ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ АТЕРМАЛИЗОВАННЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С БОЛЬШИМ ЗАДНИМ ОТРЕЗКОМ
WIDE ANGLE ATHERMALIZED INFRARED LENS WITH LARGE BACK

Изобретение относится к области инфракрасной оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур. Спектральная область работы объектива 8-12 мкм.
Наиболее часто используемые матрицы имеют формат 640×480 пикселей размером 17×17 мкм. Таким образом, размер матрицы составляет 10,88×8,16 мм, а диагональ - 13,6 мм.
К современным инфракрасным объективам предъявляются требования по увеличению поля зрения, что достижимо при уменьшении фокусного расстояния объектива. Увеличение поля зрения приводит к увеличению случайных нежелательных засветок матрицы от наблюдаемой картины, а также бликов от оптических поверхностей самого объектива и его оправ, поэтому в некоторых матрицах перед его защитным окном устанавливают непрозрачную шторку. Использование шторки предполагает наличие дополнительного места, т.е. достаточного заднего отрезка объектива L=13÷14 мм. Поэтому в объективе с полем зрения 40° (в асимметричных оптических системах обычно рассматривается половина поля зрения, т.е. ±20°) фокусное расстояние объектива f' должно составлять f'=6,8мм/tg20°≤18,7 мм, где 6,8 мм - половина диагонали матрицы, т.е. L/f'≈0,75. Для обычных объективов величина L/f'=0,2÷0,3, что обусловлено необходимостью хорошего исправления полевых аберраций.
Кроме того, к объективам предъявляются требования независимости от температуры окружающей среды. При изменении температуры изменяются величины воздушных промежутков, толщина линз и их прогибы, а также показатель преломления, в результате чего происходит дефокусировка изображения, поэтому требуется атермализация объектива.
Известен светосильный объектив для тепловизора по патенту РФ №2403598 от 25.02.2009 г., G02B 13/14, состоящий из четырех линз. Первая линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - двояковогнутый отрицательный мениск, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, а четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Суммарная оптическая сила всех линз не превышает 0,15 оптической силы всего объектива. Сумма оптических сил первых двух линз отрицательная и составляет по абсолютной величине не менее 0,8 оптической силы всего объектива. Объектив имеет относительное отверстие 1:1, поле зрения 25° и высокое качество изображения при работе в нормальных климатических условиях. Кроме того, при фокусном расстоянии f=38 мм он имеет большой задний отрезок, равный 54,6 мм, что позволяет установить матрицу со шторкой.
Недостатком объектива является небольшое поле зрения 25° и узкий спектральный диапазон 8÷9 мкм, что существенно снижает его энергетические возможности. Кроме того, поверочный расчет объектива по приведенном в патенте конструктивным элементам показал, что при работе в температурном диапазоне от минус 40°С до плюс 50°С для получения высокого качества изображения его необходимо перемещать вдоль оси в диапазоне 0,5 мм, что приводит к необходимости применения двигателя с редуктором и источника питания.
1
2
3
4
1
2
3
4
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2642173 от 16.12.2016 г., G02B 13/14, 9/38. Объектив содержит размещенные в корпусе из алюминиевого сплава четыре компонента, первый из которых - отрицательный мениск, второй - положительный мениск, третий - отрицательный мениск, причем упомянутые мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, а четвертый компонент выполнен в виде положительной линзы. При этом первый мениск выполнен из германия, второй мениск и четвертая положительная линза выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, а третий мениск из селенида цинка. Вторые поверхности первого и второго менисков по ходу лучей выполнены коническими (асферическими) с коэффициентами асферичности соответственно от 0,42 до 1,56 и от минус 0,86 до 2,6. Выполняются соотношения: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=-(0,07÷0,001):(1,4÷1,83):-(2,06÷2,55):(1,5÷1,9), где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов; D4/f'=0,13÷0,19; D6/f'=0,12÷0,43, где D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами; D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым компонентами, f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
Указанный объектив имеет фокусное расстояние 42 мм, задний отрезок 13 мм, относительное отверстие 1:1,25 и поле зрения 23° по диагонали. При этом качество изображения приближается к дифракционному.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Объектив имеет недостаточное поле зрения: 23° по диагонали. Для получения поля зрения порядка 40° при существующих габаритах матрицы необходимо уменьшать фокусное расстояние объектива примерно в два раза. Таким образом, задний отрезок объектива составит примерно 6 мм, что явно недостаточно даже для матрицы без шторки.
