СВЕТОСИЛЬНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной области (ИК) спектра, в частности в диапазоне спектра 8-14 мкм.
К объективам, работающим в диапазоне спектра 8-14 мкм, предъявляются следующие требования:
1. Сверхвысокое относительное отверстие, составляющее D:f'=0.75-l.l.
2. Высокое, близкое к дифракционному, качество изображения.
3. Характеристики качества изображения должны быть постоянны по всему полю изображения объективов, что предполагает отсутствие виньетирования полевых лучей, величина концентрации энергии в пикселе приемника должна быть не менее 65-70%.
4. Минимальное количество линзовых элементов для уменьшения веса, габаритов, стоимости и пропускания объектива.
Известен светосильный ИК объектив [1], состоящий из 4-ех последовательно установленных линз, первая из которых положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, третья - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету.
Объектив имеет высокое относительное отверстие D/f'=1:0.8, качество изображения высокое: концентрация энергии в пикселе размером 17×17 мкм в центре поля не мене 70%, на краю поля 47%, но его фокусное расстояние (28 мм) невелико и не позволяет рассмотреть далеко удаленные объекты.
Наиболее близким, к заявляемому техническому решению, является светосильный ИК объектив [2]. Объектив состоит из четырех 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. Все линзы выполнены из германия.
Объектив имеет достаточное по величине фокусное расстояние, позволяющее рассмотреть далеко удаленные объекты (f'=51 мм), но его относительное отверстие меньше требуемого (1: 1.65) и он имеет недостаточно высокое качество изображения.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение относительного отверстия до 1:0.9 при обеспечении требуемого качества изображения по всему полю.
Для решения поставленной задачи предлагается светосильный инфракрасный объектив, который, как и прототип, содержит последовательно установленные четыре линзы, первая из которых положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, а четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к объекту.
В отличие от прототипа в предлагаемом объективе вторая линза выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, а третья линза выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, при этом радиусы кривизны R поверхностей линз и расстояния d между линзами удовлетворяют условиям:
1
2
0.76≤(R/R)≤0.8;
3
4
5
6
0.87≤(R/R=R/R)≤0.94;
1
0.3f'≤d/f'≤0.43f':
1
2
3
0.93f'≤(d+d+d)≤lf'
1
2
3
где d, d, d - расстояния между первой и второй, второй и третьей, третьей и четвертой линзами соответственно,
f' - фокусное расстояние объектива в целом.
Кроме того, первая, третья и четвертая линзы объектива выполнены из германия, а вторая линза выполнена из селенида цинка.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Благодаря выполнению приведенным выше условиям, первый положительный мениск вносит небольшие положительные сферическую аберрацию, кому и астигматизм, второй положительный мениск частично компенсирует сферическую аберрацию и астигматизм, добавляя небольшую кому, третий отрицательный мениск переисправляет сферическую аберрацию, четвертый положительный мениск компенсирует остаточные сферическую аберрацию, кому и астигматизм.
Выполнение первой, третьей и четвертой линз из германия и второй из селенида цинка дало возможность исправить кривизну изображения, хроматизм положения и увеличения. В результате достигнут результат, заключающийся в увеличении относительного отверстия и обеспечении высокого качества изображения по всему полю:
- Высокое относительное отверстие 1:0.9 - Концентрация энергии в пикселе размером (17×17) мкм
В центре поля зрения ≥ 70%
На краю поля зрения ≥ 47%.
Получение близкого к телецентрическому ходу главных лучей обеспечило равномерность освещенности по всему полю изображения.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - представлена оптическая схема объектива,
на фиг. 2 - представлены графики поперечных аберраций,
на фиг. 3 - представлены аберрации главных лучей,
на фиг. 4 - графики концентрации энергии в квадрате размером (17×17) мкм.
Светосильный инфракрасный объектив состоит из четырех менисковых линз 1, 2, 3 и 4, первая из которых выполнена в виде положительного мениска 1, обращенного вогнутостью к изображению, вторая положительная линза выполнена в виде мениска 2, обращенного выпуклостью к изображению, третья отрицательная линза выполнена в виде мениска 3, обращенного выпуклостью к изображению и четвертая линза выполнена в виде мениска 4, обращенного вогнутостью к изображению. При этом радиусы кривизны R поверхностей линз и расстояния d между линзами удовлетворяют условиям:
1
2
0.76≤(R/R)≤0.8;
3
4
5
6
0.87≤(R/R=R/R)≤0.94;
1
0.3f'≤d/f'≤0.43f':
1
2
3
0.93f'≤(d+d+d)≤lf'
1
2
3
где d, d, d - расстояния между первой и второй, второй и третьей, третьей и четвертой линзами соответственно,
f' - фокусное расстояние объектива в целом.
Апертурная диафрагма AD расположена на первой поверхности объектива.
Работа объектива осуществляется следующим образом: параллельный пучок излучения от удаленного объекта фокусируется в заднем фокусе мениска 1, и далее каждый из менисков 2 и 3 поочередно проектируют в свою плоскость изображения, а последний мениск 4 перепроектирует промежуточное изображение после третьего мениска в свою плоскость изображения, совпадающую с фокальной плоскостью всего объектива.
Иллюстрацией предлагаемой полезной модели является светосильный инфракрасный объектив для ИК области спектра (λ=8-12) мкм со следующими параметрами:
- Фокусное расстояние - 49.7 мм
- Угловое поле 2w=15.8°
- Относительное отверстие 1:0.9.
Важными достоинствами предлагаемого объектива являются:
- Высокое относительное отверстие 1:0.9
- Высокое качество изображения:
- Концентрация энергии в пикселе (17×17) мкм
в центре поля зрения - 70%
на краю поля зрения - 47%
Таким образом, в предлагаемом объективе достигнуто увеличение относительного отверстия до 1:0.9 при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.
1. Российская федерация, патент на полезную модель №170736, МПК: G02B 13/14, 2006 г.
2. Российская федерация, авторское свидетельство №1714562, МПК: G02В 13/14, 1992 г. - прототип.