СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМИ ЗРАЧКАМИ ДЛЯ ИК ОБЛАСТИ СПЕКТРА
HIGH-APERTURE LENS WITH OFFSET PUPILS FOR INFRARED AREA OF SPECTRUM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, например, таких, во входном зрачке которых установлены сканирующие элементы, а в выходном - охлаждаемая диафрагма фотоприемного устройства (ФПУ).
Наличие вынесенных входного и выходного зрачков в светосильном объективе для ИК области спектра позволяет оптимальным образом, без виньетирования, осуществить оптическое сопряжение этой системы, например, как с размещаемой перед ним афокальной системой, выходной зрачок которой совмещается с входным зрачком объектива, так и с ФПУ, содержащим охлаждаемую диафрагму, выполняющую в этом случае функцию выходного зрачка объектива. По своей оптической сути светосильный объектив для ИК области спектра представляет собой многокомпонентную оптическую систему, в которой апертурная диафрагма размещена в пространстве изображений между последней поверхностью и задней фокальной плоскостью объектива, а ее проекция в пространство предметов расположена перед первым компонентом оптической системы на таком удалении от последнего, величина которого достаточна для размещения, например, сканера.
Известна оптическая система для ИК области спектра [RU 2006128691 А, Оптическая система для ИК области спектра, 2008, п.1 формулы], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, состоящий из трех линз и строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив, состоящий из четырех линз, и вынесенный выходной зрачок. Недостатком этой системы является большое количество линз. Наличие большого числа преломляющих поверхностей (14 преломляющих поверхностей) ведет к снижению коэффициента пропускания, что особенно критично для оптических систем, изготовленных из материалов с большими по величине показателями преломления, и, как следствие, к снижению физической светосилы системы в целом. Кроме того, в оптической системе для ИК области спектра отсутствует вынос входного зрачка в пространство предметов, что не позволяет без виньетирования наклонных пучков лучей использовать эту систему совместно со сканером или осуществить сопряжение с афокальной системой.
Известен также объектив с вынесенным входным зрачком [Патент РФ №2281536, 2006] для ИК области спектра, содержащий три одиночных компонента, первый из которых (по ходу лучей) - одиночный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, второй - двояковыпуклая одиночная линза, третий - мениск, обращенный вогнутостью к изображению, имеющий следующие характеристики: фокусное расстояние 74,55 мм, относительное отверстие 1:2,4, угловое поле в пространстве предметов 17°, удаление входного зрачка 16 мм. Недостатками этого объектива являются низкая светосила, отсутствие действительного выходного зрачка. Низкая светосила объектива не позволяет обеспечить высокую температурную чувствительность в тепловизионной системе, использующей такой объектив. Отсутствие действительного выходного зрачка ограничивает возможности использования объектива совместно с ФПУ, имеющим охлаждаемую диафрагму, совмещение которой с выходным зрачком (апертурной диафрагмой) позволяет минимизировать уровень шумов тепловизора и, соответственно, повысить его температурную чувствительность.
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является светосильный объектив с вынесенными зрачками для ИК области спектра [Патент US 6274868 B1, 2001. Оптическая схема - фиг.3, конструктивные параметры - таблицы 1 и 1а], содержащий расположенные по ходу лучей первый, второй и третий положительные компоненты, включающие пять линз и апертурную диафрагму, имеющий в пространстве между первым и вторым компонентами плоскость промежуточного изображения, при этом все линзы выполнены в виде менисков, третий компонент включает два мениска, положительный мениск первого компонента и второй положительный мениск третьего компонента обращены вогнутостью к плоскости изображений, положительный мениск второго компонента обращен вогнутостью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между третьим компонентом и плоскостью изображения.
