RU2815613C1 - Инфракрасный объектив с двумя полями зрения - Google Patents

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения Download PDF

Info

Publication number
RU2815613C1
RU2815613C1 RU2023128230A RU2023128230A RU2815613C1 RU 2815613 C1 RU2815613 C1 RU 2815613C1 RU 2023128230 A RU2023128230 A RU 2023128230A RU 2023128230 A RU2023128230 A RU 2023128230A RU 2815613 C1 RU2815613 C1 RU 2815613C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
convex
component
view
concave
Prior art date
Application number
RU2023128230A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Олегович Чистяков
Алексей Владимирович Григорьев
Людмила Юрьевна Бажанова
Original Assignee
Акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод" filed Critical Акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод"
Application granted granted Critical
Publication of RU2815613C1 publication Critical patent/RU2815613C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области оптического приборостроения. Инфракрасный объектив с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси пяти компонентов, второй и третий из которых подвижные и имеют по два фиксированных положения. Первый компонент выполнен в виде положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, второй компонент - в виде двояковогнутой отрицательной линзы из германия, третий компонент - в виде положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Четвертый компонент положительный и выполнен в виде двух линз из кремния, первая положительная линза выполнена выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая - отрицательной вогнуто-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Пятый компонент положительный и содержит две линзы, первая - положительная выпукло-вогнутая из кремния, вторая - отрицательная выпукло-вогнутая из флюорита, обе линзы обращены выпуклыми поверхностями к плоскости предметов. Между четвертым и пятым компонентами формируется промежуточное изображение. Технический результат - увеличение значения углового поля в режиме широкого поля зрения, повышение качества изображения. 6 табл., 12 ил.

