Телеобъектив для ИК-области спектра
TELEPHOTO LENS FOR SPECTRUM IR

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 телеобъектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2594955 от 09.06.2015 г., МПК G02B 13/14. Телеобъектив содержит четыре мениска, из которых первый и второй мениски - положительные, третий - отрицательный, четвертый - положительный. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения. Первый мениск выполнен из германия, а остальные - из селенида цинка. Третий мениск выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С. Обеспечиваются следующие соотношения между относительными оптическими силами ϕ, ϕ, ϕ, ϕ менисков: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7).
Изменения оптических сил менисков сопровождается изменением воздушных промежутков D2 и D6 в интервалах: D2=(0,15÷0,35)f', D6=(0,25÷0,45)f', где f' - фокусное расстояние телеобъектива.
При относительном отверстии 1:1,25 и фокусном расстоянии 100 мм телеобъектив имеет длину 100 мм. Телеобъектив обладает хорошим качеством изображения во всем диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С, но имеет следующие недостатки.
1. Телеобъектив содержит 4 линзы, что усложняет конструкцию и снижает спектральное пропускание.
3
2. Вследствие большой оптической силы подвижного мениска (ϕ≈-3) для получения хорошего качества изображения в диапазоне рабочих температур его необходимо перемещать вдоль оси на ±0,01 мм. Следовательно, допуск на его перемещение составит ±0,001÷0,002 мм, что является технологически сложным.
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2620202 от 10.03.2016 г. Объектив содержит три мениска, из которых первый и третий по ходу луча мениски - положительные, выполненные из германия, а второй мениск - отрицательный, выполненный из селенида цинка. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Вторая поверхность первого мениска является асферической поверхностью второго порядка с конической постоянной в пределах от 0,2 до 0,5. Второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Выполняются следующие соотношения:
1
2
3
ϕ:ϕ:ϕ=(0,70÷0,90):-(0,10÷0,60):(1,0÷1,80),
1
2
3
где: ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы первого, второго и третьего менисков соответственно.
D2/f'=0,3÷0,7;
D4/f'=0,2÷0,6,
где: D2, D4 - воздушные промежутки между первым и вторым мениском и вторым и третьим мениском соответственно:
f' - фокусное расстояние объектива.
Объектив при фокусном расстоянии 69 мм и относительном отверстии 1:1,25 имеет хорошее качество изображения во всем диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С.
Недостатком объектива является большая относительная длина, что увеличивает массу объектива. При фокусном расстоянии f'=69 мм длина объектива L составляет 88,3 мм, а относительная длина L/f'=1,28.
Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: уменьшение относительной длины объектива, т.е. создание телеобъектива, следовательно, снижение его массы за счет уменьшения длины корпуса, а также обеспечение неизменности фокусного расстояния телеобъектива в процессе его термостабилизации при сохранении высокого контраста изображения в диапазоне температур от минус 40°С до 50°С.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Телеобъектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит три мениска, из которых первый - положительный, выполненный из германия, вторая поверхность которого является асферической, второй мениск - отрицательный, а третий - положительный, причем все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, а второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее: второй и третий мениски выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, выполняются следующие соотношения:
1
2
3
ϕ:ϕ:ϕ=(1,4÷1,7):-(3,0÷5,0):(2,6÷4,5),
1
2
3
где: ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы первого, второго и третьего менисков соответственно;
D2/f'=0,38÷0,50,
D4/f'=0,18÷0,28,
где: D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
D4 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками;
f' - эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива,
а вторая асферическая поверхность первого мениска определяется уравнением:
где: z - стрелка прогиба;
с - кривизна поверхности (обратная величина радиуса);
r - радиальная координата;
k - коническая постоянная,
- коэффициент асферики второго порядка;
- коэффициент асферики четвертого порядка;
при этом k=0, а коэффициенты  и  находятся в пределах:
-4
-4
=-(2,4÷2,9),
-8
-8
=(1,45÷1,8),
Пример конкретной реализации телеобъектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема телеобъектива. На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки (ФРТ). На фиг. 3 приведены контраст изображения (ЧКХ) и функция концентрации энергии (ФКЭ) при работе телеобъектива во всем температурном диапазоне.
Телеобъектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит три мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25. Мениск 3 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25. Вторая поверхность мениска 1 асферическая. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения 4. Мениск 2 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С. Аберрационный расчет объектива в указанном температурном диапазоне показал, что фокусное расстояние объектива изменяется в пределах ±0,1 мм, т.е. практически постоянно.
В таблице 1 приведены конструктивные параметры телеобъектива. Входной зрачок телеобъектива расположен на его первой поверхности.
В таблице 2 приведены оптические характеристики телеобъектива.
Относительная длина заявляемого телеобъектива L/f'=0,914, что на 40% меньше, чем у прототипа, у которого L/f'=1,28.
Корпус телеобъектива может выполняться из алюминия или стали. Расчеты выполнены для телеобъектива с корпусом из алюминия.
1
2
3
Для рассчитанного телеобъектива относительные оптические силы менисков равны: ϕ:ϕ:ϕ=1,54:-3,92:3,62,
1
1
2
2
3
3
где: ϕ=f'/f', ϕ=f'/f', ϕ=f'/f';
1
2
3
f', f', f' - фокусные расстояния соответственно менисков 1, 2, 3.
Воздушные промежутки между менисками D2 и D4 равны: D2=0,424f'; D4=0,244f'.
Асферическая поверхность определяется уравнением:
Все указанные значения находятся в пределах заявленных диапазонов.
Телеобъектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3 и строят изображение в плоскости изображения 4. Для получения высокого качества изображения в температурном диапазоне мениск 2 перемещают вдоль оси в сторону плоскости изображения на 0,57 мм при температуре минус 40°С и в сторону пространства предметов на 0,27 мм при температуре 50°С, при этом изменяются величины отрезков D2 и D4. Это же перемещение используется для фокусировки телеобъектива на конечное расстояние 25 м, при этом мениск 2 необходимо смещать в сторону пространства изображения на 1 мм.
2
2
Мениски 2 и 3 выполнены из одного и того же материала ИКС-25. Это, с одной стороны, позволило исправить сферохроматизм телеобъектива и его полевые аберрации, а с другой - придать мениску 2 значительную оптическую силу ϕ=-3,92 (у прототипа ϕ=-0,245), что позволило уменьшить относительную длину телеобъектива.
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 размером 6°×4,6° с диагональю 7,5°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 33,6 мкм для относительного отверстия 1:1,3. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Как видно из фиг. 2, все пятна рассеяния 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. Предлагаемый телеобъектив имеет дифракционное качество изображения при его меньшей, чем у прототипа, относительной длине. Из-за уменьшения относительной длины телеобъектива соответственно уменьшается длина его корпуса, и, следовательно, масса телеобъектива.
1
2
3
1
2
Проведенные расчеты показывают, что заявленный технический результат достигается во всех заявленных диапазонах значений величин (ϕ:ϕ:ϕ), D2/f', D4/f', α, α.
Таким образом, предлагаемое изобретение, по сравнению с прототипом, позволяет создать телеобъектив, имеющий при сравнимых фокусных расстояниях меньшую относительную длину, следовательно, меньшую длину и массу за счет уменьшения длины корпуса, и при этом имеющий высокий контраст изображения в диапазоне температур от минус 40°С до 50°С и неизменность значения фокусного расстояния в процессе термостабилизации.