Инфракрасный трёхлинзовый объектив
INFRARED THREE-LENS OBJECTIVE

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именнок объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемников, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.
Современные микроболометрические матрицы формата 640×480 с размером пикселя 17×17 мкм имеют габариты 10,88×8,16 мм и диагональ 13,6 мм. Объектив должен обеспечивать высокую концентрацию энергии в пятне, размер которого соответствует размеру пикселя.
Так как размер пикселя матрицы сравним с рабочей длиной волны, для оценки качества изображения объектива необходимо учитывать волновые свойства света, то есть дифракцию на входном зрачке. Это достигается расчетом функции концентрации энергии и контраста изображения объектива.
Известен светосильный трехлинзовый объектив для ИК-области спектра по патенту US №3363962, содержащий три мениска, из которых первый и третий мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а второй - слабо положительный, обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов. Первый и третий мениски выполнены из германия, а второй - из сульфида цинка. Все поверхности менисков имеют сферический профиль. Второй и третий мениски имеют значительную толщину по оси, поскольку она позволяет лучшим образом скорректировать геометрические аберрации. Относительная длина объектива - 1,75; фокусное расстояние - 100 мм; высокое относительное отверстие – 1:0,75.
-1
Для сравнения этого объектива с заявляемым объективом проведено его масштабирование на фокусное расстояние 50 мм. Контраст изображения для точки на оси составляет не более 0,6 при пространственной частоте 20 мм, а на краях поля зрения - 0,25. При этом 80% энергии сосредоточено в кружках соответственно 28 мкм на оси и 70 мкм на краях поля зрения.
Проведенный расчет выявил следующие недостатки объектива: низкое качество изображения по краю поля зрения с диагональю изображения 13,6 мм, большая длина объектива при фокусном расстоянии 50 мм - 87,7 мм, большая масса объектива - 300 г.
1
2
3
1
2
3
Наиболее близким к заявляемому техническому решению - прототипом - является инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив по патенту РФ №2348953, G02B 13/14. Объектив содержит последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, второй отрицательный мениск и третий положительный мениск. Первый и третий мениски обращены вогнутостью к плоскости изображений, второй - к пространству предметов. Все преломляющие поверхности выполнены сферическими. Длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений не превышает 1,8 фокусного расстояния объектива. Показатель преломления материала первого и третьего положительных менисков для основной длины волны рабочего спектрального диапазона не менее 4,0, а второго мениска - не более 2,5. Выполняются следующие соотношения: ϕ=(0,6÷0,7)ϕ, ϕ=-(0,15÷0,5)ϕ, ϕ=(1,3÷2)ϕ, где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - оптические силы первого, второго, третьего менисков и объектива в целом; D2 = (0,5÷1)f', где: D2 - расстояние вдоль оптической оси между первым и вторым менисками; f' - фокусное расстояние объектива.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Объектив недостаточно технологичен. Вторая линза расположена посередине объектива, что приводит к ужесточению допусков на ее установку в корпусе объектива и усложняет процесс сборки и юстировки объектива.
-1
2. Объектив имеет низкое качество изображения. Анализ функции концентрации энергии по конструктивным элементам объектива, приведенным в изобретении и масштабированным на фокусное расстояние 50 мм, показал, что 80% энергии сосредоточено в кружке диаметром 40 мкм для осевой точки предмета и в кружке диаметром 84 мкм для края поля зрения. Это происходит из-за наличия в объективе аберраций высших порядков, обусловленных большим углом падения лучей к нормали первой поверхности второго мениска. Анализ астигматизма показал наличие большой кривизны поверхности изображения по краю поля зрения. В результате контраст изображения для пространственной частоты 20 мм для точки на оси составляет 0,42, а на краю диагонали матрицы - 0,05.
3. Объектив в пересчете на фокусное расстояние 50 мм имеет большую массу (250 грамм) и большую длину - 87 мм. В подавляющем большинстве трехлинзовых инфракрасных объективов для спектрального диапазона 8-12 мкм используются материалы германий (Ge), селенид цинка (ZnSe) и сульфид цинка (ZnS) и их следующая комбинация: Ge-ZnSe-Ge или Ge-ZnS-Ge. В прототипе используется комбинация материалов менисков Ge-ZnSe-Ge. Такой выбор материалов при оптимизации приводит к расположению второго мениска в середине объектива, что в свою очередь приводит к увеличению его габаритов, массы и ухудшению качества изображения на краях поля зрения.
Техническая проблема заключается в достижении следующих технических результатов: повышение технологичности объектива, улучшение качества изображения по всему полю зрения, снижение габаритов и массы объектива.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом.
Инфракрасный трехлинзовый объектив, как и прототип, содержит последовательно расположенные по ходу лучей три мениска, первый и третий из которых - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а второй - отрицательный, причем первый мениск выполнен из германия. В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее. Второй мениск обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений и выполнен из халькогенидного стекла IRG-22 или IRG-25, третий мениск выполнен из халькогенидного стекла IRG-26 или из бескислородного стекла ИКС-25, вогнутая поверхность первого мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,28 до 0,52, при этом выполняются следующие соотношения:
1
ϕ = (0,77÷1,00)ϕ,
2
ϕ = -(2,00÷2,45)ϕ,
3
ϕ = (2,80÷3,20)ϕ,
1
2
3
где: ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго и третьего менисков;
ϕ - оптическая сила объектива.
