Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием

 

Использование: В качестве объектива для тепловизионного прибора с плавно изменяющимся полем зрения. Цель: Уменьшение длины объектива и повышение качества изображения во всем интервале изменения фокусного расстояния. Сущность полезной модели: В объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащем последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент в виде отрицательной двояковогнутой линзы, подвижный третий компонент в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижные четвертый компонент в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы и пятый компонент, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой, второй отрицательной выпукло-вогнутой, третьей отрицательной линз, четвертой линзы и пятой положительной линзы, в пятом компоненте третья линза выполнена двояковогнутой, четвертая - отрицательной выпукло-вогнутой, а пятая - двояковыпуклой, при этом первые поверхности третьей и пятой линз пятого компонента выполнены асферическими. Положительный эффект: Уменьшение габаритов и повышение качества изображения.

Полезная модель относится к ИК оптическим системам и может быть использована в тепловизорах.

Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент Великобритании №1 532 096), содержащий последовательно расположенные первый неподвижный компонент, состоящий из одной линзы, подвижный второй компонент, состоящий из одной линзы, подвижный третий компонент, состоящий из одной линзы и неподвижный четвертый компонент, состоящий из двух линз.

Недостатком такого инфракрасного объектива является малый интервал изменения фокусного расстояния (отношение максимального фокусного расстояния к минимальному М=3,5), большие габариты (длина объектива превышает максимальное фокусное расстояние в 1,3 раза), а также достаточно большой кружок аберрационного рассеяния от точечного источника излучения, приводящий к размытию изображения и плохому его качеству.

Часть из указанных недостатков устранены в наиболее близком по технической сущности инфракрасном объективе с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (см. патент США №6091551, М. кл. G 02 B 15/14; G 02 B 13/14, публ. 18.07.2000г., схема на фиг.21), содержащем последовательно расположенные неподвижный компонент I с фокусным расстоянием f1, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния, подвижный компонент II с фокусным расстоянием f2, состоящий из отрицательной двояковогнутой линзы из кремния, подвижный компонент III с фокусным расстоянием f3, состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы из германия, далее неподвижные компонент IV с фокусным расстоянием f4, состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы из кремния и компонент V с фокусным расстоянием f5, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы из германия, третьей отрицательной вогнуто-выпуклой линзы из кремния, четвертой положительной вогнуто-выпуклой линзы из кремния и пятой положительной

выпукло-вогнутой линзы из кремния.

Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному в этом инфракрасном объективе достигает М=4. Качество изображения обеспечивается соотношениями фокусных расстояний компонентов с максимальным фокусным расстоянием объектива ft: 1.00<f1/ft, - 0.40>f2/ft и 0.35<f5/ft<0.70 (см. также Шпякин М.Г. «Исследование и расчет объективов с широкими интервалами изменения фокусного расстояния», автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Л. 1971 г., с.13), где приведен ряд уравнений, связывающих оптические силы компонентов, анализируя которые можно получить требуемые соотношения фокусных расстояний: f1/ft>1, f2/ft<0 и т.д. Фокусное расстояние объектива, приведенного на фиг.21 патента США №6091551, изменяется в пределах от 50 мм до 200 мм. При масштабировании конструктивных параметров, например, для получения переменного фокусного расстояния от 75 мм до 300 мм, длина объектива становится не приемлемой для его использования в тепловизионной аппаратуре (длина объектива превышает максимальное фокусное расстояние в 1,87 раз), а аберрационные характеристики его ухудшаются пропорционально масштабу.

Таким образом, недостатком описанного инфракрасного объектива является большие габариты при недостаточном качестве изображения.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является уменьшение длины инфракрасного объектива относительно его максимального фокусного расстояния при сохранении отношения максимального фокусного расстояния к минимальному, а также повышение концентрации энергии в заданном кружке рассеяния.

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 в виде отрицательной двояковогнутой линзы, подвижный третий компонент в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижные четвертый компонент в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы и пятый компонент, состоящий из первой

положительной выпукло-вогнутой, второй отрицательной выпукло-вогнутой, третьей отрицательной линз, четвертой линзы и пятой положительной линзы, отличающийся тем, что в пятом компоненте третья линза выполнена двояковогнутой, четвертая - отрицательной выпукло-вогнутой, а пятая - двояковыпуклой,

А также тем, что первые поверхности третьей и пятой линз пятого компонента выполнены асферическими.

Асферическая поверхность третьей линзы пятого компонента выполнена в соответствии с уравнением

у2+z 2=-2rx+(0,165627...0,165632)rх2, где

у - 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;

r - радиус кривизны начальной сферы упомянутой поверхности третьей линзы пятого компонента.

Асферическая поверхность пятой линзы пятого компонента выполнена в соответствии с уравнением

y2+z2=2rx+0,1853rx 2, где

у - 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;

r - радиус кривизны начальной сферы упомянутой поверхности пятой линзы пятого компонента.

На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием с расположением компонентов для фокусного расстояния 300 мм.

Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент I в виде положительной выпукло-вогнутой

линзы 1, подвижный второй компонент II в виде отрицательной двояковогнутой линзы 2, подвижный третий компонент III в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 3, неподвижный четвертый компонент IV в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы 4 и неподвижный пятый компонент V, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 5, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы 6, третьей отрицательной двояковогнутой линзы 7, четвертой отрицательной выпукло-вогнутой линзы 8 и пятой положительной двояковыпуклой линзы 9. Первые поверхности третьей 7 и пятой 9 линз пятого компонента V выполнены асферическими.

Асферическая поверхность третьей линзы 7 пятого компонента V может быть выполнена в соответствии с уравнением

у 2+z2=-2rx+(0,165627...0,165632)rх 2, где

у - 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;

r - радиус кривизны начальной сферы упомянутой поверхности третьей линзы 7 пятого компонента.

Асферическая поверхность пятой линзы 9 пятого компонента V может быть выполнена в соответствии с уравнением

у2+z 2=2rx+0,1853rх2 , где

у - 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;

r - радиус кривизны начальной сферы упомянутой поверхности пятой линзы 9 пятого компонента.

Конструктивные параметры заявляемого инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 75 мм до 300 мм для области спектра 3,0-5,0 мкм представлены в таблице 1.

Таблица 1
Компонент №Линза № Значение радиуса сферической поверхности, мм Толщины по оси, ммМатериал
I1 r1=410,2r2=889,2d1=12 Кремний
    d2=9 
II 2r3=-8318,0r4=370,7 d3=6Кремний
   d4=109,3 
III3 r5=-212,3r6=-381,9d5=6 Германий
    d6=55,8 
IV 4r7=-261,8r8=-166,72 d7=6Кремний
   d8=6 
V5 r9=114,82r10=287,1d9=7 Кремний
    d10=5 
 6r11=357,3r12=189,23d11=6Германий
    D12=85 
 7 r13=-150,2097*)rl4=127,35d14=4Кремний
    D15=3 
 8 r15=760,3r16=580,8d16=5 Кремний
    d17=1 
 9rl7=160,1089 **)r18=128,53D18=5 Кремний
А\ ^ О ^
*) Асферическая поверхность вида у 22=-300,419х+24,879х
**) Асферическая поверхность вида у22=320,218х+29,668х

Изменение фокусного расстояния объектива производится путем перемещения компонентов II и III. Значения переменных воздушных промежутков d2, d4 и d6 для трех значений фокусных расстояний объектива приведены в таблице 2.

Таблица 2
Фокусное   
расстояниеd2, ммd4, мм d6, мм
объектива, мм    
300157,011,65,5
149,87896,131,646,4
75 9,0109,355,8

Из таблицы видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния к минимальному М=4.

При заявляемом конструктивном исполнении длина объектива 376,15 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше чем в 1,25 раза.

Передние поверхности третьей 7 и пятой 9 линз пятого компонента V выполнены асферическими для повышения качества изображения, характеризуемого, например, более высокой концентрацией энергии в пятне заданного диаметра. В таблице 3, приведены значения концентрации энергии в пятне диаметром 30 мкм для трех значений фокусных расстояний заявляемого объектива и объектива, взятого за прототип, полученные расчётным путём.

Таблица 3
ПараметрЗаявляемый объективОбъектив прототип
Фокусное        
расстояние, 7515030050 100200
мм       
Концентрация       
энергии, %8785 835873 83

Таким образом, выполнение инфракрасного объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет обеспечить меньшие габариты при более высоком качестве изображения, чем в известных конструкциях аналогичных объективов.


Формула полезной модели

1. Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащий последовательно расположенные неподвижный первый компонент в виде положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный второй компонент в виде отрицательной двояковогнутой линзы, подвижный третий компонент в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижные четвертый компонент в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы и пятый компонент, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой, второй отрицательной выпукло-вогнутой, третьей отрицательной линз, четвертой линзы и пятой положительной линзы, отличающийся тем, что в пятом компоненте третья линза выполнена двояковогнутой, четвертая - отрицательной выпукло-вогнутой, а пятая - двояковыпуклой.

2. Инфракрасный объектив по п.1, отличающийся тем, что первые поверхности третьей и пятой линз пятого компонента выполнены асферическими.

3. Инфракрасный объектив по п.1 или 2, отличающийся тем, что асферическая поверхность третьей линзы пятого компонента выполнена в соответствии с уравнением

y 2+z2=-2rx+(0,165627...0,165632)rx 2,

где y - ось системы координат, лежащей в плоскости меридионального сечения инфракрасного объектива;

z - ось системы координат, лежащей в плоскости сагиттального сечения инфракрасного объектива;

х - ось системы координат, совпадающей с оптической осью инфракрасного объектива;

r - радиус кривизны начальной сферы упомянутой поверхности третьей линзы пятого компонента.

4. Инфракрасный объектив по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что асферическая поверхность пятой линзы пятого компонента выполнена в соответствии с уравнением

y 2+z2=2rx+0,1853rх 2,

где y - ось системы координат, лежащей в плоскости меридионального сечения инфракрасного объектива;

z - ось системы координат, лежащей в плоскости сагиттального сечения инфракрасного объектива;

х - ось системы координат, совпадающей с оптической осью инфракрасного объектива;

r - радиус кривизны начальной сферы упомянутой поверхности пятой линзы пятого компонента.




 

Наверх