ОБЪЕКТИВ С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ ДЛЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ ДЕТЕКТОРОВ
LENS WITH VARIABLE FOCAL DISTANCE FOR COOLED DETECTORS

Изобретение относится к классу варио-объективов, предназначенных для работы с матрицами охлаждаемого типа, использование которых необходимо во всех тех промышленных и исследовательских вариантах, где требуется повысить температурную чувствительность системы, а следовательно, и температурное разрешение, и где тепловой фон должен как можно меньше влиять на температурные характеристики объектива, ведущие к ухудшению качества изображения. В настоящее время диапазон применения таких систем достаточно велик: он охватывает и тепловидение, и медицину, и охранные конструкции и те многие рабочие режимы, при которых приходится сталкиваться с существованием повышенных температур и их влиянием на температурную зависимость устройства. В объективах, работающих с такими матрицами, выходной зрачок всегда находится на конечном расстоянии от последней поверхности объектива и является апертурной диафрагмой (АД) объектива. В свою очередь, ее расстояние до плоскости изображения, т.е. до чувствительного слоя приемника, зависит от типа используемой матрицы. Такое расположение АД вносит совершенно закономерную специфику в схемы разрабатываемых для этих целей объективов, поскольку ход лучей для разных фокусных расстояний (f′) кардинально отличается от тех систем, где АД расположена, как правило, внутри системы. В случае вынесенной АД появляются трудности, связанные с увеличением длины объектива и диаметра головного компонента, который может достигать больших и неприемлемых для создаваемой конструкции размеров, и необходимость избежать этого является одной из наиболее трудных задач, с которыми неизбежно приходится сталкиваться при разработке такого объектива, поскольку все приемлемые решения по габаритам должны быть связаны с достижением достаточно высокого качества изображения в довольно широких областях спектра. Конструкции таких объективов предполагают создание либо одного, либо нескольких промежуточных изображений внутри системы, и правильное габаритное решение этой задачи является трудоемким процессом, поскольку одновременно необходимо исследовать все возможности создания в процессе расчета достойного качества изображения.
Если проанализировать содержание патентной базы в области варио-объективов, некоторые упоминания в статьях и каталогах, то заметно, что таких конструкций достаточно мало по сравнению с классическими схемами варио-объективов. Например, объектив (патент US 6.424.460 от 23 июля 2002 г.) состоит из 6 линз. Апертурная диафрагма расположена за последней линзой объектива, ее ⌀ 19 мм и расстояние до приемной площадки матрицы равно 47 мм. Объектив рассчитан только на 2 фокуса, т.е. это фактически система с дискретным изменением f′.
Параметры объектива следующие:
λ=3-5 мкм
1
f=53 мм
2
f=160 мм
Х
перепад фокусов (кратность) m=3
длина от первой поверхности до плоскости изображения l=180 мм
1
2
поле зрения в пространстве предметов: 2σ=10°, 2σ=3°
светосила: 1:2,4 → для f′=53 мм, 1:3 → для f′=160 мм
введены 3 асферики (2 на вогнутых поверхностях, 1 на выпуклой)
использованные материалы: Ge, Si, ZnSe
отношение диаметра головной линзы к длине объектива ~0,58
Изменения f′ осуществляются двумя подвижными линзами.
Х
Х
2
Анализируя схему этого объектива и учитывая значение входных параметров, можно отметить, что длина объектива достаточно большая = > f′ max и ее все равно не хватает для осуществления 3 кратного перепада фокусов, т.к. две подвижные линзы занимают соответственно фокусам две позиции и для f′ max происходит их максимальное сближение, которое не обеспечивает полное заполнение АД для (·) на оси, т.е. уменьшается светосила, поле зрения 2σ=3° - небольшое, но качество изображения в целом довольно низкое, большая дисторсия и даже наличие 3 асферик не помогло получить более качественный вариант.
Как один из вариантов использования вынесенных АД можно рассмотреть патент US 8101918 от 24 января 2012 г. В патенте не представлен варио-объектив, его заменяют несколько объективов с постоянными f′, построенными по схеме, соответствующей специфическим схемам для систем с вынесенной АД.
Х
Х
Все представленные объективы имеют f′=95 мм, 150 мм, 200 мм, светосила не > 1:4, поле зрения не > 2σ=16°, количество линз от 6 до 7, количество асферик от 2 до 4. Все системы с промежуточным изображением. Исследуя эту серию объективов, можно отметить, что даже для систем с одиночными f′ наличие АД за пределами линзовой части системы требует определенного конструктивного усложнения системы, применения асферик и это при том, что входные параметры не являются завышенными и трудоемкими.
Известно также упоминание о расчете подобных объективов в лаборатории RP Optical LaB Dekel (Израиль). В частности приводится схема объектива с f'=25-145 мм АД, расположенной перед матрицей.
Параметры объектива следующие:
λ=8-12 мкм
f'=25-145 мм
Х
m=5,8
длина l=166 мм
1
поле зрения 2σ=3°-17,6°
Объектив состоит из 6 линз, из них три подвижные. Применены как минимум 3 асферики. Механизм фокусировки - моторизированный, т.е. происходит плавное изменение f′ от min до max.
