ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
INFRARED OBJECTIVE

Изобретение относится к области 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.
-1
Современные МБМ имеют размер 10×13 мм, что предъявляет определенные требования к инфракрасным объективам на углы поля зрения. Основная проблема конструирования ИК-объектива в области спектра 8-12 мкм заключается в очень малом размере пикселя матрицы (чувствительного элемента) МБМ. В современных МБМ диаметр пикселя составляет 0.025 мм. Для таких МБМ относительное отверстие, рассчитанное по формуле 3.12 [1], должно быть не ниже 1:1. В настоящее время кружок рассеяния определяется при 80% концентрации энергии (записывается как "D 80%"), что соответствует критерию Релея. Другим критерием качества изображения может служить частотно-контрастная характеристика (Polychromatic diffraction MTF) - ЧКХ. Для МБМ с малым диаметром пикселя контраст Т изображения объектива должен находиться в пределах 0.70÷0.75 на пространственной частоте 15 мм. Дифракционный предел - Т=0.8.
Из-за большой важности характеристик качества изображения нами проведен анализ каждого представленного объектива по заявленным конструктивным параметрам. Расчеты выполнены на программе Optical Design Program "ZEMAX", Focus Software, Incorporated. Version: May 16, 2002.
Известен объектив для ИК-области спектра (8-15 мкм), содержащий четыре компонента, первый из которых - положительная линза, второй - отрицательный мениск, третий - положительная линза, четвертый - вогнуто-плоская линза [2]. Третья линза выполнена из германия, остальные - из сульфида цинка (ZnS). Такой выбор материалов обусловлен необходимостью компенсации расфокусировки изображения при изменении температуры окружающей среды. Объектив имеет угловое поле зрения 12°, относительное отверстие 1:2, при фокусе 100 мм длину вдоль оси - 152 мм.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Малое относительное отверстие. При идеальном исправлении геометрических аберраций кружок рассеяния на уровне 80% концентрации энергии (D 80%) составит 0.04 мм.
2. Плоскость изображения совпадает с тыльной поверхностью последней линзы объектива, т.е. задний отрезок равен нулю, что приводит к сложности оптического сопряжения объектива с фотоприемным устройством - МБМ.
3. Анализ качества изображения показал, что уже при нулевом поле зрения D 80%=0.072 мм, что приводит значительному ухудшению качества изображения.
Известен объектив для ИК-области спектра (8-12 мкм), выполненный по схеме Петцваля [3]. Объектив содержит два компонента, первый из которых состоит из положительного и отрицательного менисков, а второй - из положительной и отрицательной линзы. Положительный мениск и положительная линза выполнены из материала BSA английской фирмы Barr&STROUD (Российский аналог стекла ИКС-25), вторая - из селенида цинка (ZnSe), а четвертая - из германия. Такой выбор материалов обусловлен необходимостью компенсации расфокусировки изображения при изменении температуры окружающей среды, но одновременно приводит к большому хроматизму увеличения даже для небольших углов поля зрения. Объектив имеет угол поле зрения 5°, относительное отверстие 1:1.5.
Этот объектив имеет достаточный задний отрезок (27.5 мм) и небольшую длину (144 мм), однако, проверочный расчет показал следующее.
1. Дифракционный кружок рассеяния D 80% составляет 0.028 мм для осевой точки поля зрения и 0.050 мм - для края поля зрения, что приведет к засветке соседних элементов матрицы и ухудшит качество изображения.
2. Объектив имеет небольшое поле зрения, что не позволит засветить матрицу по всей рабочей поверхности.
3. Объектив имеет недостаточно высокое относительное отверстие, что снижает контраст изображения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению - прототипом - является объектив [4] для ИК-области спектра (8-14 мкм). 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. Все компоненты выполнены из германия. Фокусные расстояния компонентов, приведенные в базе данных "Lens view", U.S. Patent bibliographic data, удовлетворяют следующим требованиям:
1
f′/f′=1.47,
2
f′/f′=-1.33,
3
f′/f′=0.81,
4
f′/f′=0.57.
Общими с заявляемым изобретением являются признаки: четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, отрицательная и положительная линзы выполнены из германия.
Указанный объектив имеет угол поля зрения 16.5° при относительном отверстии 1:0,59. Однако проверочный расчет по конструктивным параметрам (радиусы кривизны поверхностей линз, толщины и воздушные промежутки) показал следующие недостатки объектива:
1. Низкое качество изображения: уже для центральных точек поля зрения диаметр кружка рассеяния D 80%=0.060-0.100 мм.
2. Длина объектива при фокусном расстоянии 100 мм составляет 176 мм, что говорит о его больших габаритах.
3. Величина заднего отрезка близка к нулю, что создает определенные трудности при установке фотоприемника, чувствительные элементы которого расположены внутри механического корпуса (обычно на расстоянии 15-20 мм от торца).
4. Все линзовые элементы объектива выполнены из чувствительного к температуре германия, что при изменении температуры приводит к расфокусировке изображения и дальнейшему ухудшению качества изображения.
