ДВУХДИАПАЗОННЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ
DUAL BAND INFRARED LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в теплови-зионных приборах с матричными приемниками, регистрирующими изображение в фиксированной плоскости.
Имеется ограниченное количество объективов для ИК-области спектра, у которых выполняется условие обеспечения одновременной работы в двух спектральных диапазонах, с высоким качеством изображения, соответствующим современным тепловизи-онным приемникам излучения.
Известен объектив [Пат.RU 2410733 С1 Российская Федерация, МПК G02B 13/14 (2006.01), G02B 9/64 (2006.01). Двухспектральный инфракрасный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой [Текст] / Хацевич Т.Н., Терентии Е.А.; заявители и патентообладатели Хацевич Т.Н., Терешин Е.А. - 2010101899/28; заявл. 21.01.2010; опубл. 27.01.2011, Бюл. №3. - 6 с: ил.] для инфракрасной области спектра, предназначенный для тепловизионных приборов на основе охлаждаемых матричных приемников излучения, чувствительных в диапазонах от 3-5 мкм и от 8-12 мкм.
Недостатками объектива являются малое относительное отверстие, сложное конструктивное исполнение - большое количество линз, снижающее коэффициент пропускания и приводящее к увеличению длины вдоль оптической оси, а также наличие плоскости промежуточного изображения.
Известен объектив [Пат.RU 2386155 С1 Российская Федерация, МПК G02B 9/34 (2006.01), G02B 13/14 (2006.01). Светосильный объектив [Текст] / Щеглов С.И., Зарубин В.П., Зубок С.П.; заявители и патентообладатель Открытое акционерное общество «Красногорский завод им. С.А.Зверева» (RU) - 2008147021/28; заявл. 28.11.2008; опубл. 10/04/2010] для инфракрасной области спектра, предназначенный для работы в дальнем диапазоне длин волн от 8 мкм до 12,5 мкм в тепловизионных приборах.
Объектив содержит четыре линзы по ходу лучей: первая - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, четвертая - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. У четвертой линзы радиус кривизны первой оптической поверхности по модулю меньше радиуса кривизны второй оптической поверхности. Первая и четвертая линзы выполнены из германия, вторая и третья - из оптического бескислородного инфракрасного стекла с показателем преломления для длины волны 10 мкм более 2,5 и менее 3,1. Фокусное расстояние объектива 130 мм, относительное отверстие 1:1,4, величина заднего фокального отрезка без учета защитного стекла 18,7 мм.
Недостатком указанного объектива является ограниченный спектральный диапазон работы, не позволяющий использовать его одновременно и для спектрального диапазона 3-5 мкм и для спектрального диапазона 8-12 мкм.
В качестве наиболее близкого по технической сущности аналога (прототипа) выбран светосильный инфракрасный объектив [Пат.RU 2403598 С1 Российская Федерация, МПК G02B 13/14 (2006.01) Светосильный объектив для тепловизора [Текст] / Грамматин А.П., Чан Куок Туан.; заявители и патентообладатели Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (RU) -200910669/28; заявл. 25.02.2009; опубл. 10.11.2010], содержащий четыре линзы, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая -двояковогнутая, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, а четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. В объективе имеют место следующие соотношения отсительных оптических сил компонентов:
1
2
3
4
Ф=0,713; Ф=-1,616; Ф=0,626; Ф=0,405; Ф=1,
1
2
3
4
где Ф, Ф, Ф, Ф, Ф - оптические силы соответственно первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива в целом.
Фокусное расстояние f объектива 38 мм, длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений 122,3 мм, т.е. составляет 3,2 от фокусного расстояния объектива. Объектив рассчитан для использования с матричными приемниками, размер пикселей которых достигает 20 мкм.
Недостатками прототипа являются ограниченный спектральный диапазон работы, большие диаметры третьего и четвертого компонентов в сравнении диаметра входного зрачка.
Задачей изобретения является создание двухдиапазонного инфракрасного объектива, обеспечивающего возможность регистрации теплового изображения в диапазоне 3-5 мкм и в диапазоне 8-12 мкм при неизменном положении плоскости.
Технический результат, достигаемый в заявляемом инфракрасном объективе, заключается в расширении спектрального диапазона работы от 3 до 12 мкм, в обеспечении неизменного положения плоскости изображений для рабочих спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм, в уменьшении диаметров компонентов.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что двухдиапазонный инфракрасный объектив, содержащий последовательно расположенные по ходу лучей четыре компонента, первый и четвертый из которых выполнены в виде положительных менисков из одинакового материала, обращенных вогнутостями к плоскости изображений, при этом, относительная оптическая сила первого компонента находится в диапазоне от 0,6 до 0,8, второй компонент - в виде двояковогнутой линзы из материала, отличного от материала первого и четвертого компонентов, третий компонент положительным, отличающийся тем, что вышеупомянутый третий компонент выполнен в виде двух положительных менисков, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, при этом второй мениск третьего компонента выполнен из материала, отличного от материала первого и четвертого компонентов, второй компонент объектива и второй мениск третьего компонента объектива имеют в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм коэффициенты средней дисперсии, отличающиеся более, чем в 5 раз, при квазиравных величинах коэффициентов частных дисперсий, при этом относительные оптические силы компонентов в объективе в соответствии с их расположением по ходу лучей составляют соответственно:
<mrow><mtext>(0</mtext><mtext>,6</mtext><mo>÷</mo><mtext>0</mtext><mtext>,8)</mtext><mtext>, -(0</mtext><mtext>,5 </mtext><mo>÷</mo><mtext>0</mtext><mtext>,6)</mtext><mtext>, (0</mtext><mtext>,6</mtext><mo>÷</mo><mtext>0</mtext><mtext>,7)</mtext><mtext>, -(0</mtext><mtext>,2</mtext><mo>÷</mo><mtext>0</mtext><mtext>,3)</mtext><mtext>, (0</mtext><mtext>,9</mtext><mo>÷</mo><mtext>1</mtext><mtext>,0)                            (1)</mtext></mrow>
Первый и четвертый компоненты выполнены из халькогенидного стекла, а второй компонент объектива и второй положительный мениск третьего компонента из германия и фторида свинца соответственно.
