ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
OBJECTIVE LENS FOR INFRARED SPECTRUM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.
Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2365952 от 13.02.2008 г. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Мениски выполнены из германия, отрицательная и положительная линзы - из бескислородного стекла. Фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:  где  - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива. Фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от -40°C до +50°C достигается при выполнении отрицательной линзы, подвижной вдоль оптической оси.
Указанный объектив имеет высокое относительное отверстие 1:1 и хорошее качество изображения при температуре 20°C. Однако в температурном диапазоне от -40°C до +50°C контраст изображения существенно снижается. Объектив при f′=100 мм имеет большую длину по оптической оси, равную 145 мм. Кроме того, фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур приводит к изменению фокусного расстояния, что в свою очередь приведет к изменению масштаба шкалы электронной сетки на фотоприемной матрице.
1
2
3
4
1
2
3
4
Наиболее близким к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14. Объектив содержит четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями, третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения: φ:φ:φ:φ=(0,75÷0,85):-(2,0÷2,5):-(1,40÷1,66):(1,7÷1,9), где φ, φ, φ, φ относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.
Для сравнения указанный объектив пересчитан на фокусное расстояние 75 мм. Объектив имеет хороший контраст изображения во всем температурном диапазоне от -40°C до +50°C. При этом объектив имеет следующие недостатки:
1. Низкое относительное отверстие, равное 1:1,3.
2. При термокомпенсации в диапазоне рабочих температур от -40°C до +50°C и фокусировке на конечное расстояние совместным перемещением третьего и четвертого менисков происходит изменение фокусного расстояния объектива на 1,7%.
Задачей изобретения является достижение следующих технических результатов: повышение относительного отверстия объектива при сохранении высокого контраста изображения и обеспечение неизменности фокусного расстояния объектива в диапазоне температур от -40°C до +50°C.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом.
Объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из селенида цинка. В отличие от прототипа в заявляемом объективе выполнено следующее. Второй мениск выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Третий мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Выполняются следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(0,75÷0.83):(0,3÷0,64):-(0,69÷1,5):(1,30÷1,77),
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков;
D2/f′=0,18÷0,42,
D6/f′=0,34÷0,60,
где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива;
D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с реальным ходом лучей для осевой точки поля зрения.
На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки.
На фиг. 3 приведены контраст изображения и функция концентрации энергии.
Объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит четыре мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия. Мениск 2 - положительный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка. Мениск 4 - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 3 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения 5 в диапазоне рабочих температур от -40°C до +50°C.
В таблице 1 приведены характеристики объектива, рассматриваемого в качестве примера реализации заявляемого объектива. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.
Оптические характеристики объектива:
1. Фокусное расстояние
75 мм
2. Относительное отверстие
1:1
3. Поле зрения
7,3°×5,5°
4. Спектральный диапазон
8-12 мкм
5. Длина объектива
96,5 мм
6. Задний отрезок
13,14 мм
1
2
3
4
Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами менисков 1, 2, 3, 4: φ:φ:φ:φ=0,79:0,37:-0,78:1,36
где
f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива;
- фокусные расстояния соответственно менисков 1, 2, 3, 4. При этом воздушные промежутки D2 и D6 соответственно между менисками 1 и 2, 3 и 4 равны: D2=0,25f′, D6=0,52f′.
Объектив работает следующим образом.
Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5. Для получения высокого качества изображения в температурном диапазоне мениск 3 перемещается вдоль оси, при этом изменяются воздушные промежутки D4 - между менисками 2 и 3, и D6 - между менисками 3 и 4. Это же перемещение используется для фокусировки объектива на конечное расстояние.
Основная идея конструктивного выполнения объектива заключается в уменьшении оптических сил менисков, их крутизны и расположения. Это необходимо для того, чтобы уменьшить угол падения лучей по отношению к нормали к поверхностям менисков. Расчеты объектива выполнены в предположении, что корпус объектива выполнен из алюминия.