1
2
3
1
2
3
В прототипе второй отрицательный мениск первого компонента обращен вогнутостью к плоскости изображения, все мениски являются асферическими (в каждом мениске одна из преломляющих поверхностей является асферической, всего 5 асферических поверхностей), относительные оптические силы φ, φ, φ первого, второго и третьего компонентов удовлетворяют соотношению φ:φ:φ=0,305:0,89:1, удаление входного зрачка от первой поверхности составляет по абсолютной величине 0,505 , задний фокальный отрезок - 0,524  (здесь f' - фокусное расстояние объектива). Расстояние вдоль оптической оси между первым и вторым компонентами в 1,2 раза превышает величину , расстояние между вторым и третьим компонентами составляет 0,91 . Оптическая схема прототипа может быть рассчитана на конкретную величину фокусного расстояния, лежащего в диапазоне от 1,89 до 2,4 дюйма, т.е. от 48 до 60 мм. В конкретном примере исполнения приведен объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Относительное отверстие объектива имеет значение 1:1,65 и может быть уменьшено до 1:3,16; спектральный диапазон работы 8÷11,5 мкм.
Основными недостатками прототипа являются нетехнологичность оптической системы объектива из-за наличия в каждом из менисков асферической поверхности и малая величина заднего фокального отрезка. Так, в прототипе пять из 10 преломляющих поверхностей являются асферическими, изготовление которых является трудоемким и имеет высокую себестоимость по сравнению с технологичными сферическими поверхностями, изготавливаемыми на экономическом уровне точности с использованием традиционного оборудования. Наличие большого числа асферических преломляющих поверхностей свидетельствует о том, что в оптической системе объектива не найдены оптимальные соотношения между параметрами компонентов и линз, содержащих только стандартные сферические преломляющие поверхности, позволяющие минимизировать величины остаточных аберраций широких пучков и полевые аберрации до такой степени, чтобы размер фигуры рассеяния был соразмерен дифракционному пятну рассеяния.
Требуемая величина заднего фокального отрезка в светосильном объективе с вынесенными зрачками определяется параметрами используемого ФПУ. Современные охлаждаемые ФПУ для ИК области спектра имеют охлаждаемую диафрагму, размещаемую между защитным стеклом криостата ФПУ и плоскостью чувствительных элементов. Для большого класса современных ФПУ оптимальная величина заднего фокального отрезка сопрягаемого с ним объектива должна составлять не менее 25 мм, что для объектива с фокусным расстоянием 50 мм соответствует относительной величине 0,5, а для объектива, например, с фокусным расстояние 25 мм требуемая относительная величина заднего фокального отрезка будет составлять 1. В прототипе нижняя граница диапазона фокусных расстояний ограничена величиной 1,89 дюйма (48 мм), что не позволяет использовать оптическую схему прототипа в малогабаритных тепловизорах, требующих применения объективов с малыми по абсолютной величине фокусными расстояниями.
В предлагаемом светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра решается задача повышения технологичности путем исключения асферических преломляющих поверхностей из оптической схемы при одновременном увеличении относительной величины заднего фокального отрезка при сохранении светосилы, углового поля в пространстве предметов и высокого качества изображения.
Задача решается тем, что в светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра, содержащем расположенные по ходу лучей первый, второй и третий положительные компоненты, включающие пять линз и апертурную диафрагму, имеющем в пространстве между первым и вторым компонентами плоскость промежуточного изображения, при этом все линзы выполнены в виде менисков, третий компонент включает два мениска, положительный мениск первого компонента и второй положительный мениск третьего компонента обращены вогнутостью к плоскости изображений, положительный мениск второго компонента обращен вогнутостью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между третьим компонентом и плоскостью изображения, первый компонент состоит из одного мениска, второй - из двух, при этом второй по ходу лучей отрицательный мениск второго компонента расположен вплотную к первому положительному мениску этого компонента и обращен вогнутостью к плоскости изображений, преломляющие поверхности менисков всех компонентов выполнены сферическими, и имеют место следующие соотношения:
φ1:φ2:φ3=(0,30÷0,35):(0,22÷0,28):1
1
2
3
φ, φ, φ - относительные оптические силы первого, второго и третьего компонентов соответственно;
4
5
φ, φ - относительные оптические силы соответственно первого и второго по ходу лучей менисков второго компонента;
6
7
φ, φ - относительные оптические силы соответственно первого и второго по ходу лучей менисков третьего компонента;
1
d - расстояние вдоль оптической оси между первым и вторым компонентами;
2
d - расстояние вдоль оптической оси между вторым и третьим компонентами;
f' - фокусное расстояние объектива.