2. В объективе имеются две асферические поверхности: на мениске из германия и на мениске из бескислородного стекла ИКС-25. Если на мениске из германия достигнутая технология (алмазное точение на станках с ЧПУ) позволяет изготавливать асферические поверхности с точностью порядка 0,2÷0,3 мкм, то в случае с материалом ИКС-25 такая технология не работает в связи с токсичностью материала и применяются более сложные технологии.
Техническая проблема заключается в создании атермализованного объектива с получением следующего технического результата: увеличение поля зрения и заднего отрезка, а также повышение технологичности объектива при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю зрения.
1
2
3
4
1
2
3
4
Указанный технический результат достигается следующим образом. Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком, как и прототип, содержит размещенные в корпусе из алюминиевого сплава четыре компонента, первый по ходу луча из которых - отрицательный мениск, выполненный из германия, второй - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из селенида цинка, а четвертый - положительная двояковыпуклая линза, выполненная из стекла ИКС-25. В отличие от прототипа первый компонент обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а его первая поверхность выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,22 до 0,26, при этом выполняются следующие соотношения: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=-(0,014÷0,073):(0,69÷0,82):-(0,97÷1,15):(1,2÷1,25), где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.
В качестве примера конкретной реализации рассчитан объектив со следующими оптическими характеристиками:
Фокусное расстояние
18,4 мм
Относительное отверстие
1:1,25
Поле зрения
33°×26,4°
Спектральный диапазон
8-12 мкм
Длина объектива
46,4 мм
Задний отрезок (без защитного стекла 5)
13,5 мм
Масса оптических компонентов объектива составляет 54 г.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с ходом осевого и крайнего лучей поля зрения.
На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки (ФРТ) по трем температурным конфигурациям: 20°С, минус 40°С и плюс 50°С.
На фиг. 3 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ) и контраст изображения (ЧКХ) по тем же конфигурациям.
Объектив содержит четыре оптически связанные компонента, размещенные в корпусе из алюминиевого сплава. Первый компонент представляет собой отрицательный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, выполненный из германия. Вогнутая поверхность мениска 1 выполнена асферической с нанесенным на ней алмазоподобным защитным просветляющим покрытием. Второй компонент - положительный мениск 2, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25. Третий компонент - отрицательный мениск 3, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из селенида цинка (ZnSe). Четвертый компонент - двояковыпуклая линза 4, выполненная из бескислородного стекла ИКС-25. Все компоненты установлены на минимальном технологически удобном расстоянии вдоль оптической оси, не усложняющем конструирование и сборку объектива. В заднем отрезке объектива за линзой 4 расположено защитное стекло 5 матрицы 6. Чувствительные элементы матрицы 6 расположены в плоскости изображения объектива. Защитное стекло 5 имеет толщину 1 мм и выполнено из кремния.
Объектив работает следующим образом. Лучи последовательно проходят через входной зрачок, компоненты 1, 2, 3, 4, защитное стекло 5 и строят изображение на матрице 6. При расчете объектива использовались косые (диагональные) пучки лучей, т.е. одновременно в меридиональной и сагиттальных плоскостях, поэтому на фиг.1 краевой пучок лучей идет не в край матрицы 6, а повернут на некоторый угол вдоль оптической оси, определяемый соотношением углов поля зрения объектива ±(16,5°×13,2°). Для того чтобы луч шел в край матрицы 6, необходимо задать диагональное поле зрения ±21,2° в меридиональной плоскости.