1
2
3
4
Изменения оптических сил менисков φ, φ, φ, φ в диапазонах соответственно (0,75÷0,83), (0,3÷0,64), -(0,69÷1,5), (1,30÷1,77) сопровождается изменением воздушных промежутков D2, D6 в интервалах: D2=(0,18÷0,42)f′, D6=(0,34÷0,60)f′.
Величина воздушного промежутка D4 между менисками 2 и 3 влияет на параметры объектива следующим образом.
При увеличении D4 снижается качество изображения объектива, а при уменьшении возможен "наезд" оправ менисков 2 и 3 друг на друга. Поэтому величина воздушного промежутка D4 выбирается по конструктивным соображениям и лежит в пределах, определяемых из соотношения D4/f′=0,08±10%.
В отношении длины объектива L и заднего отрезка S′ (фиг. 1) справедливо следующее. Чем больше L и меньше S′, тем выше качество изображения и больше потенциальных возможностей для дальнейшего увеличения относительного отверстия. Но в первом случае увеличиваются габариты и масса объектива, а во втором - возникают проблемы с размещением механического корпуса фотоприемника в заднем отрезке объектива.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки, которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения и функцию концентрации энергии (ФКЭ), позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 3).
На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°C, во второй колонке - для -40°C, а в третьей - для +50°C. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, а в третьей - для края поля зрения, т.е. по диагонали размером 7,3°×5,5°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 26 мкм для относительного отверстия 1:1 (для относительного отверстия 1:1,3 этот кружок составляет 33,4 мкм). В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Как видно из фиг. 2, все пятна рассеяния практически вписываются в кружок Эйри, что наглядно демонстрирует высокое качество изображения в геометрическом приближении.
-1
-1
На фиг. 3. слева дан контраст изображения на частоте 20 мм, а справа - функция концентрации энергии для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. В соответствии с критерием Найквиста для ожидаемых кружков рассеяния 0,025 мм контраст изображения на частоте 20 мм должен быть не менее 0,6, что следует из фиг. 3. Детальное рассмотрение графиков ФКЭ позволило определить диаметр кружков рассеяния при 80% концентрации энергии, величины которых впечатаны в верхней части квадратов на фиг. 2. Рассмотрение этих величин позволяет сделать вывод, что представленный объектив имеет дифракционное качество изображения при относительном отверстии 1:1.
Существенным обстоятельством является способ атермализации объектива и его фокусировки на конечное расстояние. В прототипе с этой целью используется перемещение вдоль оси двух положительных линз, эквивалентная оптическая сила которых имеет большую величину. В предлагаемом изобретении подвижная линза 3 имеет оптическую силу (по абсолютной величине) примерно в восемь раз меньше. Это, с одной стороны, позволяет увеличить в десять раз допуск на ее децентрировку с уводом визирной оси не более одной угловой минуты, а с другой, предотвратить изменение фокусного расстояния при ее перемещении. Это также обусловлено тем, что атермализация и фокусировка объектива на конечное расстояние осуществляется не положительным, а отрицательным компонентом. Изменение фокусного расстояния составляет 0,05%, т.е. практически постоянно. У прототипа это изменение составляет 1,7%.
При температуре 50°C мениск 3 перемещается на 0,35 мм в сторону мениска 2, а при -40°C перемещается на 0,71 мм в сторону мениска 4. При фокусировке объектива на конечное расстояние 15 м в нормальных климатических условиях, т.е. при 20°C, мениск 3 перемещается на 1 мм в сторону мениска 4.
1
2
3
4
Проведенные расчеты показывают, что технические результаты достигаются для соотношений φ:φ:φ:φ, D2/f′ и D6/f′ в пределах всех заявляемых диапазонов.
Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет повысить относительное отверстие объектива при сохранении высокого контраста изображения и обеспечить неизменность фокусного расстояния в диапазоне температур от -40°С до +50°С.