RU2538067C1 - Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора (варианты) - Google Patents

Abstract

Объектив может быть использован в тепловизорах в спектральном диапазоне 8-12 мкм. Объектив по обоим вариантам содержит четыре компонента, второй и четвертый из которых подвижные и имеют по два фиксированных положения. Первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий компонент - в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости изображений, четвертый компонент - положительный и выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу. В первом варианте второй компонент включает двояковогнутую линзу и отрицательный мениск, обращенный к ней выпуклой поверхностью. Во втором варианте второй компонент выполнен в виде двух отрицательных менисков, обращенных друг к другу своими вогнутыми поверхностями. При этом выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Технический результат - увеличение углового поля, повышение относительного отверстия в режиме узкого поля зрения, обеспечение квазиравных значений относительных отверстий при смене поля зрения, уменьшение относительной длины объектива при обеспечении высокого качества изображения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 12 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, обеспечивающих дискретную смену фокусного расстояния и реализующих соответственно дискретную смену полей зрения в тепловизоре «смотрящего» типа при использовании совместно с микроболометрическими матричными приемниками излучения (МБМ), не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.

Режим широкого поля зрения (ШПЗ), реализуемый в тепловизоре при меньшей величине фокусного расстояния объектива, используется для поиска объектов; режим узкого поля зрения (УПЗ) в тепловизоре, реализуемый при большей величине фокусного расстояния объектива, используется для опознавания объекта, что повышает эффективность обнаружения объектов по их тепловому излучению в дальней инфракрасной области спектра.

Для создания малогабаритных тепловизоров, построенных на основе МБМ, не требующих охлаждения до криогенных температур (неохлаждаемых), чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм, в связи с увеличением формата фотоприемных матриц и уменьшением шага между пикселями возрастает необходимость в создании светосильных объективов с изменяемой величиной фокусного расстояния, позволяющих реализовать в тепловизоре в режиме ШПЗ величину поля зрения не менее 25-30° по диагонали кадра и повышение масштаба изображения примерно в 3 раза в режиме УПЗ.

Задачей, на решение которой направлено заявляемая группа устройств, объединенных единым изобретательским замыслом, (варианты) является создание малогабаритной технологичной, экономически эффективной конструкции оптической системы светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающей возможность сопряжения с современными неохлаждаемыми матричными приемниками ИК- излучения в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

Известен линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (8-12 мкм), состоящий из четырех линз, две из которых являются подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси для смены величины поля зрения в тепловизоре [Патент RU 2316797, 2008]. Объектив имеет сменные фокусные расстояния 40 и 20 мм, относительное отверстие 1:1, сменные угловые поля в пространстве предметов 5,7° и 11,4°.

Недостатком аналога являются малая величина углового поля в режиме широкого поля зрения, малый перепад фокусных расстояний (2 крата), большая относительная длина объектива (длина объектива примерно в 1,6 раза больше наибольшей величины фокусного расстояния).

Известен линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (варианты) [Патент RU 2339983, 2008], содержащий четыре компонента. Объектив имеет сменные фокусные расстояния 180 и 60 мм, относительное отверстие 1:1,5, сменные угловые поля 15 и 5° (по диагонали), спектральный диапазон 8-12 мкм.

Недостатком аналога являются низкое относительное отверстие и недостаточная величина углового поля в режиме ШПЗ.

Указанные недостатки аналогов не позволяют их использовать в малогабаритных тепловизорах, реализующих в режиме широкого поля зрения величину поля зрения не менее 25-30° по диагонали кадра.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству (первый вариант) является светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора [Патент RU 2348954, 2009], содержащий расположенные по ходу лучей четыре компонента, два из которых являются подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси для смены величины поля зрения при неизменнном расстоянии вдоль оси между первым компонентом и плоскостью изображений, при этом первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй отрицательный компонент включает двояковогнутую линзу и является подвижным, третий компонент выполнен в виде положительного мениска, четвертый компонент является положительным и выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, при этом $$f_8^{\text{'}}\le r_{12}\le 5f_8^{\text{'}}$$

и φ₃=2,0÷2,2,

где r₁₂ - радиусы кривизны последней по ходу лучей преломляющей поверхности объектива;

$$f_8^{\text{'}}$$

- фокусное расстояние второго мениска четвертого компонента;

φ₃ - относительная оптическая сила третьего компонента.

