Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием
Владельцы патента RU 2359294:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ФГУП "НПО "ГИПО") (RU)
Объектив состоит из последовательно расположенных пяти компонентов. Неподвижный первый компонент содержит положительную и отрицательную линзы. Второй и третий подвижные компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Второй компонент содержит отрицательную линзу, а третий выполнен в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы. Четвертый неподвижный компонент выполнен в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы, а пятый неподвижный компонент содержит первую и вторую положительные выпукло-вогнутые линзы. Вторая поверхность первой линзы выполнена асферической. Отрицательная линза подвижного второго компонента выполнена двояковогнутой. Технический результат - уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния с одновременным увеличением интервала изменения фокусного расстояния при сохранении качества изображения. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.
Изобретение относится к ИК оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах с плавно изменяющимся полем зрения.
Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент США №6091551, М.кл. G02B 15/14; G02B 13/14, публ. 18.07.2000 г., схема на фиг.6), содержащий последовательно расположенные первый неподвижный компонент, состоящий из одной линзы, второй подвижный компонент, состоящий из двух линз, подвижный третий компонент, состоящий из одной линзы, неподвижный четвертый компонент, состоящий из одной линзы и неподвижный пятый компонент, состоящий из четырех линз и плоскопараллельной пластины.
Недостатком такого инфракрасного объектива является малый интервал изменения фокусного расстояния (отношение максимального фокусного расстояния к минимальному М=4) и большие габариты (его длина - расстояние от первой поверхности объектива до плоскости изображения, превышает максимальное фокусное расстояние в 1,83 раза).
Частично указанные недостатки устранены в наиболее близком по технической сущности инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент на полезную модель №55155 от 10.01.2006 г.), состоящем из последовательно расположенных неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу и отрицательную выпукло-вогнутую линзу, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси подвижных второго компонента, содержащего отрицательную линзу, и третьего компонента, выполненного в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижных четвертого компонента, выполненного в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы, и пятого компонента, содержащего первую и вторую положительные выпукло-вогнутые линзы. Вторая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена асферической.
Отношение длины этого объектива к его максимальному фокусному расстоянию составляет 1,6, а интервал изменения фокусных расстояний - отношение максимального фокусного расстояния к минимальному М=8,3.
Недостатком описанного инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием являются большие габариты, т.е. отношение его длины к максимальному фокусному расстоянию.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния с одновременным увеличением интервала изменения фокусного расстояния при сохранении концентрации энергии в заданном кружке рассеяния, являющейся оптимальной характеристикой качества изображения.
Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, состоящем из последовательно расположенных неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу и отрицательную выпукло-вогнутую линзу, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси подвижных второго компонента, содержащего отрицательную линзу, и третьего компонента, выполненного в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижных четвертого компонента, выполненного в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы, и пятого компонента, содержащего первую и вторую положительные выпукло-вогнутые линзы, причем вторая поверхность первой линзы выполнена асферической, отрицательная линза подвижного второго компонента выполнена двояковогнутой, а асферическая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена в соответствии с уравнением
где у - ось системы координат, лежащая в плоскости меридионального сечения объектива;
z - ось системы координат, лежащая в плоскости сагиттального сечения объектива;
x - ось системы координат, совпадающая с оптической осью объектива.
Выполнение отрицательной линзы подвижного второго компонента двояковогнутой и подбор уравнения асферической поверхности первой линзы пятого компонента позволяют увеличить, по сравнению с прототипом, интервал плавного изменения фокусного расстояния объектива до 9,1 крат (в прототипе - 8,3), а также уменьшить габариты объектива в целом до отношения его длины к фокусному расстоянию до 1,15 (в прототипе - 1,6) при сохранении качества изображения.
Подбор уравнения асферической поверхности первой линзы пятого компонента позволил выполнить требуемую коррекцию аберраций объектива не только по всему полю изображения, но и во всем интервале плавного изменения его фокусного расстояния, обеспечив максимальную концентрацию энергии в пятне дифракционного диаметра, необходимую для достижения высокого качества изображения.
На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 55,008 до 500.05 мм с расположением линз для фокусного расстояния 55.008 мм.
Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы 1 и отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2, подвижный вдоль оптической оси второй компонент II, состоящий из отрицательной двояковогнутой линзы 3, подвижный вдоль оптической оси третий компонент III, состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 4, неподвижный четвертый компонент IV, состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы 5 и неподвижный пятый компонент V, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 6 и второй положительной выпукло-вогнутой линзы 7. Вторая поверхность первой линзы 6 пятого компонента V выполнена асферической.