Более высокие технические характеристики светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра по сравнению с прототипом обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:
- первый компонент состоит из одного мениска, второй - из двух;
- второй по ходу лучей отрицательный мениск второго компонента расположен вплотную к первому положительному мениску этого компонента и обращен вогнутостью к плоскости изображений;
- преломляющие поверхности менисков всех компонентов выполнены сферическими;
- в объективе имеют место соотношения (1) и (2).
Соблюдение указанного в (1) соотношения относительных оптических сил компонентов и расстояний между ними позволяет увеличить величину заднего фокального отрезка до абсолютной величины фокусного расстояния объектива и вместе с тем обеспечить вынос входного зрачка в пространство предметов на достаточную для размещения сканера величину при размещении апертурной диафрагмы в пространстве между последним компонентом и плоскостью изображений.
Выполнение первого компонента из одного мениска, а второго из двух менисков, при этом размещение второго по ходу лучей отрицательного мениска второго компонента вплотную к первому положительному мениску этого компонента и ориентация его вогнутостью к плоскости изображений, при одновременном соблюдении указанного в (1) соотношения относительных оптических сил компонентов и расстояний между ними и указанного в соотношении (2) распределения между оптическими силами менисков во втором и третьем компонентах позволяют обеспечить такое сочетание аберраций осевого пучка, широких наклонных пучков и полевых аберраций компонентов, при котором в плоскости изображений обеспечивается величина аберрационной фигуры рассеяния, соразмерная с дифракционным пятном рассеяния, что позволяет сохранить светосилу, угловое поле в пространстве предметов и высокое качество изображения.
Одновременное выполнение указанных соотношений (1) и (2) в совокупности с указанной в отличительных признаках ориентацией второго мениска второго компонента позволяют осуществить распределение оптических сил компонентов и взаимное расположение последних таким образом, чтобы устранение аберраций широких пучков лучей осуществлялось без применения асферических преломляющих поверхностей. Выполнение всех преломляющих поверхностей объектива сферическими позволяет повысить технологичность оптических деталей, снизить трудоемкость изготовления и себестоимость объектива.
Совокупность всех введенных признаков в предлагаемом светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра позволяет решить задачу повышения технологичности и одновременного увеличения относительной величины заднего фокального отрезка при сохранении светосилы, углового поля в пространстве предметов и высокого качества изображения.
Указанное решение обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной заявителями зависимости между оптическими силами компонентов, оптическими силами линз в компонентах, распределением линз по компонентам, расстояниями между компонентами, ориентацией менисков со сферическими преломляющими поверхностями. Авторам не известны оптические системы светосильных объективов с вынесенными входными зрачками для ИК области спектра, в которых были бы реализованы указанные признаки.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1 - оптическая схема светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра;
Фиг.2 - частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра;
Фиг.3 - функция концентрации энергии (ФКЭ) в светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра;
Фиг.4 - среднеквадратический размер (RMS) волновой аберрации для различных точек поля в светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра.
