СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМИ ЗРАЧКАМИ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Устройство относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, например, таких, во входном зрачке которых установлены сканирующие элементы, а в выходном - охлаждаемая диафрагма матричного или линейчатого фотоприемного устройства (ФПУ).
Известен светосильный объектив с вынесенными зрачками для ИК области спектра [Патент US 6274868 B1, 2001. Оптическая схема - фиг.3, конструктивные параметры - таблицы 1 и 1а], содержащий три расположенных по ходу лучей компонента, включающих пять линз, и апертурную диафрагму, имеющий в пространстве между первым и вторым компонентами плоскость промежуточного изображения. Пять из 10 преломляющих поверхностей в объективе являются асферическими, что снижает технологичность конструкции, повышает себестоимость изготовления и является основным недостатком аналога. Наличие большого числа асферических преломляющих поверхностей свидетельствует о том, что в оптической системе объектива не найдены оптимальные соотношения между параметрами компонентов и линз, позволяющие минимизировать величины остаточных аберраций изображения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является светосильный объектив с вынесенными зрачками для ИК области спектра [Патент РФ 2379723 C1, 2010], предназначенный для работы совместно с ФПУ, имеющим охлаждаемую диафрагму. Оптическая система объектива состоит из оптически связанных, расположенных по ходу лучей трех компонентов, включающих пять линз со сферическими преломляющими поверхностями, с промежуточным изображением между первым и вторым компонентами и апертурной диафрагмы, расположенной между третьим компонентом и плоскостью изображений, при этом второй компонент выполнен в виде положительного и отрицательного менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, первый и третий компоненты содержат положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, при этом расстояния между компонентами удовлетворяют соотношениям:
1
2
где d - расстояние вдоль оптической оси между первым и вторым компонентами; d - расстояние вдоль оптической оси между вторым и третьим компонентами; f' - фокусное расстояние объектива.
В наиболее близком аналоге первый компонент состоит из одного (упомянутого выше) положительного мениска, а третий - из первой линзы третьего компонента и упомянутого выше положительного мениска, при этом между оптическими силами компонентов выполняется следующее соотношение:
1
2
3
где φ1, φ, φ - оптические силы первого, второго и третьего компонентов соответственно.
Недостатками наиболее близкого аналога являются: большая величина дисторсии, достигающая величины 2,5%. на краю изображения; большие аберрации в зрачках; несогласование величины удаления входного зрачка с диаметром входного зрачка; а также такое конструктивное выполнение третьего компонента, при котором последний имеет большие размеры вдоль оптической оси, что при компоновке оптической системы с помощью дополнительных зеркал для излома оптической оси при технической реализации тепловизионного прибора не позволяет минимизировать общие габаритные размеры оптической системы. Для минимизации габаритных размеров требуется, чтобы третий компонент был однолинзовым.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание высокоэффективной оптической системы объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра, обеспечивающей минимальные габаритные размеры тепловизионного прибора и возможность сопряжения с охлаждаемыми матричными или линейчатыми ФПУ, сканерами и афокальными системами, при сохранении высокого качества изображения.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в обеспечении такой конфигурацией компонентов в трехкомпонентной схеме объектива, при которой достигаются минимальные габаритные размеры оптической системы; в согласовании величины удаления входного зрачка с его диаметром; в уменьшении дисторсии; в уменьшении аберраций в зрачках.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога первая линза третьего компонента перенесена в первый компонент, выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, и расположена на малом расстоянии за положительным мениском первого компонента, при этом в объективе имеют место следующие соотношения:
5
6
где φ, φ - оптические силы соответственно первого и второго по ходу лучей менисков первого компонента.
