ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

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, не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм.
Наиболее близкими аналогами к заявляемому устройству по технической сущности являются объектив для ИК-области спектра [Патент RU 2365952 С 1,2009] и объектив для ИК-области спектра [Патент RU 105750 U1, 2011].
Объектив для ИК-области спектра [Патент RU 2365952 С1, 2009] содержит четыре компонента: положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, отрицательную линзу, положительную линзу и положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Мениски выполнены из германия, линзы - из бескислородного стекла. В объективе выполняются следующие соотношения:
, ,
,
где , , ,  - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов соответственно,
f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива.
В объективе вторая отрицательная линза может быть установлена с возможностью перемещения вдоль оси для юстировки, фокусировки на конечное расстояние, термокомпенсации смещения плоскости установки.
Объектив для ИК-области спектра [Патент RU 105750 U1, 2011] 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, причем мениски выполнены из германия, а линзы - из бескислородного стекла, отличающийся тем, что фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:
, ,
,
где , , ,  - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно,
f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива.
Отрицательная линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
К числу недостатков наиболее близких аналогов можно отнести следующее. Соотношение между оптическими силами компонентов в наиболее близком аналоге таково, что при перефокусировке на близкие расстояния подвижками второй линзы происходит снижение качества изображения. Материалы, использованные для линз объектива таковы, что при низких температурах эксплуатации не обеспечивается сохранение высокого качества изображения. Кроме того, при фокусировке на близкие расстояния происходит изменение фокусного расстояния объектива, что ограничивает возможности применения объектива в тепловизионных приборах, в которых требуется постоянство фокусного расстояния при перефокусировке на различные дистанции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание малогабаритной технологичной, экономически эффективной конструкции оптической системы объектива для ИК-области спектра для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающей возможность сопряжения с современными матричными приемниками ПК излучения в диапазоне 8-14 мкм.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении погрешности изменения фокусного расстояния при фокусировке на близкие расстояния и термокомпенсации, в снижении термооптических аберраций объектива, улучшении качества изображения при фокусировке на близкие расстояния.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близких аналогов в объективе для ИК-области спектра, содержащем четыре мениска, из которых второй является отрицательным, а 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, между оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения:
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно,
при этом третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси.
Выполнение второй и третьей линзы линз объектива из селенида цинка, а первой и четвертой - из германия, изменение соотношений между оптическими силами менисков в соответствии с выше приведенными соотношением (3) и выполнение третьего и четвертого мениска подвижными для фокусировки и термокомпенсации позволяет обеспечить такую конфигурацию компонентов в объективе для ИК-области спектра, при которой достигается уменьшение погрешности изменения фокусного расстояния при фокусировке на близкие расстояния и термокомпенсации, улучшение качества изображения, снижение термооптических аберраций объектива.
Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров, позволяющих создать малогабаритную технологичную, экономически эффективную конструкцию оптической системы объектива для ИК-области спектра для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и является промышленно применимым. Все линзы объектива выполнены со сферическими преломляющими поверхностями, изготовлены из материалов, технология применения которых для изготовления объективов для ПК-области спектра известна и отработана на предприятиях, специализирующихся на выпуске тепловизионных приборов и их элементов. В то же время авторам не известны оптические схемы объективов для ПК-области спектра, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.
Предложенное устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1 - оптическая схема объектива для ПК-области спектра;
фиг.2 - графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива;
фиг.3 - графики функции концентрации энергии (ФКЭ) в пятне;
фиг.4 - график дисторсии;
фиг.5 - график погрешности фокусного расстояния в зависимости от температуры эксплуатации.
Оптическая система объектива для ПК-области спектра (фиг.1) содержит положительный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из германия, отрицательный мениск 2, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из селенида цинка, положительный мениск 3, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из селенида цинка, положительный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из германия. Оптические силы менисков удовлетворяют соотношению (3). Мениски 3 и 4 установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси. Все преломляющие поверхности менисков 1-4 являются сферическими. Поз.5 в виде плоскопараллельной пластинки дополнительно показано защитное стекло матричного приемника ПК излучения.
Осуществление устройства заключается в следующем. Мениски 1-4 фокусируют ИК излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами матричного приемника ПК излучения и фокусным расстоянием объектива, и создают действительные изображения объектов в плоскости изображения, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Плоскость чувствительных элементов матричного приемника ИК излучения (на фиг.1 не показан) совмещается с плоскостью изображений объектива.
Для фокусировки излучения, идущего от объектов, расположенных на конечном расстоянии от объектива, мениски 3 и 4 одновременно перемещаются вдоль оптической оси, положение остальных компонентов схемы и приемника ИК излучения остается неизменным. При этом обеспечивается сохранение качества изображения и малая погрешность изменения фокусного расстояния объектива.
При изменении температуры эксплуатации для компенсации термооптических аберраций мениски 3 и 4 одновременно перемещаются вдоль оптической оси, положение остальных компонентов схемы и приемника ПК излучения остается неизменным. При этом обеспечивается сохранение качества изображения и малая погрешность изменения фокусного расстояния объектива.
В таблице 1 приведены величины оптических сил, материалов, расстояний между менисками и их диаметры в конкретном примере исполнения объектива для ПК-области спектра. Значения параметров приведены при нормировке фокусного расстояния f′=1.