В качестве прототипа для предлагаемого объектива представлена система, которая является наиболее близкой по назначению, принципу действия и совокупности признаков конструктивного исполнения. Эта система описана в патенте US 7961382 В2 от 14 июня 2011 г. Входные параметры системы:
f'=13-360 мм
Х
m=28
λ=3-5 мкм
1
2σ=1,25°-38°
светосила: (1:4)-(1:8)
⌀ АД=3,4 мм
АД расположена на расстоянии от последней поверхности объектива l=23,2 мм и до приемной площадки матрицы = 14,3 мм.
Длина объектива = 334 мм.
Объектив состоит из 11 линз, из которых подвижными являются 5 линз, и их перемещение обеспечивает изменение f'. В качестве материалов использованы: Ge, Si, ZnSe, Amtir 1, Cleartran и IG2. В системе введены 8 асферик (4 на выпуклой поверхности, 4 на вогнутой). Все асферики высшего порядка. Кроме того, в целях коррекции хроматических аберраций помимо довольно обширного выбора материалов на 2-й поверхности введен дифракционный элемент (ДОЭ) и расположен он на асферической поверхности.
Система выглядит достаточно сложной, с нерациональным использованием подвижных компонентов. Линзовая часть после промежуточного изображения включает 5 линз, на которых расположены 4 асферических поверхности. Кроме того, в представленном варианте длина системы для f′=13 мм и f′=360 мм неодинакова, Δl=0,18 мм. Следовательно, необходима дополнительная фокусировка в целях совмещения плоскости наилучшего изображения с приемной площадкой матрицы.
Если говорить о качестве изображения, то MTF для N=10 л/мм не < 0,3 для (·) на оси и примерно до 1/3 поля зрения по мере увеличения поля зрения и ближе к краю MTF падает до 0,1.
В предлагаемом объективе устранены многие недостатки конструктивного и качественного характера, присущие прототипу.
Для достижения поставленной цели объектив выполнен из шести линз, при этом головной компонент - одиночная положительная линза, а два подвижных компонента: отрицательный второй и положительный третий выполнены таким образом, чтобы при сближении их на больших фокусах вторая вогнутая поверхность второго компонента и первая выпуклая поверхность третьего компонента были обращены в разные стороны, при этом величина подвижки второго компонента не превышала  а расстояние между третьим и четвертым подвижными компонентами не превышало  и при этом апертурная диафрагма расположена за пятым компонентом на расстоянии
Предлагаемый объектив имеет следующие параметры:
f'=15-300 мм
Х
m=20
λ=3,7-4,8 мкм
Длина объектива постоянна l=139 мм, что значительно ниже, чем в аналоге, хотя f'max у них примерно одинаковы.
Поле зрения 2σ=2,4°-49°
Линейная величина изображения 2у'=12,3 мм
Диаметр АД=5,04 мм
Отношение светового диаметра головного компонента к длине объектива ~0,52
Светосила для всего диапазона f'=1:4
Использованные материалы: Ge, Si
Для достижения равномерного и хорошего качества изображения для всего диапазона фокусов введены 5 асферик: 4 на выпуклой поверхности, 1 на вогнутой поверхности. Все асферики 2-го порядка, коэффициенты для которых соответствуют формуле:
2
2
2
у+z-2rx+Ах=0,
где r - радиус поверхности при вершине;
А = коэффициент асферики.
Кроме того, для коррекции хроматических аберраций, что особенно актуально для больших фокусов, введены 2 ДОЭ: на 1 поверхности совместно с асферикой и на 10 поверхности. Критерием качества объектива является значение MTF в диапазонах фокусов:
MTF не ≤ 0,28 для f'=15 мм до f'=150 мм
MTF не ≤ 0,38 для f'=150 мм до f'=175 мм
MTF не ≤ 0,4 для f'=175 до f'=300,
при этом низкие значения MTF имеют место только на краю поля зрения.
Объектив может быть использован для конечных дистанций от 5 м до 50 м и в случае перепада температур от -40° до +65°, при этом возникающее ухудшение качества изображения компенсируется сдвигом объектива относительно матрицы на величины от (-1,6 мм) до (+2,3 мм).
Приведены схемы и таблицы, иллюстрирующие параметры предлагаемого объектива:
Х
Фиг. 1. Объектив с ходом лучей для 3 f':1-f'=15 мм, 2-f'=175 мм, 3-f'=300 мм.
Фиг. 2. Конструктивные параметры объектива.
х
Фиг. 3. Таблица переменных воздушных промежутков для 3 фокусов.
Фиг. 4. Коэффициенты асферических поверхностей.
Фиг. 5. Коэффициенты ДОЭ.
Фиг. 6. Графики MTF, астигматизма и дисторсии для f'=15 мм.
Фиг. 7. Графики MTF, астигматизма и дисторсии для f'=175 мм.
Фиг. 8. Графики MTF, астигматизма и дисторсии для f'=300 мм.
Таким образом, технический и качественный результат предлагаемого объектива - это уменьшение количества линз, а значит - снижение веса оптики, уменьшение габаритов по длине, уменьшение количества введенных асферик, что снижает сложность изготовления и при этом заметное увеличение качества изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний, а также возможность использования объектива на разных дистанциях с введением небольшой фокусировки для сохранения качества изображения.