ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ СО СВЕРХШИРОКИМ РАБОЧИМ СПЕКТРАЛЬНЫМ ДИАПАЗОНОМ
WIDE-ANGLE HIGH-APERTURE LENS WITH ULTRA WIDE OPERATING SPECTRAL RANGE

Изобретение относится к области оптического приборостроения, более конкретно - к специальным оптическим системам, применяемым в оптико-электронных комплексах специального назначения. Преимущественная область применения предлагаемого объектива - комплексы самообороны различного назначения, а также тепловизионные, телевизионные и теплопеленгационные приборы и системы.
2
В настоящее время одним из основных путей совершенствования оптико-электронных систем является расширение их рабочего спектрального диапазона. Так например, ставшие классическими телевизионные системы на основе кремниевых фотоприемных матриц испытывают явную тенденцию к расширению рабочего спектрального диапазона в ближнюю ИК область путем перехода к использованию матриц на основе соединений AIII BV, продвижение в среднюю и дальнюю ИК область возможно за счет использования интенсивно разрабатываемых в настоящее время фотоприемных устройств на основе многослойных CdHgTe, QWIP структурах, квантовых точках и др. Эта тенденция существенно повышает актуальность разработок оптических систем, работающих в чрезвычайно широких спектральных диапазонах. Так например, современные системы наведения по лазерному лучу могут использовать полупроводниковые лазеры с λ~0,85 мкм, неодимовые лазеры с λ=1,064 мкм, эрбиевые лазеры с λ=1,54 мкм, лазеры на окиси углерода с λ~4,8 мкм и волноводные СО лазеры с λ=10,6 мкм и т.д. Из этого следует, что системы обнаружения лазерного излучения на этих длинах волн должны иметь фотоприемные устройства и оптический тракт с рабочим спектральным диапазоном, обеспечивающим прием этого излучения. В данном случае отношение максимальной к минимальной длины волны принимаемого излучения к минимальной длине волны превышает 12.
Разработка оптических систем такого класса представляет собой весьма сложную задачу, что в сочетании с применением в изделиях специального назначения привело к крайне ограниченному числу открытых публикаций по этому направлению.
Известна оптическая система, описанная патенте США №4542954 от 24.09.1985, МКИ G02B 13/14. Объектив имеет принципиальную структуру, ведущую свою происхождение от классической оптической схемы «Double Gauss» [1]. Примененные в нем оптические материалы (галоидные кристаллы) обеспечивают прозрачность в требуемом сверхшироком спектральном диапазоне, однако автор вынужден ограничивать его по причине трудности коррекции хроматических аберраций. Кроме того, этот объектив обладает большой кривизной поля и поэтому изображение формируется на изогнутой поверхности. Объектив имеет достаточно обычные значения углового поля зрения (±30°) и относительного отверстия (1:3).
Известны другие образцы объективов для сверхширокого спектрального диапазона, описанные в патенте США №4921318 от 01.05.1990, МКИ G02B 11/02. Первый из них имеет двухлинзовую схему с несколько смещенным в пространство предметов входным зрачком [2]. Сделанные нами контрольные просчеты показали, что коррекция внеосевых аберраций этого объектива обеспечивает удовлетворительное качество изображения в угловом поле не более единиц градусов. Второй объектив имеет структуру простейшего ахроматизированного дублета в котором, как известно [2], анастигматическая коррекция аберраций принципиально невозможна. Другим существенным недостатком этого объектива является его очень маленькое относительное отверстие, не превышающее 1:5.
На качественно ином техническом уровне выполнена разработка целой серии объективов для сверхширокого спектрального диапазона защищенных патентом США №6950243 В2 от 27.09.2005, МКИ G02B 15/14.
Материалы патента очевидно свидетельствуют о большой научно-исследовательской работе, проделанной всемирно известной фирмой Lockheed Martin, итогом которой и явился патент. Выбранная в нем принципиальная оптическая схема, известная с 40-х годов 19 века как схема Пецваля [1], на наш взгляд оптимальна для тех сравнительно небольших значений углового поля зрения, которые интересовали авторов патента. Другим, видимо сознательно выбранным ограничением, является максимальная длина волны рабочего спектрального диапазона, равная 5 мкм, что существенно облегчило по нашему мнению авторам патента как выбор оптических материалов, так и хроматическую коррекцию.
