Атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра
ATHERMALISED WIDEANGLE LENS FOR IR SPECTRAL REGION

Изобретение относится к области инфракрасной (ИК) оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур. Спектральная область работы объектива 8-12 мкм.
Матрицы предыдущего поколения имели формат 640×480 пикселей размером 17×17 мкм с диагональю 13,6 мм. В настоящее время достигнут формат матрицы 800×600 пикселей того же размера с диагональю 17 мм. Использование таких матриц требует соответствующего увеличения поля зрения объектива без ухудшения качества изображения.
Кроме того, к современным объективам предъявляются требования независимости от внешних факторов - температуры окружающей среды и влажности. Первый фактор устраняется атермализацией объектива (независимостью положения плоскости установки объектива от температуры), а второй - применением алмазоподобных покрытий на внешней поверхности объектива, при этом современные технологии позволяют наносить подобные покрытия только на оптический германий.
Известен атермализованный объектив для ИК-области спектра 8-12 мкм по патенту США №4679891 от 03.07.1985 г., МПК G02F 1/02, G02B 9/12, 9/34. Объектив содержит четыре компонента, из которых первый - двояковыпуклая линза, выполненная из селенида цинка, второй - двояковогнутая линза, выполненная из сульфида цинка, третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из германия, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из германия.
Конструктивные параметры объектива (вариант III): фокусное расстояние 100 мм, относительное отверстие 1:1.6, поле зрения ±4,5°. Температурный диапазон от -40°C до +50°C.
Недостатком объектива является небольшое поле зрения, низкое относительное отверстие и недостаточно широкий температурный диапазон работы.
1
2
3
4
1
2
3
4
Известен атермализованный объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2538423 от 08.10.2013 г., МПК G02B 9/38. Объектив содержит закрепленные в корпусе четыре мениска. Первый мениск - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный, выполнен из селенида цинка, третий - отрицательный, выполнен из германия, а четвертый - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(0,72÷0,85):-(1,28÷1,76):-(3,00÷6,00):(0,79÷0,92), где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.
Конструктивные параметры объектива: фокусное расстояние 75 мм, относительное отверстие 1:1.25, поле зрения 6°×8°. Температурный диапазон - от -40°C до +50°C.
Указанный объектив также имеет небольшое поле зрения и недостаточно широкий температурный диапазон работы.
1
2
3
4
1
2
3
4
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является атермализованный объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2594957 от 24.06.2015 г., МПК G02B 9/34, G02B 13/14. Объектив содержит размещенные в корпусе четыре мениска, первый мениск - отрицательный, выполненный из германия, второй - положительный, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, третий - отрицательный, выполненный из селенида цинка, четвертый - положительный, выполненный из германия. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, причем на первую поверхность первого мениска нанесено алмазоподобное просветляющее покрытие, а между относительными оптическими силами менисков имеются следующие соотношения: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=-(0,11÷0,23):(1,44÷1,70):-(0,68÷0,92):(1,04÷1,21), где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков. Корпус выполнен из алюминиевого сплава.
При фокусном расстоянии 75 мм и относительном отверстии 1:1,25 объектив имеет поле зрения 6,3°×8,3° и обладает высоким качеством изображения по всему полю зрения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C.
Расчет показал, что при уменьшении фокусного расстояния до 42 мм поле зрения увеличится до 11,2×14,8, но при этом значительно уменьшится в 1,8 раза до 6,6 мм задний отрезок объектива, а задний рабочий отрезок (с учетом стрелки прогиба) - до 4 мм, что создает конструктивные трудности размещения механической конструкции матрицы с защитным окном. Кроме того, по краю поля зрения будет происходить значительное уменьшение контраста изображения по сравнению с центром поля зрения: более чем в 7 раз.
Недостаток объектива заключается в том, что он имеет небольшое поле зрения и недостаточно широкий температурный диапазон работы.