Выполнение третьего компонента из одной линзы, а первого компонента - из двух и изменение соотношений между оптическими силами компонентов в соответствии с выше приведенными соотношениями (3) позволяет обеспечить такую конфигурацию компонентов в трехкомпонентной схеме объектива, при которой достигается при введении дополнительных зеркал между компонентами минимальные габаритные размеры оптической системы. При этом величина удаления входного зрачка согласовывается с его диаметром таким образом, чтобы минимизировать габаритные размеры оптической системы при размещении во входном зрачке зеркального сканера. Одновременно уменьшаются дисторсия и аберрации в зрачках. Последнее позволяет обеспечить качественное оптическое сопряжение объектива, например, с зеркальным сканером, размещаемым во входном зрачке объектива, и (или) афокальной (телескопической) системой, размещаемой в тепловизионных приборах перед сканером по ходу лучей от объекта, и способствует повышению качества инфракрасного изображения в целом и минимизации габаритных размеров.
Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров, позволяющих создать высокоэффективную оптическую систему объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра, обеспечивающую минимальные габаритные размеры и возможность сопряжения с современными охлаждаемыми матричными и линейчатыми ФПУ, сканирующими элементами и афокальными системами, при сохранении высокого качества изображения.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и является промышленно применимым. Авторам не известны оптические схемы светосильных объективов с вынесенными зрачками для ИК области спектра, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.
Предложенное устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1 - оптическая схема светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра;
фиг.2 - графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива;
фиг.3 - графики функция концентрации энергии (ФКЭ) в пятне;
фиг.4 - график дисторсии.
Оптическая система светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра (фиг.1) содержит оптически связанные, расположенные по ходу лучей первый компонент 1, второй компонент 2, третий компонент 3 и апертурную диафрагму 4, расположенную перед плоскостью изображений. Плоскость промежуточного изображения расположена между компонентами 1 и 2. Входной зрачок, формируемый в обратном ходе лучей компонентами 3, 2, 1 как проекция апертурной диафрагмы, расположен перед первым компонентом 1. Компонент 1 выполнен из положительного мениска 5 и отрицательного мениска 6, расположенных вплотную друг к другу, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Компонент 2 выполнен в виде положительного мениска 7 и отрицательного мениска 8, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу. Компонент 3 выполнен в виде одиночного положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Все преломляющие поверхности менисков 3, 5-8 являются сферическими. Поз. 9 в виде плоскопараллельной пластинки дополнительно показано защитное стекло ФПУ. Расстояния между компонентами удовлетворяют соотношению (1). Оптические силы компонентов 1-3 и менисков 5, 6 первого компонента удовлетворяют соотношению (3).
Осуществление устройства заключается в следующем. Мениски 5 и 6 компонента 1 фокусируют ИК излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного или линейчатого ФПУ и фокусным расстоянием объектива, проходящее через входной зрачок объектива, и создают действительные изображения объектов в плоскости промежуточного изображения, которое затем менисками 7, 8 второго компонента и мениском 3 через защитное стекло 9 переносится в плоскость изображений объектива, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Плоскость чувствительных элементов ФПУ (на фиг.1 не показано) совмещается с плоскостью изображений объектива, а его охлаждаемая диафрагма - с апертурной диафрагмой 4. Последняя определяет относительное отверстие системы, обеспечивает отсутствие виньетирования для наклонных пучков лучей и минимизирует поступление на ФПУ фонового ИК излучения. Во входном зрачке объектива может быть установлен сканер (на фиг.1 не показан), осуществляющий развертку в пространстве предметов. Также со входным зрачком объектива может быть совмещен выходной зрачок афокальной системы, если последняя предусматривается в тепловизионном приборе.
В таблице 1 приведены оптические силы и расстояния между линзами, а в таблице 2 - значения оптических сил компонентов в конкретном примере исполнения светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра. Значения параметров в таблицах 1 и 2 приведены при нормировке фокусного расстояния f'=-1. Спектральный диапазон - от 7,7 до 10,3 мкм- соответствует спектральной чувствительности ФПУ фирмы Sofradir. Материал линз - германий, селенид цинка.
