ТЕЛЕОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
TELESCOPIC 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.
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. Фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям: f′/f′=1,1÷1,3; f′/f′=-0,69÷-0,74; f′/f′=0,84÷0,98; f′/f′=0,93÷1,6, где f′, f′, f′, f′ - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
Фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от -40°С до +50°С достигается при выполнении отрицательной линзы подвижной вдоль оптической оси.
Указанный объектив имеет высокое относительное отверстие 1:1 и хорошее качество изображения при температуре 20°С. Однако в температурном диапазоне от -40°С до +50°С контраст изображения существенно снижается. Кроме того, объектив при фокусном расстоянии 100 мм имеет большую длину по оптической оси, равную 145 мм, т.е. L/f′=1,45, где L - длина объектива, f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива. 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 электронной шкалы объектива прицела.
1
2
3
4
1
2
3
4
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра (патент РФ №115514, МПК G02B 13/14, 11.01.2012), который 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 первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно.
Для сравнения указанный объектив пересчитан на фокусное расстояние 100 мм. При относительном отверстии 1:1,3 объектив имеет хороший контраст изображения во всем температурном диапазоне от -40°С до +50°С.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Объектив имеет большую относительную длину, равную L/f′=1,32, что увеличивает его массу. Длина объектива вдоль оптической оси при фокусном расстоянии 100 мм равна 132 мм.
2. При термокомпенсации в диапазоне рабочих температур от -40°С до +50°С и фокусировке на конечное расстояние совместным перемещением третьего и четвертого менисков происходит значительное изменение фокусного расстояния. Так как подвижный компонент имеет положительную оптическую силу, изменение фокусного расстояния объектива составляет 1,19 мм (1,7%).
Задачей изобретения является создание телеобъектива с достижением следующих технических результатов: уменьшение длины телеобъектива и его массы при сохранении высокого контраста изображения в диапазоне температур от -40°С до +50°С с обеспечением постоянства фокусного расстояния.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Телеобъектив 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 мениск выполнен из германия, а второй и третий - из селенида цинка. В отличие от прототипа в заявляемом телеобъективе выполнено следующее. Второй мениск выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, а четвертый мениск выполнен из селенида цинка. Третий мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. При этом выполняются следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7),
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно;
D2/f′=0,15÷0,35;
D6/f′=0,25÷0,45;
где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками;
f′ - эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива.
Пример конкретной реализации телеобъектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема телеобъектива.
На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки.
На фиг. 3 приведены контраст изображения и функция концентрации энергии при работе телеобъектива во всем температурном диапазоне.
Телеобъектив 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 селенида цинка. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения 5. Мениск 3 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от -40°С до +50°С, при этом фокусное расстояние изменяется в пределах 0,02 мм, т.е. фактически постоянно.
В таблице 1 приведены характеристики телеобъектива, рассматриваемого в качестве примера реализации заявляемого телеобъектива. Входной зрачок телеобъектива расположен на его первой поверхности.
В таблице 2 приведены оптические характеристики телеобъектива.
Расчеты телеобъектива выполнены в предположении, что корпус объектива выполнен из алюминия, а показатели преломления для германия и селенида цинка взяты из базы данных программы ZEMAX (каталог ″INFRARED″). При использовании отечественных стандартов (для германия РТМ3-1640-83, а для селенида цинка ТУ АХ 23-83) для получения достигнутого качества изображения необходимо перемещение отрицательного мениска 3 вдоль оси в пределах ±0,01 мм.
1
2
3
4
1
2
3
4
Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами φ, φ, φ, φменисков 1-4: φ:φ:φ:φ=1,189:1,02:-3,43:2,26,
1
1
2
2
3
3
4
4
где φ=f′/f′, φ=f′/f′, φ=f′/f′, φ=f′/f′;
f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего телеобъектива;
1
2
3
4
f′, f′, f′, f′ - фокусные расстояния соответственно менисков 1, 2, 3 и 4. При этом воздушные промежутки между менисками D2 и D6 равны:
D2=0,28 f′; D6=0,318 f′.
Телебъектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета (показан осевой пучок лучей) 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 по стрелкам А и В, при этом изменяются величины отрезков D4 и D6. Это же перемещение используется для фокусировки телеобъектива на конечное расстояние.
Основная идея конструктивного выполнения телеобъектива заключается в том, что четвертый мениск выполнен из селенида цинка, при этом увеличилась оптическая сила отрицательного мениска 3, что перевело предлагаемый объектив в разряд телеобъективов, т.к. его длина не превышает его фокусное расстояние.
1
2
3
4
Изменения оптических сил менисков φ, φ, φ, φ в диапазонах соответственно (1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7) сопровождается изменением воздушных промежутков D2 и D6 в интервалах: D2=(0,15÷0,35)f′, D6=(0,25÷0,45)f′.
Рассмотрим характеристики качества изображения телеобъектива, а именно функцию рассеяния точки (ФРТ), которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения (ЧКХ) и функцию концентрации энергии (ФКЭ), позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 3).
На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 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 6,3°×4,7°. Размер квадрата составляет 100 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 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 предлагаемый телеобъектив имеет дифракционное качество изображения при его длине, равной фокусному расстоянию, т.е. при L=f′=100 мм.
Из-за уменьшения длины телеобъектива соответственно уменьшается длина его корпуса и, следовательно, масса телеобъектива.
В прототипе для атермализации объектива и его фокусировки на конечное расстояние используется перемещение вдоль оси двух положительных менисков. При этом изменение фокусного расстояния составляет 1,7%. В изобретении перемещается вдоль оси мениск 3, имеющий отрицательную оптическую силу. Это позволяет предотвратить изменение фокусного расстояния при его перемещении. Изменение фокусного расстояния составляет 0,02%, т.е. фокусное расстояние практически постоянно.
При температуре 50°С мениск 3 перемещается на 0,15 мм влево по стрелке А (фиг. 1), а при минус 40°С - на 0,33 мм вправо по стрелке В. При фокусировке телеобъектива на конечное расстояние 15 м в нормальных климатический условиях, т.е. при 20°С, мениск 3 перемещается на 0,21 мм вправо.
Проведенные расчеты показывают, что заявленные технические результаты достигаются при соотношениях:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7);
D2/f′=(0,15÷0,35);
D6/f′=(0,25÷0,45).
Таким образом, изобретение по сравнению с прототипом позволяет уменьшить продольные габариты и массу телеобъектива при сохранении высокого контраста изображения и обеспечить неизменность фокусного расстояния в диапазоне температур от -40°С до +50°С.