Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ик-области спектра

Объектив может быть использован в качестве объектива в приборах, работающих в ИК-диапазоне для задач обнаружения, различения и опознавания объектов. Объектив 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. В системе имеют место следующие соотношения: n₁=n₂=n₃=n₄=4,0, -f′₃<f′₂<-1,1f′₄, 2,7f′₃<f′₁<3f′₃. Технический результат - обеспечение более высоких технических характеристик объектива: улучшение качества изображения и уменьшение габаритных размеров. 4 ил., 1 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.

Известен объектив [1], состоящий из четырех компонентов, причем третий, четвертый установлены с возможностью ввода и вывода их из оптической схемы для изменения фокусного расстояния. Первый компонент содержит одиночные положительную и отрицательную линзы и двухсклеенную линзу, состоящую из двояковыпуклой и двояковогнутой, второй компонент содержит положительный и отрицательной мениски, обращенные вогнутостью друг к другу, третий компонент включает двояковогнутую линзу и положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, а четвертый компонент содержит линзу, двухсклеенную линзу, состоящую из отрицательной и положительной линз, и положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету.

Его недостатком является большое количество оптических элементов. В результате увеличиваются габаритные размеры и повышается поглощение падающего излучения линзами объектива.

Известен другой объектив [2], состоящий из четырех групп компонентов с возможностью ввода и вывода второй группы из оптической схемы для изменения фокусного расстояния.

Его недостатком являются повышенные габаритные размеры и, как следствие, невозможность применения в аппаратуре, к которой предъявляются жесткие массогабаритные требования.

Уменьшение габаритных размеров вышеуказанных объективов невозможно из-за необходимости иметь дополнительное пространство для размещения компонентов, вводимых в оптическую схему при изменении ее фокусного расстояния.

Наиболее близким принятым за прототип, является линзовый объектив [3] с дискретной сменой фокусного расстояния для работы в инфракрасной области спектра с установленным по ходу лучей первым и последними неподвижными положительными компонентами и подвижным отрицательным компонентом, расположенным между ними, при этом первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.

Недостатками этого объектива являются изменение величины относительного отверстия при изменении фокусного расстояния, большие габаритные размеры, низкое качество изображения и малая разрешающая способность, которые ограничивают использование этого объектива с приемниками теплового излучения, величина термочувствительного элемента которых лежит в пределах 25-35 мкм.

Задачей данного изобретения является обеспечение более высоких технических характеристик объектива: улучшение качества изображения и уменьшение габаритных размеров.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в инфракрасной области спектра, содержащий два неподвижных положительных компонента и подвижный отрицательный компонент, расположенный между ними, при этом первый по ходу лучей неподвижный компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, отличающийся тем, что 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, при этом поверхность мениска, предшествующая апертурной диафрагме, выполнена асферической и в системе имеют место следующие соотношения:

n₁=n₂=n₃=n₄=4.0

-f'₃<f'₂<-1.1f'₄

2.7f'₃<f'₁<3f'₃

Перемещение апертурной диафрагмы дает возможность сохранять величину относительного отверстия постоянным при изменении величины фокусного расстояния.

Выполнение поверхности, предшествующей апертурной диафрагме в виде асферики высшего порядка дает возможность за счет введения дополнительного параметра (коэффициент асферичности преломляющей поверхности) влиять на величины остаточных аберраций высших порядков.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг.1 - Положение компонентов для

а)f'=20 мм;

б)f'=40 мм.

Фиг.2 - поперечная сферическая аберрация при различных фокусных расстояниях;

Фиг.3 - график изменения радиуса пятна рассения по полю при различных фокусных расстояниях;

Фиг.4 - график ЧКХ при различных фокусных расстояниях;

Оптическая схема светосильного объектива с изменяемым фокусным расстоянием представлена на фиг.1, где показаны: первый компонент 1, второй компонент 2, третий компонент 3, апертурная диафрагма 4 и последний компонент 5.

Конструктивные параметры данного объектива приведены в таблице 1.

Таблица 1
Конструктивные параметры объектива
Радиусы мм	Толщины мм	Материал	Световые диаметры, мм
R1=54,2	D1=6,0	Германий	31,9/56,4
R2=64,75	D2=4,2/30,0		28,9/52,9
R3=-168,2	D3=4,0	Германий	27,1/27,2
R4=168,7	D4=20,46/0,76		26,7/26,6
R5=51,2	D5=6,0	Германий	30,0/26,6
R6=42,54*	D6=3		28,1/24,7
R7=∞ (АД)	D7=17,23/11,12		26,0/22,4
R8=27,78	D8=4,0	Германий	18,7/16,8
R9=36,31	D9=10,13		16,7/15,1

Числитель дроби для f'=20 мм, знаменатель - для f'=40 мм.

* - асферическая поверхность, определяемая согласно уравнению:

где Z - величина отклонения профиля поверхности от эталонной сферы, мм

С - кривизна поверхности, мм^-1;

Y - расстояние от оси, мм;

Объектив имеет следующие характеристики:

Фокусное расстояние, мм	20-40
Относительное отверстие	1:1,0
Рабочий спектральный диапазон, мкм	8-12
Линейное поле изображения, 2у′ мм	8

На фиг.2 показаны графики осевых аберраций предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложены значения продольных аберраций ΔS' (мм), а по оси ординат - координата y' (мм) в плоскости входного зрачка.

На фиг.3 показаны графики изменения диаметра пятна рассеяния по полю для предлагаемого объектива при фокусном расстоянии 20 мм и 40 мм.

На фиг.4 показаны графики частотно-контрастной характеристики предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм^-1, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста Т в относительных единицах.

Из приведенных графиков, а также из анализа работы прототипа на частотах 100-130 мм^-1 видно, что предлагаемая схема объектива имеет более высокие показатели по качеству даваемого изображения.

Данный объектив может применяться в приборах, работающих в ИК-диапазоне для задач обнаружения, различения и опознавания объектов.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2063058 (аналог).

2. US Patent №4989962 (аналог).

3. WO №99/59015 (прототип).

Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в инфракрасной области спектра, содержащий два неподвижных положительных компонента и подвижный отрицательный компонент, расположенный между ними, при этом первый по ходу лучей неподвижный компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, отличающийся тем, что 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, при этом поверхность мениска, предшествующая апертурной диафрагме, выполнена асферической и в системе имеют место следующие соотношения:

n₁=n₂=n₃=n₄=4,0,

-f′₃<f′₂<-1,1f′₄,

2,7f′₃<f′₁<3f′₃.