Инфракрасный объектив с дискретным изменением фокусного расстояния

Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния содержит три компонента. Первый компонент состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Второй отрицательный компонент имеет два звена, которые попеременно вводятся в ход лучей в фиксированное положение на оптической оси. Первое звено состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковогнутой линзы, второе звено состоит из двух двояковогнутых линз. Третий положительный компонент состоит из двух положительных менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, и расположенного между ними отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов. Апертурная диафрагма для меньшего фокусного расстояния находится в составе третьего компонента, а для большего - в составе первого. Третий компонент содержит базовый элемент и асферический корректор сферической аберрации и астигматизма. Выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Технический результат - повышение перепада увеличений объектива при одновременном уменьшении продольных габаритов и сохранении высокой светосилы и качества изображения. 4 ил., 2 табл.

 

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.

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'min=40 мм и ƒ'max=120 мм), что соответствует перепаду увеличений m=ƒ'max /ƒ'min=3.

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'max и 1,9ƒ'max для первого и второго вариантов соответственно.

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'max.

Недостатками объективов [1-3] являются малое значение перепада увеличений, большие продольные габариты, составляющие (1,3÷1,9)ƒ'mах, низкое качество изображения, а также сложность обеспечения раздельного точного перемещения нескольких оптических компонентов и их фиксации в требуемых положениях.

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'1=15 мм и ƒ'2=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°.

Основным недостатком прототипа являются малое значение перепада увеличений m=4 и большие продольные габариты, составляющие 1,6ƒ'max.

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:

где L2 - осевая толщина второго компонента, включая расстояния до первого и третьего компонентов, L - длина объектива вдоль оптической оси от первого компонента до плоскости изображения, ƒ'2 - фокусное расстояние второго компонента, ƒ'min и ƒ'max - 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

L≤1,2ƒ'max :

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.

Фиг. 1а соответствует взаимному расположению линз компонентов при ƒ'min=20 мм, а фиг. 1б - при ƒ'max=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 1 (мм-3), а2 (мм-5), а3 (мм-7) - коэффициенты асферической поверхности (таблица 2).

Первая линза третьего компонента является базовым элементом, а оставшиеся две - асферическим корректором.

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'min=20 мм и 1:1,6 при ƒ'max=130 мм.

Перепад увеличений объектива m=6,5, длина объектива от первой линзы до плоскости изображения составляет 154,97 мм, что не превышает 1,2ƒ'max. В объективе соблюдаются следующие соотношения:

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'min=20 мм и ƒ'max=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-1 (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.

Инфракрасный 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, причем 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, отличающийся тем, что апертурная диафрагма для меньшего фокусного расстояния находится в составе третьего компонента, а для большего - в составе первого, третий компонент содержит базовый элемент и асферический корректор сферической аберрации и астигматизма, а в объективе соблюдаются следующие соотношения:

где L2 - осевая толщина второго компонента, включая расстояния до первого и третьего компонентов, L - длина объектива вдоль оптической оси от первого компонента до плоскости изображения, ƒ'2 - фокусное расстояние второго компонента, ƒ'min и ƒ'max - минимальное и максимальное значения фокусного расстояния объектива соответственно.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для проецирования изображения с микродисплея на рассеивающий экран. Проекционный оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений содержит две линзовых группы с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма.

Объектив может быть применен в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с ПЗС или КМОП матрицами. Объектив содержит четыре компонента.

Телеобъектив может быть использован в оптико-электронных приборах, формирующих изображения объектов земной поверхности через реальную атмосферу и работающих с фотоприемниками видимого и ближнего ИК диапазона.

Объектив может быть использован в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС или КМОП матрицах в дневных и ночных условиях. Первый компонент содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, обращенную выпуклостью к изображению, второй - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, третий - отрицательный мениск и положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению.

Изобретение может быть использовано в качестве фотографического объектива. Объектив состоит из двух оптических компонентов.