Таблица 1 - Параметры светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра
Номер в соответствии с фиг.1
Оптическая сила
Расстояние по оси
Диаметр
0,80
0,2
5
2,83
0
0,31
6
-3,14
2,70
0,26
7
0,68
0
0,66
8
-0,24
1,83
0,66
3
1,05
0,60
0,38
А.д.
0,47
0,10
Таблица 2 - Оптические силы компонентов светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра
Компонент (в соответствии с фиг.1)
Оптическая сила
1
0,59
2
0,64
3
1,06
В первой строке таблицы 1 указано расстояние до входного зрачка, равное 0,80|f'|, в последней строке таблицы 1 указано расстояние от апертурной диафрагм (А, д.) до плоскости изображения, равное 0,47|f'|.
5
1
6
1
Как следует из таблиц 1 и 2, между оптическими силами менисков 5 и 6 в первом компоненте объектива имеют место следующие соотношения φ=4,78φ; φ=-5,30φ, удовлетворяющие соотношению (3). Оптические силы первого, второго и третьего компонентов светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра относятся соответственно как 0,56:0,60:1, т.е. удовлетворяют соотношению (3). Расстояния между компонентами удовлетворяют соотношению (1).
При промышленной применимости заявляемого объектива в тепловизионном приборе, исходя из приведенных в таблицах 1 и 2 значений, 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.
Анализ примера реализации светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра проведен для фокусного расстояния f'=25 мм, относительного отверстия 1:2,5, углового поля 18,7°, размера изображения 2y'=8 мм, удаления входного зрачка 20 мм, расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображения 11,6 мм.
На фиг.2 приведены графики ЧКХ светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра. На графиках 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 4,036 мм), на середине изображения (обозначение 2,0 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, на середине и на краю поля изображения (обозначения точек аналогично фиг.2), а также дифракционная ФКЭ. Из приведенных графиков следует, что для различных точек изображения в пятне диаметром 30 мкм ФКЭ имеет значения выше 0,6.
Вместе с тем величина продольной сферической аберрации в зрачках в предлагаем объективе составляет 2,6 мм против 16 мм в наиболее близком аналоге, т.е. уменьшена по сравнению с наиболее близким аналогом более, чем в 5 раз. Это позволяет обеспечить сопряжение с другими элементами оптической системы тепловизионного прибора без потери качества и увеличения размеров.
Из графика (фиг.4) следует, что величина дисторсии не превышает 0,2%, что при одинаковых угловых полях на порядок меньше, чем в наиболее близком аналоге.
Приведенные оценки качества изображения подтверждают промышленную применимость предлагаемого объектива в тепловизионных приборах с современными приемниками ИК излучения.
Согласно критерию, определяемому как отношение общего объема тепловизионного прибора (выраженного в кубических дециметрах, то есть литрах) к дальности распознавания объектов фоно-целевой обстановки, выраженной в километрах, достаточно просто и комплексно оцениваются технические и потребительские характеристики прибора. Современные отечественные тепловизионные приборы обеспечивают эту характеристику в пределах от 2 до 5 л/километр дальности распознавания. В зарубежных тепловизионных приборах указанная характеристика достигает величины от 0,8 до 1,5 л/километр дальности распознавания. Габаритные размеры оптической системы в конкретном примере исполнения при введении зеркал между компонентами для излома оптической оси позволяют обеспечить общий конструктивный объем тепловизионного прибора не более 1,5 л/километр дальности распознавания.
Таким образом, техническая реализация предлагаемого светосильного объектива с вынесенными зрачками для ИК области спектра, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет обеспечить его сопряжение с современными охлаждаемыми ФПУ, сканерами и афокальными насадками и получить малогабаритный тепловизионный прибор с высокими техническими и потребительскими характеристиками.
Литература
1. Патент US 6274868 В1, 2001.
2. Патент РФ 2379723 С1, 2010.