Объектив имеет при фокусном расстоянии 120 мм величины относительного отверстия 1:1,5 и углового поля 8°, при фокусном расстоянии 40 мм - 1:1,1 и 23,7° соответственно. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения составляет 207 мм, т.е. в 1,72 раза превышает наибольшую величину фокусного расстояния. Масса объектива, рассчитанная для входящих в него линз, диаметры которых соответствуют световым диаметрам (т.е. без учета припусков на крепление линз в оправах), составляет 480 г. Коэффициент передачи контраста на пространственной частоте 30 лин/мм составляет для точки на оси 0,32, для точек по полю - 0,25. Между параметрами в объективе выполняется соотношение $$r_2\ge 3,5f_1^{\text{'}}$$

, где r₂ - радиус кривизны второй по ходу лучей преломляющей поверхности объектива; $$f_1^{\text{'}}$$

- фокусное расстояние первого компонента.

Недостатками наиболее близкого аналога являются малая величина углового поля, малая величина относительного отверстия в режиме УПЗ (большого фокусного расстояния), приводящая к неравным значениям относительных отверстий при смене поля зрения, большая относительная длина объектива.

Малая величина относительного отверстия объектива в режиме УПЗ (при большой величине фокусного расстояния объектива) ограничивает дальности обнаружения и распознавания объектов по их тепловому излучению в тепловизоре; изменение величин относительных отверстий при смене полей зрения увеличивает нагрузку на модуль электронной обработки, что снижает эффективность применения объектива и потребительские качества тепловизионного прибора в целом.

Величина углового поля в наиболее близком аналоге ограничивается возрастанием аберраций наклонных пучков, прежде всего сферической аберрации широких наклонных пучков.

Малая величина относительного отверстия в объективе в режиме УПЗ (при большой величине фокусного расстояния объектива) ограничена тем, что четвертый компонент в схеме является неподвижным и имеет большую оптическую силу. Этими же причинами обусловлено и большое различие в величинах относительных отверстий при смене полей зрения.

По своей принципиальной схеме построения наиболее близкий аналог в каждом из фиксированных положений компонентов является «инвертированным телеобъективом», отрицательный компонент которого включает первый и второй компонент объектива-аналога, положительный - третий и четвертый. Чем выше по абсолютной величине оптическая сила отрицательного компонента в инвертированном телеобъективе для узкого поля (большого фокусного расстояния), тем больше относительная длина системы в целом. Значения оптических сил в наиболее близком аналоге таковы, что они требуют большого расстояния между компонентами для достижения заявленного соотношения между сменными фокусными расстояниями, равного трем, и тем самым не позволяют сократить относительную длину объектива.

Таким образом, достичь повышения величины углового поля, величины относительного отверстия в режиме УПЗ (большого фокусного расстояния) и обеспечить квазиравные значения относительных отверстий при смене поля зрения, уменьшение относительной длины объектива в наиболее близком аналоге не возможно без существенного изменения устройства оптической системы объектива и его компонентов, изменения соотношения между оптическими силами компонентов и параметрами объектива.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении углового поля, повышении относительного отверстия в режиме узкого поля зрения, в обеспечении квазиравных значений относительных отверстий при смене поля зрения, в уменьшении относительной длины объектива при обеспечении высокого качества изображения. Значения относительных отверстий считаются квазиравными, если различие в диафрагменных числах не превышает 0,1.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога, в предлагаемом устройстве объектива во втором компоненте перед двояковогнутой линзой введен отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к двояковогнутой линзе, при этом относительная оптическая сила введенного отрицательного мениска составляет 1,3÷1,6 от оптической силы второго компонента, положительный мениск третьего компонента обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполнен неподвижным, четвертый компонент выполнен подвижным и имеет два фиксированных положения по оптической оси, при этом относительные оптические силы первого, второго и четвертого компонентов составляют соответственно (0,9÷1,3); -(0,4÷0,7) и (0,9÷1,3) и соблюдается соотношение $$r_2\ge 2,7f_1^{\text{'}}$$

.

