Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием
Использование: В качестве объектива для тепловизионного прибора с плавно изменяющимся полем зрения.
Цель: Уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния при сохранении достаточно высокого качества изображения.
Сущность полезной модели: В инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащем последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной линзы, подвижный третий компонент, и неподвижный последний компонент, содержащий первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую линзу, во втором компоненте вторая линза выполнена двояковогнутой, третий компонент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, в последнем компоненте вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, при этом фокусное расстояние f1 первого компонента выбирается в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива следующим:
f1=(от 0,545 до 0,8)ft,
где f1 - фокусное расстояние первого компонента;
ft - максимальное фокусное расстояние объектива.
Положительный эффект: Уменьшение габаритных размеров инфракрасного объектива и сокращение числа оптических элементов.
Полезная модель относится к ИК оптическим системам и может быть использована в тепловизорах.
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 неподвижный компонент I с фокусным расстоянием f1, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный компонент II с фокусным расстоянием f2, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной двояковогнутой линзы, подвижный компонент III с фокусным расстоянием f3, состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, далее неподвижные компонент IV с фокусным расстоянием f4 ,, состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы, и последний компонент V с фокусным расстоянием f5, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы, второй отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, третьей положительной вогнуто-выпуклой линзы и четвертой положительной выпукло-вогнутой линзы.
Фокусное расстояние объектива изменяется в пределах от 50 мм до 200 мм. Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному в этом инфракрасном объективе достигает m=4. Качество изображения обеспечивается заданными пределами соотношений фокусных расстояний компонентов с максимальным фокусным расстоянием объектива f t, в частности, f1>ft. В рассматриваемой конструкции объектива его длина - расстояние от первой поверхности объектива до плоскости изображения, превышает максимальное фокусное расстояние в 1,83 раза.
Недостатком такого инфракрасного объектива являются большие габариты и число компонентов.
Указанные недостатки частично устранены в наиболее близком по технической сущности инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент РФ 2321873, М. кл. G02B 15/16, G02B 13/14, публ. 10.04.2008 Бюл. 10), содержащем последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной линзы, выполненной выпукло-вогнутой, подвижный третий компонент в виде вогнуто-выпуклой линзы, неподвижный четвертый компонент в виде вогнуто-выпуклой линзы и последний компонент, состоящий из двух выпукло-вогнутых линз. Фокусное расстояние первого компонента выбрано из соотношения f1=(от 0,804 до 0,948)ft. Отношение расстояния от первой поверхности объектива до плоскости изображения к максимальному фокусному расстоянию составляет 1,35.
Недостатком данного инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием являются значительные габариты и большое число компонентов.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния и сокращение числа компонентов при сохранении достаточно высокого качества изображения.
Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащем последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной линзы, подвижный третий компонент и неподвижный последний компонент, содержащий первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую линзу, во втором компоненте вторая линза выполнена двояковогнутой, третий компонент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, а в последнем компоненте вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, при этом фокусное расстояние f1 первого компонента выбирается в зависимости от максимального фокусного расстояния следующим:
f1=(от 0,545 до 0,8)ft,
где f1 - фокусное расстояния первого компонента;
f t - максимальное фокусное расстояние объектива.
Выбор значения фокусного расстояния первого компонента меньшим, чем рекомендовано в известных ИК объективах с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, и изменение конструкции последнего неподвижного компонента позволили уменьшить количество компонентов в объективе (в прототипе 5 компонентов, в заявляемом объективе - 4) и его габариты (отношение длины заявляемого объектива к максимальному фокусному расстоянию составляет 0,98 в отличие от 1,35 в прототипе).
Выполнение второй линзы второго компонента в виде отрицательной двояковогнутой линзы, а третьего компонента в виде положительной двояковыпуклой линзы позволило обеспечить необходимую коррекцию аберраций объектива для достижения требуемого качества изображения.
На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 50 мм до 200 мм с расположением компонентов, соответствующим максимальному фокусному расстоянию 200 мм.
Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I в виде положительной выпукло-вогнутой линзы 1, подвижный второй компонент II, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2 и второй отрицательной двояковогнутой линзы 3, подвижный третий компонент III в виде положительной двояковыпуклой линзы 4, и неподвижный компонент IV, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 5 и второй отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 6. Первая поверхность второй линзы 3 второго компонента II выполнена асферической.
Асферическая поверхность второй линзы 3 второго компонента II выполнена в соответствии с уравнением:
y2+z 2=-384,5815х+27,9033х2,
где y - ось системы координат, лежащей в плоскости меридионального сечения объектива;
z - ось системы координат, лежащей в плоскости сагиттального сечения объектива;
х - ось системы координат, совпадающей с оптической осью объектива.
Фокусное расстояние первого компонента f1 =109,15 мм, его отношение к максимальному фокусному расстоянию объектива ft=200 мм, составляет 0,545.
Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 50 до 200 мм для области спектра 8,0-12,0 мкм с расположением линз для фокусного расстояния 200 мм представлены в таблице 1.
Таблица 1 | ||||
Компонент | Линза | Значение радиуса сферической поверхности, мм | Толщина по оси, мм | Материал |
I | 1 | r1=111,69 | d1=8 | Германий |
r2=160,32 | ||||
d2=68,1 | ||||
II | 2 | r3=174,58 | d3=3 | ZnSe |
r4=106,41 | ||||
d4=8 | ||||
3 | r5=-192,2907 *) | d5=3 | Германий | |
r6=98,17 | ||||
d6=15,7 | ||||
III | 4 | r7=377,6 | d7=3 | Германий |
r8=-325,1 | ||||
d8=28,7 | ||||
IV | 5 | r9=170,22 | d9=3 | Германий |
r10=1527,6 | ||||
d10=7 | ||||
6 | r11=-20,32 | d11=3 | Германий | |
r12=-22,59 | ||||
*) Асферическая поверхность вида: | ||||
y2+z2=-384,5815х+27,9033х2. |
Объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием работает следующим образом: параллельный пучок лучей инфракрасного излучения проходит через все линзы объектива, преломляясь на каждой поверхности 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 5. 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. Компоненты II и III перемещаются каждый по своему закону. Значения переменных воздушных промежутков d2, d6 и d8 для трех значений фокусных расстояний объектива приведены в таблице 2.
Таблица 2 | |||
Фокусное расстояние объектива, мм | d2, мм | d6, мм | d8, мм |
200 | 68,1 | 15,7 | 28,7 |
100 | 56,8 | 50,3 | 5,4 |
50 | 50,8 | 54,3 | 7,4 |
Из таблицы видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния к минимальному m=4.
При заявляемом конструктивном исполнении длина объектива 196,5 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше, чем в 0,98 раза.
Расчетные значения концентрации энергии в пятне заданного диаметра 50 мкм, характеризующие качество изображения, представлены в таблице 3 для трех значений фокусных расстояний заявляемого объектива и объектива, взятого за прототип.
Таблица 3 | ||||||
Параметр | Заявляемый объектив | Объектив-прототип | ||||
Фокусное расстояние, мм | 50 | 100 | 200 | 50 | 100 | 200 |
Концентрация энергии, % | 80 | 82 | 81 | 74 | 81 | 83 |
Таким образом, выполнение инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет уменьшить длину инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния при сохранении достаточно высокого качества изображения.
Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащий последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной линзы, подвижный третий компонент и неподвижный последний компонент, содержащий первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую линзу, отличающийся тем, что во втором компоненте вторая линза выполнена двояковогнутой, третий компонент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, в последнем компоненте вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, при этом фокусное расстояние f1 первого компонента выбирается в зависимости от максимального фокусного расстояния инфракрасного объектива следующим:
f1=(от 0,545 до 0,8)ft,
где f1 - фокусное расстояние первого компонента;
ft - максимальное фокусное расстояние объектива.