Инфракрасный объектив с пассивной атермализацией
INFRARED LENS WITH PASSIVE THERMALIZATION

Изобретение относится к области инфракрасной оптики и может быть использовано в тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами, чувствительными в спектральном диапазоне 8-12 мкм, работающих в широком диапазоне температур.
При изменении температуры происходит изменение геометрии корпуса объектива и, соответственно, воздушных промежутков между линзами, изменение их толщин, показателей преломления и других параметров. Это приводит к смещению плоскости изображения от расчетного положения и деградации качества изображения. В сканирующих тепловизорах прежних поколений использовались линейки фотоприемного устройства (ФПУ) с размером элемента разложения (пикселя) порядка 0,05÷0,1 мм и некоторое размытие пятен рассеяния не приводило к существенному падению контраста изображения. В настоящее время используются микроболометрические матрицы с размером пикселя 0,017÷0,025 мм, для которых необходимо постоянство положения плоскости изображения.
Для обеспечения постоянства положения плоскости изображения традиционно используют механический (активный) способ, который осуществляется за счет перемещения объектива или отдельных его элементов. Постоянство положения плоскости изображения может обеспечиваться более прогрессивным оптическим (пассивным) способом, который осуществляется за счет специального аберрационного расчета и комбинации оптических материалов.
В отечественной промышленности для ИК-области спектра существует очень ограниченный ассортимент материалов, которые не растворяются в воде, а именно: германий (Ge), селенид цинка (ZnSe) и бескислородные стекла, в частности ИКС-25, аналогом которого является стекло IRG-26 фирмы SCHOTT. Особой популярностью пользуется германий, обладающий очень высоким показателем преломления (n=4), низкой дисперсией и нетоксичностью. Однако, этот материал обладает сильной зависимостью показателя преломления от температуры (dn/dt), на порядок выше, чем у других материалов.
Известен ряд объективов с активной атермализацией, например, объективы по патенту РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14. Указанный объектив содержит четыре мениска. Третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси. Первый мениск выполнен из германия и максимально влияет на температурную дефокусировку изображения. Последующие элементы объектива не способны компенсировать дефокусировку, вносимую первым мениском. При работе в температурном диапазоне от минус 40°C до +50°C необходимо перемещать мениски вдоль оптической оси. Это усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу.
2
3
Известен объектив с пассивной атермализацией по патенту США №4505535 от 19.03.1985 г., МПК G02B 9/34. Объектив выполнен по схеме Петцваля и содержит 4 линзы, выполненные из таких материалов, как арсеник триселенид (AsSe), цинкселенид (ZnSe), германий (Ge). Объектив имеет небольшую дефокусировку изображения с изменением температуры (порядка 0, 015 мм), однако, ему присущи следующие недостатки. При фокусном расстоянии 51 мм объектив имеет небольшое поле зрения (5° по диагонали) и низкое относительное отверстие (1:1,5).
1
2
3
4
1
2
3
4
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является атермализованный объектив для ИК-области спектра (8-12 мкм), в котором осуществлена пассивная атермализация (патент РФ №2538423 от 08.10.2013 г., МПК G02B 9/38, G02B 11/22, G02B 13/14). Объектив содержит размещенные в корпусе в корпусе из алюминиевого сплава четыре мениска, первый из которых - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный, выполнен из селенида цинка, третий - отрицательный, выполнен из германия, четвертый - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Между относительными оптическими силами менисков имеются 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. При фокусном расстоянии 75 мм и относительном отверстии 1:1,25 объектив обладает высоким качеством изображения в температурном диапазоне от минус 40°C до +50°C по всему полю зрения.
Недостаток объектива заключается в том, что он имеет недостаточно большое поле зрения и невысокое относительное отверстие. Кроме того, поскольку первая линза объектива выполнена из материала ИКС-25, то на ее первой (внешней) поверхности невозможно нанести алмазоподобное (углеродное) просветляющее покрытие, обладающее высокой механической и влагопрочностью. Вследствие этого, для работы в жестких климатических условиях перед объективом необходимо устанавливать дополнительный оптический элемент - защитное стекло, выполненное из германия, что приведет к усложнению оптической схемы объектива и снижению его пропускания.
Задачей изобретения является создание атермализованного объектива, качество изображения которого не зависит от температуры окружающей среды, с обеспечением следующего технического результата: увеличение поля зрения и относительного отверстия, упрощение конструкции, а также повышения коэффициента пропускания объектива.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Инфракрасный объектив с пассивной атермализацией, как и прототип, содержит закрепленные в корпусе из алюминиевого сплава четыре последовательно расположенные по ходу лучей мениска, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем, первый и четвертый мениски - положительные, а третий мениск - отрицательный. В отличие от прототипа в предлагаемом объективе первый мениск имеет асферическую вогнутую поверхность и выполнен из германия, второй мениск - положительный, имеет асферическую вогнутую поверхность и выполнен из бескислородного стекла
ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26, третий мениск выполнен из селенида цинка, а четвертый мениск - из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26. При этом выполняются следующие условия:
1
2
3
4
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(-0,02÷0,1):(1,1÷1,5):-(1,1÷2,7):(1,1÷2,0), где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков;
К1=2,3÷10; К2=0,55÷1,8, где K1, К2 - коэффициенты асферичности вогнутой поверхности соответственно первого и второго менисков.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с ходом осевого пучка. На фиг. 2 приведены графики геометрических аберраций первого мениска совместно со вспомогательным параксиальным объективом. На фиг. 3 приведены графики геометрических аберраций объектива без первого мениска. На фиг. 4 приведена функция рассеяния точки по трем конфигурациям: 20°C, -40°C и +50°C. На фиг. 5 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ) и контраст изображения (ЧКХ) по трем конфигурациям: 20°C, -40°C и +50°C.