Все преломляющие поверхности объектива являются сферическими.

В частном случае исполнения перемещения подвижных компонентов из одного фиксированного положения в другое равны по величине и направлению. В частном случае исполнения в качестве материала отрицательного мениска второго компонента использован селенид цинка или инфракрасное стекло.

Введение во второй компонент перед двояковогнутой линзой отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к двояковогнутой линзе, при этом относительная оптическая сила введенного отрицательного мениска составляет 1,3÷1,6 от оптической силы второго компонента, позволяет уменьшить аберрации широких наклонных пучков и увеличить угловые поля.

Размещение положительного мениска третьего компонента выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполнение его неподвижным, позволяет повысить относительные отверстия в режиме узкого поля зрения и обеспечить квазиравные значения относительных отверстий при смене поля зрения.

Выполнение четвертого компонента подвижным с двумя фиксированными положениями по оптической оси, обеспечение относительных оптических сил первого, второго и четвертого компонентов соответственно равными (0,9÷1,3); -(0,4÷0,7) и (0,9÷1,3) и соблюдение соотношения $$r_2\ge 2,7f_1^{\text{'}}$$

позволяет уменьшить относительную длину объектива и обеспечить квазиравные значения относительных отверстий при смене поля зрения.

Совокупное действие всех введенных признаков позволяет сохранить в объективе высокое качество изображения при смене угловых полей и обеспечении постоянства относительного отверстия.

По второму варианту исполнения технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога второй отрицательный компонент выполнен в виде двух отрицательных менисков, обращенных друг к другу своими вогнутыми поверхностями, при этом оптическая сила первого отрицательного мениска второго компонента составляет (0,05÷0,15) от оптической силы второго отрицательного мениска второго компонента; положительный мениск третьего компонента обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполнен неподвижным, четвертый компонент выполнен подвижным и имеет два фиксированных положения по оптической оси, при этом относительные оптические силы первого, второго и четвертого компонентов составляют соответственно (0,8÷1,2); -(2,2÷2,6) и (0,7÷1,2) и соблюдается соотношение $$r_2\ge f_1^{\text{'}}$$

.

В частном случае исполнения в качестве материала первого отрицательного мениска второго компонента использован селенид цинка или инфракрасное стекло.

Указанные совокупности признаков в каждом из вариантов позволяют создать малогабаритную технологичную, экономически эффективную конструкцию оптической системы светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающую возможность сопряжения с современными матричными приемниками ИК- излучения, работающими в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

Предлагаемое решение (варианты), на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны светосильные объективы с измененяемой величиной поля зрения для тепловизоров, в которых были бы реализованы совокупности указанных признаков, соответствующие предлагаемым вариантам.

Предложенное решение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг.1а - оптическая схема светосильного объектива с измененяемой величиной поля зрения для тепловизора (первый вариант, УПЗ);

фиг.1б - оптическая схема светосильного объектива с измененяемой величиной поля зрения для тепловизора (первый вариант, ШПЗ);

фиг.2а - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) (первый вариант, УПЗ);

фиг.2б - ЧКХ (первый вариант, ШПЗ);

фиг.3а - функция концентрации энергии (ФКЭ) (первый вариант, УПЗ);

фиг.3б - ФКЭ (первый вариант, ШПЗ);

фиг.4а - оптическая схема светосильного объектива с измененяемой величиной поля зрения для тепловизора (второй вариант, УПЗ);

фиг.4б - оптическая схема светосильного объектива с измененяемой величиной поля зрения для тепловизора (второй вариант, ШПЗ);

фиг.5а - ЧКХ (второй вариант, УПЗ);

фиг.5б - ЧКХ (второй вариант, ШПЗ);

фиг.6а - ФКЭ (второй вариант, УПЗ);

фиг.6б - ФКЭ (второй вариант, ШПЗ).

Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора (первый вариант) (фиг.1) содержит расположенные по ходу лучей четыре компонента 1-4. Компонент 1 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Отрицательный компонент 2 состоит из отрицательного мениск 5 и двояковогнутой линзы 6. Мениск 5 обращен выпуклой поверхностью к линзе 6 и его относительная оптическая сила составляет 1,3÷1,6 от оптической силы компонента 2. Компонент 3 выполнен в виде положительного мениска, который обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Положительный компонент 4 выполнен в виде менисков 7 и 8, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу. Компоненты 2 и 4 выполнены подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси. Расстояние вдоль оси между первым компонентом и плоскостью изображений сохраняется неизменным для любого из двух положений подвижных компонентов. Относительные оптические силы компонентов 1-4 соответственно равны: (0,9÷1,3); -(0,4÷0,7); (2,0÷2,2); (0,9÷1,3). Между параметрами объектива имеют место следующие соотношения: $$f_8^{\text{'}}\le r_{12}\le 5f_8^{\text{'}}$$

; $$r_2\ge 2,7f_1^{\text{'}}$$

,

где r₂, r₁₂ - радиусы кривизны соответственно второй и последней по ходу лучей преломляющих поверхностей объектива;

$$f_1^{\text{'}}$$

- фокусное расстояние первого компонента;

$$f_8^{\text{'}}$$

- фокусное расстояние второго мениска четвертого компонента.

В частном случае исполнения перемещения подвижных компонентов 2 и 4 из одного фиксированного положения в другое равны по величине и направлению. В частном случае исполнения в качестве материала мениска 5 использован селенид цинка или инфракрасное стекло.

Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора (второй вариант) (фиг.4) содержит расположенные по ходу лучей компоненты 1-4. Компонент 1 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Отрицательный компонент 2 выполнен в виде двух отрицательных менисков 5 и 6, обращенных друг к другу своими вогнутыми поверхностями. Оптическая сила мениска 5 составляет (0,05÷0,15) от оптической силы мениска 6. Компонент 3 выполнен в виде положительного мениска, обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Положительный компонент 4 состоит из двух менисков 7 и 8, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу. Компоненты 2 и 4 выполнены подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси. Расстояние вдоль оси между первым компонентом и плоскостью изображений сохраняется неизменным для любого из двух положений подвижных компонентов. Относительные оптические силы компонентов 1-4 составляют соответственно: (0,8÷1,2); -(2,2÷2,6); (2,0÷2,2); (0,7÷1,2). Между параметрами объектива имеют место следующие соотношения: $$f_8^{\text{'}}\le r_{12}\le 5f_8^{\text{'}}$$

и $$r_2\ge f_1^{\text{'}}$$

. В частном случае исполнения в качестве материала мениска 5 использован селенид цинка или инфракрасное стекло.

На фиг.1 и 4 без указания номера позиций показано защитное стекло МБМ, которое установлено перед матрицей чувствительных элементов и которое учитывается при балансировке аберраций в объективе.

Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора по любому из вариантов работает следующим образом. Компоненты 1-4, расположенные в одном из фиксированных положений, соответствующих фиг.1а и 4а, фокусируют инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах небольшого углового поля, определяемого размерами чувствительной площадки МБМ и фокусным расстоянием объектива, и создают действительное изображение объектов в плоскости изображений, с которой совмещается плоскость чувствительных элементов МБМ, закрытых защитным стеклом 5. Таким образом реализуется режим УПЗ. При смещении компонентов 2 и 4 вдоль оптической оси в направлении от МБМ во второе фиксированное положение, соответствующее положениям компонентов, показанным на фиг.1б и 4б, эквивалентное фокусное расстояние объектива уменьшается при неизменном расстоянии между мениском 1 и плоскостью изображений, и на чувствительную площадку МБМ компонентами 1-4 фокусируется инфракрасное излучение, идущее от удаленных объектов, находящихся в пределах большего по величину углового поля (реализуется режим ШПЗ). В каждом из положений компоненты 1-4 обеспечивают для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Оптические силы компонентов таковы, что в каждом из двух фиксированных положений компонентов 2 и 4 обеспечивается высокое относительное отверстие, определяемое диаметром компонента 3, при этом величина относительного отверстия остается практически неизменной в режимах УПЗ и ШПЗ. На фиг.1а, 1б, 4а, 4б показан ход лучей в каждом из фиксированных положений подвижных компонентов, который свидетельствует о том, что в объективе реализуется также ход главных лучей в пространстве изображений, близкий к телецентрическому. Телецентрический ход является предпочтительным для современных матричных приемников инфракрасного излучения, так как обеспечивает одинаковые условия облученности для всех пикселей приемника.

