ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ И ВЫНЕСЕННОЙ АПЕРТУРНОЙ ДИАФРАГМОЙ

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.

Известен инфракрасный объектив [патент US 6424460, 2002 г., фиг.3] с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображения, содержащий расположенные по ходу лучей оптически связанные первый и последний положительные компоненты и расположенный между ними подвижный компонент, включающий отрицательную и положительную линзы, имеющий два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения; при этом первый компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, последний компонент включает два положительных мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к плоскости изображений. Функцию апертурной диафрагмы в процессе работы объектива в комплексе с охлаждаемым матричным приемником ИК-излучения выполняет охлаждаемая диафрагма приемника. Причем две поверхности являются асферическими, на одной из них нанесен дифракционный оптический элемент (в виде голограммы). Фокусное расстояние принимает два значения: 53 и 160 мм, т.е. обеспечивается трехкратный перепад фокусного расстояния (поля зрения). Относительное отверстие имеет величину 1:2,5. Расстояние р' от охлаждаемой апертурной диафрагмы до плоскости изображения составляет в конкретном примере исполнения 47 мм, что составляет 0,88 от наименьшей величины фокусного расстояния. Устройство таково, что проекция апертурной диафрагмы в пространство предметов - входной зрачок - является мнимой и не совпадает с первым компонентом объектива. Это приводит к тому, что диаметр первого компонента превышает диаметр входного зрачка для наибольшего фокусного расстояния. В примере конкретного исполнения это превышение составляет 1,6 раза. Совместить входной зрачок с первой линзой в объективе невозможно в силу того, что внутренний подвижный компонент является отрицательным.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является инфракрасный объектив с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой [патент RU 2400784, опубл. 27.09.2010 г., бюл. № 27]. Объектив содержит расположенные по ходу лучей, оптически связанные первый неподвижный положительный компонент, второй подвижный отрицательный компонент, выполненный в виде мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости изображений, третий подвижный положительный компонент и четвертый неподвижный положительный компонент. Апертурная диафрагма размещена в пространстве между объективом и плоскостью изображений. Первый компонент выполнен в виде одиночных положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений. Третий подвижный положительный компонент включает близко расположенные одиночные отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, и отрицательную и положительную линзы. Четвертый неподвижный положительный компонент состоит из близко расположенных одиночных отрицательного мениска, двух положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательного мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений. Все преломляющие поверхности объектива выполнены сферическими. Второй и третий подвижные компоненты имеют два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения, при этом расстояния между вершинами их преломляющих поверхностей являются различными в каждом из двух фиксированных положений. Дополнительно вставлено защитное стекло приемника ИК-излучения, охлаждаемая диафрагма которого выполняет функцию апертурной диафрагмы объектива. Каждый подвижный компонент имеет два взаимных расположения для двух полей зрения. Но в данном объективе большое количество линз, что снижает коэффициент пропускания системы, и два подвижных компонента для переключения полей зрения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание ИК-объектива с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении коэффициента пропускания оптической системы, повышении технологичности при сохранении высокого относительного отверстия, перепада увеличений и качества изображения.

Это достигается тем, что в инфракрасном объективе с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображений, содержащем четыре компонента, первый из которых неподвижный выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Второй подвижный компонент выполнен из отрицательной линзы. Третий положительный компонент включает, по крайней мере, одну положительную и одну отрицательную линзы. Четвертый неподвижный положительный компонент включает два положительных и один отрицательный мениски. В отличие от известного, второй компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы. Третийкомпонент неподвижный и в нем первые два мениска положительные, обращенные выпуклостями друг к другу, а третья линза - вогнутоплоская, обращенная плоскостью к плоскости изображений. В четвертом компоненте все линзы выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображений, первая и третья из которых положительные, а вторая - отрицательная, при этом вторая поверхность линзы первого компонента, первая поверхность линзы второго компонента и вогнутая поверхность первого положительного мениска четвертого компонента выполнены асферическими.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

- фиг.1а - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой (узкое поле зрения);

- фиг.1б - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой (широкое поле зрения);

- фиг.2а - ЧКХ инфракрасного объектива для узкого поля зрения;

- фиг.2б - ЧКХ инфракрасного объектива для широкого поля зрения;

- фиг.3а - ФКЭ в инфракрасном объективе для узкого поля зрения;

- фиг.3б - ФКЭ в инфракрасном объективе для широкого поля зрения;

- фиг.4а - астигматизм и дисторсия в инфракрасном объективе для узкого поля зрения;

фиг.4б - астигматизм и дисторсия в инфракрасном объективе для широкого поля зрения.

