СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной (ИК) области спектра, в частности в диапазоне спектра 8-14 мкм.
Системы, работающие в области спектра 8-14 мкм, позволяют наблюдать объекты, температура излучения которых составляет -50÷50°С, что соответствует излучению в диапазоне 8-14 мкм.
К объективам, работающим в диапазоне спектра 8-14 мкм, предъявляются следующие требования:
1. Сверхвысокое относительное отверстие, составляющее D:F=1:0.8÷1:1.
Это требование обусловлено тем, что яркость излучающих естественных объектов низка, а чувствительность используемых современных приемников (болометрических матриц) - мала.
2. Угловое поле должно быть не менее 20°.
3. Высокое, близкое к дифракционному, качество изображения. Размер элемента матрицы составляет Q=25×25 мкм. Для ИК тепловизионных приборов необходимо, чтобы в размере пикселя величина концентрации энергии η составляла не менее 75%, при том, 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=20 лин/мм было не менее 0,6.
4. 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. Это требование предполагает также:
- отсутствие виньетирования полевых лучей;
- близкий к телецентрическому ход главных лучей.
Выполнение перечисленных требований обеспечивает постоянство энергетических характеристик объектива по всему полю изображения.
5. Минимальное количество линзовых элементов.
3
Материал, применяемый обычно в ИК объективах, - оптический германий - имеет большой удельный вес, равный 5.33 г/см. Кроме того, германий - достаточно дорогой материал. Минимизация количества линзовых элементов позволяет снизить вес объектива и его стоимость.
f'
f'
f'
6. Габаритные параметры включают в себя требование, определяемое конструкцией приемника, чтобы задний фокальный отрезок S' удовлетворял условию S'≥10 мм, что для малых значений фокусного расстояния f' объективов составляет S'≥0,5÷1,0 f'
Кроме того, желательно, чтобы длина объектива не превышала 2÷2,5 f'.
7. Важной проблемой создания ИК объективов с использованием германия является значительное изменение его показателя преломления при изменении температуры. Это вызывает ухудшение качества изображения. Конструкция оптической схемы, а также выбор оптических сил линзовых компонентов должны минимизировать влияние изменения температуры на качество изображения.
Создание оптической системы светосильного объектива для ИК тепловизоров становится актуальной задачей.
Известны конструкции оптических схем объективов, удовлетворяющие многим из вышеперечисленных требований и состоящие из 4 линз. Например, объектив [1] имеет относительное отверстие невысокое (D:F<1:1.65), угловое поле зрения 2ω=10° с низким качеством изображения (поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для ω=5° равна 0.49 мм, астигматизм - 0.22 мм).
В объективах со сферическими поверхностями линз, в целях обеспечения требуемого уровня качества изображения обычно приходится снижать относительное отверстие или вводить виньетирования для полевых точек поля [2, 3 и 4].
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный ИК объектив [5]. Объектив состоит из 4 линз, первая из которых положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - плосковогнутая отрицательная линза, обращенная плоской поверхностью к изображению, третья линза - плосковыпуклая, обращенная плоскостью к предмету, а четвертая линза - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету.
Объектив имеет следующие характеристики:
- фокусное расстояние f'=51 мм,
- относительное отверстие D:F=1:1.65,
- угловое поле зрения 2ω=18°,
- задний фокальный отрезок S'=45.23,
- поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для углового поля ω=9° равна 0.081 мм, астигматизм - 0.014 мм, дисторсия - 5%,
- все линзы выполнены из германия.
К недостаткам указанного объектива можно отнести:
- низкое относительное отверстие (1:1,65);
- малое угловое поле зрения 2ω=18°;
- низкое качество изображения по полю: указанные выше величины аберраций приведут к недопустимо малым значениям концентрации энергии в квадрате, соответствующем пикселю приемника.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение относительного отверстия и углового поля зрения при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.
Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, состоит из четырех линз, первая из которых выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, вторая линза - отрицательная, третья линза - положительная, четвертая -положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету.
В отличие от прототипа, в предлагаемом светосильном объективе для ИК области спектра вторая отрицательная линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, третья положительная линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, при этом радиусы кривизны (R) поверхностей линз и расстояния(d) между линзами удовлетворяют условиям:
1
2
где d, d - расстояния между первой и второй и второй и третьей линзами соответственно;
1
8
R÷R - радиусы кривизны линз, пронумерованные по ходу луча;
f - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива.
I
II
III
IV
V
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем. Аберрации оптической системы характеризуются аберрационными коэффициентами III порядка - коэффициентами Зейделя: S(сферическая аберрация), S (кома), S (астигматизм), S (кривизна изображения), S (дисторсия). Для высококачественных объективов значения коэффициентов близки к нулю.
I(1,2)
II(1,2)
III(1,2)
IV(1,2)
V(1,2)
Выполнение второй линзы в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и обеспечение условий (1) и (3) приводит к тому, что первая и вторая линзы располагаются вогнутыми поверхностями навстречу друг другу. В этом случае сферическая аберрация первых двух линз S имеет значение менее (-2.0), кома S положительная и равна ≈(0.1÷0.15), величины астигматизма S и кривизны изображения S разных знаков и не превышают значений (-0.05), дисторсия S отрицательная и не более (0.05÷0.11).