Реализация светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора по первому варианту подтверждается примером конкретного исполнения, приведенным в таблице 1. Объектив имеет два дискретных значения фокусного расстояния: 24 мм и 72 мм, и предназначен для использования в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм с МБМ формата 384×288 (шаг пикселей 0,025 мм). Угловое поле в режиме ШПЗ составляет 30° (по диагонали кадра), в режиме УПЗ - 9,4°. Относительные отверстия соответственно равны 1:1,2 и 1:1,13.

В таблице 1 величины фокусного расстояния f' и размера изображения 2 у приведены в миллиметрах, значения остальных параметров приведены при нормировке наибольшего эквивалентного фокусного расстояния объективов $$f_{н}^{\text{'}}=1$$

Кроме того, в таблице 1 приведены формат и размер (шаг) пикселя МБМ, для которого предназначен пример исполнения.

Таблица 1
Параметры примера конкретного исполнения (первый вариант)
Параметр	ШПЗ	УПЗ
f', мм	24	72
D:f'	1:1,13	1:1,20
2ω, град	30	9,4
2y, мм	12
Δλ, мкм	8-12
Поз.1, 3, 6, 7, 8	Ge
Поз.5	ZnSe
Масса, г	160
Длина, мм	104
Формат МФПУ	384×288
Размер пикселя, мм	0,025
$$f_{н}^{\text{'}}$$	0,33	1
φ1	1,23
d12	0,08	0,38
φ2	-0,60
φ3	2,04
d34	0,05	0,35
φ4	1,02
φ5/φ2	1,42
r2	2,63
r12	0,95
$$f_1^{\text{'}}$$	0,82
$$f_8^{\text{'}}$$	0,48
L	1,43

В таблице 1 приняты следующие обозначения: φ_i - относительная оптическая сила i-го компонента в соответствии с позициями компонентов на фиг.1а и 1б; d₁₂ - расстояние между компонентом 1 и подвижным компонентом 2 в его фиксированных положениях по оси; d₃₄ - расстояние между компонентом 3 и подвижным компонентом 4 в его фиксированных положениях по оси; L - расстояние от первой поверхности мениска поз.1 до плоскости изображений объектива. Обозначения остальных величин объяснены ранее по тексту заявки, их величины приведены для указанной нормировки. Масса указана для световых диаметров линз.

Как следует из таблицы 1 и фиг.1а и 1б, величины оптических сил и форма выполнения линз и компонентов соответствуют заявляемым в первом варианте объектива. Между параметрами объектива в примере исполнения имеют место следующие соотношения: $$r_{12}=2f_8^{\text{'}}$$

; $$r_2=3,2f_1^{\text{'}}$$

; т.е. выполняются заявленные в первом варианте объектива соотношения: $$f_8^{\text{'}}\le r_{12}\le 5f_8^{\text{'}}$$

и $$r_2\ge 2,7f_1^{\text{'}}$$

. Как следует из таблицы 1, подвижные компоненты 2 и 4 в примере исполнения перемещаются вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое в одном направлении на одинаковую величину, равную 0,3 при принятой нормировке. Мениск 5 выполнен из селенида цинка, остальные линзы из германия. Использованные материалы пропускают инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм. Все линзы примера конкретного исполнения имеют сферические преломляющие поверхности.

Величина относительного отверстия в режиме УПЗ составляет 1:1,2, различие в значениях диафрагменных чисел в режимах УПЗ и ШПЗ составляет менее 0,1, т.е. относительные отверстия при смене полей являются квазиравными и повышено в режиме УПЗ по сравнению с наиболее близким аналогом. Относительная длины объектива по сравнению с наиболее близким аналогом уменьшена в 1,2 раза (1,72/1,43=1,2). При этом в примере конкретного исполнения при указанных выше соотношениях между оптическими силами линз и компонентов, форме линз и соотношений между параметрами, используя методы оптимизации, применяемые в оптических проектировочных программах, обеспечивается такая балансировка аберраций, которая соответствует требованиям к качеству изображения объективов тепловизионных приборов.

