным контрзеркалом расположены вогнутоплоская линза, обращенная вогнутостью к предмету, и положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Причем узкопольный зеркально-линзовый объектив состоит из линзового компенсатора, первичного и вторичного контрзеркала и фокального компенсатора. А широкопольный объектив включает в себя линзовый компенсатор, вогнутоплоскую линзу, положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и фокальный компенсатор. При этом линзовый компенсатор выполнен из сульфида цинка, а вторичное контрзеркало, вогнутоплоская линза и положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, выполнены из германия.
При выведенном вторичном контрзеркале работает широкопольный линзовый объектив, а при введенном в оптическую схему вторичном контрзеркале работает узкопольный зеркально-линзовый объектив.
Характеристики узкопольного объектива:
| Фокусное расстояние объектива | 224,79 мм |
| относительное отверстие | 1:2 |
| угловое поле зрения | 2,38°×3,22° |
Объектив с двойным полем зрения рассчитан для ИК-диапазона длин волн.
Данный объектив имеет малое поле зрения узкопольного объектива 2,38°×3,22° при относительном отверстии 1:2.
Задачей заявляемого изобретения является создание зеркально-линзового объектива с двойным полем зрения с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - увеличение угла поля зрения узкопольного канала объектива, при сохранении высокого качества изображения.
Это достигается тем, что в инфракрасном зеркально-линзовом объективе с двойным полем зрения, состоящем по ходу лучей из линзового компенсатора - мениска, обращенного выпуклостью к предмету, вогнутого первичного зеркала Манжена, выполненного в виде отрицательного мениска с отверстием в центральной части, вторичного контрзеркала, установленного с возможностью ввода и вывода его из оптической схемы, обращенного выпуклой зеркальной поверхностью к изображению, фокального компенсатора и установленными перед линзовым компенсатором первой линзой, обращенной вогнутостью к предмету, а за ней перед контрзеркалом второй линзой - положительной, в котором, в отличие от известного, линзовый компенсатор выполнен положительным с отверстием в центральной части, фокальный компенсатор выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и установлен в отверстии первичного зеркала, расположенная перед линзовым компенсатором первая линза выполнена в виде отрицательного мениска, а вторая выполнена двояковыпуклой и расположена в отверстии линзового компенсатора.
Кроме того, оба радиуса двояковыпуклой линзы могут быть равны по абсолютной величине, показатель преломления материала зеркала Манжена и показатель преломления материала отрицательного мениска, установленного по ходу лучей перед двояковыпуклой линзой, могут иметь величину менее 4, кроме того, линзовый компенсатор - положительный мениск с отверстием в центре и отрицательный мениск, расположенный перед контрзеркалом, могут быть выполнены из селенида цинка.
На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.
Инфракрасный зеркально-линзовый объектив с двойным полем зрения включает линзовый компенсатор, выполненный в виде положительного мениска 1, обращенного выпуклостью к предмету, с отверстием в центральной части, вогнутое первичное зеркало Манжена 2, выполненное в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, на выпуклой поверхности которого нанесено зеркальное покрытие, с отверстием в центральной части, вторичное контрзеркало 3 с зеркальным покрытием на выпуклой поверхности, обращенное выпуклостью к изображению и установленное с возможностью ввода и вывода его из хода лучей, фокальный компенсатор, выполненный в виде положительного мениска 4, обращенного выпуклостью к предмету и установленного в отверстии первичного зеркала Манжена 2. Перед линзовым компенсатором - положительным мениском 1 расположен отрицательный мениск 5, обращенный вогнутостью к предмету, а за ним, перед контрзеркалом 3 - двояковыпуклая линза 6 в центральном отверстии линзового компенсатора - положительного мениска 1.
Объектив работает следующим образом. Для первого узкопольного канала световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, проходит через линзовый компенсатор 1, выполненный в виде положительного мениска, затем через вогнутое первичное зеркало Манжена 2, отразившись от его второй зеркальной поверхности, попадает на выпуклое вторичное контрзеркало 3, отразившись от которого проходит через фокальный компенсатор - положительный мениск 4, обращенный выпуклостью к предмету, и образует его изображение в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан). Для второго широкопольного канала световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, проходит через отрицательный мениск 5, обращенный вогнутостью к предмету, двояковыпуклую линзу 6, положительный мениск 4, обращенный выпуклостью к предмету, и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан). Переключение инфракрасного зеркально-линзового объектива с двойным полем зрения с большего фокусного расстояния на меньшее осуществляется выводом из световых пучков вторичного контрзеркала 3. При переключении каналов плоскость изображения не сдвигается и положительный мениск 4 - общий для двух каналов также не сдвигается.
В соответствии с предложенным решением рассчитан зеркально-линзовый объектив с двойным полем зрения для дальнего ИК-диапазона длин волн от 8 до 12,5 мкм.
