Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ик-спектральных областях
Владельцы патента RU 2463633:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли (RU)
Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах. Объектив состоит из первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного, четвертого неподвижного положительного и пятого отрицательного подвижного компонентов. Первый, третий, четвертый и пятый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения. Второй - в виде одиночной двояковогнутой линзы. Первый и пятый компоненты выполнены из оптического германия с показателем преломления n=4. Второй и четвертый - из материала с показателем преломления n2=n4=2,44, третий - из материала с показателем преломления n=2,78. Вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими. Между радиусами кривизны поверхностей объектива и толщинами первого и пятого компонента выполняются соотношения, приведенные в формуле изобретения. Технический результат - высокое качество изображения, формируемое в двух спектральных интервалах 3÷5 мкм и 8÷14 мкм при малых весогабаритных параметрах. 6 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в качестве объектива тепловизионных приборов для наблюдения и опознавания объектов по тепловому излучению.
Известны линзовые объективы с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (авторское свидетельство SU 1048445, опубл. 15.10.83 г.; патент на изобретение RU 2365952, опубл. 27.08.2009 г.). Данные технические решения обеспечивают возможность наблюдения и опознавания только в одном спектральном интервале, а именно в 8÷14 мкм, и не позволяют вести наблюдения и в другом спектральном интервале 3÷5 мкм, содержащем важную фоноцелевую составляющую.
Наиболее близким аналогом к заявляемому линзовому объективу является объектив, описанный в патенте (патент на изобретение RU 2316797, опубл. 10.02.2008 г.). Объектив состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов. Первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения. Второй выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы. Однако в этом устройстве все линзы выполнены из одного материала - германия, что делает невозможным коррекцию хроматических аберраций, т.е. достижение высокого качества изображения в двух спектральных интервалах.
Задачей изобретения является создание линзового объектива с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях, позволяющего получить технический результат - обеспечение высоких технических характеристик объектива, а именно высокое качество изображения пространства предметов, формируемое в двух спектральных интервалах 3÷5 мкм и 8÷14 мкм при малых весогабаритных параметрах.
Технический результат достигается тем, что линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов. Первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения. Второй компонент выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы. Второй, третий компоненты имеют возможность перемещаться вдоль оптической оси. Первый по ходу луча компонент выполнен из оптического германия с показателем преломления n=4. Введен пятый подвижный отрицательный компонент, выполненный из оптического германия с показателем преломления n=4, в виде мениска обращенного вогнутостью к плоскости изображения, с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Второй и четвертый компоненты выполнены из материала с показателем преломления n2=n4=2,44. Третий компонент выполнен из материала с показателем преломления n=2,78. Вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими.
В оптической системе объектива выполняются соотношения:
0,8≤(r1/r2)<1,5,
0,3<(r3/r4)<1,0,
0,2<(r5/r6)<0,5,
0,8<(r7/r8)<1,5,
1,5<(r9/r10)<2,5,
(r1/r2)·d1<10,
(r7/r8)·d9<10,
где r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10 - радиусы кривизны поверхностей объектива
d1, d9 - толщины первого и пятого компонента объектива.
Предлагаемое изобретение поясняется фигурами 1-6.
На фиг.1 изображена оптическая схема линзового объектива для двух фокусных расстояний. При этом позиции I и II соответствуют длинному фокусу объектива, позиции III и IV - короткому фокусу.
В табл.1 указано изменение поля зрения 2ω при изменении фокусного расстояния, а также воздушного промежутка d8 при смене спектрального интервала.
На фиг.2 показаны графики осевых аберраций предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложены значения продольных аберраций ΔS' (мм), а по оси ординат - координата у' мм в плоскости входного зрачка.
На фиг.2 - а) при f'=100 мм и Δλ=8÷12 мкм
в) при f'=100 мм и Δλ=3÷5 мкм
c) при f'=33 мм и Δλ=8÷12 мкм
d) при f'=33 мм и Δλ=3÷5 мкм
На фиг.3-6 показаны графики частотно-контрастной характеристики предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм-1, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста Т в относительных единицах.
Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях (фиг.1) состоит из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного компонента 1, выполненного в виде мениска, второго подвижного отрицательного компонента 2, выполненного в виде одиночной двояковогнутой линзы, третьего подвижного положительного компонента 3 и четвертого неподвижного положительного компонента 4, выполненных также в виде менисков, пятого подвижного отрицательного компонента, выполненного в виде мениска. Все мениски обращены вогнутостями к плоскости изображения, а вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими. При этом второй отрицательный подвижный компонент 2 в крайнем левом положении (поз.III и IV) фиксирует минимальное фокусное расстояние объектива. Положение в крайне правом состоянии этого компонента (вблизи мениска 3) фиксирует максимальное фокусное расстояние объектива. Пятый компонент выполняет функцию подфокусировки при колебаниях температуры и изменении спектрального интервала.
