СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

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 приемников ИК излучения, не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм.
Известен объектив для ИК-области спектра [Патент ПМ RU 115514, 2009], содержащий расположенные по ходу лучей четыре мениска, при этом расстояние между первым и вторым мениском составляет (0,8÷0,95) от величины эквивалентного фокусного расстояния объектива, что приводит в результате к большой длине объектива (т.е. расстоянию вдоль оптической оси между вершиной первой преломляющей поверхности и плоскостью изображений).
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является светосильный объектив для ИК-области спектра [Патент RU 2477502, 2013, п.1 формулы]. Последний содержит расположенные по ходу лучей четыре мениска, третий из которых обращен к плоскости изображений выпуклой поверхностью, остальные - вогнутыми. Спектральный диапазон работы от 8 до 12 мкм. Относительное отверстие объектива 1:1. При этом длина объектива не менее, чем в (1,67÷1,75) раз больше, чем фокусное расстояние объектива.
Большая относительная длина объектива является недостатком наиболее близкого аналога.
Уменьшение относительной длины объектива в наиболее близком аналоге невозможно достичь при сохранении заявленных в формуле изобретений соотношений между параметрами и характеристиками объектива, формой выполнения входящих в него линз и их материалов при одновременном сохранении высоких относительного отверстия, качества изображения и технологичности конструкции.
Под высокой технологичностью конструкции объектива понимается применение в устройстве объектива только сферических (в частном случае - плоских) преломляющих поверхностей, технология изготовления которых соответствует экономическому уровню точности и обеспечивается на типовом оборудовании для производства и сборки объективов.
Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством, заключается в уменьшении относительной длины объектива при сохранении высоких относительного отверстия, качества изображения и технологичности.
Технический результат достигается тем, что в светосильном объективе для ИК-области спектра, содержащем расположенные по ходу лучей от объекта четыре мениска, третий из которых обращен к плоскости изображений выпуклой поверхностью, остальные - вогнутыми, обеспечиваются следующие соотношения между оптическими силами менисков:
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно,
при этом первый, третий и четвертый мениски выполнены из германия, а второй - из материала с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающего инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 14 мкм, четвертый мениск установлен с возможностью фокусировочной подвижки вдоль оптической оси.
В частном случае исполнения в качестве материала для второго мениска использован селенид цинка.
Обеспечение в объективе относительных оптических сил менисков в соответствии с заявленным соотношением (1), ориентация менисков вышеописанным образом, выполнение первого, третьего и четвертого мениска из германия, а второго - из материала с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающего инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 14 мкм, а также установка четвертого мениска с возможностью фокусировочной подвижки вдоль оптической оси позволяют обеспечить такое устройство объектива, при котором достигается уменьшение относительной длины объектива при сохранении высоких относительного отверстия, качества изображения и технологичности.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и является промышленно применимым. Все линзы объектива выполнены со сферическими преломляющими поверхностями, изготовлены из материалов, технология применения которых для изготовления объективов для ИК-области спектра известна и отработана на предприятиях, специализирующихся на выпуске тепловизионных приборов и их элементов. В то же время авторам не известны оптические схемы объективов для ИК-области спектра, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.
Предложенное устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг. 1 - оптическая схема светосильного объектива для ИК-области спектра;
фиг. 2 - графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ);
фиг. 3 - графики функции концентрации энергии (ФКЭ) в пятне;
фиг. 4 - график дисторсии.
Оптическая система светосильного объектива для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит положительный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из германия; отрицательный мениск 2, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из материала с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающего инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 14 мкм; отрицательный мениск 3, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из германия; положительный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполненный из германия. Оптические силы менисков удовлетворяют соотношению (1). Мениск 4 установлен с возможностью фокусировочной подвижки вдоль оптической оси. Все преломляющие поверхности менисков 1-4 являются сферическими. Поз. 5 в виде плоскопараллельной пластинки дополнительно показано защитное стекло матричного приемника ИК излучения. При фокусном расстоянии f' объектив имеет длину L. Показанный на фиг. 1 ход осевого на наклонных пучков подтверждает соотношение между фокусным расстоянием и длиной объектива по оси.
В частном случае исполнения мениск 2 выполнен из селенида цинка.
Осуществление устройства заключается в следующем. Мениски 1-4 фокусируют ИК излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами матричного приемника ИК излучения и фокусным расстоянием объектива, и создают действительные изображения объектов в плоскости изображения, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Плоскость чувствительных элементов матричного приемника ИК излучения (на фиг. 1 не показана) совмещается с плоскостью изображений объектива.
Для фокусировки излучения, идущего от объектов, расположенных на конечном расстоянии от объектива, а также температурах эксплуатации объектива, отличных от расчетной температуры, мениск 4 перемещается в пределах величины фокусировочной подвижки вдоль оптической оси, положение остальных компонентов схемы и приемника ИК излучения остается неизменным. При этом обеспечивается сохранение качества изображения и малая погрешность изменения фокусного расстояния объектива.
