Светосильный трёхлинзовый объектив для ИК-области спектра
HIGH-SPEED THREE-LENS OBJECTIVE FOR IR SPECTRUM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемников, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.
Основным требованием, предъявляемым к тепловизору, является дальность его действия. На дальность действия тепловизора влияют такие факторы, как значение фокусного расстояния, его пропускание и другие факторы. Однако наиболее важным фактором, влияющим на дальность действия тепловизора, является значение относительного отверстия объектива при минимальном количестве линзовых элементов. В настоящее время эти значения лежат в пределах от 1:1,5 до 1:1. Чем выше относительное отверстие объектива, тем больше энергии поступит на фоточувствительную площадку (пиксель) заданного размера. Если кружок рассеяния объектива превышает размеры пикселя, это приводит к уменьшению освещенности пикселя, что равнозначно уменьшению относительного отверстия объектива. Таким образом, эффективность высокого относительного отверстия объектива возможна только при достижении требуемого качества изображения.
Современные микроболометрические матрицы (МБМ) имеют пиксель, равный 17×17 мкм, что сравнимо с рабочей длиной волны. Поэтому для оценки качества изображения необходимо учитывать волновые свойства света, т.е. дифракцию, описанную формулой , где r - радиус дифракционного пятна Эри, в диаметре которого сосредоточено 84,3% энергии, λ - основная длина волны спектрального диапазона равная 0,01 мм, f' - фокусное расстояние объектива, D - диаметр входного зрачка [Н.Н. Михельсон. "Оптические телескопы, М.,"Наука", 1976]. Из этой формулы следует, что чем меньше величина f'/D, т.е. чем выше относительное отверстие, тем меньше кружок Эри. Так, например, при f'/D=1, дифракционный (минимально достижимый) кружок рассеяния будет составлять 24,2 мкм, а при f'/D=0,75-18,15 мкм. Дифракционный кружок рассеяния определяется расчетом функции концентрации энергии и контраста изображения объектива.
-1
На практике дифракционный кружок рассеяния реального объектива с учетом геометрических аберраций определяется при 80% концентрации энергии, что соответствует критерию Релея. Другим критерием качества изображения может служить частотно-контрастная характеристика. Для МБМ с малым размером пикселя контраст изображения объектива должен находиться в пределах 0,55÷0,65 на пространственной частоте 20÷30 мм (критерий Найквиста).
Известен светосильный объектив для ИК-области спектра (8-12,5 мкм) по патенту РФ №2411555. Объектив содержит три одиночных линзы (защитное стекло входит в состав фотоприемника), первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Вторая вогнутая поверхность первой линзы выполнена асферической. Первая и третья линзы выполнены из германия, а вторая - из селенида цинка.
3
1
3
6
3
4
5
6
1
3
6
Для третьей линзы может использоваться материал с показателем преломления более 2,3 и менее 4,1 для длины волны 10 мкм; радиусы кривизны поверхностей и фокусное расстояние объектива связаны соотношениями: R<R; R<R; 0,25<R/f'<0,5; 0,15<R/f'<0,45; 0,3<R/f'<0,7; 0,4<R/f'<1,3, где R, R-R - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей, f' - фокусное расстояние объектива.
При фокусном расстоянии 130 мм объектив имеет относительное отверстие 1:1,08. Рассмотрен также вариант с относительным отверстием 1:1,4.
-1
Анализ качества изображения с учетом дифракции показал, что для относительного отверстия 1:1,08 дифракционный контраст изображения составляет 0,72 на пространственной частоте 20 мм. С учетом остаточных геометрических аберраций он должен быть не менее 0,60÷0,67. Расчет по приведенным в патенте конструктивным элементам объектива дал контраст 0,4 для осевой точки поля зрения, а для полевых точек поля зрения - менее 0,4. Диаметр кружка рассеяния по всему полю зрения составляет 55÷60 мкм, что свидетельствует о низком качестве изображения объектива.
Известен трехлинзовый объектив для ИК-области спектра по патенту US №3363962, обладающий относительным отверстием 1:0,75. Объектив содержит три мениска, из которых первый и третий по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а второй - отрицательный, обращен вогнутой поверхностью к плоскости предмета. Первый и третий мениски выполнены из германия, а второй - из сульфида цинка. Все поверхности менисков имеют сферический профиль. Второй и третий мениски имеют значительную толщину по оси, поскольку она позволяет скорректировать геометрические аберрации. Относительная длина объектива L/D=1,75, где L - длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения. D - диаметр входного зрачка.
