Объектив для ИК-области спектра
LENS FOR INFRARED SPECTRAL AREA

Изобретение относится к области оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы (МБМ) чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур.
К современным объективам для инфракрасной (ИК) области спектра предъявляются следующие основные требования: высокое качество изображения при относительных отверстиях от 1:1,5 до 1:0,8; возможность работы в широком температурном диапазоне без ухудшения качества изображения и изменения фокусного расстояния.
-1
Требование высокого качества изображения инфракрасного объектива в области спектра 8-12 мкм определяется очень малым размером пикселя (чувствительного элемента) МБМ, сравнимым с дифракционным кружком Эри. В современных МБМ размер пикселя составляет 0,025×0,025 мм и менее. Для таких матриц относительное отверстие должно быть не ниже 1:1,25. В настоящее время аберрационный кружок рассеяния определяется при 80% концентрации энергии, что соответствует критерию Релея. Другим критерием качества изображения может служить частотно-контрастная характеристика. Для МБМ с малым размером пикселя контраст изображения объектива должен находиться в пределах 0,55÷0,75 на пространственной частоте 20÷30 мм (критерий Найквиста).
Из-за большой важности характеристик качества изображения проведен анализ объективов по заявленным конструктивным параметрам. Расчеты выполнены по программе Optical Design Program "ZEMAX", Focus Software, Incorporated.
1
2
3
4
1
2
3
4
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. Относительные фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям: ƒ'/ƒ'=1,1÷1,3; ƒ'/ƒ'=-0,69÷0,74; ƒ'/ƒ'=0,84÷0,98; ƒ'/ƒ'=0,93÷1,6, где ƒ', ƒ', ƒ', ƒ' - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, ƒ' - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива. Фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С достигается при выполнении отрицательной линзы подвижной вдоль оптической оси.
В спектральной области 8-12 мкм указанный объектив с фокусным расстоянием 100 мм и относительным отверстием 1:1 имеет высокое качество изображения во всем температурном диапазоне. Однако объективу присущи следующие недостатки. В пересчете на относительное отверстие 1:1,25 и фокусное расстояние 69 мм масса оптических деталей составляет 130 г. Объектив содержит четыре линзы, что снижает его пропускание. Чувствительность подвижки второй отрицательной линзы составляет 0,03 мм, что создает трудности в осуществлении термокомпенсации объектива. Это может привести к ухудшению качества изображения при работе в температурном диапазоне. Кроме того, объектив имеет большую относительную длину.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению - прототипом - является светосильный объектив для ИК-области спектра (8-12,5 мкм) по патенту РФ №2411555 от 25.12.2009 г. Объектив содержит три одиночных линзы, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Вторая вогнутая поверхность первой линзы выполнена асферической. Первая и третья линзы выполнены из германия, а вторая - из селенида цинка.
3
1
3
6
3
4
5
6
1
3
6
В данном объективе для третьей линзы может использоваться материал с показателем преломления более 2,3 и менее 4,1 для длины волны 10 мкм; радиусы кривизны поверхностей и фокусное расстояние объектива связаны соотношениями: R<R; R<R; 0,2<R/f'<0,5; 0,15<R/f'<0,45; 0,3<R/f'<0,7; 0,4<R/f'<1,3, где R, R-R - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей, f' - фокусное расстояние всего объектива.
При фокусном расстоянии 130 мм объектив имеет относительное отверстие 1:1,08. Рассмотрен также вариант с относительным отверстием 1:1,4.
-1
Объектив имеет низкое качество изображения в нормальных климатических условиях и не обеспечивает качество изображения в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С. Как указывалось выше, когда размер пикселя матрицы, равный 17÷25 мкм, сравним с длиной волны, равной 10 мкм, то, несмотря на высокую степень коррекции геометрических аберраций, качество изображения определяется дифракцией. Для относительного отверстия 1:0,8 дифракционный контраст изображения составляет 0,72 на пространственной частоте 20 мм. С учетом геометрических аберраций он должен быть не менее 0,68÷0,7. Расчет по приведенным в патенте конструктивным элементам объектива дал контраст 0,4 для осевой точки поля зрения, а для полевых точек поля зрения - менее 0,4.
Задачей изобретения является создание объектива с достижением следующего технического результата: повышение качества изображения в нормальных климатических условиях и обеспечение работы объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С без ухудшения качества изображения.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит три мениска, из которых первый и третий по ходу луча мениски - положительные, выполненные из германия, а второй мениск - отрицательный, выполненный из селенида цинка, причем все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, а вторая поверхность первого мениска выполнена асферической. В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее: вторая поверхность первого мениска является асферической поверхностью второго порядка с конической постоянной в пределах от 0,2 до 0,5; второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. При этом выполняются следующие соотношения:
1
2
3
ϕ:ϕ:ϕ=(0,70÷0,90):-(0,10÷0,60):(1,0÷1,80),
1
2
3
где ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы первого, второго и третьего менисков соответственно;
D2/f'=0,3÷0,7;
D4/f'=0,2÷0,6;
где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
f' - фокусное расстояние объектива;
D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим менисками.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах, представленных в формате, предусмотренном в программе ZEMAX. На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива, на фиг. 2 приведена функция рассеяния точки, на фиг. 3 приведены контраст изображения (ЧКХ) и функция концентрации энергии (ФКЭ) при работе объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С.
Объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит три мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия (Ge), его вторая поверхность имеет асферический профиль. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 3 - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения 4. Мениск 2 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С. Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.
Входной зрачок объектива расположен на его первой поверхности. Вторая поверхность мениска 1 является асферической поверхностью второго порядка с конической постоянной в пределах от 0,2 до 0,5.
В таблице 2 приведены оптические характеристики объектива.
Корпус объектива может выполняться из алюминия или стали. Расчеты объектива выполнены с учетом корпуса объектива, выполненного из алюминия. Показатели преломления для германия и селенида цинка, а также их коэффициенты температурного расширения и зависимость показателя преломления  от температуры взяты из отечественных стандартов РТМ3-1640-83 (для германия), ТУ АХ 23-83 (для селенида цинка).
1
2
3
Конструктивные параметры объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами менисков: ϕ:ϕ:ϕ=0,8:-0,245:1,16. При этом воздушные промежутки между менисками равны: D2=0,58f', D4=0,35f'. Коническая постоянная k второй поверхности мениска 1 равна 0,24.
Объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета (показан осевой пучок) последовательно проходят через мениски 1, 2, 3 и строят изображение в плоскости изображения 4. Для получения высокого качества изображения в температурном диапазоне мениск 2 перемещается вдоль оси, при этом изменяются величины отрезков D2 и D4. При температуре минус 40°С мениск 2 перемещается на 3,7 мм к плоскости изображений 4, а при температуре 50°С - на 1,75 мм к плоскости предметов.
Это же перемещение используется для юстировки объектива и его фокусировки на конечное расстояние при температуре 20°С. Так, например, при фокусировке объектива на расстояние 15 м мениск 2 необходимо сдвинуть к плоскости изображений 4 на 1,7 мм, т.е. это перемещение находится в пределах подвижки температурной компенсации объектива.
Выполнение второй поверхности мениска 1 асферической (конической) позволило уменьшить оптическую силу мениска 2. Это обстоятельство привело к тому, что чувствительность перемещения мениска 2 стала составлять приемлемую величину, равную 0,1 мм, а его допустимая децентрировка относительно оптической оси составляет 0,2 мм, что приводит к уводу визирной оси объектива не более одной угловой минуты без ухудшения качества изображения.
В предлагаемом объективе допуски на толщины всех менисков и децентрировку менисков 1 и 3 составляют ±0,1 мм, что позволяет применить метод "насыпной" сборки объектива. Это, в свою очередь, приводит к упрощению технологии сборки объектива, а также повышению его надежности при эксплуатации.
1
2
3
Изменения оптических сил менисков ϕ:ϕ:ϕв диапазонах соответственно (0,70÷0,90), -(0,10÷0,60), (1,0÷1,80) сопровождается изменением воздушных промежутков D2 и D4 в интервалах: D2=(0,3÷0,7)f', D4=(0,2÷0,6)f' и конической постоянной k в интервале 0,2÷0,5. Большой диапазон изменения оптической силы подвижного мениска 2 и его положения на оптической оси говорит о больших потенциальных возможностях оптической схемы объектива и его гибкости в процессе юстировки. Этот процесс осуществляется с помощью перемещения мениска 2 на ±0,5 мм. Расчетный контраст изображения обеспечивается при чувствительности механизма перемещения мениска 2 порядка 0,1 мм.
Масса объектива составляет 90 г. При уменьшении воздушного промежутка D2 будет происходить увеличение светового диаметра мениска 2 и соответственно массы всего объектива. Поэтому при расчете предложенного объектива выбрана разумная альтернатива между качеством изображения, технологичностью и его массой.
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 температуры 20°С, во второй колонке - для минус 40°С, а в третьей - для 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 9,0°×6,8°. Размер квадрата составляет 10 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 32,3 мкм для относительного отверстия 1:1,25. 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 ЧКХ на частоте 20 мм (Polychromatic diffraction MTF), 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. Как следует из фиг. 3, такой контраст в предлагаемом объективе обеспечивается. Детальное рассмотрение графиков ФКЭ позволило определить диаметр кружков рассеяния при 80% концентрации энергии. Диаметры кружков рассеяния впечатаны в верхней части квадратов на фиг. 2 и составляют от 25 до 32 мкм, что позволяет сделать вывод, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения во всем температурном диапазоне.
1
2
3
Проведенные расчеты объектива с конической постоянной k=0,2÷0,5 второй поверхности мениска 1 во всех заявленных диапазонах соотношений ϕ:ϕ:ϕ=(0,70÷0,90):-(0,10÷0,60):(1,0÷1,80), и соотношений D2/f'=0,3÷0,7 и D4/f'=0,2÷0,6 показали, что рассчитанный объектив имеет высокое качество изображения не только в нормальных климатических условиях, но и в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С.