Второй, третий и пятый компоненты имеют возможность перемещаться вдоль оптической оси. При этом воздушные промежутки между линзами изменяются в соответствии с табл.1. Для изменения фокусного расстояния перемещаются компоненты 2 и 3, а для смены спектрального интервала перемещается компонент.
| Таблица 1 | ||||
| f' мм | 99,6 | 100,2 | 32,8 | 32,6 |
| Dвх.зрачка мм | 50 | 50 | 20,2 | 20,1 |
| Δλ мкм | 8÷12 | 3÷5 | 8÷12 | 3÷5 |
| d2 мм | 82,9 | 82,9 | 17,3 | 17,3 |
| d4 мм | 2,64 | 2,64 | 65,4 | 65,4 |
| d6 мм | 7,16 | 7,16 | 10,0 | 10,0 |
| d8 мм | 5,59 | 5,00 | 5,59 | 5,00 |
| 2ω град | 4° | 4° | 12° | 12° |
В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого представлены в таблице 2, в которой d2, d4, d6, d8 - var (изменяемые, см. табл.1).
| Таблица 2 | |||
| Конструктивные параметры объектива | |||
| Радиусы, мм | Толщины, мм | Материал | Световые диаметры, мм |
| r1=50,47 | d1=5 | Германий | 53 |
| r2=51,855*1 | d2=82,9-var | 48 | |
| r3=-112,98 | d3=2,5 | Поликристалл оптический | 32 |
| r4=240,4 | d4=2,64-var | 32 | |
| r5=37,76 | d5=4,5 | Бескислородное стекло | 32 |
| r6=95,72 | d6=7,16-var | 32 | |
| r7=64,71 | d7=3 | Поликристалл оптический | 26 |
| r8=68,507*2 | d8=5-var | 23 | |
| r9=∞ (АД) | d9=0,59 | 36 | |
| r10=391,7 | d10=3 | Германий | 23 |
| r11=191,43 | d11=-0,59 | 23 |
*1 - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:
у2=103,71z-1,076z2,
где z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм.
*2 - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:
где с=1/686507, k=0, a2=6,4811×10-6, а3=3,0185×10-9
z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм.
у в *1 и *2 - расстояние от оптической оси до очередной (текущей) точки светового диаметра линзы.
Объектив имеет следующие характеристики:
| Фокусное расстояние, мм | 33 | 100 |
| Относительное отверстие | 1:1,6 | 1:2 |
| Рабочие спектральные интервалы, мкм | 3÷5 | 8÷14 |
| Линейное поле изображения 2у', мм | 7 | 7 |
Из приведенных графиков (фиг.2-6) видно, что данный объектив может применяться в приборах, работающих в двух ИК-диапазонах для задач обнаружения, различения и опознавания.
Объектив имеет соотношения:
Фокусные расстояния линз соответственно f1'=169,6; f2'=-54,0; f3'=33,5; f4'=563,3; f15'=-126,0. Оптическая схема линзового объектива имеет характеристики fvar'=33÷100 мм, Δλ1=3÷5 мкм; Δλ2=8÷14 мкм; угловые поля 4÷12°, диаметры входных зрачков соответственно fvar' 20,2 мм ÷ 50 мм. Δλ1, Δλ2, λ - длина волны в мкм.
Для осевой точки предмета (фиг.2) линзовый объектив имеет аберрации не более 11,5 мкм для обоих спектральных интервалов.
Предлагаемая оптическая система объектива работает следующим образом: ИК-излучение от фона и цели, расположенных в бесконечности со стороны мениска 1, проходит, преломляясь через линзы 1÷5 (фиг.1), и формирует в плоскости изображения тепловую картину фоноцелевой обстановки, которая в дальнейшем обрабатывается электронным трактом (на фиг.1 не показан) и визуализируется на экране монитора (на фиг.1 не показан) как псевдоцветовое изображение пространства предметов.
Выполнение линзового объектива в соответствии с предлагаемым изобретением обеспечивает следующие технические результаты:
- высокое качество изображения в двух спектральных диапазонах;
- два режима работы: обзор и поиск в режиме широкого поля (12°) и прицеливание в режиме узкого поля (4°);
- выявление скрытых признаков объектов за счет комплексирования изображения в двух спектральных диапазонах;
- малые весогабаритные параметры, т.к. два объектива совмещены в одном.
При этом к признакам, отличающим предлагаемое изобретение от наиболее близкого аналога, следует отнести конструктивные особенности объектива, выполненного из материалов с различными показателями преломления, при этом пятый по ходу лучей элемент, введенный в схему оптики, позволяет осуществить согласование спектральных диапазонов и перепадов температур в плоскости изображения.
Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ИК-спектральных областях, состоящий из расположенных на оптической оси по ходу лучей первого неподвижного положительного, второго подвижного отрицательного, третьего подвижного положительного и четвертого неподвижного положительного компонентов, причем первый, третий и четвертый компоненты выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостями к плоскости изображения, второй - в виде одиночной двояковогнутой линзы, все подвижные элементы выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый по ходу луча компонент выполнен из оптического германия с показателем преломления n=4, отличающийся тем, что введен пятый подвижный отрицательный компонент, выполненный из оптического германия с показателем преломления n=4, в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом второй и четвертый компоненты выполнены из материала с показателем преломления n2=n4=2,44, а третий компонент выполнен из материала с показателем преломления n=2,78, а вогнутые наружные поверхности первого и четвертого компонентов выполнены асферическими, в оптической системе объектива выполняются соотношения:
0,8≤(r1/r2)<1,5,
0,3<(r3/r4)<1,0,
0,2<(r5/r6)<0,5,
0,8<(r7/r8)<1,5,
1,5<(r9/r10)<2,5,
(r1/r2)·d1<10,
(r7/r8)·d9<10,
где r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10 - радиусы кривизны поверхностей объектива;
d1, d9 - толщины первого и пятого компонентов объектива.