Конструктивные характеристики рассчитанного объектива приведены в таблице 1. Входной зрачок объектива (апертурная диафрагма) расположен в 5 мм от его первой поверхности.
1
2
3
4
В объективе выполняются следующие соотношения: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=0,039:0,748:-1,056: 1,224.
При расчете объектива учитывались следующие факторы: температурный коэффициент расширения (ТСЕ) оптических материалов, влияющий на толщину компонентов 1-4; температурный коэффициент расширения материала корпуса объектива, влияющий на воздушные промежутки между компонентами 1-4 и между компонентом 4 и защитным стеклом 5; изменение показателей преломления (dn/dt) материалов компонентов 1-4; изменение прогибов компонентов 1-4 (кривизны их поверхностей) под воздействием температуры. Характеристики материалов компонентов 1-4 представлены в таблице 2.
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до плюс 50°С использован метод мультиконфигураций, предусмотренный в программе ZEMAX с использованием опции «Thermal Pick Up». Проведена одновременная оптимизация новых (по отношению к номинальной конфигурации) значений параметров схемы объектива для значений температуры от минус 40°С до плюс 50°С. При оптимизации использованы значения ТСЕ и dn/dt, представленные в таблице 2.
-6
*
В таблице 3 представлены результаты воздействия указанных факторов на конструктивные элементы оптической схемы с учетом того, что корпус объектива выполнен из алюминиевого сплава, у которого ТСЕ=22,0⋅10. В таблице представлены результаты оптимизации оптической системы для трех конфигураций температурного режима: первая конфигурация (Config 1) - в нормальных климатических условиях 20°С, вторая конфигурация (Config2) - при минус 40°С, третья (Config3) - при плюс 50°С.
Таблица 3 скопирована из программы ZEMAX, в которой приняты следующие обозначения: CRVT - кривизна оптической поверхности, равная обратной величине радиуса поверхности; THIC - толщина оптической детали или воздушного промежутка. Буква Т означает, что использована опция «Thermal Pick Up». Величины CRVT и THIC для первой поверхности не используются, т.к. относятся к входному зрачку.
Функция рассеяния точки (ФРТ), приведенная на фиг. 2, наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении. В первой колонке дана топология кружков рассеяния для температуры 20°С, во второй колонке - для минус 40°С, а в третьей - для плюс 50°С. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй -для зоны, в третьей - для края поля зрения, т.е. по диагонали размером 42,4°. Размер квадрата составляет 200 мкм. На каждое пятно рассеяния автоматически впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 32 мкм для относительного отверстия 1:1,25. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Над каждым пятном рассеяния впечатан размер кружка рассеяния объектива в микрометрах, соответствующий 80% концентрации энергии: в первой колонке - 26, 34, 32, во второй - 32, 31, 35, в третьей - 25, 34, 30.
Все кружки рассеяния по всему полю зрения и во всем температурном диапазоне вписываются в кружок Эйри, что говорит о дифракционном качестве изображения предлагаемого объектива.
-1
На фиг. 3 справа дан контраст изображения (ЧКХ) на пространственной частоте 20 мм, а слева - функция концентрации энергии (ФКЭ) при радиусе пятна рассеяния 20 мкм для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. Полученные графики приближаются к дифракционному пределу, определяемому самым верхним графиком. Предлагаемый объектив с увеличенным задним отрезком имеет дифракционное качество изображения в диапазоне температур от минус 40°С до плюс 50°С.
1
2
3
4
Проведенные расчеты показывают, что заявленные технические результаты достигаются в пределах всех заявляемых диапазонах значений конической постоянной и относительных оптических сил компонентов: K=0,22÷0,26; ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=-(0,014÷0,073):(0,69÷0,82):-(0,97÷1,15):(1,2÷1,25).
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемый объектив имеет увеличенный задний отрезок (13,5 мм), увеличенное поле зрения по диагонали (42,4°) и является более технологичным (содержит одну асферическую поверхность), обеспечивая при этом высокое качество изображения в широком температурном диапазоне.