Задача изобретения - повышение качества изображения объектива при большом относительном отверстии и поле зрения, уменьшение его длины и увеличение заднего отрезка для удобного сопряжения его плоскости изображения с плоскостью чувствительных элементов матрицы.
Поставленная задача решается тем, что в объективе для ПК-области спектра, содержащем 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, выполнено следующее: отрицательная и положительная линзы выполнены из бескислородного стекла, а фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:
1
f′/f′=1.1÷1.3,
2
f′/f′=-0.69÷-0.74,
3
f′/f′=0.84÷0.98,
4
f′/f′=0.93÷1.6,
1
2
3
4
где f′, f′, f′, f′ - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, f′- эквивалентное фокусное расстояние всего объектива.
В качестве материала отрицательной и положительной линз может быть использовано бескислородное стекло марок ИКС-25, ИКС-28, ИКС-31, ИКС-32 (ОСТ3-3441-83).
В частных случаях реализации, например, для фокусировки объектива на конечное расстояние, для термокомпенсации смещения плоскости установки объектива при изменении температурного режима, для юстировки объектива при неподвижном фотоприемном устройстве, отрицательная линза может быть установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах. На фиг.1 приведена оптическая схема объектива с реальным ходом лучей для осевой и полевой точек поля зрения, на фиг.2 - графики поперечных аберраций, на фиг.3 - кружки рассеяния (для центра, зоны и края поля зрения), на фиг.4 - контраст изображения ЧКХ.
Объектив (фиг.1) содержит четыре последовательно установленные оптически связанные компонента: первый - положительный мениск 1, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза 2, третий - положительная линза 3, четвертый - положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к изображению. Мениски 1 и 4 выполнены из германия, линзы 2 и 3 выполнены из бескислородного стекла ИКС-25. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива. Конструктивные элементы объектива приведены в таблице.
№
Радиус кривизны
Толщина по оси
Материал
Световой диаметр
1
129.82
8.5
Germanium
100.0
2
199.23
61.9
Воздух
97.44
3
-193.1
5.0
ИКС-25
56.94
4
336.8
26.8
Воздух
56.46
5
-502.8
8.0
ИКС-25
59.86
6
-129.5
1.3
Воздух
60.53
7
53.38
8.0
Germanium
54.01
8
58.48
25.678
Воздух
48.15
9
Пл. изобр.
21.18
Оптические характеристики объектива
1. Фокусное расстояние
100 мм
2. Относительное отверстие
1:1
3. Поле зрения
9.6°×7.2°
(по диагонали - 12°)
4. Спектральный диапазон
8-12 мкм
5. Длина объектива
145 мм
6. Задний отрезок
25.68 мм
Для приведенного объектива соотношение между фокусными расстояниями линзовых элементов составляет:
1
f′/f′=1.298,
2
f′/f′=-0.690,
3
f′/f′=0.974,
4
f′/f′=0.937.
Рассмотрим показатели качества изображения представленного ИК-объектива, используя диаграммы, выполненные с помощью программы ZE-МАХ (фиг.2, 3, 4). Цена одного деления на графиках поперечных аберраций (фиг.2) - 0.01 мм и, как видно из графиков, геометрические аберрации не превышают 0.025 мм.
На фиг.3 показаны кружки рассеяния (для центра, зоны и края поля зрения). В верхнем левом углу расположена масштабная линейка размером 0.1 мм. На каждый кружок рассеяния впечатан кружок Эри. Кроме того, над каждым кружком впечатан размер "D 80%" (0.023, 0.024 и 0.026 мм). В левом нижнем углу приведены среднеквадратические (RMS) и геометрические (GEO) кружки рассеяния по полям зрения, а также диаметр кружка Эри. Как видно из диаграммы, диаметр дифракционного пятна рассеяния с учетом геометрических аберраций не превышает 0.026 мм (D 80%<0.026 мм) по всему полю зрения.
Контраст изображения ЧКХ (фиг.4) приведен для всех точек поля зрения и составляет Т=0.75-0.77, что соответствует поставленным требованиям.
Разработанный объектив имеет высокие показатели качества изображения при большом относительном отверстии и необходимом поле зрения, при этом объектив имеет небольшую длину (145 мм) и достаточный задний отрезок (25.68 мм).
Вторая отрицательная линза может быть установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Это перемещение используется для фокусировки объектива на конечное расстояние, для термокомпенсации смещения плоскости установки объектива при изменении температурного режима, и для юстировки объектива при неподвижном фотоприемнике.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить качества изображения объектива при большом относительном отверстии и поле зрения, уменьшить длину и увеличить задний отрезок объектива.
Список литературы
1. Н.Н.Михельсон "Оптические телескопы", М., "Наука", 1976.
2. A.D.Kirkpatric. "Far infrared lens", US Pat. №3.439.969, кл. G02В 3/00, 1969.
3. I.A.Neil. "Infrared objective lens system", US Pat. №4.505.535, кл. G02B 9/34, 1985.
4. P.O.Rogers "Infra-red lenses", US Pat. №4.030.805, кл. G02B 1/00, 1977.