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, работающим в инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизионных приборах, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.
Известна оптическая система инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, описанная в патенте RU №2400784 С1, МПК G02B 13/14, G02B 15/16, G02B 9/64, опубликованном 27.09.2010 г., состоящая из десяти линз. Инфракрасный объектив, выполненный без асферических и дифракционных оптических элементов, имеет высокое качество изображения (относительное отверстие 1:2). Но большое количество линз снижает коэффициент пропускания системы, что приводит к ухудшению качества объектива и является его недостатком.
Также известен инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения для инфракрасной области от 3,7 мкм до 4,85 мкм, (патент RU №2630195 С1, МПК G02B 13/02, G02B 13/14, G02B 15/14, дата публикации 05.09.2017 г.). Телеобъектив имеет фокусные расстояния ƒ’=-183,3 мм для узкого поля зрения и ƒ’=-61 мм для широкого поля зрения. Смена полей зрения (фокусного расстояния) осуществляется перемещением одной линзы вдоль оптической оси. Телеобъектив состоит из 6 линз, на каждой из первых пяти линз одна поверхность асферическая, а на шестой линзе одна поверхность выполнена асферо-дифракционной. Наличие большого количества асферических поверхностей делает телеобъектив технологически сложным в изготовлении и дорогостоящим.
Известен инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием (патент RU №2299454 С1, МПК G02B 13/16, G02B 13/14, дата публикации 25.05.2007), содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, подвижные второй и третий компоненты, а так же неподвижные четвертый и пятый компоненты. Объектив имеет большую кратность изменения фокусного расстояния М=5× (фокусное расстояние меняется от 60 мм до 300 мм). Изменение фокусного расстояния осуществляется одновременным перемещением вдоль оптической оси второго и третьего компонентов, при этом перемещение второго компонента составляет 182 мм, а третьего - на 67,6 мм от исходного положения. Большие значения перемещений подвижных компонентов являются недостатком этого объектива. Апертурная диафрагма совмещена с первой поверхностью линзы пятого компонента, расположение апертурной диафрагмы внутри системы не обеспечивает оптимального сопряжения с современными матричными охлаждаемыми приемниками излучения, что понижает освещенность на краю изображения вследствие виньетирования наклонных пучков лучей и приводит к ухудшению качества изображения, что так же является недостатком этого объектива.
Известен телеобъектив с двумя полями зрения для средней ИК области, (патент RU №2663313 С1, МПК G02B 13/02, G02B 15/02, G02B 13/14, дата публикации 03.08.2018 г.). Телеобъектив имеет очень большое фокусное расстояние ƒ’=-550,06 мм для узкого поля зрения и ƒ’=-78,48 мм для широкого поля зрения, относительное отверстие 1:4. Телеобъектив имеет высокое качество изображения и технологичен, так как содержит только сферические поверхности. Но в данном телеобъективе большое количество линз, девять, что снижает коэффициент пропускания системы.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемой системе является инфракрасная система с двумя полями зрения, (патент RU №2624658 С1, МПК G02B 13/14, дата публикации 05.07.2017 г.). Оптическая система работает в средней инфракрасной области от 3 до 5 мкм.
Инфракрасная система с двумя полями зрения состоит из четырех компонентов. Первый неподвижный компонент содержит две выпукло- вогнутых линзы, первую положительную и вторую отрицательную. Второй компонент - двояковогнутая линза, установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий неподвижный компонент содержит двояковыпуклую линзу. Четвертый компонент состоит из четырех линз, вогнуто-выпуклой и выпукло-вогнутой положительных линз, отрицательной выпукло-вогнутой и двояковыпуклой линзы. В пространстве между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение. Оптическая система имеет высокое качество изображения. В патенте представлены рисунки с графиком функции концентрации энергии, при этом концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм в узком поле зрения составляет 73% в центре и 53 % на краю поля зрения, а в широком - 71% в центре и 64% на краю. Фокусное расстояние объектива инфракрасной системы узкого поля ƒ’=320 мм, широкого поля ƒ’=107 мм, линейное поле зрения в пространстве изображений 9,6 мм × 7,68 мм. Величина углового поля в режиме узкого поля зрения в пространстве предметов составляет 2ω=2,2°. Недостатком данного аналога является малая величина углового поля в режиме широкого поля зрения в пространстве предметов, которая составляет 2ω=6,6°.
Поле зрения оптической системы является одной из важных её характеристик. Для повышения функциональности работы тепловизионных приборов оптические системы, как правило, имеют два поля зрения. Опознавание объекта на максимальной дальности осуществляется в режиме узкого поля зрения, а поиск и обнаружение объекта обеспечивается в режиме широкого поля зрения. Оптическая система с большим значением углового поля в режиме широкого поля зрения в отличие от оптической системы с меньшим значением углового поля позволяет обеспечить больший обзор контролируемого пространства, а значит, увеличивается количество обнаруженных целей.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение значения углового поля в режиме широкого поля зрения оптической системы в пространстве предметов при обеспечении высокого качества изображения.
Технический результат - создание инфракрасного объектива с двумя полями зрения с увеличенным значением углового поля в режиме широкого поля зрения в пространстве предметов с обеспечением высокого качества изображения для широкого и узкого полей зрения.
Это достигается тем, что оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения состоит из расположенного по ходу луча первого неподвижного компонента, содержащего выпукло-вогнутую положительную линзу из кремния, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и отличающегося от аналога тем, что этот компонент содержит только одну линзу. Второй компонент содержит отрицательную двояковогнутую линзу из германия и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент состоит из положительной линзы из кремния, в отличие от аналога линза выполнена выпукло-вогнутой обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Четвертый неподвижный компонент содержит две линзы из кремния, при этом первая линза положительная, в отличие от аналога первая линза выполнена выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая линза выполнена отрицательной вогнуто- выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, при этом ее вторая поверхность выполнена асферической, также в отличие от аналога четвертый компонент состоит только из двух линз. Оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения от аналога отличается тем, что дополнительно введен пятый неподвижный компонент, содержащий две выпукло-вогнутые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями к плоскости предметов, из них первая линза выполнена положительной из кремния, а вторая линза выполнена отрицательной из флюорита, при этом первая поверхность первой линзы выполнена асферической. Промежуточное изображение формируется между четвертым и пятым компонентами.
При этом выполняются следующие соотношения:
где: - фокусные расстояния соответственно второго, третьего и пятого компонентов;
- фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;
d10 - воздушный промежуток между четвертым и пятым компонентами;
n7 - показатель преломления второй линзы пятого компонента.
Инфракрасный объектив с двумя полями зрения работает с фотоприемным устройством, в котором имеется входное окно и охлаждаемая диафрагма, которая является апертурной диафрагмой оптической системы.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения (широкое поле зрения);