Перед авторами предлагаемого изобретения была поставлена задача разработки оптической системы, обеспечивающей следующие технический требования:
- спектральный диапазон: 0,85…10,6 мкм;
- угловое поле зрения: ±45°;
- относительное отверстие: 1:1;
- диаметр входного зрачка: ≥3,3 мм;
- качество изображения: по всему полю зрения - не менее 50% энергии должны вписываться в квадрат со стороной 50 мкм;
- линейный размер изображения: ≤5×5 мм.
Учитывая недостатки упомянутых выше схем объективов ни одна из них не может быть выбрана за отправную точку при решении задачи обеспечения таких технических требований. По этой причине авторы проделали значительную работу по выбору принципиальной оптической схемы, которая могла бы стать основой для последующей процедуры синтеза и разработки требуемой системы. На этом пути были последовательно отброшены бесперспективные основные классические схемы светосильных широкоугольных объективов.
В качестве прототипа оптической схемы объектива была выбрана оптическая схема, используемая в обратном ходе лучей одной из новейших модификаций окуляра Эрфле, описанная в патенте США№5757553 от 02.04.1997, МКИ G02B 25/00 и содержащая два компонента, состоящих из, как минимум, двух склеенных линз.
Задачей изобретения является увеличение рабочего спектрального диапазона, поля зрения и относительного отверстия объектива при улучшении качества формируемого изображения и обеспечение следующих технических требований:
- спектральный диапазон: 0,85…10,6 мкм;
- угловое поле зрения: ±45°;
- относительное отверстие: 1:1;
- диаметр входного зрачка: ≥3,3 мм;
- качество изображения: по всему полю зрения - не менее 50% энергии должны вписываться в квадрат со стороной 50 мкм;
- линейный размер изображения: ≤5×5 мм.
Технический результат достигается тем, что объектив, состоит из, как минимум, двух компонентов, каждый из которых содержит, как минимум, две склеенные линзы, в объективе используются оптические материалы с областью спектральной прозрачности не менее 0,85…10,6 мкм, показатель преломления, как минимум, двух линз имеет величину более 2,1, одна из поверхностей имеет форму эллипсоида второго порядка, входной зрачок объектива расположен на первой поверхности.
В качестве основы была выбрана используемая в обратном ходе лучей оптическая схема, широко описанного в литературе [1] широкоугольного окуляра Эрфле. Ряд присущих этой схеме недостатков: низкое относительное отверстие удалось существенно форсировать введением асферической поверхности и переносом входного зрачка на первую поверхность, а задачу коррекции хроматических аберраций решить тщательным выбором оптических материалов, из которых как минимум два имеют показатель преломления более 2,1.
Конструкция и работа широкоугольного светосильного объектива со сверхшироким рабочим спектральным диапазоном поясняется чертежами, где
фиг.1 - оптическая схема широкоугольного светосильного объектива со сверхшироким рабочим спектральным диапазоном;
фиг.2 - аберрационные пятна рассеяния;
фиг.3 - графики концентрации энергии.
В Приложении даны конструктивные данные примера конкретного исполнения объектива.
Из представленных материалов следует, что полученная оптическая система полностью удовлетворяет заявленным выше техническим требованиям. В качестве дополнительных достоинств следует отметить сравнительно простой состав оптической схемы - всего два склеенных компонента, каждый из которых содержит, как минимум, две склеенные линзы, причем одна из поверхностей имеет форму эллипсоида второго порядка. Введение склеек позволило существенно уменьшить число поверхностей, соприкасающихся с воздухом и минимизировать Френелевские потери на отражение. Так отражение на переходе материалов линз из CsJ/ZnSe не превышает 3,5%. Это особенно важно потому, что эффективное просветление в сверхшироком спектральном диапазоне вызывает серьезные трудности.
Литература
1. Milton Laikin
"Lens Design", third edition,
Marcel Dekker, Inc., New York • Basel, 2001.
2. M.M.Русинов. "Композиция оптических систем",
«Машиностроение», Ленинград, 1989.