Изобретение может быть использовано в устройствах контроля объектов теневым оптическим методом. Объектив содержит шесть линз и апертурную диафрагму, расположенные последовательно на оптической оси: плосковыпуклую линзу, расположенную плоскостью к апертурной диафрагме, положительный мениск с асферической выпуклой поверхностью, обращенной к пространству предметов, слабоотрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме, апертурную диафрагму, склеенную линзу, состоящую из двояковогнутой и двояковыпуклой линз и расположенную вогнутой стороной к апертурной диафрагме, двояковыпуклую линзу и слабо отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме.

Изобретение может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси входного объектива, формирующего промежуточное изображение и содержащего первую положительную, вторую отрицательную и третью положительную выпукло-вогнутые линзы, проекционного объектива, содержащего первую двояковыпуклую, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую и третью положительную выпукло-вогнутую линзы, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой.

Изобретение может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система тепловизионного прибора состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси входного объектива, формирующего промежуточное изображение и содержащего первую отрицательную, вторую положительную и третью отрицательную выпукло-вогнутые линзы, проекционного объектива, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу, вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу и третью положительную двояковыпуклую линзу, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой.

Изобретение может быть использовано в оптических системах, например в телевизионных камерах, работающих с матрицами, также и в других приборах, в том числе и в ИК-системах.

Система содержит входной объектив, проекционный объектив, компенсационный элемент и расфокусирующий элемент. Входной объектив строит промежуточное действительное изображение и выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается инфракрасной системы с двумя полями зрения. Система состоит из трех расположенных вдоль оптической оси оптических компонентов и фотоприемного устройства.

Объектив может быть использован в наблюдательных приборах и телевизионных обзорных комплексах. Объектив для ближней ИК-области спектра содержит апертурную диафрагму и три компонента.

Объектив может быть использован в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит четыре компонента, из которых первый и второй по ходу луча - положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений.

Изобретение предназначено для работы с неохлаждаемым матричным приемником и может быть использовано в качестве объектива тепловизора. Объектив состоит из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов, положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов, положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов.

Объектив для SWIR диапазона спектра может быть использован в оптико-электронных приборах на основе матричных фотоприемных устройств, чувствительных в спектральном диапазоне от 0,9 до 1,7 мкм.

Вариосистема состоит из фокусирующего объектива, содержащего последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй и третий компоненты, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, проекционного объектива и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой.

Телеобъектив содержит три компонента. Первая линза первого компонента - положительный мениск, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, за которым расположен второй компонент, установленный с возможностью ввода-вывода из оптического тракта, первая линза которого - двояковогнутая линза, а вторая – двояковыпуклая линза.

Двухспектральная оптическая система может быть применена в широкоугольных тепло-телевизионных приборах. Оптическая система содержит общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,6÷0,95) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8÷13,5) мкм, и два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов.

Изобретение относится к оптической технологии, в частности к устройству ночного видения. Устройство ночного видения содержит первую светочувствительную микросхему, первую линзовую группу (101), первый экран дисплея, систему обработки изображений и систему управления для регулирования диапазона формирования изображений первой светочувствительной микросхемы посредством регулирования изменения оптического масштабирования первой линзовой группы и/или цифрового масштабирования системы обработки изображений.

Объектив может быть использован в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча - положительные, а третий - отрицательный.

Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния содержит три компонента. Первый компонент состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Второй отрицательный компонент имеет два звена, которые попеременно вводятся в ход лучей в фиксированное положение на оптической оси. Первое звено состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и двояковогнутой линзы, второе звено состоит из двух двояковогнутых линз. Третий положительный компонент состоит из двух положительных менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения, и расположенного между ними отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов. Апертурная диафрагма для меньшего фокусного расстояния находится в составе третьего компонента, а для большего - в составе первого. Третий компонент содержит базовый элемент и асферический корректор сферической аберрации и астигматизма. Выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Технический результат - повышение перепада увеличений объектива при одновременном уменьшении продольных габаритов и сохранении высокой светосилы и качества изображения. 4 ил., 2 табл.

Наверх