На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая схема светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра. Оптическая система содержит расположенные по ходу лучей первый, второй и третий (1, 2, 3) положительные компоненты. Первый компонент выполнен в виде положительного мениска 1, обращенного вогнутостью к плоскости изображений. Второй компонент включает положительный мениск 4 и отрицательный мениск 5, обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу. Третий компонент включает два положительных мениска 6 и 7, также обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу. Апертурная диафрагма, выполняющая функцию выходного зрачка, расположена в пространстве между мениском 7 и плоскостью изображений и отделена от объектива защитным стеклом 8. Проекция апертурной диафрагмы в пространство предметов располагается по ходу лучей перед мениском 1 и обеспечивает вынесенный входной зрачок. В объективе выполняются вышеприведенные соотношения (1) и (2). Дополнительно можно отметить, что расстояние между первым и вторым компонентами, а также между вторым и третьим компонентами достаточно большое и позволяет, для уменьшения габаритных размеров оптической системы при использовании ее в тепловизорах, ввести поворотные зеркала, аналогично прототипу, или оптические элементы для реализации микро- и чересстрочного сканирования (не показаны).
Первый компонент фокусирует инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами ФПУ и фокусным расстояние объектива, и создает действительное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения объектива, которое последовательно менисками 4, 5 второго компонента и менисками 6, 7 третьего компонента через защитное стекло 8 переносится в плоскость изображений объектива, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Защитное стекло отделяет охлаждаемую диафрагму ФПУ, размещаемую между защитным стеклом криостата ФПУ и плоскостью чувствительных элементов, совмещаемой при работе с плоскостью изображений объектива. Апертурная диафрагма ФПУ совмещается с выходным зрачком объектива и обеспечивает высокое относительное отверстие объектива, отсутствие виньетирования для наклонных пучков лучей и минимизирует поступление на ФПУ фонового ИК излучения. При использовании совместно с линейчатым ФПУ во входном зрачке объектива размещается сканер, например колеблющееся плоское зеркало, обеспечивающее формирование кадра ИК изображения. При использовании совместно с матричным ФПУ во входном зрачке объектива возможна установка оптических элементов для микросканирования и калибровки. При использовании совместно с афокальной телескопической системой (в том числе с переменной или панкратической сменой увеличения) выходной зрачок последней совмещается с входным зрачком объектива, обеспечивая при этом отсутствие виньетирования наклонных пучков лучей при формировании кадра ИК изображения.
В таблице 1 приведены оптические силы и расстояния между линзами, а в таблице 2 - значения оптических сил компонентов в конкретном примере исполнения светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра.
Значения параметров в таблице 1 приведены при нормировке фокусного расстояния f'=-1. Спектральный диапазон от 7,7 до 10,3 мкм соответствует спектральной чувствительности линейчатого ФПУ фирмы Sofradir. Материал линз - германий. Относительное отверстие объектива 1:1,68. Угловое поле в пространстве предметов 18,7°.
Таблица 1
Параметры светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра
Номер в соответствии с фиг.1
Оптическая сила
Расстояние по оси
Диаметр
-1,06
0,32
1
0,436
2,8570
0,41
4
1,039
0
0,53
5
-0,970
1,917
0,45
6
0,626
0
0,53
7
0,631
0,28
0,49
8
0
0,21
0,30
A.д.
0,47
0,165
Таблица 2
Оптические силы компонентов светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра
Компонент/линзы (в соответствии с фиг.1)
Оптическая сила
1
0,436
2/4,5
0,329
3/6,7
1,332
В первой строке таблицы 1 указано расстояние до входного зрачка, равное 1,06 , в последней строке таблицы 1 указано расстояние от апертурной диафрагмы (А.д.) до плоскости изображения, равное 0,47 . Задний фокальный отрезок (от последней поверхности до плоскости изображений) равен 1,06 , что в два раза превышает относительную величину заднего фокального отрезка в прототипе.
6
4
6
7
1
2
Как следует из таблицы 1, между оптическими силами менисков во втором и третьем компонентах объектива имеют место следующие соотношения φ=-1,07φ; φ=φ, удовлетворяющие соотношению (2). Как следует из таблицы 1, расстояние вдоль оптической оси между компонентами в светосильном объективе с вынесенными зрачками для ИК области спектра связано с фокусным расстоянием объектива следующим образом: d=2,8 , d=1,9 , т.е. удовлетворяют соотношению (1). Как следует из таблицы 2, оптические силы первого, второго и третьего компонентов светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра относятся соответственно как 0,33:0,25:1, т.е. удовлетворяют соотношению (1).