Инфракрасный объектив с пассивной атермализацией (фиг. 1) содержит размещенные в корпусе четыре мениска, последовательно установленные по ходу лучей. Мениск 1 - знакопеременный по оптической силе, выполнен из германия (Ge) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, его вторая (вогнутая) поверхность выполнена асферической. Мениск 2 - положительный, выполнен из бескислородного стекла IRG-26 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, его вторая (вогнутая) поверхность выполнена асферической. Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 4 - положительный, выполненный из бескислородного стекла IRG-26 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений.
Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5.
В таблице 1 приведены конструктивные элементы рассчитанного объектива, рассматриваемого в качестве примера реализации. Апертурная диафрагма (AD) объектива расположена на вогнутой поверхности мениска 2.
Оптические характеристики рассчитанного объектива приведены в таблице 2.
Вместо халькогенидного стекла IRG-26 фирмы SCHOTT может быть использовано отечественное бескислородное стекло ИКС-25.
Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами менисков 1-4 и коэффициенты асферичности вогнутых поверхностей менисков 1,2:
1
2
3
4
1
1
2
2
3
3
4
4
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=0,031:1,295:-2,297:1,915, где ϕ=f'/f', ϕ=f'/f' ϕ=f'/f' ϕ=f'/f'; f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива; f', f', f', f' - фокусные расстояния соответственно менисков 1, 2, 3, 4.
K1=3, К2=1,4.
При расчете объектива учитывались следующие факторы: температурный коэффициент расширения (ТСЕ) оптических материалов, влияющий на толщину менисков; температурный коэффициент расширения (ТСЕ) корпуса объектива, влияющий на воздушные промежутки между менисками; изменение показателей преломления материала менисков dn/dt в соответствии с таблицей 3; изменение прогибов менисков (кривизны их поверхностей) под воздействием температуры.
Основные характеристики материалов менисков представлены в таблице 3.
-6
В качестве материала корпуса объектива использован алюминиевый сплав с ТСЕ, равным 22×10.
Основные оптические характеристики применяемых оптических материалов, т.е. показатели преломления в области 8-12 мкм при давлении (PRES) в одну атмосферу и температуре (TEMP) 20°C, -40°C и 50°C даны в таблице 4. Каждой температуре соответствует своя конфигурация (Config) в функции качества при оптимизации.
В таблице 5 приведен температурный коэффициент расширения для оптических материалов и корпуса объектива. Девятая поверхность - плоскость изображения.
В таблице 6 даны изменения кривизны (CRVT) поверхностей менисков, их толщины и воздушных промежутков (THIC) в зависимости от температуры (TEMP) при давлении (PRES) одна атмосфера.
На изменения указывает литера Т в столбцах таблицы 6 для конфигураций 2 и 3, при температуре -40°C и +50°C. Расчет произведен автоматически программой ZEMAX за счет встроенной подпрограммы термооптического анализа с последующей оптимизацией параметров объектива методом мультиконфигураций.
Расчет объектива показал, что его поле зрения составляет 12,4°×9,3°, что в 2 раза больше, чем в прототипе (6,33°×4,75°). Кроме того, увеличено относительное отверстие объектива на 25%: в прототипе относительное отверстие равно 1:1,25, а в предлагаемом объективе 1:1.
При изменении температуры полная длина объектива (от первой поверхности до плоскости изображения) изменяется от 68,46 мм до 68,59 мм, а фокусное расстояние - в пределах от 49,88 мм до 50,0 мм, т.е. не более чем на 0,03%.
Из фиг. 1 и таблицы 5 видно, что мениск 1 имеет одинаковые радиусы кривизны обеих поверхностей и представляет собой как бы сферический обтекатель, не влияющий на последующие элементы объектива. Однако, все меняется при асферизации его второй поверхности. Оптическая сила мениска 1 приближается к нулю. Поэтому для анализа его линейных геометрических аберраций в плоскости расположения входного зрачка установлен параксиальный (идеальный) объектив с нулевыми аберрациями и с фокусным расстоянием, равным фокусному расстоянию последующих элементов объектива - менисков 2, 3, 4.