Фиг. 2 - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения (узкое поле зрения);
Фиг. 3 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 4 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 5 - функция рассеяния точки инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 6 - функция рассеяния точки инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 7 - функция концентрации энергии (ФКЭ) инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 8 - функция концентрации энергии (ФКЭ) инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 9 - кривизна поля и дисторсия инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 10 - кривизна поля и дисторсия инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 11 - относительная освещенность в плоскости изображения инфракрасного объектива с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 12 - относительная освещенность в плоскости изображения инфракрасного объектива с двумя полями зрения в узком поле зрения.
Инфракрасный объектив с двумя полями зрения (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из пяти, расположенных по ходу луча, компонентов. Первый неподвижный компонент I состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния поз. 1, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второй компонент II, содержащий отрицательную двояковогнутую линзу из германия поз. 2, установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент III состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы из кремния поз. 3, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Четвертый компонент IV положительный и выполнен в виде двух линз из кремния, первая положительная выпукло-вогнутая поз. 4, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая - отрицательная вогнуто- выпуклая поз. 5, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Пятый компонент V положительный и содержит две линзы, первая положительная выпукло-вогнутая из кремния поз. 6, вторая - отрицательная выпукло-вогнутая из флюорита поз. 7, обе линзы обращены выпуклыми поверхностями к плоскости предметов. Между четвертым IV и пятым V компонентами формируется промежуточное изображение. Вторая поверхность второй линзы четвертого компонента поз. 5 и первая поверхность первой линзы пятого компонента поз. 6 выполнены асферическими.
При этом выполняются следующие соотношения:
где: - фокусные расстояния соответственно второго, третьего и пятого компонент;
- фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;
d10 - воздушный промежуток между четвертым и пятым компонентами;
n7 - показатель преломления второй линзы пятого компонента.
Инфракрасный объектив с двумя полями зрения работает с фотоприемным устройством (охлаждаемый матричный приемник инфракрасного излучения) поз. 8, в котором имеется входное окно поз. 9 и охлаждаемая диафрагма поз. 10, которая является апертурной диафрагмой оптической системы инфракрасного объектива.
В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения, технические характеристики которой приведены в таблице 1.
Конструктивные параметры, предложенной оптической схемы инфракрасного объектива с двумя полями зрения приведены в таблице 2.
В таблице 3 приведены значения переменных воздушных промежутков для двух полей зрения инфракрасного объектива с двумя полями зрения.
Оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения работает следующим образом: инфракрасное излучение, исходящее из бесконечно удаленных точек предмета, проходит через линзу поз. 1 первого компонента I, линзу поз. 2 второго компонента II, линзу поз. 3 третьего компонента III, линзы поз. 4 и поз. 5 четвертого компонента IV в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного приемника инфракрасного излучения и фокусным расстоянием инфракрасного объектива (фиг. 2), формирует действительное изображение в плоскости промежуточного изображения, далее излучение проходит через линзы поз. 6 и поз. 7 пятого компонента V, затем через входное окно поз. 9 и диафрагму поз. 10 фотоприемного устройства поз. 8 переносится в плоскость изображений объектива, обеспечивая для каждой точки предмета фокусировку в пятно малого размера, которое по величине сопоставимо с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Плоскость чувствительных элементов фотоприемного устройства совмещается с плоскостью изображений инфракрасного объектива.
Смена полей зрения (фокусного расстояния) инфракрасного объектива с узкого поля зрения на широкое поле зрения осуществляется одновременным перемещением линзы поз. 2 второго компонента II и линзы поз. 3 третьего компонента III, при этом линза поз. 2 второго компонента II смещается в направлении линзы поз. 1 первого компонента I (величина перемещения составляет Δ=42,82-21,08=21,74 мм), а линза поз. 3 третьего компонента III перемещается в направление четвертого компонента IV (величина перемещения составляет Δ=85,63-26,192=59,438). Угловое поле при этом увеличивается в четыре раза. Положение плоскости промежуточного изображения и положение плоскости изображений объектива при изменении фокусного расстояния (поля зрения) остается неизменным как при узком поле, так и при широком поле зрения.
При смене угловых полей зрения в объективе сохраняется высокое качество изображения и обеспечивается постоянство относительного отверстия, которое составляет 1:4.
Качество изображения оптической системы объектива оценивается с помощью параметров кружка рассеяния и модуляционной передаточной функции. Параметры модуляционной передаточной функции оптической системы инфракрасного объектива в сравнении с дифракционноограниченной системой приведены в таблице 4 для широкого поля зрения и в таблице 5 для узкого поля зрения, а также показаны на фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 5 и фиг. 6 приведены значения функции рассеяния точки. Геометрический радиус кружка рассеяния точки не превышает 7,3 мкм в центре поля зрения и 20,5 мкм на краю поля зрения для широкого поля зрения и 4,7 мкм в центре поля зрения и 13,2 мкм на краю поля зрения для узкого поля зрения.
Значение концентрации энергии для двух полей зрения приведены в таблице 6 и на графиках фиг. 7 фиг. 8.
Оптическая система инфракрасного объектива имеет очень высокое качество изображения в широком поле зрения, концентрация энергии в кружке диаметром 30 мкм составляет при дифракционном пределе 79% для осевого пучка 77%, для внеосевого (2ω=20°) 66%, для узкого поля зрения значение концентрации энергии составляет для осевого пучка 78%, для внеосевого (2ω=5°) 72%.
На приведенных графиках на фиг. 9 и фиг. 10 дисторсия составляет 1,36% для широкого поля зрения и 4,3% для узкого поля зрения.
Заявленная оптическая система не имеет виньетирования, поэтому падение относительной освещенности в плоскости изображения (на плоскости чувствительных элементов матрицы фотоприемного устройства) от центра к краю составляет от 1 до 0,85 для широкого и от 1 до 0,82 для узкого полей зрения, что подтверждается графиками фиг. 11 и фиг. 12.
В результате предложенного решения, в заявляемой оптической системе инфракрасного объектива величина углового поля в режиме широкого поля зрения в пространстве предметов, в отличии от аналога, у которого она составляет 2ω=6,6°, увеличена в три раза и составляет 2ω=20°, при этом площадь обзора пространства увеличилась в 9 раз, что следует из формулы:
где:
S1 - площадь обзора пространства аналога,
S2 - площадь обзора пространства заявляемого объектива,
L - расстояние до объекта,
ω1 - половина поля зрения аналога,
ω2 - половина поля зрения заявляемого объектива.
Таким образом, создан инфракрасный объектив с двумя полями зрения с увеличенным значением углового поля в режиме широкого поля зрения по сравнению с аналогом, и при этом обеспечено высокое качество изображения.