Для подтверждения высокого качества изображения предлагаемого варианта для примера конкретного исполнения, представленного в таблице 1, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения: на фиг.2а, 2б приведены графики ЧКХ, а на фиг.3а, 3б - графики ФКЭ соответственно для УПЗ и ШПЗ. На частоте 30 лин/мм значение коэффициента передачи контраста для УПЗ составляет от 0,5 (ось) до 0,4 (угол кадра); для ШПЗ - соответственно от 0,55 до 0,3. Значение ФКЭ на площадке со стороной, равной шагу пикселя, для УПЗ составляет 0,8 (ось) и 0,73 (угол кадра); для ШПЗ - соответственно 0,82 и 0,6. Таким образом, из представленных графиков следует, что заявляемый объектив обеспечивает высокое качество изображения для примера конкретного исполнения, близкое к дифракционному.

Реализация второго варианта светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора иллюстрируется конкретным примером исполнения, параметры которого приведены в таблице 2. Обозначения в таблице 2 аналогичны таблице 1.

Таблица 2
Параметры примера конкретного исполнения (второй вариант)
Параметр	ШПЗ	УПЗ
f', мм	24	72
D:f'	1:1,17	1:1,20
2ω, град	30	9,6
2у, мм	12
Δλ, мкм	8-12
Поз.1, 3, 6, 7, 8	Gre
Поз.5	ZnSe
Масса, г	172
Длина, мм	100
Формат МФПУ	384×288
Размер пикселя, мм	0,025
$$f_{н}^{\text{'}}$$	0,33	1
φ1	0,95
d12	0,04	0,46
φ2	-2,40
φ3	2,16
d34	0,03	0,29
φ4	0,87
φ5/φ6	0,11
r2	1,75
r12	0,72
$$f_1^{\text{'}}$$	1,06
$$f_8^{\text{'}}$$	0,52
L	1,39

Объектив имеет два дискретных значения фокусного расстояния: 24 мм и 72 мм и предназначен для использования в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм с МБМ формата 384×288 (шаг пикселей 0,025 мм). Соответственно угловое поле в режиме ШПЗ составляет 30° (по диагонали кадра), в режиме УПЗ - 9,6°. Относительные отверстия соответственно равны 1:1,2 и 1:1,17, т.е. являются квазиравными.

Оптические силы компонентов 1-4 объектива (см. фиг.4) равны соответственно: 0,95; -2,4; 2,16; 0,87, что обосновывает заявленный диапазон изменения оптических сил линз в объективе по второму варианту.

Между параметрами объектива в примере исполнения имеют место следующие соотношения: $$r_{12}=1,4f_8^{\text{'}}$$

; $$r_2=1,7f_1^{\text{'}}$$

; т.е. выполняются заявленные во втором варианте объектива соотношения: $$f_8^{\text{'}}\le r_{12}\le 5f_8^{\text{'}}$$

и $$r_2\ge f_1^{\text{'}}$$

.

Относительная длины объектива по сравнению с наиболее близким аналогом уменьшена в 1,24 раза (1,72 /1,39=1,24).

Как следует из таблицы 2, подвижные компоненты 2 и 4 в примере исполнения перемещаются вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое в одном направлении соответственно на величины 0,42 и 0,29 (при принятой нормировке). Мениск 5 выполнен из селенида цинка, остальные линзы из германия. Использованные материалы пропускают инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм. Все линзы примера конкретного исполнения имеют сферические преломляющие поверхности.

Конкретные значения конструктивных параметров обеспечиваются стандартной оптимизацией, входящей в состав любой современной оптической программы по расчету оптических систем, при использовании указанных оптических сил, материалов и соотношений.

Для подтверждения высокого качества изображения предлагаемого варианта на фиг.5а, 5б приведены графики ЧКХ, на фиг 6а, 6б - графики ФКЭ. Из представленных графиков следует, что заявляемый объектив (второй вариант) также обеспечивает высокое качество изображения, близкое к дифракционному. Для пространственной частоты 30 лин/мм в плоскости изображений коэффициенты передачи контраста для УПЗ лежат в диапазоне от 0,5 (ось) до 0,43 (угол кадра); для ШПЗ соответственно от 0,5 до 0,3. ФКЭ для пикселя размером 0,025 мм для УПЗ лежат в диапазоне от 0,82 (ось) до 0,76 (угол кадра), для ШПЗ - соответственно от 0,8 до 0,63.