На фиг. 2 в левой верхней секции представлен мениск 1 и параксиальный (идеальный) объектив 6 с ходом осевых и наклонных лучей до плоскости изображения 5. В последующих секциях представлены графики геометрических аберраций по трем вышеописанным конфигурациям в плоскости наилучшей установки. Графики даны для всего спектрального диапазона и по всему полю зрения в меридиональной и сагиттальной плоскости для каждой конфигурации. Конфигурациям соответствует температура окружающей среды, значения которой впечатаны на каждом графике в прямоугольниках. Поля зрения, как принято для центрированных систем, соответствуют символу «±», т.е. если полное поле зрения объектива равно 12,4°×9,3°, то на графиках указаны половинные значения. По оси абсцисс отложен световой диаметр апертурной диафрагмы для меридиональной (Ру) и для сагиттальной (Рх) плоскости в относительных единицах, а по оси ординат - геометрические аберрации. Масштаб по оси ординат равен ±1 мм.
Как видно из графиков, хроматизм изображения отсутствует, а величина аберраций одинакова для всех полей зрения для всех конфигураций.
На фиг. 3 в левой верхней секции представлен объектив без мениска 1 с ходом осевого луча до плоскости наилучшего изображения 5, а в последующих секциях - графики геометрических аберраций в том виде, как описано на фиг. 2.
Из сравнения графиков фиг. 2 и фиг. 3 видно, что величина и форма графиков геометрических аберраций мениска 1 и последующих менисков 2, 3, 4 одинакова, но имеет противоположный знак, поэтому при совместной работе происходит полная компенсация аберраций всего объектива по всем конфигурациям в пределах остаточных аберраций.
Графики фиг. 2 и фиг. 3 показывают, что наличие мениска 1, обладающего большой сферической аберрацией, одинаковой по всему полю зрения при отсутствии комы, приводит к стабилизации изображения во всем температурном диапазоне. Это происходит потому, что изменение температуры мало влияет на изменение сферической аберрации этого мениска, т.к. он практически афокален, а небольшие флуктуации его температурных отклонений компенсируются мениском 3, который одновременно ахроматизирует объектив без мениска 1.
Таким образом, германиевый мениск 1, с одной стороны, обеспечивает надежную защиту от климатических воздействий, поскольку на его первую поверхность наносится алмазоподобное просветляющее покрытие, а с другой стороны, в совокупности с менисками 2, 3, 4 обеспечивает атермализацию объектива и получение высокого качества изображения по всему полю зрения во всем спектральном рабочем диапазоне.
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от минус 40°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 минус 40°C до 50°C. При оптимизации использованы коэффициенты линейного расширения материалов для ИК-области спектра (ТСЕ) и коэффициент изменения показателя преломления с температурой (dn/dt), представленные в таблице 3.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки (ФРТ), которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 4), контраст изображения или частотно-контрастную характеристику (ЧКХ) и функцию концентрации энергии (ФКЭ), позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 5).
На фиг. 4 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°C, во второй колонке - для минус 40°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 12,4°×9,3°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 26 мкм для относительного отверстия 1:1. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Кроме того, над каждым пятном рассеяния впечатан его размер в микрометрах, соответствующий 80% концентрации энергии: для первой конфигурации: 22, 27, 26; для второй конфигурации: 27, 27, 28; для третьей конфигурации: 21, 28, 26.
-1
На фиг. 5 справа дан контраст изображения на частоте 20 мм, а слева - функция концентрации энергии при радиусе пятна рассеяния 20 мкм для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. Графики получены в формате программы ZEMAX и для получения четкости изображения и адаптации к русскому языку обработаны с помощью программы «Paint» без изменения шкал графиков.
Как видно из фиг. 5, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента матрицы Q составляет: Q=0,017×0,017 мм, а по диагонали, соответственно, 24 мкм. Для инфракрасных объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии (ФКЭ) составляло не менее 80%. Этот критерий используется для определения дальности действия тепловизора.
-1
Для оценки разрешающей способности тепловизоров используется другой критерий, в соответствии с которым необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста ν=1/2Q≈20 мм было не менее 0,6. Из фиг. 5 видно, что контраст изображения для осевой точки поля зрения равен 0,7, а для края поля зрения 0,63.
-1
Рассмотрение графиков на фиг. 5 позволяет сделать вывод, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения в диапазоне температур от минус 40°C до 50°C. Кроме того, если для прототипа контраст на оси составляет 0,6 для частоты синусоидальной миры 20 мм, то для предлагаемого объектива он составляет 0,7.
1
2
3
4
Проведенные расчеты показывают, что заявленный технический результат достигается в пределах всех указанных диапазонов относительных оптических сил менисков и коэффициентов асферичности поверхностей менисков: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(0,006÷0,1):(1,1÷1,5):-(1,1÷2,7):(1,1÷2,0); К1=2,3÷10; К2=0,55÷1,8.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает увеличение поля зрения в 2 раза, увеличение относительного отверстия на 25% и, кроме того, повышение качества изображения, упрощение оптической схемы и повышение на 5-7% коэффициента пропускания объектива.