ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно, к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использована в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм, в том числе фотоприемных устройств, оснащенных шторками.
2
5
3
6
8
5
6
2
3
5
6
8
Известен светосильный объектив по патенту РФ №2348059 от 17.10.2007 г., МПК G02B 9/34, G02B 13/14. Объектив состоит из четырех компонентов, первый из которых - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Второй - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению. Третий и четвертый компоненты - одиночные положительные мениски. Третий обращен выпуклостью к изображению. Четвертый обращен вогнутостью к изображению. Первый и четвертый компоненты выполнены из германия. Второй и третий компоненты выполнены из селенида цинка. Все оптические поверхности выполнены сферическими и выполняются условия: |R|=|R|; |R|=|R|=|R|; |R|>|R|, где: R, R, R, R, R - радиусы второй, третьей, пятой, шестой, восьмой оптических поверхностей соответственно.
Для сравнения указанный объектив пересчитан на фокусное расстояние 75 мм. Объектив имеет небольшой задний отрезок, менее 14,5 мм, что создает трудности при установке шторки фотоприемника, чувствительные элементы которого расположены внутри механического корпуса, обычно на расстоянии 15-20 мм от торца.
1
2
3
4
1
2
3
4
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14. Объектив содержит четыре мениска, из которых второй является отрицательным, 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, третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения: φ:φ:φ:φ=(0,75÷0,85):-(2,0÷2,5):(1,40÷1,66):(1,7÷1,9), где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно.
Указанный объектив имеет следующие недостатки.
1. Большая длина объектива. При фокусном расстоянии 75 мм длина объектива составляет 100 мм.
2. Недостаточный задний отрезок объектива, равный 13,3 мм, что затрудняет установку шторки фотоприемника.
Задачей полезной модели является достижение следующих технических результатов: уменьшение длины объектива и увеличение его заднего отрезка для обеспечения возможности установки шторки и удобного сопряжения плоскости изображения объектива с плоскостью чувствительных элементов матрицы фотоприемника.
В частных случаях реализации достигается дополнительный технический результат: фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40 до 50°C.
1
2
3
4
1
2
3
4
Указанные технические результаты - уменьшение длины объектива и увеличение его заднего отрезка - достигаются следующим образом. В объективе для ИК-области спектра, содержащем, как и прототип, четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а второй - отрицательный, причем, первый и четвертый мениски выполнены - из германия, а третий - из селенида цинка, в отличие от прототипа выполнено следующее: второй мениск выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, а между оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения: φ:φ:φ:φ=(1,07÷1,31):-(0,57÷1,5):-(0,41÷0,68):(1,31÷2,08), где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно. , где  - фокусное расстояние объектива,  - фокусное расстояние мениска, i - номер мениска.
Дополнительный технический результат - фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40 до 50°C - достигается при выполнении подвижными вдоль оптической оси либо всего объектива, либо второго и третьего менисков совместно, либо четвертого мениска.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива для ИК-области спектра.
На фиг. 2 приведены графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива для различных точек поля зрения.
На фиг. 3 приведен график дисторсии в процентах по полю зрения (ордината Y).
На фиг. 4 приведены графики концентрации энергии в кружке рассеяния.
Объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит четыре мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 4 - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений.
Для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40 до 50°C выполняют с возможностью перемещения вдоль оптической оси весь объектив, либо мениски 2 и 3 совместно, либо мениск 4.
В таблице 1 приведены характеристики объектива, рассматриваемого в качестве примера реализации заявляемого объектива.
Таблица 1
Фокусное расстояние
75 мм
Диаметр входного зрачка
60 мм
Относительное отверстие
1:1,25
Поле зрения, град
7,5×5,5
Длина объектива
85 мм
Задний фокальный отрезок
17 мм
Температурный диапазон работы
от минус 40 до 50°C
В таблице 2 приведены величины относительных оптических сил, расстояний по оси между менисками, материалы и диаметры менисков объектива. Значения параметров приведены при нормировке фокусного расстояния f'=1.
Таблица 2
Параметры объектива
Относительная оптическая сила
Материал
Расстояние по оси, мм
Диаметр, мм
Мениск 1
1,17
Ge
0,40
0,75
Мениск 2
-1,08
Ge
0,06
0,44
Мениск 3
-0,49
ZnSe
0,27
0,40
Мениск 4
1,80
Ge
0,23
0,35
Как видно из таблицы 1, объектив имеет на 27% больший, чем у прототипа, задний отрезок (17 мм) и меньшую на 15% общую длину (85 мм).
1
2
3
4
1
2
3
4
Из таблицы 2 следует, что оптические силы менисков 1-4 рассматриваемого в качестве примера объектива соотносятся между собой следующим образом: φ:φ:φ:φ=(1,17):-(1,08):-(0,49):(1,80) и удовлетворяют соотношениям φ:φ:φ:φ=(1,07÷1,31):-(0,57÷1,5):-(0,41÷0,68):(1,31÷2,08), при которых в заявляемом объективе достигаются указанные технические результаты.
Графики на фиг. 1-4 приведены для объектива с фокусным расстоянием f'=75 мм, диаметра входного зрачка 60 мм, относительного отверстия 1:1,25, для поля зрения 7,5×5,5 град.
На фиг. 2 приведены графики ЧКХ объектива для ИК-области спектра на частоте 40 штрихов/мм. По оси абсцисс отложены значения пространственных частот, отнесенные к плоскости изображений объектива, по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста. Графики ЧКХ приведены для меридионального (T) и сагиттального (S) сечений. Из приведенных графиков видно, что в предлагаемом объективе сохранено высокое, дифракционно-ограниченное качество изображения, сопоставимое с качеством изображения прототипа. Высокое качество изображения объектива подтверждается графиками дисторсии (фиг. 3) и концентрации энергии в кружке рассеяния для различных точек поля зрения (фиг. 4). На фиг. 3 видно, что дисторсия составляет менее 0,2%. На фиг. 4 по оси абсцисс отложены значения радиуса кружка рассеяния, по оси ординат - значения соответствующих ему уровней концентрации энергии. Указанный график также демонстрирует высокое качество изображения предложенного объектива, имеющего по сравнению с прототипом уменьшенную длину и увеличенный задний отрезок.
Объектив работает следующим образом: инфракрасное излучение в диапазоне 8-12 мкм, испускаемое удаленным объектом, попадает в объектив, где проходит через мениски 1, 2, 3, 4 и образует действительное изображение предмета в плоскости наилучшей установки фотоприемного устройства (на чертеже не показано), положение которой обусловлено расстоянием до объекта (для бесконечно удаленного объекта практически совпадает с фокальной плоскостью всего объектива).
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемая полезная модель позволяет уменьшить длину объектива и увеличить его задний отрезок. В частных случаях реализации для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40 до 50°C выполняют подвижными вдоль оптической оси либо весь объектив, либо второй и третий мениски совместно, либо четвертый мениск.