I(3,4)
II(3,4)
III(3,4)
IV(3,4)
V(3,4)
Выполнение третьей линзы в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и обеспечение соотношений (2) и (4) приводит к тому, что третья и четвертая линзы располагаются выпуклыми поверхностями навстречу друг другу. В этом случае коэффициенты аберраций двух последних линз принимают значения близкие по величине и противоположные по знакам первой и второй линз: S=+(2÷2.5), S=-(0.1÷0.15), S=-S=-0.15, S=+(0.05÷0.1).
Таким образом, аберрации первых двух линз компенсируются аберрациями третьей и четвертой линз. Кроме того, полученные соотношения радиусов линз и воздушных промежутков позволили минимизировать аберрации высших порядков и, тем самым, обеспечить высокое относительное отверстие.
Важными достоинствами предлагаемого объектива являются:
F'
- Большой задний отрезок S'≥(0.6÷0.7)f', полученный за счет выбранных воздушных промежутков и выполнения второй линзы в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью в сторону изображения.
- Обеспечение близкого к телецентрическому хода главных лучей в пространстве изображений, и тем самым, получение равномерной освещенности по всему полю, за счет совмещения входного зрачка с передней фокальной плоскостью объектива.
8
8
F'
- Минимизация рассеянного освещения приемника, обусловленного отражением от последней поверхности объектива (радиуса R) излучения, источником которого является самоизлучение матрицы приемника, за счет значения радиуса R, превышающего задний отрезок S'.
Иллюстрацией предлагаемой полезной модели является светосильный объектив для ИК области спектра, состоящий из четырех линз, выполненных из германия, работающий в диапазоне спектра λ=8÷12.5 мкм со следующими параметрами:
- Относительное отверстие D:F=1:0.8,
- Угловое поле зрения 2ω=25°,
F'
- Задний фокальный отрезок S'≥0.75f',
- Телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений,
- Длина объектива (L) - расстояние от первой поверхности первой линзы до фокальной плоскости L≤2.2f',
- Качество изображения:
- Концентрация энергии в размере пикселя (25×25)мкм
в центре поля
≥0.8
на краю поля
≥0.7
-1
- КПМ на частоте 20 мм
в центре поля
≥70%
на краю поля
≥52%
- Поперечная аберрация широкого наклонного пучка на краю поля
в меридиональном сечении
≤0.03 мм
в сагиттальном сечении
≤0.02 мм
Таким образом, предлагаемый объектив при одинаковом с прототипом количестве линз обеспечивает существенно лучшие параметры объектива (относительное отверстие, угловое поле, задний фокальный отрезок) при высоком качестве изображения.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 - представлена оптическая схема объектива, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца и чертежи, где на фиг. 2. - представлены графики поперечных аберраций, на фиг. 3 - представлены графики аберраций главных лучей, на фиг. 4 - представлены графики концентрации энергии в квадрате размером 25×25 мкм.
Светосильный объектив для инфракрасной области спектра состоит из четырех менисковых линз 1, 2, 3 и 4, первая из которых 1 выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, вторая отрицательная линза 2 выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, третья положительная линза 3 выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и четвертая положительная линза 4 выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к предмету.
1
2
Линзы 3 и 4 выполнены с положительными оптическими силами и обращены выпуклостями друг к другу, кроме того, линза 2 установлена на расстоянии d от линзы 1, а линза 3 на расстоянии d от линзы 2, при этом выполняются следующие соотношения:
1
2
где d, d - расстояния между первой и второй и второй и третьей линзами соответственно,
f' - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива.
1
2
3
4
5
6
7
8
Отношения радиусов кривизны поверхностей R R для линзы 1, R, R для второй, R, R для третьей, R, R для четвертой линз удовлетворяет соотношениям:
Апертурная диафрагма 5, расположенная на второй поверхности первой линзы, находится вблизи переднего фокуса объектива.
Работа объектива осуществляется следующим образом:
Параллельный пучок излучения от удаленного объекта фокусируется в заднем фокусе мениска 1, отрицательный мениск 2 переносит его в пространство объекта мениска 3, и далее мениски 3 и 4 перепроектируют его в плоскость изображения, совпадающую с задним фокусом F' всего объектива.
В Приложении приведен объектив со следующими параметрами:
- Относительное отверстие
D:F=1:0.8,
- Угловое поле зрения
2ω=25°,
- Фокусное расстояние
f'=28.0
-
-
-
-
-
-
Таким образом, предлагаемый объектив обеспечивает существенно лучшие параметры объектива - увеличение относительного отверстия и углового поля зрения при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Российская Федерация, авторское свидетельство №1714562, МПК: G02B 13/34, 1992 г.
2. США, патент №6292293, МПК: G02В 1/00, 2001 г.
3. США, патент №6236501, МПК: G02В 1/00, 2002 г.
4. Российская Федерация, патент №2187135, МПК: G02В 13/34, 2002 г.
5. Российская Федерация, патент №2183340, МПК: G02В 13/34, 2002 г. - прототип.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Фокусное расстояние, мм:
F'=28.00
Диафрагменное число:
F'/D=0.80
Диаметр входного зрачка, мм:
Dp=35.00
Положение входного зрачка, мм:
Sp=0.80
Диаметр выходного зрачка, мм:
D'p=106.84
Положение выходного зрачка, мм:
S'p=92.25
Линейная величина изображения, мм:
2у'=12.00
Угловое поле зрения:
2ω=24.50°
Спектральный диапазон, мкм:
λ=8.0÷12.5