АТЕРМАЛИЗОВАННЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной (ИК) области спектра, в частности в диапазоне спектра 8-12 мкм.
К объективам, работающим в диапазоне спектра 8-12 мкм, предъявляются следующие требования:
1. Сверхвысокое относительное отверстие, составляющее D:f'=0,75÷1,1.
2. Высокое, близкое к дифракционному, качество изображения. Для тепловизоров, формирующих изображение объектов конечных размеров, необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста υ=1/2Q=30÷15 лин/мм было не менее 0,4÷0,6.
3. Характеристики качества изображения должны быть постоянны по всему полю изображения объективов, что предполагает отсутствие виньетирования полевых лучей, величина концентрации энергии в пикселе приемника должна быть не менее 60÷70%.
4. Минимальное количество линзовых элементов для уменьшения веса, габаритов, стоимости и пропускания объектива.
5. Конструкция оптической схемы, а также выбор оптических материалов и оптических сил линзовых компонентов должны минимизировать влияние изменения температуры на аберрации системы, из которых наибольшее влияние на качество изображения оказывает дефокусировка. Для компенсации термодефокусировки в случае невозможности ручной подвижки объектива относительно приемника используются либо двигатели с дистанционным управлением, что усложняет конструкцию и увеличивает массо-габаритные характеристики, либо подбираются материалы компонентов оптической системы таким образом, чтобы компенсировать термодефокусировку объектива.
Известен атермализованный светосильный объектив для ИК-области спектра [1], состоящий из первого положительного, второго отрицательного и третьего положительного менисков, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Первая линза выполнена из бескислородного стекла ИКС-25, вторая - из селенида цинка, а третья - из германия.
Объектив обладает высоким относительным отверстием 1:1, угловым полем зрения 13,8°, но качество изображения недостаточно высокое: коэффициент передачи модуляции (КПМ) на пространственной частоте 20 лин/мм составляет 0,6 для точки на оси и 0,4 для края углового поля.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является атермализованный объектив для ИК-области спектра [2], состоящий из четырех линз, первая из которых - положительный мениск из бескислородного стекла ИКС-25, вторая - отрицательный мениск из селенида цинка, третья - отрицательный мениск из германия. Мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Вогнутая поверхность третьего мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,32 до 0,46. Четвертый компонент - положительная линза из германия с выпуклой первой поверхностью, обращенной к плоскости предметов, и плоской или вогнутой второй поверхностью. Соотношение оптических сил компонентов:
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(1,44÷1,8):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,0):(1,38÷1,56),
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно.
Объектив имеет высокое качество изображения: КПМ на пространственной частоте 20 лин/мм составляет 0,7 для точки на оси и 0,6 для края углового поля. Однако относительное отверстие меньше требуемого (1:1).
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание атермализованного объектива для инфракрасной области спектра с увеличением относительного отверстия до 1:1, увеличением углового поля и компенсацией дефокусировки при изменении температуры в широком диапазоне от -40°С до +50°С за счет оптической конструкции объектива.
1
2
Для решения поставленной задачи предлагается светосильный атермализованный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, содержит последовательно установленные четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из селенида цинка, третий - отрицательный мениск, выполненный из германия, а четвертый компонент - положительная линза, выполненная из германия, при этом относительные оптические силы первого ϕ и второго ϕ компонентов выполнены с соотношением:
1
2
ϕ:ϕ=(1,44÷1,8):-(0,8÷1,18).
2
2
В отличие от прототипа отрицательный мениск третьего компонента обращен к плоскости изображения выпуклой поверхностью, выполненной асферической в виде сплюснутого гиперболоида с конической постоянной е в пределах: е=-(6÷10), а положительная линза четвертого компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости изображения, при этом выполняется следующее соотношение:
3
4
ϕ:ϕ=-(0,38÷0,5):(1,2÷1,5),
3
4
где ϕ, ϕ - относительные оптические силы третьего и четвертого компонентов соответственно.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
I
II
III
IV
V
Основной вклад в аберрационную характеристику объектива вносят аберрации III порядка. В достаточно хорошем приближении они могут быть описаны коэффициентами Зейделя: S - сферическая аберрация, S - кома, S - астигматизм, S - кривизна изображения, S - дисторсия. Для скорригированной системы суммарные значения коэффициентов не должны превышать значения, равного 0,1.
