АТЕРМАЛИЗОВАННЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
ATHERMALISED LENS FOR INFRARED SPECTRAL REGION

Изобретение относится к области инфракрасной (ИК) оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы (МБМ) чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур. Спектральная область работы объектива 8-12 мкм.
В настоящее время большая часть существующих наблюдательных ИК-оптических приборов проектируется для работы в диапазонах 3-5 мкм и 8-12 мкм, соответствующих «окнам» прозрачности атмосферы.
Объективы для ИК-области спектра изготавливают в основном из монокристаллического германия или кремния, а также других материалов, прозрачных в указанных областях спектра. Эти материалы, особенно германий, имеют значительное изменение показателя преломления от температуры, что вызывает дефокусировку изображения объектива. Это приводит к существенному снижению качества изображения, особенно в температурном диапазоне от -40°C до +50°C.
Для уменьшения температурной дефокусировки изображения используются дорогостоящие материалы оправ такие, например, как инвар и титан. Традиционным решением задачи сохранения качества изображения в широком температурном диапазоне является подвижка всего объектива или его отдельных элементов.
Известен объектив для ИК-области спектра, состоящий из четырех линз, первая из которых представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третья - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, а четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая линза выполнена двояковогнутой, сумма оптических сил всех линз не превышает 0.15 оптической силы объектива, а сумма оптических сил первых двух линз отрицательная и составляет по абсолютной величине не менее 0.8 оптической силы объектива. Все линзы выполнены из кремния [Патент РФ №2403598, МПК G02B/34, G02B 13/14].
Недостатком объектива является большая терморасфокусировка изображения, т.к. линзы выполнены из кремния, имеющего значительное изменение показателя преломления от температуры. Расчет этого объектива по приведенным в изобретении параметрам показал, что можно получить приемлемое качество изображения в диапазоне температур 20±5°C. В температурном диапазоне ±40°C происходит полная деградация изображения. При продольном перемещении указанного объектива в диапазоне 0.4 мм можно получить приемлемое качество изображения со снижением контраста на 10%.
Другим недостатком объектива является то, что он работает в монохроматической области спектра 8-9 мкм, а энергия в области 9-12 мкм теряется.
Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2365952 от 13.02.2008 г., МПК G02B 13/14, G02B 9/34. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Мениски выполнены из германия, отрицательная и положительная линзы - из бескислородного стекла. Указаны относительные оптические силы элементов объектива.
В данном объективе с целью термокомпенсации смещения плоскости установки для получения высокого качества изображения объектива при изменении температурного режима отрицательная линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Для перемещения линз необходимо применение двигателя и редуктора, что усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу.
Известен ИК-объектив телескопа по патенту США №4479695, МПК G02B 15/02, в котором термокомпенсацию в температурном диапазоне от -10°C до +50°C также осуществляют перемещением компонента объектива, что также усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу.
Известен объектив для ИК-области спектра, содержащий четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями. Установлены соотношения между оптическими силами менисков. Третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси [Патент РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14].
Первый мениск выполнен из германия, который обладает максимальной зависимостью показателя преломления от температуры. Этот мениск имеет наибольшую оптическую силу и максимальное влияние на температурную дефокусировку изображения. Последующие элементы объектива не способны компенсировать дефокусировку, вносимую первым мениском. При работе в температурном диапазоне ±50°C необходимо перемещать мениски вдоль оптической оси. Это также усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу. Последнее обстоятельство очень важно в случае применения тепловизора с таким объективом в носимом варианте или на беспилотных летательных аппаратах, где дополнительно необходим источник энергии (батарейки) для перемещения элементов объектива.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является 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 (ZnSe), второй - двояковогнутая линза, выполненная из сульфата цинка, третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия.
Конструктивные параметры объектива (вариант III): фокусное расстояние 100 мм, относительное отверстие 1:1.6, поле зрения ±4,5°. Объектив атермализован, т.е. имеет неизменное качество изображения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C. Все компоненты и сам объектив неподвижны.
-1
Проведенный нами расчет данного объектива для указанных параметров объектива и для параметров, приведенных к параметрам заявляемого объектива (фокусное расстояние 75 мм; относительное отверстие 1:1,25; поле зрения 6°×80°), показал, что указанный объектив имеет следующий недостаток: низкое качество изображения по полю зрения. Кроме того, контраст изображения на краю поля зрения снижается на 50% по отношению к осевой точке поля зрения. Контраст изображения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C в центре поля зрения при частоте 20 мм равен 0.6, а по краю поля зрения - 0.3.
Задачей изобретения является создание атермализованного объектива, качество изображения которого не зависит от изменения температуры окружающей среды, обеспечивающего следующий технический результат: повышение контраста изображения по всему полю зрения.
Указанный технический результат достигается следующим образом. В атермализованном объективе для ИК-области спектра, как и в прототипе, содержащем четыре компонента, третий из которых - отрицательный мениск, а четвертый - положительный мениск, причем, упомянутые мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений и выполнены из германия, в отличие от прототипа выполнено следующее: первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненного из бескислородного стекла, второй - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненного из селенида цинка, при этом между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(0.72÷0.85):-(1.28÷1.76):-(3.00÷6.00):(0.79÷0.92),
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.