Таблица 1
Параметры объектива для ИК области спектра
Номер в соответствии с фиг.1
Оптическая сила
Материал
Расстояние по оси
Диаметр
1
0,81
Ge
0,87
0,75
2
-2,20
ZnSe
0,09
0,44
3
1,46
ZnSe
0,01
0,52
4
1,80
Ge
0,19
0,48
1
2
3
4
Как следует из таблицы 1, оптические силы менисков 1-4 соотносятся между собой следующим образом: φ:φ:φ:φ=0,81:-2,2:1,46:1,8, и удовлетворяют при этом соотношению (3). Внешние мениски 1 и 4 выполнены из германия, внутренние 2 и 3 - из селенида цинка. Форма менисков соответствует схеме объектива, приведенной на фиг.1. Общая величина подвижки менисков 3 и 4 для фокусировки и термокомпенсации не превышает 1,7% от величины фокусного расстояния.
При промышленной применимости заявляемого объектива в тепловизионном приборе, исходя из приведенных в таблице 1 значений и 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 объектива, величина которого согласована с размером чувствительной площадки ФПУ и требуемым угловым полем в пространстве предметов. Наличие только сферических преломляющих поверхностей обеспечивает промышленную реализацию на типовом оборудовании для производства и сборки объективов.
Анализ примера реализации объектива для ИК-области спектра проведен для фокусного расстояния f′=80 мм, диаметра входного зрачка 60 мм, относительного отверстия 1:1,3, формата приемника 640×480, шаг 0,025 мм, (диагональ изображения 2y′=20 мм), углового поля по диагонали - 13,9°.
На фиг.2 приведены графики ЧКХ объектива для ИК-области спектра. На графике по оси абсцисс отложены значения пространственных частот (период/мм), отнесенные к плоскости изображений объектива, по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста. Графики ЧКХ приведены для меридионального и сагиттального сечений (обозначение соответственно Т и S) для различных точек изображения: на оси (обозначение 0 мм), на краю изображения (обозначения - 10 и 10 мм), по полю изображения (обозначение - 6 и 6 мм), а также дифракционная ЧКХ для точки на оси (обозначение DIFF.LIMIT). Наложение кривых ЧКХ для различных точек поля и их близость к дифракционной ЧКХ свидетельствуют о том, что в предлагаемом объективе сохранено высокое, дифракционно-ограниченное качество изображения, также как и наиболее близком аналоге. В качестве другого критерия, подтверждающего высокое качество изображения в предлагаемом объективе, на фиг.3 приведены графики ФКЭ для различных точек поля: на оси, по полю и на краю поля изображения (обозначения точек аналогично фиг.2), а также дифракционная ФКЭ. Из приведенных графиков следует, что для всех точек изображения в пятне диаметром 25 мкм ФКЭ имеет значения выше 0,8. Еще один критерий качества изображения - число Штреля для любой из точек поля выше 0,92 - также свидетельствует о дифракционным качестве изображения.
Из графика (фиг.4) следует, что величина дисторсии на краю поля не превышает 2,5%, что является приемлемым для объективов тепловизионных приборов.
Для подтверждения малого изменения фокусного расстояния объектива с учетом термокомпенсационых подвижек далее приводятся результаты соответствующих специальных расчетов. Компенсация термооптических аберраций выполняется подвижкой блока из двух менисков 3 и 4 вдоль оптической оси. В таблице 2 приведены результаты расчета указанных подвижек вдоль оптической оси для компенсации термооптических аберраций и погрешности фокусного расстояния объектива при различных температурах эксплуатации.
Таблица 2
Величины термокомпенсационных подвижек и погрешность фокусного расстояния объектива при различных температурах эксплуатации
Температура, °C
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Подвижка, мм
-0,81
-0,29
-0,58
-0,46
-0,35
-0,23
-0,12
0
0,12
0,24
0,35
f′, мм
78,70
78,88
79,10
79,26
79,46
79,66
79,87
80,08
80,30
80,52
80,75
Отн. погр. %
-1,72
-1,49
-1,23
-1,02
-0,77
-0,52
-0,26
0
0,27
0,55
0,83
Относительная погрешность фокусного расстояния в температурном диапазоне от -50 до +50°C не превышает 1,72%, носит линейный характер, представленный на фиг.5 в зависимости от температуры эксплуатации, и при необходимости может быть учтена при вводе углов в электронном блоке.
Расчеты показывают, что погрешность фокусного расстояния при фокусировке на близкие расстояния до 5 м подвижками менисков 3 и 4 не превышает 1,2%, в то время как подвижкой второй линзы - более 2%, подвижками блока из менисков 2-4 - более 6%. Таким образом, подвижка менисков 3 и 4 для фокусировки на близкие расстояния и термокомпенсации вызывает наименьшее изменение фокусного расстояниями в предлагаемом объективе в сравнении с подвижками другими элементами объектива.
Приведенные оценки качества изображения подтверждают промышленную применимость предлагаемого объектива в тепловизионных приборах, построенных на современных приемниках ИК излучения.
Таким образом, техническая реализация предлагаемого объектива для ИК-области спектра, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет обеспечить его сопряжение с современными матричными фотоприемными устройствами, не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм, и получить малогабаритный тепловизионный прибор с высокими техническими и потребительскими характеристиками.
Литература
1. Патент RU 2365952 C1, 2009.
2. Патент RU 105750 U1, 2011.