СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ИК-ОБЛАСТИ
HIGH-SPEED INFRARED LENS

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.
8
Известен светосильный объектив [Патент РФ №2183340; МПК G02B 13/14, 9/34; 2002], содержащий четыре компонента по ходу лучей, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - плосковогнутая линза, третий - плосковыпуклая линза, четвертый - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету.
Данный объектив работает в ИК-диапазоне длин волн и все линзы у него выполнены из германия.
Характеристики объектива:
- фокусное расстояние 51,14 мм;
- относительное отверстие 1:1,65;
- угловое поле зрения 18 град;
- задний фокальный отрезок 45,23 мм.
Указанный объектив имеет малое относительное отверстие.
8
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является светосильный объектив [Патент РФ №2348059; МПК G02B 9/34, 13/14; 2009], содержащий четыре компонента, первый из которых - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, третий - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению; четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению; причем первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты выполнены из селенида цинка, и выполняются условия:
2
5
|R|=|R|
3
6
8
|R|=|R|=|R|
5
6
|R|>|R|,
2
3
5
6
8
где R, R, R, R, R - радиусы второй, третьей, пятой, шестой, восьмой оптических поверхностей соответственно.
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако имеет недостаточно большое относительное отверстие и недостаточно высокое качество изображения.
В описании патента приведены конструктивные параметры объектива, рассчитанного для ИК-диапазона длин волн.
Характеристики этого объектива:
- фокусное расстояние 130,03 мм;
- относительное отверстие 1:1,08;
- угловое поле зрения 5 град 20 мин;
- длина объектива 200 мм;
- задний фокальный отрезок 45 мм.
В современных тепловизионных приборах используются микроболометрические матрицы чувствительных элементов ИК-диапазона, которые имеют в основном размер пикселя 25 мкм и 17 мкм. Для таких микроболометрических матриц относительное отверстие объектива должно быть, по крайней мере, не ниже 1:1.
-1
Качество изображения объективов тепловизионных приборов принято оценивать по диаметру кружка рассеяния, в котором сосредоточено 80% энергии, или по значению частотно-контрастной характеристики на критической пространственной частоте. Для размера пикселя 17 мкм критическая пространственная частота равна 30 мм.
Как показывает расчет, объектив, конструктивные параметры которого приведены в описании, имеет диаметр кружка рассеяния 24 мкм в центре поля зрения и 31 мкм на краю поля зрения (дифракционный диаметр кружка рассеяния равен 19 мкм).
Указанные значение относительного отверстия и диаметра кружка рассеяния недостаточны, в тех случаях, когда от объектива требуется предельно высокие значения светосилы и разрешающей способности.
Объектив в соответствии с указанными в формуле изобретения признаками может быть пересчитан для требуемых значений диапазона длин волн, относительного отверстия и фокусного расстояния.
При этом могут быть получены следующие характеристики:
- относительное отверстие 1:1;
- фокусное расстояние 40 мм;
- угловое поле зрения 12 град;
- длина объектива 62 мм;
- задний фокальный отрезок 8,5 мм;
- диаметр кружка рассеяния в центре и на краю поля зрения 22 мкм и 25 мкм соответственно (дифракционный диаметр кружка рассеяния равен 20 мкм).
Указанные значение относительного отверстия и диаметра кружка рассеяния также недостаточны, в тех случаях, когда от объектива требуются предельно высокие значения светосилы и разрешающей способности.
Задача изобретения - увеличение относительного отверстия и повышение качества изображения объектива.
Поставленная задача решается тем, что в светосильном объективе ИК-области, содержащем четыре компонента, первый из которых - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, третий - одиночный мениск, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, при этом первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты - из селенида цинка, новым является то, что второй компонент выполнен в виде положительного мениска, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, при этом фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:
1
0
F/F=1,2÷1,5;
0
2
F/F=0÷0,05;
3
0
|F|/F=1,6÷1,9;
4
0
F/F=0,4÷0,6;
1
2
3
4
0
где F, F, F, F, F - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно.
В частном случае в объективе выполнены следующие соотношения:
3
8
|R|=|R|;
4
5
|R|=|R|;
3
4
5
8
где R, R, R, R - радиусы третьей, четвертой, пятой и восьмой поверхностей соответственно.
В частном случае в объективе третий компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
Представленная конструкция объектива с указанными условиями на фокусные расстояния компонентов позволяет одновременно увеличить относительное отверстие и повысить качество изображения.
В частном случае соотношения на радиусы поверхностей позволяют сделать конструкцию объектива более технологичной и сократить номенклатуру используемых при изготовлении пробных стекол.
В частном случае установка второго компонента с возможностью перемещения вдоль оптической оси может быть использована: 1) для юстировки объектива при неподвижной микроболометрической матрице в процессе сборки тепловизионного прибора, 2) для компенсации смещения плоскости наилучшей установки при изменении температуры окружающей среды, 3) для фокусировки объектива на конечное расстояние.
