СВЕТОСИЛЬНАЯ ИНФРАКРАСНАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использована при создании тепловизионных приборов на основе неохлаждаемых матричных фотоприемных устройств.
7
Известен светосильный объектив для дальнего инфракрасного диапазона спектра (см. патент RU 2187135 С2, МПК G02B 13/14, публ. 10.08.2002 г.) с фокусным расстоянием 148,39 мм и длиной L=160 мм, состоящий из трех германиевых линз. Объектив имеет и относительное отверстие 1:1,65 (диаметр входного зрачка D=90 мм), что является недостаточным для работы с неохлаждаемым фотоприемным устройством.
7
Также известен светосильный объектив для дальнего инфракрасного диапазона спектра (см. патент RU 2411555 С1, МПК G02B 13/14, публ. 10.02.2011 г.), состоящий из трех линз и имеющий фокусное расстояние системы 130 мм, длину 200 мм и относительное отверстие 1:1,08 (диаметр входного зрачка 120 мм). Недостатками являются малое фокусное расстояние, не обеспечивающее необходимого углового разрешения, и наличие асферической поверхности большого диаметра на входной линзе.
7
1
2
3
4
2
4
6
1
2
3
4
2
4
6
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе, принятой за прототип, является светосильная инфракрасная система, описанная в патенте RU 2586273 С1, МПК G02B 13/14 публ. 10.06.2016 г., состоящая из расположенных вдоль оптической оси одиночных линз, первая из которых положительная выпукло-вогнутая из германия, вторая - отрицательная выпукло-вогнутая из германия, третья - отрицательная выпукло-вогнутая из селенида цинка, четвертая - положительная выпукло-вогнутая из германия, и фотоприемного устройства. Система предназначена для работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне спектра и имеет фокусное расстояние f'=130 мм, длину от первой поверхности до плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства (ФПУ) L=173,4 мм и относительное отверстие 1:1,08 (диаметр входного зрачка D=120 мм). В указанной системе выполняются следующие соотношения: f'/f'=0,8, f'/f'=-1,3, f'/f'=5,5, f'/f'=0,7, d/f'=0,15, d/f'=0,15, d/f'=0,15, где f', f', f', f' - фокусные расстояния линз объектива, d, d, d - расстояния между линзами. При работе со стандартным неохлаждаемым ФПУ, имеющим формат матрицы 640×512 с шагом элементов 17 мкм, угловое разрешение системы составляет α=2*17/f'=0,26 мрад.
Системы, работающие с неохлаждаемыми фотоприемными устройствами, должны иметь относительное отверстие не менее 1:1,4, и оптимальные габаритные параметры, определяемые длиной от первой поверхности до плоскости чувствительных элементов ФПУ, диаметром входной линзы и их соотношением L/D. Из перечисленных выше систем минимальной величиной этого соотношения обладает система-прототип, в которой она равна 1,45.
Для повышения углового разрешения таких систем необходимо увеличение фокусного расстояния, что приведет к увеличению длины и диаметра входного зрачка с целью обеспечения необходимого относительного отверстия. Оптимальные габаритные параметры при этом могут быть достигнуты за счет минимизации величины соотношения между длиной и диаметром входного зрачка.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение углового разрешения светосильной инфракрасной системы за счет увеличения ее фокусного расстояния при уменьшении величины соотношения между длиной системы и диаметром входного зрачка.
Указанная цель достигается тем, что в светосильной инфракрасной системе, состоящей из расположенных вдоль оптической оси первой положительной и второй выпукло-вогнутых линз, выполненных из германия, третьей отрицательной выпукло-вогнутой линзы из селенида цинка, четвертой положительной выпукло-вогнутой линзы и фотоприемного устройства, вторая линза выполнена положительной асферической, а четвертая линза выполнена из селенида цинка, при этом выполняются следующие соотношения:
1
0,85≤f'/f'≤1,15;
3
-0,27≤f'/f'≤-0,13;
4
0,127≤f'/f'≤0,27;
2
0,43≤d/f'≤0,53;
4
0,16≤d/f'≤0,22;
6
0,09≤d/f'≤0,14;
1
3
4
2
4
6
где f', f' и f' - фокусные расстояния первой, третьей и четвертой линз системы; f' - фокусное расстояние системы; d, d, d - расстояния между линзами.
На фигуре 1 представлена оптическая схема светосильной инфракрасной системы для фокусного расстояния f'=190 мм.
На фигуре 2 представлены оптические схемы светосильной инфракрасной системы для f'=170 мм (а) и f'=210 мм (б), соответствующие предельным значениям указанных выше соотношений.
Светосильная инфракрасная система состоит из расположенных вдоль оптической оси первой положительной выпукло-вогнутой 1 и второй положительной асферической выпукло-вогнутой 2 линз, выполненных из германия, третьей отрицательной выпукло-вогнутой 3 и четвертой положительной выпукло-вогнутой 4 линз, выполненных из селенида цинка, и фотоприемного устройства 5.
1
3
4
2
4
6
Для фокусных расстояний f', f' и f' первой 1, третьей 3 и четвертой 4 линз соответственно, фокусного расстояния системы f и расстояний между линзами d, d, d выполняются следующие соотношения:
1
3
4
2
4
6
0,85≤f'/f'≤1,15; -0,27≤f'/f'≤-0,13; 0,127≤f'/f'≤0,27; 0,43≤d/f'≤0,53; 0,16≤d/f'≤0,22; 0,09≤d/f'≤0,14.
В таблицах 1-3 приведены конструктивные параметры примеров исполнения светосильной инфракрасной системы для фокусных расстояний 190 мм, 170 мм и 210 мм соответственно
1
3
4
2
4
6
В таблице 4 приведены соотношения, выполняемые в заявляемой системе, для фокусных расстояний f', f' и f' первой 1, третьей 3 и четвертой 4 линз соответственно, фокусного расстояния системы f' и расстояний между линзами d, d, d для трех примеров исполнения, представленных в таблицах 1-3.
Технические характеристики примеров исполнения светосильной инфракрасной системы приведены в таблице 5.
Как следует из таблицы 5 фокусное расстояние системы увеличено по сравнению с прототипом в 1,3 раза для фокусного расстояния 170 мм, в 1,45 раза для фокусного расстояния 190 мм и в 1,6 раза для фокусного расстояния 210 мм, что обеспечивает угловое разрешение 0,16-0,2 мрад, в то время как в прототипе оно составляет 0,26 мрад. Увеличение фокусного расстояния системы достигается выбором фокусных расстояний линз 1-4, их взаимным расположением в соответствии с приведенными в таблице 4 значениями и выбором материалов. В приведенных примерах диаметр входного зрачка составляет 150 мм, что обеспечивает относительное отверстие от 1:1,13 до 1:1,4. При этом величина соотношения L/D уменьшена до 1,27 (в прототипе L/D=l,45).
Светосильная инфракрасная система работает следующим образом: поток излучения проходит через линзы 1-4 системы, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами кривизны и материалами линз и фокусируется в плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства 5.
Таким образом, выполнение светосильной инфракрасной системы в соответствии с предлагаемым техническим решением обеспечивает увеличение фокусного расстояния при уменьшении величины соотношения между длиной системы и диаметром входного зрачка, что позволяет использовать ее при создании тепловизионных приборов с высоким угловым разрешением.