-1
Контраст изображения по всему полю составляет не более 0,32 при пространственной частоте 20 мм, а кружки рассеяния - 52 мкм. Данный объектив имеет низкое качество изображения, что не позволяет его применять в современных тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами.
1
2
3
1
2
3
Наиболее близким к заявляемому техническому решению - прототипом - является инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив по патенту РФ №2348953 от 15.10.2007 г., МПК G02B 13/14. Объектив содержит последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, второй отрицательный мениск и третий положительный мениск. Первый и третий мениски обращены вогнутостью к плоскости изображений, второй - к пространству предметов. Все преломляющие поверхности выполнены сферическими. Длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений не превышает 1,8 фокусного расстояния объектива. Показатель преломления материала первого и третьего менисков для основной длины волны рабочего спектрального диапазона не менее 4,0 (германий), а второго мениска - не более 2,5 (селенид цинка). Объектив удовлетворяет следующим соотношениям: ϕ=(0,6÷0,7)ϕ, ϕ=-(0,15÷0,5)ϕ, ϕ=(1,3÷2)ϕ, где ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго и третьего менисков, ϕ - оптическая сила объектива. Длина объектива - 62,3 мм.
-1
Недостатком данного объектива является низкое качество изображения и большая длина. Анализ функции концентрации энергии по конструктивным элементам объектива, приведенным в изобретении, показал, что 80% энергии сосредоточено в кружке диаметром 30 мкм для осевой точки предмета и в кружке диаметром 40 мкм для края поля зрения. Это происходит из-за наличия в объективе аберраций высших порядков, обусловленного большим углом падения лучей к нормали первой поверхности второго мениска. Кроме того, анализ контраста изображения явно показывает наличие большого астигматизма по краю поля зрения. Для фотоприемника с размером пикселя Q=0,017×0,017 мм по критерию Найквиста на пространственной частоте, равной 1/2Q=30 мм, контраст изображения должен быть равен 0,6. В прототипе для осевой точки предмета он равен 0,4.
Технические результаты изобретения: повышение качества изображения объектива и снижение его длины.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Светосильный трехлинзовый объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит три мениска, из которых первый и третий по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, выполненные из германия, а второй мениск - отрицательный. В отличие от прототипа в заявляемом объективе выполнено следующее. Второй мениск обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполнен из материала с показателем преломления от 2,2 до 2,8; вогнутые поверхности первого и третьего менисков выполнены коническими, коническая постоянная первого мениска лежит в пределах от 1 до 2,4, а третьего мениска - в пределах от минус 1,9 до минус 5,9; при этом выполняются следующие соотношения:
1
2
3
ϕ=(0,71÷0,8)ϕ, ϕ=-(0,46÷1,17)ϕ, ϕ=(1,63÷2,16)ϕ,
1
2
3
где: ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы первого, второго, третьего менисков; ϕ - оптическая сила объектива,
D2/L=0,21÷0,41; D4/L=0,15÷0,36,
где: D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками; L - длина объектива; D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим менисками.
В предлагаемом объективе могут быть использованы вся линейка халькогенидных стекол фирмы SCHOTT от IRG-22 до IRG-26, отечественные бескислородные стекла марки ИКС, сульфид цинка и селенид цинка. При использовании сульфида цинка и селенида цинка качество изображения объектива хорошее, но происходит уменьшение заднего отрезка объектива с фокусным расстоянием 35,5 мм, что создает определенные трудности при размещении фотоприемника. Использование этих материалов требует увеличения фокусного расстояния объектива.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива.
На фиг. 2-11 приведены характеристики качества изображения заявляемого объектива и объектива-прототипа в одинаковых масштабах.
На фиг. 2 приведены геометрические аберрации для осевой точки поля зрения, зоны и края поля зрения заявляемого объектива, на фиг. 3 - объектива-прототипа.
На фиг. 4 приведены графики астигматизма (кривизны поверхности) изображения (левый график) и дисторсии (правый график) заявляемого объектива, на фиг. 5 - объектива-прототипа.
На фиг. 6 приведена функция рассеяния точки для трех полей зрения (осевой, зональной и края поля зрения) заявляемого объектива, на фиг. 7 - объектива-прототипа.
На фиг. 8 приведены графики контраста изображения (ЧКХ) для осевой точки и края поля зрения заявляемого объектива, на фиг. 9 - объектива-прототипа.
На фиг. 10 приведены графики функции концентрации энергии (ФКЭ) для осевой точки поля зрения, зоны и края поля зрения заявляемого объектива, на фиг. 11 - объектива-прототипа.