В качестве материала первого компонента использовано бескислородное стекло марки ИКС-25 по ОСТ3-3441-83. В качестве материала корпуса объектива могут быть использованы алюминиевый сплав, сталь, инвар.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.
На фиг.1 приведена оптическая схема объектива для ИК-области спектра.
На фиг.2 приведены основные характеристики объектива при температуре 20°C: слева вверху - функция концентрации энергии (ФКЭ); справа вверху - кружки рассеяния и кружок Эйри диаметром 32,3 мкм; слева внизу - контраст изображения; справа внизу - астигматизм и дисторсия.
На фиг.3 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ) и контраст изображения (ЧКХ) по трем конфигурациям.
Атермализованный объектив для ИК-области спектра (фиг.1) содержит размещенные в корпусе четыре мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 3 - отрицательный, выполнен из германия (Ge) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 4 - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Между относительными оптическими силами менисков 1, 2, 3, 4 имеются следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(0.72÷0.85):-(1.28÷1.76):-(3.00÷6.00):(0.79÷0.92),
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.
Объектив имеет следующие характеристики:
1. Фокусное расстояние
75 мм
2. Диаметр входного зрачка
60 мм
3. Относительное отверстие
1:1.25
4. Поле зрения
6×8°
5. Длина объектива
106 мм
6. Задний фокальный отрезок
15.4 мм
7. Температурный диапазон работы
-40°C ÷ +50°C
Для приведенных оптических характеристик объектива получены конструктивные элементы (радиусы кривизны и толщины менисков 1-4, воздушные промежутки между менисками 1-4).
1
2
3
4
При этом относительные силы менисков имеют следующие значения: φ:φ:φ:φ=0.8:-1.67:-5.58:0.88.
Расчет объектива проведен по программе ZEMAX.
-1
Как видно из фиг.2, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента матрицы Q составляет: Q=0.025×0.025 мм. Для ИК-объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии (ФКЭ) составляло не менее 80%. Для тепловизоров, формирующих изображение, необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста ν=1/2Q=20 мм было не менее 0.6.
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от -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 -40°C ÷ +50°C. При оптимизации использованы коэффициенты линейного расширения ИК-материалов (ТСЕ) и коэффициент изменения показателя преломления с температурой D0=dn/dt.
-6
Таким образом, при расчете объектива учтены изменение радиусов и толщин менисков 1-4 при изменении температуры, а также воздушных промежутков между ними. Кроме того, в расчетах учтен ТСЕ материала корпуса объектива. В качестве такого материала выбран дешевый и легкий алюминиевый сплав (дюралюминий), у которого ТСЕ=22×10.
Поскольку при значениях температур -40°C и +50°C в редакторе мультиконфигураций задана опция T, т.е 'Thermal Pick Up”, по программе ZEMAX вычислены измененные значения кривизны и толщины в соответствии с заданными ТСЕ.
В результате проведенной оптимизации получено, что задний отрезок объектива постоянен для всех конфигураций. Это означает, что в заданном температурном диапазоне от -40°C до +50°C обеспечивается постоянный (в пределах 2%) высокий контраст изображения при неподвижном объективе и его элементах, что подтверждается графиками на фиг.3.
Рассмотрим воздействие температуры на показатель преломления использованных в объективе материалов. В таблице 1 приведены коэффициенты преломления и ТСЕ при температуре 20°C, в таблице 2 - коэффициенты преломления при температуре -40°C, в таблице 3 - коэффициенты преломления при температуре +50°C. В таблице 1 коэффициент теплового расширения ТСЕ приведен для справки.
В таблице 1 кроме показателей преломления при температуре 20°C даны ТСЕ использованных в предлагаемом объективе ИК-материалов (ИКС-25, ZnSe, Ge) и корпуса объектива. ТСЕ дюралюминия и ИКС-25 одинаковы. Из таблиц 1-3 наглядно видно, как изменяются показатели преломления материалов в зависимости от температуры.
На фиг.3 даны функция концентрации энергии ФКЭ (в редакции ZE-MAX-FFT) и контраст изображения ЧКХ (в редакции ZEMAX-MTF) по трем конфигурациям температурного диапазона. ФКЭ расположена слева, а ЧКХ справа. Мультиконфигурации (температура окружающей среды 20°C, -40°C, +50°C) расположены сверху вниз соответственно. Как видно из фиг.3, контраст изображения во всем температурном диапазоне на частоте Найквиста составляет не менее 0.6. Это означает, что во всем температурном диапазоне 80% энергии вписывается в пиксель размером 0.025×0.025 по всему полю зрения.
В результате оптимизации, которая проводилась одновременно по всем конфигурациям с учетом данных таблиц 1-3, получены конструктивные параметры атермализованного объектива.
Расчеты по вышеприведенной методике показали, что оптические силы менисков 1-4 могут изменяться без ухудшения качества изображения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C в следующих пределах:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(0.72÷0.85):-(1.28÷1.76):-(3.00÷6.00):(0.79÷0.92).
При этом незначительно изменяются прогибы менисков 1-4 и воздушные промежутки между ними, что не влияет на результирующее качество изображения.
Дополнительные расчеты показали обеспечение температурной компенсации объективом с мениском 1 из бескислородного стекла ИКС-25 в корпусе из стали, инвара и других материалов.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет обеспечить повышение контраста изображения по всему полю зрения объектива в температурном диапазоне от -40°C до +50°C.