СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
HIGH-APERTURE LENS FOR INFRARED REGION

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной (ИК) области спектра, в частности в диапазоне спектра λ=8-14 мкм.
Системы, работающие в области спектра 8-14 мкм, позволяют наблюдать объекты, температура излучения которых составляет - 50÷+50°C, что соответствует излучению в диапазоне λ=8-14 мкм.
К объективам, работающим в диапазоне спектра λ=8-14 мкм, предъявляются следующие требования:
1. Сверхвысокое относительное отверстие, составляющее
D:F=1:0.75÷1:1.
Это требование обусловлено тем, что яркость далеких излучающих объектов низка, а чувствительность современных приемников (болометрических матриц) мала.
2. Высокое, близкое к дифракционному, качество изображения. Размер элемента матрицы составляет Q=0.035×0.035 мм. Для ИК приборов необходимо, чтобы в размере пикселя значение концентрации энергии η составляло не менее 75%, притом что безаберрационная идеальная система дает η=89÷90%.
Для тепловизоров, формирующих изображение объектов конечных размеров, необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста υ=1/2Q=15 лин/мм было не менее 0,6.
Характеристики качества изображения должны быть постоянны по всему полю изображения объектива. Особенно это требование важно для приборов обнаружения и слежения за удаленными объектами малых размеров.
3. Минимальное количество линзовых элементов
3
Линзы ИК объективов изготавливаются, в основном, из оптического монокристаллического германия, имеющего большой показатель преломления (n=4), большой удельный вес (γ=5.33 г/см) и высокую стоимость. Минимизация количества линзовых элементов позволяет снизить вес объектива и его стоимость.
f'
f'
5. Габаритные параметры включают в себя требование, определяемое конструкцией приемника - задний фокальный отрезок S' должен удовлетворять условию S'≥0,35f'. Кроме того, желательно, чтобы длина объектива была минимальна. Важно иметь в виду, что в конструкции ряда ИК приемников болометрическая матрица «утоплена», т.е. расположена в глубине корпуса приемника, отверстие в котором ограничивает диаметр световых пучков, попадающих на матрицу.
6. Важной проблемой создания ИК объективов с использованием германия является значительное изменение его показателя преломления при изменении температуры, что приводит к расфокусировке, и соответственно, к ухудшению качества изображения. Конструкция оптической схемы, а также выбор оптических сил линзовых компонентов должны минимизировать влияние изменения температуры на качество изображения.
Создание оптической системы светосильного ИК объектива является актуальной задачей.
Известны конструкции оптических схем ИК объективов, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям. Многие из них состоят из двух-трех линз при значительной светосиле (диафрагменное число, близкое к 1), часто содержащих асферические поверхности [1, 2]. В объективах, не имеющих асферических поверхностей, в целях обеспечения требуемого высокого качества изображения приходится уменьшать относительное отверстие и угловое поле зрения, например [3]. В этой связи актуальной становится задача создания объектива для ИК систем [4], который бы обеспечивал высокое качество изображения при большом относительном отверстии и угловом поле зрения без использования технологически сложных асферических поверхностей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный ИК объектив [5], состоящий из трех менисковых линз, первая из которых - с отрицательной оптической силой, с вогнутой поверхностью, обращенной к объекту, вторая и третья линзы - с положительными оптическими силами, с выпуклыми поверхностями, обращенными к объекту, разделенные воздушным промежутком, величина которого составляет не менее 0.8 эквивалентного фокусного расстояния объектива. Оптические силы линз удовлетворяют условиям:
1
экв
0.15<|φ/φ|<0.2,
2
экв
0.6<φ/φ<0.7,
3
экв
0.9<φ/φ<1.1,
1,2
экв
0.4<φ/φ<0.6,
экв
0.8≤dφ≤0.9,
1
2
3
где φ, φ, φ, - оптические силы 1, 2, 3 линз,
1,2,
φ - оптическая сила 1 и 2 линз,
экв
φ - оптическая сила объектива,
d - расстояние между 2 и 3 линзами.
К недостаткам указанного объектива можно отнести невысокое относительное отверстие - D:F'=1:1.07.
Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение относительного отверстия при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.
1
2
3
Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для ИК области спектра, который, как и прототип, состоит из трех менисковых линз, из которых первая линза - с отрицательной оптической силой φ, с вогнутой поверхностью, обращенной к объекту, вторая менисковая линза - с положительной оптической силой φ, и третья менисковая линза - с положительной оптической силой линзы φ, с выпуклыми поверхностями, обращенными к объекту, разделенных воздушным промежутком, величина которого составляет не менее 0.8 эквивалентного фокусного расстояния объектива.