Предлагаемое устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1 - оптическая схема двухспектрального ИК объектива, где компоненты 1, 4 выполнены в виде положительных менисков из одинакового материала, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений; компонент 2 выполнен в виде двояковогнутой линзы, компонент 3 выполнен в виде двух положительных менисков 5 и 6 с относительными оптическими силами, удовлетворяющими отношению (1), и обращенными к плоскости изображения вогнутыми поверхностями; компонент 2 и линза 6 компонента 3 выполнены из разных материалов;
фиг.2 - график продольной хроматической аберрации для диапазона спектра от 3 до 12 мкм;
фиг.3а - ЧКХ для среднего ИК диапазона спектра;
фиг.3б - ЧКХ для дальнего ИК диапазона спектра;
фиг.4а - функция концентрации энергии (ФКЭ) в пятне для среднего ИК диапазона спектра;
фиг.4б - ФКЭ для дальнего ИК диапазона спектра.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Компонент 1, компонент 2, линзы 5, 6, компонента 3 и компонент 4 фокусируют излучение среднего и (или) дальнего диапазонов спектра, идущее от каждой точки удаленных объектов, расположенных в пределах углового поля, определяемого размерами чувствительной площадки неохлаждаемого МФПУ и эквивалентным фокусным расстоянием компонентов 1, 2, 3, 4 и создают действительное изображение в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (на фиг.1 не показан).
В качестве примера конкретного исполнения приведен инфракрасный светосильный объектив. Фокусное расстояние f объектива равно 100 мм. Рабочий спектральный диапазон 3-12 мкм. Длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений равна 150 мм, т.е. составляет 1,5 от фокусного расстояния объектива, задний фокальный отрезок составляет 10 мм. Первый и четвертый компоненты выполнены из халькогенидного стекла (amtir 1), а второй компонент объектива и второй положительный мениск третьего компонента из германия и фторида свинца соответственно.
В таблице 1 приведены относительные оптические силы и характеристики материалов линз.
Таблица 1
Параметры компонентов
Компонент
Линза
Материал
Ф<sub>отн.</sub>
V<sub>3-5</sub>
V<sub>1-12</sub>
Р<sub>3-5</sub>
Р<sub>8-12</sub>
1
1
AMTIR1
0,69
198,33
116,94
0,39
0,52
2
2
GERMANIUM
-0,51
107,29
795,97
0,31
0,37
3
5
AMTIR1
0,66
198,33
116,94
0,39
0,52
6
PBF2
-0,23
46,39
8,64
0,55
0,53
4
4
AMTIR1
0,90
198,33
116,94
0,39
0,52
Как следует из таблицы 1, в конкретном исполнении двухдиапазонного инфракрасного объектива в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм коэффициенты средней дисперсии компонента 2, выполненного в виде отрицательного мениска и второго положительного мениска компоненета 3 отличаются в 795,97/107,29=7,41; 46,39/8,64=5,37, т.е. более, чем в 5 раз, а коэффициенты частных дисперсий близки по величине, т.е. являются квазиравными величинами. Относительные оптические силы менисков в объективе в соответствии с их расположением по ходу лучей составляют соответственно: 0,69; -0,51; 0,66; -0,23; 0,90, что удовлетворяет соотношению (1).
Таким образом, в примере конкретного исполнения диаметры компонентов объектива не превышают диаметр входного зрачка, что является техническим результатом.
Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого предлагаемой оптической системой двухспектрального ИК объектива, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в аналогичных оптических системах.
На фиг.2 приведен график продольной хроматической аберрации для широкого спектрального интервала от 3 до 12 мкм, включающего как средний, так и дальний ИК диапазоны. Характер кривой продольной хроматической аберрации свидетельствует о том, что в предлагаемом объективе в указанном спектральном диапазоне обеспечивается апохроматическая коррекция, при этом остаточный продольный хроматизм составляет 0,0072 мм, т.е. менее 1/13000 от фокусного расстояния.
Графики ЧКХ для каждого из указанных рабочих спектральных диапазонов представлены соответственно на фиг.3а и 3б, а графики ФКЭ - соответственно на фиг.4а и 4б для фиксированного положения плоскости изображений. Из представленных графиков следует, что заявляемый двухспектральный объектив обеспечивает высокое качество изображения, близкое к дифракционному пределу в каждом из спектральных диапазонов при неизменном положении плоскости изображения. В частности, в диапазоне 3-5 мкм для пространственной частоты 30 лин/мм коэффициент передачи контраста для точки на оси превышает 0,8; для точки на краю превышает 0,7. В пятне диаметром 0,015 мкм система обеспечивает величину функции концентрации энергии для точки на краю не менее 0,8; для точки на оси не менее 0,85. В диапазоне 8-12 мкм для пространственной частоты 20 лин/мм коэффициент передачи контраста для точки на оси равен 0,7; для точки на краю превышает 0,6. В пятне диаметром 0,0125 мкм система обеспечивает величину функции концентрации энергии для точки на краю не менее 0,8; для точки на оси не менее 0,75.
Таким образом, объектив работает в широком спектральном диапазоне как в интервале 3-5 мкм, так и в интервале 8-12 мкм.
Достигнутое качество изображения позволяет использовать данный объектив в тепловизионных системах с современными двухдиапазонными приемниками излучения.