В таблице 1 приведены величины оптических сил, материалов, расстояний между менисками и их диаметры в конкретном примере исполнения светосильного объектива для ИК-области спектра. Значения параметров приведены при нормировке f'=1.
Таблица 1
Параметры примера конкретного исполнения
Номер в соответствии с фиг. 1
Оптическая сила
Материал
Расстояние по оси
Диаметр
1
0,83
Ge
0,10
0,53
2
-0,35
ZnSe
0,38
0,44
3
-0,41
Ge
0,32
0,39
4
1,70
Ge
0,27
0,42
1
2
3
4
Как следует из таблицы 1, оптические силы менисков 1-4 соотносятся между собой следующим образом: φ:φ:φ:φ=0,83:-0,35:-0,41:1,7, и удовлетворяют при этом соотношению (1). Мениски 1, 3 и 4 выполнены из германия, мениск 2 - из селенида цинка. Ориентация менисков соответствует схеме объектива, приведенной на фиг. 1. Общая величина фокусировочной подвижки мениска 4 для фокусировки и термокомпенсации не превышает 1,6% от величины фокусного расстояния. Длина объектива L равна 1,57.
При промышленной применимости заявляемого объектива в тепловизионном приборе, исходя из приведенных в таблице 1 значений и используя стандартную оптимизацию по методу наименьших квадратов, входящую в состав всех современных программ для оптических расчетов, устанавливаются точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси для конкретного значения фокусного расстояния объектива, величина которого согласована с размером чувствительной площадки ФПУ и требуемым угловым полем в пространстве предметов. Наличие только сферических преломляющих поверхностей обеспечивает промышленную реализацию на типовом оборудовании для производства и сборки объективов, иными словами - высокую технологичность.
Анализ примера реализации светосильного объектива для ИК-области спектра проведен для фокусного расстояния f'=33,2 мм, диаметра входного зрачка 33,2 мм, относительного отверстия 1:1, формата приемника 640×480, шаг пикселей 0,017 мм, (диагональ приемника 2y'=13,6 мм), L=52 мм. При этом относительная длина объектива составляет L/f'=52:33,2=1,57, т.е. меньше, чем в наиболее близком аналоге.
На фиг. 2 приведены графики ЧКХ объектива для примера реализации. На графике по оси абсцисс отложены значения пространственных частот (цикл/мм), отнесенные к плоскости изображений объектива, по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста в относительных единицах. Графики ЧКХ приведены для меридионального и сагиттального сечений (обозначение соответственно T и C) для различных точек изображения: на оси (обозначение 0 мм), на краю изображения (обозначение 6,8 мм), по полю изображения (обозначения 4,08 и 5,4 мм), а также дифракционная ЧКХ для точки на оси (обозначение Дифр. предел). Наложение кривых ЧКХ для различных точек поля и их близость к дифракционной ЧКХ свидетельствуют о том, что в предлагаемом объективе сохранено высокое, дифракционно-ограниченное качество изображения, не ниже, чем в наиболее близком аналоге. В качестве другого критерия, подтверждающего высокое качество изображения в предлагаемом объективе, на фиг. 3 приведены графики ФКЭ для различных точек поля: на оси, по полю и на краю поля изображения (обозначения точек аналогично фиг. 2), а также дифракционная ФКЭ. Из приведенных графиков следует, что для точек изображения с координатами, величины которых равны менее половины горизонтального размера чувствительной площадки матричного приемника ИК излучения, на площадке, сторона которой соответствует шагу пикселей приемника, величина ФКЭ выше 0,7. Последняя величина, согласно современным требованиям к качеству изображения объективов для ИК-области спектра, соответствует высокому качеству изображения.
Из графика дисторсии (фиг. 4) следует, что последней на краю поля не превышает 0,6%, что соответствует критерию высокого качества изображения для объективов тепловизионных приборов.
Приведенные оценки качества изображения подтверждают промышленную применимость предлагаемого объектива в тепловизионных приборах, построенных на современных приемниках ИК излучения.
Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом предлагаемое устройство светосильного объектива для ИК-области спектра обеспечивает уменьшение относительной длины объектива до 1,57 одновременно с сохранением относительного отверстия (не ниже 1:1), дифракционного качества изображения и высокой технологичности.
Таким образом, техническая реализация предлагаемого светосильного объектива для ИК-области спектра, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет обеспечить его сопряжение с современными матричными приемниками ИК излучения, не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительными в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм, и получить малогабаритный тепловизионный прибор с высокими техническими и потребительскими характеристиками.
Литература
1. Патент ПМ RU 115514, 2009.
2. Патент RU 2477502, 2013.