Техническая проблема заключается в создании атермализованного объектива, качество изображения которого не зависит от изменения температуры окружающей среды, с обеспечением следующего технического результата: увеличение поля зрения и расширение температурного диапазона работы.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит размещенные в корпусе из алюминиевого сплава четыре компонента, первый из которых - отрицательный мениск, выполненный из германия, второй - положительный мениск, а третий - отрицательный мениск, выполненный из селенида цинка, причем упомянутые мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее: четвертый компонент выполнен в виде положительной линзы, причем второй и четвертый компоненты выполнены из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26, вторая поверхность первого компонента выполнена асферической с коэффициентом асферичности от 0,42 до 1,56, а вторая поверхность второго компонента выполнена асферической с коэффициентом асферичности от минус 0,86 до 2,6; при этом выполняются следующие соотношения:
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=-(0,07÷0,001):(1,4÷1,83):-(2,06÷2,55):(1,5÷1,9),
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.
D4/f'=0,13÷0,19;
D6/f'=0,12÷0,43,
где D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;
D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым компонентами;
f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
На первой поверхности первого компонента может быть нанесено покрытие, обладающее высокой механической прочностью и влагопрочностью.
Пример конкретной реализации атермализованного широкоугольного объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива, показан ход осевого пучка лучей. На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки по трем конфигурациям: 20°C, -50°C и +50°C. На фиг. 3 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ) и контраст изображения (ЧКХ) по трем конфигурациям: 20°C, -50°C и +50°C.
Атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит размещенные в корпусе четыре компонента. Компонент 1 - отрицательный мениск, выполнен из германия, его вторая поверхность выполнена асферической. Компонент 2 - положительный мениск, выполнен из стекла IRG-26, его вторая поверхность выполнена асферической. Компонент 3 - отрицательный мениск, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Компонент 4 - положительная двояковыпуклая линза, выполнена из стекла IRG-26. Компоненты 1, 2, 3 обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения 5. Коэффициенты асферичности K2 и K4 соответственно второй поверхности компонента 1 и второй поверхности компонента 2 лежат в пределах: K2=0,42÷1,56; K4=-0,86÷2,6. Положение компонента 3 определяется воздушными промежутками D4 и D6: D4/f'=0,13÷0,19; D6/f'=0,12÷0,43.
1
2
3
4
1
1
2
2
3
3
4
4
1
2
3
4
Соотношения относительных оптических сил компонентов 1, 2, 3, 4 лежат в пределах: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=-(0,07÷0,001):(1,4÷1,83):-(2,06÷2,55):(1,5÷1,9), где ϕ=f'/f', ϕ=f'/f', ϕ=f'/f', ϕ=f'/f'; f', f', f', f' - фокусные расстояния соответственно компонентов 1, 2, 3, 4.
Объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через компоненты 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5.
При расчете объектива использовались косые пучки лучей, т.е. одновременно в меридиональной и сагиттальных плоскостях, когда пучки лучей идут по диагонали матрицы.
В таблице 1 приведены оптические характеристики объектива, рассматриваемого в качестве примера реализации.
Конструктивные характеристики объектива приведены в таблице 2. Апертурная диафрагма расположена на четвертой поверхности объектива.
При расчете объектива учитывались следующие факторы: температурный коэффициент расширения (TCE) оптических материалов, влияющий на толщину компонентов 1-4; температурный коэффициент расширения (TCE) материала корпуса объектива, влияющий на воздушные промежутки между компонентами 1-4; изменение показателей преломления (dn/dt) материалов компонентов 1-4; изменение прогибов компонентов 1-4 (кривизны их поверхностей) под воздействием температуры. Характеристики материалов компонентов 1-4 представлены в таблице 3.
-6
Основные оптические характеристики применяемых оптических материалов, т.е. показатели преломления в области 8 мкм,10,6 мкм,12 мкм при давлении в одну атмосферу и температуре 20°C, -50°C и +50°C, даны в таблице 4, где Surf - номера поверхностей. В этой же таблице (снизу) приведены температурные показатели расширения TCE (Thermal coefficient of expansion) для оптических материалов и для корпуса объектива (TCE=22⋅10).