Таким образом, в примерах конкретных исполнений светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора как по первому, так и по второму вариантам исполнения достигаемый технический результат по сравнению с наиболее близким аналогом заключается в увеличении углового поля, повышении относительного отверстия в режиме узкого поля зрения и обеспечении квазиравных значений относительных отверстий при смене поля зрения, в уменьшении относительной длины объектива при обеспечении высокого качества изображения.

Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемых вариантов светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора позволяет создать малогабаритную технологичную, экономически эффективную конструкции оптической системы светосильного объектива с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающую возможность сопряжения с современными неохлаждаемыми матричными приемниками ИК-излучения в диапазоне 8-12 мкм.

Литература

1. Патент RU 2316797, 2008.

2. Патент RU 2339983, 2008.

3. Патент RU 2348954, 2009.

Claims (5)

1. Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора, содержащий расположенные по ходу лучей четыре компонента, два из которых являются подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси для смены величины поля зрения при неизменнном расстоянии вдоль оси между первым компонентом и плоскостью изображений, при этом первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй отрицательный компонент включает двояковогнутую линзу и является подвижным, третий компонент выполнен в виде положительного мениска, четвертый компонент является положительным и выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, при этом

и φ₃=2,0÷2,2, отличающийся тем, что во втором компоненте перед двояковогнутой линзой введен отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к двояковогнутой линзе, при этом относительная оптическая сила введенного отрицательного мениска составляет 1,3÷1,6 от оптической силы второго компонента, положительный мениск третьего компонента обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполнен неподвижным, четвертый компонент выполнен подвижным и имеет два фиксированных положения по оптической оси, при этом относительные оптические силы первого, второго и четвертого компонентов составляют соответственно (0,9÷1,3); -(0,4÷0,7) и (0,9÷1,3) и соблюдается соотношение

,
где r₂, r₁₂ - радиусы кривизны соответственно второй и последней по ходу лучей преломляющих поверхностей объектива;

- фокусное расстояние первого компонента;

- фокусное расстояние второго мениска четвертого компонента;
φ₃ - относительная оптическая сила третьего компонента.

2. Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора, содержащий расположенные по ходу лучей четыре компонента, два из которых являются подвижными и имеют по два фиксированных положения по оптической оси для смены величины поля зрения при неизменнном расстоянии вдоль оси между первым компонентом и плоскостью изображений, при этом первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй компонент является отрицательным и является подвижным, третий компонент выполнен в виде положительного мениска, четвертый компонент является положительным и выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, при этом

и φ₃=2,0÷2,2, отличающийся тем, что второй отрицательный компонент выполнен в виде двух отрицательных менисков, обращенных друг к другу своими вогнутыми поверхностями, при этом оптическая сила первого отрицательного мениска второго компонента составляет (0,05÷0,15) от оптической силы второго отрицательного мениска второго компонента, положительный мениск третьего компонента обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполнен неподвижным, четвертый компонент выполнен подвижным и имеет два фиксированных положения по оптической оси, при этом относительные оптические силы первого, второго и четвертого компонентов составляют соответственно (0,8÷1,2); -(2,2÷2,6) и (0,7÷1,2) и соблюдается соотношение

,
где r₂, r₁₂ - радиусы кривизны соответственно второй и последней по ходу лучей преломляющих поверхностей объектива;

- фокусное расстояние первого компонента;

- фокусное расстояние второго мениска четвертого компонента;
φ₃ - относительная оптическая сила третьего компонента.

3. Объектив по п.1, отличающийся тем, что перемещения подвижных компонентов из одного фиксированного положения в другое равны по величине и направлению.

4. Объектив по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала отрицательного мениска второго компонента использован селенид цинка или инфракрасное стекло.

5. Объектив по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала первого отрицательного мениска второго компонента использован селенид цинка или инфракрасное стекло.

Images