4
В отличие от прототипа в предлагаемом светосильном объективе для ИК области спектра между первой и второй менисковыми линзами установлена дополнительная двояковыпуклая линза с положительной оптической силой φ. При этом выполняются следующие соотношения:
1
экв
0.3<|φ/φ|<0.4,
2
экв
0.3<φ/φ<0.4,
3
экв
0.7<φ/φ<0.8,
4
экв
0.4<φ/φ<0.5,
1
2
3
где φ, φ, φ, - оптические силы первой, второй и третьей менисковых линз,
4
φ - оптическая сила дополнительной двояковыпуклой линзы,
экв
φ - оптическая сила объектива.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что полученное соотношение оптических сил линз позволяет обеспечить коррекцию осевых и полевых аберраций. Дополнительная двояковыпуклая линза вносит положительную сферическую аберрацию, астигматизм, кривизну поля и отрицательную кому, компенсируя отрицательную сферическую аберрацию, астигматизм, кривизну поля и положительную кому первой менисковой линзы. Кроме того, первая группа линз, состоящая из двух менисковых линз и двояковыпуклой линзы, действует как единый коррекционно-силовой элемент, одновременно компенсирующий аберрации высших порядков широких пучков при увеличении относительного отверстия до 1:0.75.
экв
Другим достоинством предложенной схемы является то, что, несмотря на значительное увеличение выходной апертуры, величина заднего отрезка в ней составляет не менее 0.35f'.
Таким образом, предлагаемая схема ИК объектива с относительным отверстием D:F'=1:0.75 и угловым полем 2ω=25° обеспечивает высокое качество изображения по всему полю.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена оптическая схема объектива, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.
Светосильный объектив для ИК области спектра состоит из четырех линз, первая из которых 1 выполнена отрицательной и обращена вогнутой поверхностью к предмету, вторая 2 и третья 3 - положительные менисковые линзы, обращенные выпуклыми поверхностями к предмету, между первой 1 и второй 2 менисковыми линзами установлена дополнительная двояковыпуклая положительная линза 4, при этом выполняются следующие соотношения:
1
экв
0.3<|φ/φ|<0.4,
2
экв
0.3<φ/φ<0.4,
3
экв
0.7<φ/φ<0.8,
4
экв
0.4<φ/φ<0.5,
1
2
3
где φ, φ, φ, - оптические силы 1-й, 2-й и 3-й менисковых линз,
4
φ - оптическая сила дополнительной двояковыпуклой линзы,
экв
φ - оптическая сила объектива.
Апертурная диафрагма 5 находится вблизи первой поверхности положительной менисковой линзы 3, обеспечивая ей малый световой диаметр.
За положительной менисковой линзой 3 расположен приемник 6.
Работа объектива осуществляется следующим образом.
Параллельный пучок излучения от бесконечно удаленного предмета фокусируется в мнимом заднем фокусе менисковой линзы 1. Положительная дополнительная двояковыпуклая линза 4 переносит мнимое изображение в действительную плоскость, т.е. расходящийся после менисковой линзы 1 пучок распространяется после положительной дополнительной двояковыпуклой линзы 4 сходящимся, попадая на положительные менисковые линзы 2 и 3 с наименьшими углами к нормалям с поверхностями этих линз, и формирует изображение в плоскости, совпадающей с задним фокусом F' всего объектива.
В Приложении приведен объектив со следующими оптическими силами линз:
1
φ=-0.346,
2
φ=0.311,
3
φ=0.776,
4
φ=0.487.
Параметры объектива:
- относительное отверстие D:F'=1:0.75,
- угол поля зрения 2ω=25°,
экв
- фокусное расстояние f'=38.55 мм,
- задний фокальный отрезок S'F'=14.96 мм,
- световой диаметр линзы 3 ⌀=25 мм,
- концентрация энергии в пятне, соответствующем размеру пикселя (0.035×0.035), более 75% по всему полю,
-1
- коэффициент передачи модуляции для пространственной частоты N=15 мм более 50% по всему полю,
- при расчете учитывалось защитное стекло приемника 6.
Таким образом, в предлагаемом объективе достигнуто увеличение относительного отверстия до 1:0.75 при высоком качестве изображения, большом заднем отрезке и малом диаметре линзы, ближайшей к плоскости изображения.
Если прототип работает с приемником, имеющим размер пикселя 0.045×0.045 мм, то предлагаемый объектив предназначен для новой болометрической матрицы с пикселем размером 0.035×0.035 мм, и соответственно, характеристики качества изображения (концентрация энергии в пикселе и КПК) у предлагаемого объектива выше, чем у прототипа.
Источники информации
1. Патент США №6292293, МПК G02 1/00, от 18.09.2001.
2. Патент США №623501, МПК G02 1/00, от 22.05.2002.
3. Патент РФ №2187135, МПК G02 13/34, от 10.08.2002.
4. Патент РФ №2183340, МПК G02 13/34, от 10.06.2002.
5. Патент РФ №52488, МПК G02 13/34, от 19.10.2005, - прототип.