Светосильный трехлинзовый объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит три мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из халькогенидного стекла марки IRG-23 фирмы SCHOTT. Мениск 3 - положительный, выполнен из германия. Все мениски 1, 2, 3 обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения 5. Между объективом и фотоприемником (плоскостью изображения 5) установлено защитное стекло 4. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3 и защитное стекло 4 и строят изображение в плоскости изображения 5.
Характеристики конструктивных элементов объектива приведены в таблице. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.
Длина объектива по сравнению с прототипом уменьшена в 1,15 раза: у прототипа 62,3 мм, у заявляемого объектива - 54,1 мм. В данном объективе обеспечиваются следующие соотношения:
1
2
3
ϕ=0,767ϕ, ϕ=-0,835ϕ, ϕ=1,89ϕ;
D2/L=0,33; D4/L=0,23; где D2/L, D4/L - относительные воздушные промежутки соответственно между первым и вторым, вторым и третьим менисками.
Коническая постоянная второй поверхности (мениск 1) равна 2, а шестой поверхности (мениск 3) равна (-3,75). Современная технология изготовления простых конических поверхностей позволяет достигать высокой точности асферизации порядка 0,3 мкм, а сам процесс не представляет технологических трудностей.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива.
На фиг. 2, 3 представлены геометрические аберрации заявляемого объектива (фиг. 2) и объектива-прототипа (фиг. 3). Чтобы не затенять рисунок, аберрации приведены для двух длин волн. В верхней части слева представлены геометрические аберрации для осевой точки поля зрения, справа - для зональной точки поля зрения, а внизу - для края поля зрения. Аберрации даны для полей 0°, 4,2° и 6°. По оси ординат даны аберрации для меридиональной составляющей (EY) и сагиттальной составляющей (ЕХ). Цена деления - 10 мкм. По оси абсцисс дан диаметр входного зрачка в меридиональной (PY) и сагиттальной (РХ) плоскостях. Так как виньетирование в системе отсутствует, PY=РХ. Как видно из графиков, в заявляемом объективе по сравнению с прототипом уменьшены аберрации высших порядков, что позволяет достигнуть еще большего относительного отверстия, вплоть до 1:0,7.
Графики астигматизма изображения (фиг. 4) приведены для меридиональной Т (тангенциальной) и сагиттальной S составляющих поля зрения в мм. Графики дисторсии даны в процентах. Из графиков следует, что в предлагаемом объективе существенно уменьшен астигматизм изображения (фиг. 4) по сравнению с прототипом (фиг. 5). Наличие большого астигматизма в прототипе проявляется в понижении контраста изображения в меридиональной плоскости.
На фиг. 6, 7 представлена функция рассеяния точки (топология пятен рассеяния в геометрическом приближении) для трех точек поля зрения: для точки на оси, в зоне и по краю поля зрения. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эри, составляющий в диаметре 18,3 мкм. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Как видно из фиг. 6, в отличие от прототипа (фиг. 7) все пятна рассеяния предлагаемого объектива вписываются в кружок Эри, что наглядно демонстрирует высокое качество изображения.
-1
-1
-1
Для более надежной оценки качества изображения используется величина контраста изображения (ЧКХ) и функция концентрации энергии (ФКЭ). На фиг. 8, 9 по оси абсцисс задана пространственная частота в мм, по оси ординат - величина контраста изображения (ЧКХ) в относительных единицах. ЧКХ объективов представлены для пространственной частоты 30 мм. Для предлагаемого объектива (фиг. 8) контраст изображения для всего поля зрения превышает значение 0,6 на частоте 30 мм (критерий Найквиста), а для прототипа он равен 0,4 уже для осевой точки (фиг. 9). Это свидетельствует о потенциальных возможностях дальнейшего повышения светосилы предлагаемого объектива.
Графики ФКЭ объективов позволяют определить площадку (кружок), на которой сосредоточено 80% энергии. На фиг. 10, 11 представлены графики ФКЭ, рассчитанные по программе ZEMAX. По оси абсцисс задан радиус пятна рассеяния (до 30 мкм), по оси ординат - энергия (ФКЭ) в относительных единицах. Верхняя кривая соответствует дифракционно ограниченному (совершенному) объективу. Для предлагаемого объектива на оси, в зоне поля и по краю поля зрения они составляют соответственно 20, 18 и 21 мкм, тогда как для прототипа - соответственно 31, 30 и 40 мкм.
Предлагаемый объектив обладает не только высоким относительным отверстием, но и дифракционным качеством изображения. Расчеты показали, что эти результаты, а также уменьшение длины объектива получены при всех значениях заявленных диапазонов относительных оптических сил менисков, относительных воздушных промежутков между менисками и конических постоянных менисков.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить качество изображения объектива и уменьшить его длину.