На фиг.1 показана оптическая схема объектива с реальным ходом лучей для трех точек поля зрения, на фиг.2 - функция концентрации энергии, на фиг.3 - частотно-контрастная характеристика, на фиг.4 - графики поперечных аберраций.
Объектив содержит четыре последовательно установленные оптически связанных компонента: первый - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к изображению, второй - положительный мениск 2, обращенный выпуклостью к изображению, третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к изображению.
Компоненты 1 и 4 выполнены из германия, компоненты 2 и 3 выполнены из селенида цинка.
Фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:
1
0
F/F=1,2÷1,5;
0
2
F/F=0÷0,05;
3
0
|F|/F=1,6÷1,9;
4
0
F/F=0,4÷0,6;
1
2
3
4
0
где F, F, F, F, F - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно.
Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.
На фиг.1 показано также защитное стекло 5, защищающее микроболометрическую матрицу чувствительных элементов.
В частном случае выполнены следующие соотношения:
3
8
|R|=|R|;
4
5
|R|=|R|;
3
4
5
8
где R, R, R, R - радиусы третьей, четвертой, пятой и восьмой поверхностей соответственно.
В частном случае второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
Ниже приведен пример конкретного выполнения объектива.
В табл.1 приведены конструктивные параметры объектива - радиусы поверхностей, толщины линз и воздушных промежутков между ними, световые и полные диаметры и материал линз.
Таблица 1
№ пов.
Радиусы, мм
Толщины, мм
Материал
Световые диаметры, мм
Полные диаметры, мм
1
61,81
5,0
Германий
47,7
50,0
2
91,62
27,12
Воздух
45,9
48,0
3
-30,48
8,0
Селенид цинка
31,5
34,0
4
-34,51
11,91
Воздух
34,8
37,0
5
34,51
2,7
Селенид цинка
22,8
25,0
6
24,21
1,0
Воздух
20,7
23,0
7
21,68
3
Германий
20,3
22,0
8
30,48
5,0
Воздух
18,7
22,0
9
∞
1,0
Германий
12,3
14,0
10
∞
1,36
Воздух
12,3
14,0
11
∞
-
-
10,0
13,6
Апертурная диафрагма размещена на первой поверхности объектива. Диаметр апертурной диафрагмы 47,7 мм.
Для приведенного объектива соотношение между фокусными расстояниями линзовых компонентов составляет:
1
0
F/F=1,34;
0
2
F/F=0,03;
3
0
|F|/F=1,71;
4
0
F/F=0,50.
4
5
3
8
Для повышения технологичности указанной конструкции две выпуклые поверхности выполнены с одинаковыми радиусами кривизны (|R|=|R|), две вогнутые поверхности также выполнены с одинаковыми радиусами кривизны (|R|=|R|).
Для юстировки объектива при неподвижной микроболометрической матрице в процессе сборки тепловизионного прибора второй компонент выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси в пределах ±1.0 мм и фиксации его в положении, обеспечивающем наилучшее качество изображения.
ИК-объектив имеет следующие характеристики:
- относительное отверстие 1:0,84;
- фокусное расстояние 40 мм;
- угловое поле зрения 12 град;
- длина объектива 66 мм;
- задний фокальный отрезок 6,7 мм.
На фиг.2 показана функция концентрации энергии объектива. Как видно из графика, диаметр кружка рассеяния в центре и на краю поля зрения равен 18 мкм и 20 мкм соответственно (дифракционный диаметр кружка рассеяния 17 мкм).
-1
На фиг.3 показана частотно-контрастная характеристика объектива. Как видно из графика, на пространственной частоте 30 мм значение частотно-контрастной характеристики в центре и на краю поля зрения равен 0,60 и 0,56 мкм соответственно. (значение дифракционной частотно-контрастной характеристики 0,64).
На фиг.4 показаны характерные графики поперечных аберраций объектива. Как видно графиков, геометрические аберрации не превышают в центре и на краю поля зрения 16 мкм и 30 мкм соответственно.
Разработанный объектив имеет высокие показатели качества изображения при большом относительном отверстии и необходимом поле зрения, при этом объектив имеет небольшую длину и достаточный задний фокальный отрезок.
Объектив прост в изготовлении. Он не содержит асферических поверхностей. Две выпуклые поверхности выполнены с одинаковыми радиусами кривизны, две вогнутые поверхности также выполнены с одинаковыми радиусами кривизны. Это позволяет сделать конструкцию объектива более технологичной и сократить номенклатуру используемых при изготовлении пробных стекол.
Второй компонент объектива установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Это перемещение может быть использовано: 1) для юстировки объектива при неподвижной микроболометрической матрице в процессе сборки тепловизионного прибора, 2) для компенсации смещения плоскости наилучшей установки при изменении температуры окружающей среды, 3) для фокусировки объектива на конечное расстояние.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить качества изображения объектива при большом относительном отверстии и поле зрения.