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=1:0.75÷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÷25)°.
-1
3. Высокое, близкое к дифракционному качество изображения. Размер элемента матрицы составляет Q=(17×17) мкм. Для ИК тепловизионных приборов необходимо, чтобы в размере пикселя величина концентрации энергии η составляла не менее (65÷70)%, при том, что безаберрационная идеальная система дает η≈89%. Для тепловизоров, формирующих изображение объектов конечных размеров, необходимо, чтобы величина контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста υ=1/2Q=30 мм была не менее 0.5.
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 в пространстве изображений.
Выполнение перечисленных требований обеспечивает постоянство энергетических характеристик объектива по всему полю изображения.
5. Минимальное количество линзовых элементов.
3
Материалы, применяемые обычно в ИК объективах - селенид цинка и оптический германий, который 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'≥0,3f'. 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, светосильный ИК объектив [1]. 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 размере, соответствующем пикселю приемника.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный ИК объектив [2]. Объектив состоит из 4 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 следующие характеристики:
- Фокусное расстояние -F'=28 мм
- 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 (17×17) мкм
в центре поля - 67%
на краю роля - 47%
-1
- КПМ на частоте 30 мм
в центре поля - 0.50
на краю поля - 0.27.
К недостаткам указанного объектива можно отнести:
- Пониженное относительное отверстие - (1:0.8)
- Низкое качество изображения - (концентрация энергии по полю в пикселе размером (17×17) мкм).
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение относительного отверстия до 1:0.75 при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.
Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для ИК области спектра, который, как и прототип состоит из 4 линз.
Первая линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая линза - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, третья линза - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, и четвертая линза - положительный мениск.
В отличие от прототипа, в предлагаемом светосильном объективе для ИК области спектра, третий мениск, обращенный выпуклостью к изображению, выполнен отрицательным, а четвертый положительный мениск, выполненный с выпуклой поверхностью в виде вытянутого эллипсоида вращения высшего порядка и обращенный вогнутостью к изображению, при этом оптические силы линз удовлетворяют условиям:
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - оптические силы соответственно первой, второй, третьей, четвертой линз и всего объектива в целом, кроме того, первая, третья и четвертая линзы выполнены из оптического германия, а вторая
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Аберрации оптической системы, в первую очередь, определяются аберрациями III порядка, которые характеризуются коэффициентами Зейделя III порядка:
I
II
III
IV
V
S - сферической аберрацией, S - комой, S - астигматизмом, S - кривизной изображения, S - дисторсией. Для высококачественных объективов значения коэффициентов близки к нулю.
1
4
I
II
III
Выполнение первой и четвертой линз положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению, с оптическими силами, удовлетворяющими условиям: 0.5<ϕ/ϕ<0.7 и 1.0<ϕ/ϕ<1.3, вносит суммарную положительную сферическую аберрацию S(1+4 линз)=1.78, отрицательную кому S(1+4 линз)=-0.37, положительный астигматизм S(1 линзы)=0.4.
Для их коррекции вторая и третья линзы выполнены отрицательными менисками, обращенными выпуклостями к изображению с оптическими силами, удовлетворяющими условиям:
I
II
III
При этом сферическая аберрация S(2+3 линз)=-1.64, кома S(2+3 линз)=0.2. Для коррекции астигматизма выпуклая поверхность четвертой линзы (четвертого положительного мениска) выполнена эллиптической: S(7 поверхность)=-0.57.
Высшие порядки эллиптической поверхности исправляют кому и астигматизм высших порядков по полю.
1
2
4
3
4
IV
хр.пол.
хр.пол.
Выполнение линз с оптическими силами ϕ, ϕ, ϕ, ϕ, удовлетворяющими условиям:  и 1.0<ϕ/ϕ<1.3, из германия с дисперсией ν=727 в диапазоне спектра (8÷12) мкм для первой, третьей и четвертой линз и второй  - из селенида цинка с дисперсией ν=33.8, дает возможность исправить кривизну изображения объектива S=0.095, хроматизим положения S=0.006 и хроматизм увеличения S=-0.001.
Выполнение первой и четвертой линз в форме положительных менисков, обращенных вогнутостью к изображению, а второй и третьей в форме отрицательных менисков, обращенных выпуклостями к изображению, позволило минимизировать аберрации высших порядков и, тем самым, обеспечить высокое относительное отверстие.