Исходя из приведенных в таблицах 1 и 2 значений, используя стандартную оптимизацию по методу наименьших квадратов, входящую в состав всех современных программ для оптических расчетов, устанавливаются точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси для конкретного значения фокусного расстояния, величина которого согласована с размером чувствительной площадки ФПУ и требуемым угловым полем в пространстве предметов.
Анализ примера реализации светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра проведен для фокусного расстояния f'=24,5 мм, относительного отверстия 1:1,68, углового поля 18,7°, размера изображения 2y'=8 мм, удаления входного зрачка 26 мм, расстояния от последней поверхности объектива до плоскости изображения 26 мм (задний фокальный отрезок объектива), расстояние от апертурной диафрагмы (выходного зрачка) до плоскости изображения 11,6 мм.
-1
На фиг.2 приведены графики ЧКХ светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра. На графиках по оси абсцисс отложены значения пространственных частот, в мм, отнесенные к задней фокальной плоскости объектива, по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста. Значения ЧКХ приведены для меридионального и сагиттального сечений (обозначение соответственно m и s) для различных точек поля, имеющих различные координаты у': точки на оси (обозначение 0), точка на краю изображения (обозначения 4 s и 4 m), точка на середине изображения (обозначение 2 s и 2 m), а также дифракционная ЧКХ для точки на оси (обозначение Дифр.). Наложение кривых ЧКХ для различных точек поля и их близость к дифракционной ЧКХ свидетельствуют о том, что предлагаемый объектив обеспечивает высокое, дифракционно-ограниченное качество изображения, так же как и прототип. Это позволяет использовать его, например, в сканирующих тепловизионных системах с современными приемниками ИК излучения.
В качестве других критериев, подтверждающих высокое качество изображения в предлагаемом объективе, на фиг.3 приведены графики ФКЭ, а на фиг.4 - графики RMS волновой аберрации для различных точек поля: на оси, на середине и на краю поля изображения (обозначения координаты у' соответственно 0, 2 и 4), а также дифракционная ФКЭ (на фиг.3 обозначение Дифр.). Из расчетных данных следует, что для различных точек поля изображения в пятне диаметром 25 мкм, соответствующем шагу матричного или линейчатого ИК ФПУ, ФКЭ имеет следующие значения:
Координата точки изображения у', мм
Дифр.
0
2
4
ФКЭ, не менее
0,78
0,73
0,74
0,66
что свидетельствует о дифракционно-ограниченном качестве изображения, даваемом светосильным объективом с вынесенными зрачками для ИК области спектра в пределах указанного углового поля в пространстве предметов.
Значения RMS волновой аберрации на фиг.4 приведены в долях основной длины рабочего спектрального интервала и не превышают величины 0,07 л, т.е. удовлетворяют критерию Марешаля для всех точек поля, что подтверждает высокое качество изображения предлагаемого объектива.
Таким образом, предлагаемый светосильный объектив с вынесенными зрачками для ИК области спектра, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет при сохранении светосилы, углового поля в пространстве предметов и высокого качества изображения повысить технологичность путем исключения асферических преломляющих поверхностей из оптической схемы при одновременном увеличении относительной величины заднего фокального отрезка.
Реализация технических преимуществ предлагаемого изобретения позволяет упростить конструкцию и снизить трудоемкость изготовления объектива по предлагаемому изобретению, расширить возможности его сопряжения с современными ФПУ с охлаждаемыми диафрагмами, в том числе в малогабаритных тепловизионных приборах со сканированием.
Литература
1. RU 2006128691 А. Оптическая система для ИК области спектра, 2008.
2. Патент РФ №2281536, 2006.
3. Патент US 6274868 В1, 2001.