ОПТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОВИЗИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СРЕДНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
OPTICAL THERMAL IMAGING SYSTEM FOR MID-INFRARED SPECTRAL REGION

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, и может быть использовано в качестве оптической системы различных приборов, например оптической системы тепловизионной камеры.
Известна оптическая система, описанная в полезной модели RU №131206, МПК G02B 13/14, опубл. 10.08.2013 г. Оптическая система тепловизионного прибора содержит последовательно расположенные по ходу лучей входной объектив, строящий действительное промежуточное изображение и содержащий отрицательный и положительный мениски, и проекционный объектив, установленный перед фотоприемным устройством и содержащий последовательно установленные по ходу лучей первый мениск, второй отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к фотоприемному устройству, третий положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и четвертый положительный мениск, обращенный выпуклостью к фотоприемному устройству, причем, во входном объективе первым по ходу лучей расположен отрицательный мениск, а за положительным мениском введен дополнительный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости действительного промежуточного изображения, в проекционном объективе первый мениск выполнен положительным и выпуклой стороной направлен к фотоприемному устройству, а четвертый мениск расположен между третьим мениском проекционного объектива и фотоприемным устройством. Данная система не обладает достаточным качеством изображения и имеет большое количество линз, что усложняет ее производство.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является оптическая система для тепловизионных приборов, описанная в патенте на изобретение RU №2449328, МПК G02B 3/14, G02B 23/12, опубл. 27.04.2012 г. Данная оптическая система для тепловизионных приборов содержит по ходу лучей входной объектив, строящий промежуточное действительное изображение, выполненный в виде последовательно расположенных по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и проекционный объектив, выполненный в виде последовательно расположенных по ходу лучей отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, двояковыпуклой линзы, отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Кроме того оптическая система содержит расфокусирующий элемент, установленный с возможностью ввода и вывода из оптической системы между плоскостью промежуточного действительного изображения и проекционным объективом, и выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения. Недостатками данной оптической системы являются большое количество оптических элементов, что делает ее нетехнологичной, а также отсутствие элемента, позволяющего производить компенсацию термооптических и термобарических аберраций без изменения длины оптической системы, что ограничивает ее эксплуатационные характеристики.
Задача изобретения - создание оптической тепловизионной системы для средней ИК-области с улучшенными технологическими и эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - уменьшение количества оптических элементов, обеспечение компенсации термооптических и термобарических аберраций без изменения длины оптической системы при сохранении качества изображения за счет изменения формы линз и оптимизации аберраций.
Это достигается тем, что в оптической тепловизионной системе для средней ИК-области спектра, содержащей по ходу лучей входной объектив, строящий промежуточное действительное изображение, выполненный в виде последовательно расположенных по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и проекционный объектив, содержащий последовательно расположенные по ходу лучей отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу и последнюю линзу в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и расфокусирующего элемента, установленного с возможностью ввода и вывода из оптической системы, в отличие от известного проекционный объектив выполнен в виде трех линз, кроме того, введен компенсационный элемент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, установленного между входным объективом и плоскостью промежуточного действительного изображения с возможностью перемещения вдоль оптической оси, кроме того, расфокусирующий элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластины и установлен между компенсационным элементом и плоскостью промежуточного действительного изображения.
На фиг.1 представлена оптическая схема предложенного объектива, на фиг.2 - график функции передачи модуляции, на фиг.3 - график кривизны поля и дисторсии.
Оптическая тепловизионная система для средней ИК-области спектра (фиг.1) состоит по ходу лучей из входного объектива 1, строящего промежуточное действительное изображение, компенсационного элемента 2, проекционного объектива 3 и расфокусирующего элемента 4. Входной объектив 1 выполненен в виде положительного мениска 5 и отрицательного мениска 6, обращенных выпуклостью к пространству предметов.
Компенсационный элемент 2 выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и установленного между входным объективом 1 и плоскостью промежуточного действительного изображения. Проекционный объектив 3 содержит отрицательный мениск 7, обращенный выпуклостью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу 8 и положительный мениск 9, обращенный выпуклостью к пространству предметов. Кроме того, в оптическую систему между компенсационным элементом 2 и промежуточным действительным изображением установлен с возможностью ввода и вывода из оптической системы расфокусирующий элемент 4, выполненный в виде плоскопараллельной пластины. Компенсационный элемент 2 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси оптической тепловизионной системы.
На фигурах 2, 3 приведены графики функции передачи модуляции и графики аберраций рассчитанной оптической тепловизионной системы.
Оптическая тепловизионная система для средней ИК-области спектра работает следующим образом: световой поток, исходящий из бесконечно удаленной точки предмета, попадает на первую поверхность входного объектива 1, проходит через положительный мениск 5, отрицательный мениск 6, попадает на компенсационный элемент 2, выполненный в виде положительного мениска, и, проходя через него, формирует промежуточное изображение, далее световой поток попадает на первую поверхность проекционного объектива 3, проходит через отрицательный мениск 7, двояковыпуклую линзу 8, положительный мениск 9 и образует изображение предмета в фокальной плоскости оптической тепловизионной системы. При возникновении термооптических и термобарических аберраций в оптической тепловизионной системе они компенсируются путем перемещения компенсационного элемента 2 вдоль оптической оси. Расфокусирующий элемент 4 в виде плоскопараллельной пластины вводится в оптическую систему для размытия изображения и компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов матрицы тепловизионного прибора.
В соответствии с предложенным решением рассчитана конкретная оптическая система, конструктивные параметры которой приведены в таблице 1.
Таблица 1
Оптическая сила, мм
Расстояние между линзами, мм
Материал
Световой диаметр, мм
φ<sub>5</sub>=0,011
11
кремний
75
φ<sub>6</sub>=-0,008
143
германий
64,1
φ<sub>2</sub>=0,005
46,65
германий
21
φ<sub>7</sub>=-0,034
2
германий
15,4
φ<sub>8</sub>=0,073
0,5
кремний
17,8
φ<sub>9</sub>=0,023
кремний
16,6
Характеристики рассчитанной оптической тепловизионной системы для средней ИК-области: фокусное расстояние f'=289,9 мм, относительное отверстие 1:4, угол поля зрения 2ω=2,43.
Предлагаемая оптическая тепловизионная система для средней ИК-области имеет высокое качество изображения, что подтверждается графиком функции передачи модуляции (фиг.2) - коэффициент передачи модуляции в спектральном диапазоне от 3,7 до 4,8 мкм на 30 ин/мм составляет не менее 0,37 для оси и не менее 0,27 для края поля зрения, графиком кривизны поля и дисторсии (фиг.3) - астигматизм не более 0,13 мм, дисторсия не более 2,1%.
Таким образом, достигнут технический результат - создана оптическая тепловизионная система для средней ИК-области с уменьшенным количеством оптических элементов, обеспечена компенсация термооптических и термобарических аберраций без изменения длины оптической системы, при этом система имеет высокое качество изображения.