Важными достоинствами предлагаемого объектива являются:
- Высокое относительное отверстие 1:0.75
- Высокое качество изображения по всему полю:
- Концентрация энергии в пикселе размером (17×17)мкм
в центре поля зрения ≥70%
на краю поля зрения ≥65%
-1
- Коэффициент передачи модуляции (КПМ) на частоте 30 мм:
в центре поля зрения ≥50%
на краю поля зрения ≥47%
F'
- Большой задний отрезок S'≥0.5f', полученный за счет выполнения второй и третьей в форме отрицательных менисков, обращенных выпуклостями к изображению
- Обеспечение близкого к телецентрическому ходу главных лучей в пространстве изображения и, тем самым, обеспечения равномерности освещенности по всему полю изображения
- Минимизация рассеянного освещения приемника,
8
F'
обусловленного отражением от последней поверхности излучения, источником которого является самоизлучение матрицы приемника, за счет выполнения радиуса последней поверхности (R) превышающим задний отрезок объектива: R8/S'=5.4.
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 графики аберраций главных лучей, на фиг. 4 - представлены графики концентрации энергии в квадрате размером (17×17) 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 отрицательная линза 3 выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и четвертая линза 4 выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. При этом оптические силы линз удовлетворяют условиям:
Оптические силы линз удовлетворяют условиям:
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - оптические силы соответственно первой, второй, третьей, четвертой линз и всего объектива в целом.
Апертурная диафрагма 5 расположена на первой поверхности объектива.
Четвертый положительный мениск 4 выполнен с выпуклой поверхностью в виде вытянутого эллипсоида вращения высшего порядка.
Первая, третья и четвертая линзы выполнены из оптического германия, а вторая линза - из селенида цинка.
Работа объектива осуществляется следующим образом: параллельный пучок излучения от удаленного объекта фокусируется в заднем фокусе мениска 1, и далее каждая из линз 2 и 3 поочередно перепроектирует его в свою плоскость изображения, а последняя 4-ая линза перепроектирует промежуточное изображение после 3-й линзы в свою плоскость изображения, совпадающую с фокальной плоскостью всего объектива.
Иллюстрацией предлагаемой полезной модели является светосильный объектив для ИК области спектра (Δλ=8÷12.5) мкм со следующими параметрами:
- Фокусное расстояние - f'=30.66 мм
- Относительное отверстие D:F=1:0.75
- Угловое поле зрения 2ω=25°
F'
- Задний отрезок S'=0.5f'
- Длина объектива (L) - расстояние от первой поверхности первой линзы до фокальной плоскости L=2f'
1
ϕ/ϕ=0.58
2
ϕ/ϕ=-0.18
3
-3
ϕ/ϕ=-2.45.10
4
1ϕ/ϕ=1.14
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - оптические силы соответственно первой, второй, третьей, четвертой линз и всего объектива в целом.
- Качество изображения:
- Концентрация энергии в пикселе размером (17×17) мкм
в центре поля зрения - 72%
на краю поля зрения - 65%
-1
- Коэффициент передачи модуляции (КПМ) на частоте 30 мм:
в центре поля зрения - 54%
на краю поля зрения (мер/саг) - (51/47)%
Уравнение поверхности 7 (выпуклой поверхности мениска 4) описывает четную кривую высших порядков (эллипсоид вращения):
,
2
a
a
a
a
1
2
3
4
где  - кривизна поверхности (величина, обратная радиусу при вершине); k=-е - коническая постоянная (эксцентриситет), , , ,  - коэффициенты, значения которых приведены ниже.
2
0
е=0.2885, R=42.3778, Rбл.сф.=43.046, максимальная асферичность 0.0169 мм
1
2
3
4
5
6
7
а=0, а=-4.3514 Е-007, а=5.6487 Е-009, а=-3.2318 Е-011, а=8.4776 Е-014, а=-8.5932 Е-017, а=0
Таким образом, в предлагаемом объективе достигнуто увеличение относительного отверстия до 1:0.75 при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Российская Федерация, авторское свидетельство №1714562, МПК: G02B 13/34, 1992 г.
2. Российская Федерация, патент на полезную модель №170736, МПК: G02B 13/34, 2006.01 г. - прототип.