1
2
I(1+2линз)
II(1+2линз)
III(1+2линз)
Выполнение первого положительного и второго отрицательного менисков обращенными вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, с оптическими силами, удовлетворяющими условию ϕ:ϕ=(1,44÷1,8):-(0,8÷1,18), вносит суммарную положительную сферическую аберрацию S=0,74, положительную кому S=0,17, положительный астигматизм S=0,38.
2
3
4
Выполнение третьего отрицательного мениска обращенным выпуклой поверхностью к плоскости изображения и с выпуклой асферической поверхностью в виде сплюснутого гиперболоида с е=-(6÷10) и четвертого компонента в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости изображения, с оптическими силами, удовлетворяющими условию ϕ:ϕ=-(0,38÷0,5):(1,2÷1,5), позволили получить значения коэффициентов:
I(3 линза)
II(3 линза)
III(3 линза)
S=-2,22, S=-0,7, S=-0,5;
I(4 линза)
II(4 линза)
III(4 линза)
S=1,53, S=0,6, S=0,07.
Коэффициенты Зейделя для всей системы равны:
I
II(4 линза)
III(4 линза)
S=-0,03, S=-0,035, S=-0,058.
i
То есть, монохроматические аберрации исправлены. Выполнение относительных оптических сил ϕ в указанных соотношениях позволило исправить хроматизм положения, равный
i
где υ - дисперсия оптического материала в рабочем диапазоне спектра;
и обеспечить атермализацию, определяемую соотношением
где  - термооптическая постоянная,  - приращение относительных значений показателя преломления при изменении температуры, α - коэффициент линейного расширения.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена оптическая схема объектива,
на фиг. 2 - графики поперечных аберраций (t=+20°С),
на фиг. 3 - аберрации главных лучей (t=+20°С),
на фиг. 4 - графики концентрации энергии в квадрате размером (17×17) мкм и КПМ на пространственной частоте 20 лин/мм при температуре внешней среды t=+20°С,
на фиг. 5 - графики концентрации энергии в квадрате размером (17×17) мкм и КПМ на пространственной частоте 20 лин/мм при температуре внешней среды t=-40°С
на фиг. 6 - графики концентрации энергии в квадрате размером (17×17) мкм и КПМ на пространственной частоте 20 лин/мм при температуре внешней среды t=+50°С.
Заявляемый атермализованный объектив для инфракрасной области спектра состоит из четырех менисковых линз 1, 2, 3 и 4 и защитного стекла 5. Положительный мениск 1 и отрицательный мениск 2 обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений 6, а отрицательный мениск 3 и положительный мениск 4 обращены выпуклыми поверхностями к плоскости изображений 6.
Первая линза объектива выполнена из бескислородного стекла ИКС-25, вторая линза - из селенида цинка, а третья и четвертая линзы - из германия.
Между оптическими силами компонентов выполняются соотношения:
1
2
ϕ:ϕ=(1,44÷1,8):-(0,8÷1,18),
3
4
ϕ:ϕ=-(0,38÷0,5):(1,2÷1,5),
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно. Апертурная диафрагма расположена на первой поверхности объектива.
Работа объектива осуществляется следующим образом: параллельный пучок излучения от удаленного объекта фокусируется в заднем фокусе мениска 1, и далее каждый из менисков 2 и 3 поочередно проектируют в свою плоскость изображения, а последний мениск 4 перепроектирует промежуточное изображение после третьего мениска в свою плоскость изображения, совпадающую с фокальной плоскостью всего объектива.
Иллюстрацией предлагаемой полезной модели является светосильный атермализованный объектив для инфракрасной области спектра со следующими параметрами:
- Фокусное расстояние 30 мм;
- Угловое поле 2ω=24,8°;
- Относительное отверстие 1:1.
Важными достоинствами предлагаемого объектива являются:
- Высокое относительное отверстие;
- Высокое качество изображения: концентрация энергии в пикселе размером (17×17) мкм в центре поля зрения составляет не менее 70%, на краю поля зрения не менее 60%; КПМ на пространственной частоте 20 лин/мм: в центре поля зрения не менее 0,7, на краю поля зрения не менее 0,5.
Применение в качестве оптических материалов объектива стекла ИКС-25, селенида цинка и германия при выбранном соотношении оптических сил линз обеспечило атермальность объектива. Достигнут результат, заключающийся в увеличении относительного отверстия и обеспечении высокого качества изображения при изменении температуры в пределах от -40°С до +50°С.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Российская федерация, патент на полезную модель №156006, МПК: G02B 9/14, G02B 13/14, 2015 г.
2. Российская федерация, патент на изобретение №2613483, МПК: G02B 9/38, G02B 9/56, G02B 13/14, 2017 г. - прототип.