Конструктивные параметры объектива приведены в таблицах 1 и 2. Характеристики рассчитанного объектива:
| фокусное расстояние f'1 узкопольного | |
| канала объектива | 180,24 мм |
| относительное отверстие | 1:2 |
| угол поля зрения | 7° |
| задний фокальный отрезок | 15,27 мм |
| фокусное расстояние f'2 широкопольного | |
| канала объектива | 74,55 мм |
| относительное отверстие | 1:2,4 |
| угол поля зрения | 17° |
| задний фокальный отрезок | 15,27 мм |
Как видно из табл.1 и 2, радиусы R11 и R12 двояковыпуклой линзы 6 равны по абсолютной величине; показатель преломления материала зеркала Манжена 2 и отрицательного мениска 5 - 2,4067; что меньше 4, и, кроме того, они выполнены из селенида цинка; линзовый компенсатор 1 и положительный мениск 4 выполнены также из селенида цинка.
| Таблица 1 Конструктивные параметры узкопольного канала объектива для f'1=180,24 мм | ||||
| Радиусы, мм | Толщины, мм | Материал | Показатель преломления для λ=10 мкм | Световой диаметр, мм |
| R1=201,76 | 90 | |||
| d1=7,5 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R2=264,228 | 88.4 | |||
| d2=70 | ||||
| R3=-188,85 | 78,6 | |||
| d3=7,5 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R4=-230,67 | 80 | |||
| d4=-7,5 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R5=-188,85 | 78,6 | |||
| d5=-60 | ||||
| R6=-305,5 | 38,2 | |||
| d6=60 | ||||
| R7=39,167 | 25,7 | |||
| d7=2,5 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R8=44,866 | 24,8 |
| Таблица 2 Конструктивные параметры широкопольного канала объектива для f'2=74,55 мм | ||||
| Радиусы, мм | Толщины, мм | Материал | Показатель преломления для λ=10 мкм | Световой диаметр, мм |
| R9=-34,59 | 30,4 | |||
| d1=2,9 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R10=-38,114 | 32 | |||
| d2=25 | 1 | |||
| R11=480,71 | 34 | |||
| d3=2,9 | Ge | 4,0024 | ||
| R12=-480,71 | 34 | |||
| d4=74 | 1 | |||
| R7=39,167 | 23,3 | |||
| d5=2,5 | ZnSe | 2,4067 | ||
| R8=44,866 | 22,4 |
| Таблица 3 В таблице 3 приведены аберрации рассчитанного объектива для f'1=180,24 мм и для f'2=74,55 мм для λ=10 мкм. | ||
| Вид аберрации | Узкопольный канал объектива (не более) | Широкопольный канал объектива (не более) |
| Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:2 | 0,0044 мм | |
| Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:2,4 | 0,013 мм | |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=7° | 0,017 мм | |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=7° | 0,012 мм | |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=17° | 0,02 мм | |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=17° | 0,016 мм | |
| Меридиональный астигматический отрезок Х'м для поля зрения 2W=7° | 0,028 мм | |
| Сагиттальный астигматический отрезок X's для поля зрения 2W=7° | 0,03 мм | |
| Меридиональный астигматический отрезок Х'м для поля зрения 2W=17° | 0,043 мм | |
| Сагиттальный астигматический отрезок X's для поля зрения 2W=17° | 0,132 мм | |
| Дисторсия для поля зрения 2W=7° | 0,35% | |
| Дисторсия для поля зрения 2W=17° | 0,8% |
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан инфракрасный зеркально-линзовый объектив с двойным полем зрения с повышенным углом поля зрения узкопольного канала 2W=7°, при относительном отверстии узкопольного объектива 1:2; с полем зрения широкопольного канала 2W=17°, при относительном отверстии, широкопольного канала 1:2,4; при высоком качестве изображения, работающий в дальнем ИК-диапазоне спектра от 8 до 12,5 мкм. Объектив более технологичен, так как отсутствуют асферические поверхности, из дефицитного германия выполнена только одна линза и термокомпенсация обоих каналов производится одновременно за счет изменения удаления приемника оптического излучения от последнего по ходу лучей компонента объектива.
1. Инфракрасный зеркально-линзовый объектив с двойным полем зрения, состоящий по ходу лучей из линзового компенсатора - мениска, обращенного выпуклостью к предмету, вогнутого первичного зеркала Манжена, выполненного в виде отрицательного мениска с отверстием в центральной части, вторичного контрзеркала, установленного с возможностью ввода и вывода его из оптической схемы, обращенного выпуклой зеркальной поверхностью к изображению, фокального компенсатора и установленными перед линзовым компенсатором первой линзой, обращенной вогнутостью к предмету, а за ней перед контрзеркалом второй линзой - положительной, отличающийся тем, что линзовый компенсатор выполнен положительным с отверстием в центральной части, фокальный компенсатор выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и установлен в отверстии первичного зеркала, расположенная перед линзовьм компенсатором первая линза выполнена в виде отрицательного мениска, а вторая выполнена двояковыпуклой и расположена в отверстии линзового компенсатора.
2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что оба радиуса двояковыпуклой линзы в широкопольном линзовом канале равны по абсолютной величине.
3. Объектив по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления материала зеркала Манжена имеет величину менее 4.
4. Объектив по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления материала отрицательного мениска, установленного по ходу лучей перед двояковыпуклой линзой, имеет величину менее 4.
5. Объектив по п.1, отличающийся тем, что линзовый компенсатор - положительный мениск с отверстием в центре выполнен из селенида цинка.
6. Объектив по п.1, отличающийся тем, что отрицательный мениск, расположенный перед контрзеркалом, выполнен из селенида цинка.