Claims (6)

  1. Инфракрасный объектив с двумя полями зрения, формирующий промежуточное изображение и состоящий из расположенных по ходу луча неподвижного первого компонента, содержащего выпукло-вогнутую положительную линзу из кремния, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, второго компонента, содержащего отрицательную двояковогнутую линзу из германия и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего компонента, содержащего положительную линзу из кремния, четвертого неподвижного компонента, содержащего первую положительную линзу из кремния и вторую линзу из кремния, и фотоприемного устройства, отличающийся тем, что в третьем компоненте линза выполнена выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и с возможностью перемещения вдоль оптической оси, в четвертом компоненте первая линза выполнена выпукло-вогнутой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, дополнительно введен пятый неподвижный компонент, содержащий две выпукло-вогнутые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями к плоскости предметов, из них первая линза выполнена положительной из кремния, а вторая линза выполнена отрицательной из флюорита, при этом промежуточное изображение формируется между четвертым и пятым компонентами, также вторая поверхность второй линзы четвертого компонента и первая поверхность первой линзы пятого компонента выполнены асферическими и при этом выполняются следующие соотношения:
  2. где: - фокусные расстояния соответственно второго, третьего и пятого компонентов;
  3. - фокусное расстояние объектива узкого поля зрения;
  4. d 10 - воздушный промежуток между четвертым и пятым компонентами;
  5. n 7 - показатель преломления второй линзы пятого компонента.
RU2023128230A 2023-10-30 Инфракрасный объектив с двумя полями зрения RU2815613C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2815613C1 true RU2815613C1 (ru) 2024-03-19

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655622C1 (ru) * 2017-02-02 2018-05-29 Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" Объектив
RU2726262C1 (ru) * 2019-12-17 2020-07-10 Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева", ПАО КМЗ Инфракрасный объектив с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой
RU2779657C1 (ru) * 2021-06-30 2022-09-13 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") Инфракрасная система с двумя полями зрения

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655622C1 (ru) * 2017-02-02 2018-05-29 Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" Объектив
RU2726262C1 (ru) * 2019-12-17 2020-07-10 Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева", ПАО КМЗ Инфракрасный объектив с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой
RU2779657C1 (ru) * 2021-06-30 2022-09-13 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") Инфракрасная система с двумя полями зрения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10502934B2 (en) Infrared refractive objective lens assembly
CN108693634B (zh) 宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统
US9377612B2 (en) IR microscope with image field curvature compensation, in particular with additional illumination optimization
JP2002014283A (ja) 赤外線ズームレンズまたは赤外線多焦点レンズ、赤外線イメージングシステム、およびパノラマ観察光学系
US6423969B1 (en) Dual infrared band objective lens
CN110703421A (zh) 一种变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头
RU2578661C1 (ru) Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием
RU2815613C1 (ru) Инфракрасный объектив с двумя полями зрения
RU2694557C1 (ru) Инфракрасная система с двумя полями зрения
US3002092A (en) Optical system for infrared target tracking apparatus
CN111367062A (zh) 一种中波红外两档变焦光学镜头及成像装置
RU2722623C1 (ru) Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения
CN114460729A (zh) 一种大相对孔径、大靶面非制冷红外连续变焦光学系统
RU2718145C1 (ru) Объектив светосильный инфракрасный
US20220099949A1 (en) Optical system, optical apparatus, imaging apparatus, and method for manufacturing optical system and imaging apparatus
CN112363305A (zh) 微小型中波红外连续变焦光学系统
JPH0344612A (ja) 赤外用変倍光学系
RU2316797C1 (ru) Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ик-области спектра
RU2624658C1 (ru) Инфракрасная система с двумя полями зрения
GB2085184A (en) Afocal dual magnification refractor telescopes
RU2463633C1 (ru) Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ик-спектральных областях
RU2806167C1 (ru) Объектив светосильный инфракрасный
RU2816830C1 (ru) Инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения
CN110794559B (zh) 一种大远摄比红外连续变焦光学系统
RU208293U1 (ru) Инфракрасная система с двумя полями зрения