Асферическая поверхность первой линзы 6 пятого компонента V выполнена в соответствии с уравнением:
где у - ось системы координат, лежащая в плоскости меридионального сечения объектива;
z - ось системы координат, лежащая в плоскости сагиттального сечения объектива;
x - ось системы координат, совпадающая с оптической осью объектива.
Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 55,008 до 500,05 мм для области спектра 3-5 мкм с расположением линз для фокусного расстояния 55,008 мм представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| Компонент № | Линза № | Значение радиуса сферической поверхности, мм | Толщина по оси, мм | Материал |
| I | 1 | r1=375,85 | d1=12 | Кремний |
| r2=776,83 | ||||
| D2=5 | ||||
| 2 | r3=695,0 | d3=10 | Германий | |
| r4=536,5 | ||||
| d4=84,42 | ||||
| II | 3 | r5=-768,87 | d5=4,5 | Германий |
| r6=469,44 | ||||
| d6=204,48 | ||||
| III | 4 | r7=-62,88 | d7=4,5 | Германий |
| r8=-76,64 | ||||
| d8=28,56 | ||||
| IV | 5 | r9=-165,58 | d9=4,5 | Кремний |
| r10=-114,42 | ||||
| V | d10=5 | |||
| 6 | r11=197,86 | d11=5 | Кремний | |
| r12=226,8*) | ||||
| d12=90 | ||||
| 7 | r13=139,83 | d13=5 | Кремний | |
| r14=216,48 | ||||
| *) Асферическая поверхность вида | ||||
 . |
Объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием работает следующим образом. Параллельный пучок лучей инфракрасного излучения проходит через все линзы объектива, преломляясь на каждой поверсности в соответствии с радиусами и материалами линз, и фокусируется на оптической оси в фокальной плоскости. Диаметр пучка определяется диаметром апертурной диафрагмы, расположенной на первой поверхности линзы 6. Наклонные пучки лучей также проходят через все линзы объектива и фокусируются соответственно в другой точке фокальной плоскости.
Изменение фокусного расстояния объектива производится путем перемещения вдоль оптической оси объектива компонентов II и III. Значения переменных воздушных промежутков d4, d6 и d8 для трех значений фокусных расстояний объектива приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | |||
| Фокусное расстояние объектива, мм | d4, мм | d6, мм | d8, мм |
| 500,05 | 304,59 | 8,32 | 4,55 |
| 260,024 | 261,5 | 20,89 | 35,07 |
| 55.008 | 84,42 | 204,48 | 28,56 |
Из таблицы видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния к минимальному М=9,1.
При заявляемом конструктивном исполнении длина объектива 574 мм не превышает максимальное фокусное расстояние больше, чем в 1,15 раза.
Концентрация энергии в пятне заданного диаметра 30 мкм, характеризующая качество изображения, представлена в таблице 3 для трех значений фокусных расстояний заявляемого объектива и объектива, взятого за прототип, полученная расчетным путем.
| Таблица 3 | ||||||
| Параметр | Заявляемый объектив | Объектив-прототип | ||||
| Фокусное расстояние, мм | 55,008 | 260,024 | 500,05 | 59,124 | 260,08 | 500,14 |
| Концентрация энергии, % | 80 | 86 | 80 | 80 | 86 | 86 |
В предлагаемом объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием выполнение линзы подвижного второго компонента двояковогнутой, а также соответствующий подбор асферической поверхности первой линзы пятого компонента позволили увеличить интервал изменения фокусного расстояния объектива, уменьшить его габариты при неизменном качестве изображения по сравнению с прототипом.
1. Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, состоящий из последовательно расположенных неподвижного первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу и отрицательную выпукло-вогнутую линзу, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси подвижных второго компонента, содержащего отрицательную линзу, и третьего компонента, выполненного в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижных четвертого компонента, выполненного в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы, и пятого компонента, содержащего первую и вторую положительные выпукло-вогнутые линзы, причем вторая поверхность первой линзы выполнена асферической, отличающийся тем, что отрицательная линза подвижного второго компонента выполнена двояковогнутой.
2. Инфракрасный объектив по п.1, отличающийся тем, что асферическая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена в соответствии с уравнением
у2+z2=453,6х-1,895х2+0,024х3-0,03х4,
где у - ось системы координат, лежащая в плоскости меридионального сечения объектива;
z - ось системы координат, лежащая в плоскости сагиттального сечения объектива;
x - ось системы координат, совпадающая с оптической осью объектива.