В таблице 5 дано изменение кривизны (CRVT) поверхностей менисков их толщины и воздушных промежутков (THIC) в зависимости от температуры (TEMP) при давлении (PRES) одна атмосфера. На это указывает литера T (Thermal Pick Up) во всех графах системы для конфигураций Config 2 (-50°C) и Config 3 (+50°C). Расчет производится автоматически программой ZEMAX за счет встроенной подпрограммы термооптического анализа с последующей оптимизацией параметров объектива методом мультиконфигураций.
Проведенный расчет показал, что при изменении температуры от -50°C до +50°C полная длина объектива (от первой поверхности до плоскости изображения) изменяется от 54,59 до 54,71 мм, а фокусное расстояние - в пределах 0,1 мм, т.е. остается практически постоянным.
В объективе с конструктивными элементами, указанными в таблице 2, выполняются следующие соотношения:
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=-0,0067:1,6477:-2,459:1,8277;
K2=0,33; K4=2,725; D4/f'=0,186; D6/f'=0,374.
В зависимости от величины оптической силы компонентов 1, 2, 3 компонент 4 в виде положительной линзы может приобрести форму от выпукло-плоской до менискообразной с вогнутостью, обращенной к плоскости изображения 5.
1
1
1
На смещение плоскости изображения 5 под воздействием температуры (терморасстраиваимость) большое влияние оказывает компонент 1, выполненный из германия. При этом отклонение фокусного расстояния f', а следовательно, его заднего отрезка будет составлять df'=f'/(n-1)⋅dn/dt⋅Δt, где Δt - изменение температуры окружающей среды.
1
В случае когда фокусное расстояние f' становится отрицательным, упомянутое отклонение меняет знак. Таким образом, компонент 1 в виде слабого отрицательного мениска, выполненного из германия, становится термостабилизатором объектива.
Еще одной особенностью оптической схемы объектива является то, что главный луч пучка лучей в пространстве изображений идет параллельно оптической оси, т.е. является телецентрическим. Это способствует исправлению комы и астигматизма.
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от -50°C до +50°C использован метод мультиконфигураций, предусмотренный в программе ZEMAX с использованием опции "Thermal Pick Up". С учетом этой опции проведена одновременная оптимизация новых (по отношению к номинальной конфигурации) значений параметров схемы объектива для значений температуры от -50°C до +50°C. При оптимизации использованы значения ТСЕ и dn/dt, представленные в таблице 3.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива: функцию рассеяния точки, 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°C, во второй колонке - для -50°C, а в третьей - для +50°C. 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 18,4°×13,8°. Размер квадрата составляет 100 мкм. На каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 32 мкм для относительного отверстия 1:1,25. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Над каждым пятном рассеяния впечатан его размер в микрометрах, соответствующий 80% концентрации энергии: 24, 25, 31, 32, 33. Из фиг. 2 видно, что все кружки рассеяния вписываются в кружок Эйри.
-1
На фиг. 3 справа показан контраст изображения на частоте 20 мм, а слева - ФКЭ при радиусе пятна рассеяния 20 мкм для всего температурного диапазона. Представлены кривые при дифракционно ограниченном (идеальном) качестве изображения (диф.), для оси, зоны 13,0°×9,8° и края поля зрения 18,4°×13,8°. Графики для ЧКХ (модуль передаточной функции) имеют такую же структуру.
Из графиков фиг. 3 и фиг. 2 видно, что качество изображения объектива в температурном диапазоне от -50°C до +50°C остается постоянным. Это говорит о потенциальных возможностях расширения этого диапазона.
Для инфракрасных объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии составляло не менее 80%. Рассмотрение этих графиков позволяет сделать вывод, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения в диапазоне температур от -50°C до +50°C.
Проведенные расчеты показывают, что технические результаты достигаются в пределах всех заявляемых диапазонов:
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=-(0,07÷0,001):(1,4÷1,83):-(2,06÷2,55):(1,5÷1,9);
K2=0,42÷1,56; K4=-0,86÷2,6; D4/f'=0,13÷0,19; D6/f'=0,12÷0,43.
Таким образом, наряду с высоким качеством изображения предлагаемое изобретение обеспечивает большее чем в 2 раза поле зрения: 13,8°×18,4°, а также более широкий температурный диапазон работы объектива: от -50°C до +50°C.