На фиг.1а представлена принципиальная оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображений, при фиксированном положении второго компонента, в котором реализуется узкое поле зрения. Объектив состоит из четырех компонентов. Первый неподвижный положительный компонент состоит из положительного мениска 1, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Второй отрицательный подвижный компонент состоит из двояковогнутой линзы 2 и имеет два фиксированных положения на оптической оси для переключения полей зрения. Третий неподвижный положительный компонент состоит из одиночных положительных менисков 3 и 4, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательной вогнутоплоской линзы 5, обращенной плоскостью к плоскости изображений. Четвертый неподвижный положительный компонент содержит положительный 6 и отрицательный 7 мениски, обращенные вогнутостью к плоскости изображений, и положительный мениск 8, обращенный вогнутостью к плоскости изображений. Между третьим и четвертым компонентами имеется промежуточное изображение. Вторая поверхность линзы 1, первая поверхность линзы 2 и вторая поверхность линзы 6 выполнены асферическими. В матричном приемнике ИК-излучения (не показан) совмещают плоскость чувствительных элементов с плоскостью изображений объектива через защитное стекло 9 и фильтр 10.

На фиг.1б представлена принципиальная оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображений, при фиксированном положении второго компонента, в котором реализуется широкое поле зрения. При этом только второй компонент, а именно линза 2, перемещается вдоль оптической оси, а положение остальных линз остается неизменным.

Оптическая система в узком и широком полях зрения работает следующим образом. Линзы первого, второго и третьего компонентов 1, 2, 3, 4, 5 фокусируют инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного приемника инфракрасного излучения и фокусным расстоянием объектива, и создают действительное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения, которое затем линзами четвертого компонента 6, 7, 8 через защитное стекло 9 и фильтр 10 приемника переносится в плоскость изображений объектива, совмещенную с плоскостью чувствительных элементов матричного приемника ИК-излучения, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Апертурная диафрагма, совмещенная с охлаждаемой диафрагмой приемника, обеспечивает высокое относительное отверстие объектива и минимизирует фоновое излучение, поступающее на матричный приемник ИК-излучения. Плоскость чувствительных элементов матричного приемника ИК-излучения совмещается с плоскостью изображений объектива. Смена полей зрения осуществляется перемещением вдоль оптической оси второго компонента из положения, показанного на фиг.1а, в положение, показанное на фиг.1б. При этом эквивалентное фокусное расстояние инфракрасного объектива уменьшается в три раза, и, соответственно, в три раза увеличивается угловое поле в пространстве предметов. Положение плоскости изображений остается неизменным как при узком, так и при широком полях зрения.

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1. Характеристики объектива:

Через «/» указаны значения соответственно для узкого и широкого полей зрения.

Таблица 1

Через «/» указаны расстояния между компонентами соответственно для узкого и широкого полей зрения.

*¹, *²,*³ - асферические поверхности с уравнениями вида:

, где

-кривизна поверхности

k=0 -коническая постоянная.

*¹ α₁=0

α₂=1,244·10^-8

α₃=1,94·10^-12

*² α₁=0

α₂=-1,73·10^-7

α₃=-1,75·10^-9

α₄=5,288·10^-12

*³ α₁=0

α₂=6,73·10^-6

α₃=-8,162·10^-9

α₄=1,035·10^-11

Таким образом, создан инфракрасный объектив с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, позволяющий осуществить коррекцию аберраций осевых и внеосевых пучков лучей, получить высокие значения ЧКХ для обоих полей зрения, что сохраняет высокое качество изображения и повышает технологичность за счет значительного упрощения конструкции (всего восемь линз и только один подвижный компонент).