D2 = (0,58÷0,86)f', где: D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
f' - фокусное расстояние объектива.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с реальным ходом лучей для осевой и диагональной точек поля зрения.
На фиг. 2 приведен контраст изображения (ЧКХ) объектива при воздействии допусков, рассчитанный по методу Монте-Карло.
На фиг. 3 приведен контраст изображения (ЧКХ) номинального объектива по всему полю зрения.
На фиг. 4 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ).
На фиг. 5 приведена функция рассеяния точки (ФРТ).
На фиг. 6 приведены графики астигматизма и дисторсии.
Инфракрасный трехлинзовый объектив (фиг. 1) содержит три установленных по ходу лучей мениска 1, 2, 3. Плоскопараллельная пластина 4 выполнена из кремния и служит защитным стеклом микроболометической матрицы 5, установленной в плоскости изображений объектива. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия, его вторая (вогнутая) по ходу лучей поверхность - асферическая. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из халькогенидного стекла IRG-22 фирмы SCHOTT. Мениск 3 - положительный, выполненный из халькогенидного стекла IRG-26 фирмы SCHOTT. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений.
* - асферизованная поверхность.
Оптические характеристики объектива:
Фокусное расстояние 50 мм
Относительное отверстие 1:1,05
Поле зрения 12,4°×9,3°
Спектральный диапазон 8-12 мкм;
Длина объектива 64,5 мм
1
2
3
Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие значения относительных оптических сил и конической постоянной К: ϕ = 0,838ϕ, ϕ = -2,30ϕ, ϕ = 2,9ϕ, К=0,325. Воздушный промежуток между менисками 1 и 2: D2=0,732 f'.
Длина объектива составляет 64,5 мм, в 1,35 раза меньше, чем у прототипа (87 мм), масса - 63 грамма, в 4 раза меньше, чем у прототипа (250 грамм).
Объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3 и защитное стекло 4 и сходятся в плоскости изображений - на матрице 5. Главный луч наклонного пучка лучей ВС идет параллельно оптической оси в плоскости изображений, что способствует исправлению таких аберраций, как кома, дисторсия и астигматизм. Расчет аберраций производился для косых пучков лучей (точки С, D), а ход лучей на фиг. 1 показан для удобства в меридиональной плоскости. Точке D соответствует угол поля зрения 7,75°, а точке С - угол поля зрения 5,36°.
В предлагаемом объективе мениск 2 выполнен из материала IRG-22 с показателем преломления 2,4976 для длины волны 10 мкм, а мениск 3 - из материала IRG-26 с показателем преломления 2,7782 для длины волны 10 мкм. Это, с одной стороны, способствует устранению сферохроматической аберрации, а с другой стороны, асферизация второй поверхности мениска 1 привела к тому, что мениски 2 и 3 при оптимизации расположились на значительном расстоянии от мениска 1 вблизи плоскости изображений. В связи с этим, несмотря на то, что мениски 2 и 3 обладают большими оптическими силами, их децентрировка и точность установки по оптической оси мало влияют на качество изображения. В настоящее время достигнутая точность асферизации составляет порядка 0,3÷0,5 мкм, что достаточно для предлагаемого объектива.
В таблице 2 даны допуски, позволяющие производить сборку объектива «насыпным» методом без специальной центрировки менисков 1, 2, 3 в оправах.
Стабильность качества изображения объектива при наличии указанных допусков подтверждена анализом по методу Монте-Карло, моделирующим эффект одновременного воздействия допусков на всю систему. Для каждого Монте-Карло-цикла все параметры, для которых установлены допуски, изменяются случайным образом в соответствии с законом нормального распределения с полной шириной, равной четырем стандартным отклонениям.
График ЧКХ изображения при введении допусков по таблице 2 для осевой точки предмета приведен на фиг. 2. Как видно из фиг. 2, падение ЧКХ для двадцати циклов Монте-Карло незначительно и лежит в среднем на уровне 0,65, что свидетельствует о стабильности качества изображения при сборке объектива «насыпным» методом.
Рассмотрим номинальные характеристики качества изображения объектива: ЧКХ, ФКЭ, ФРТ, астигматизм и дисторсию. В примере выполнения объектива радиусы поверхностей оптических деталей подогнаны под первый класс в соответствии с ГОСТ 1807-75, что снизило качество изображения примерно на 7÷10%.
-1
На фиг. 3 представлена ЧКХ объектива на пространственной частоте 20 мм. Верхняя прямая соответствует дифракционно ограниченному объективу. По оси ординат отложен модуль передаточной функции. ЧКХ реального объектива с широкими допусками на изготовление и сборку объектива (фиг. 2) и номинального объектива (фиг. 3) отличаются друг от друга незначительно.
Функция концентрации энергии в пятне рассеяния позволяет вычислить диаметр пятна рассеяния, в котором сосредоточено 80% энергии, или решить обратную задачу: определить, какой процент энергии попадает на пиксель заданного размера. На фиг. 4 по оси ординат отложен процент концентрации энергии в относительных единицах, а по оси абсцисс - радиус дифракционного пятна рассеяния с учетом геометрических аберраций. Поскольку объективы обладают осевой симметрией, на графиках фиг. 4 и фиг. 5 даны половинные углы поля зрения.
Функция рассеяния точки (фиг. 5) наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении. Размер квадратов составляет 0,1×0,1 мм. ФРТ представлена для осевой точки поля зрения (0°) и для диагональных (косых лучей) полей 5,36° и 7,75°. В поле каждого квадрата впечатан диаметр кружка рассеяния, в котором сосредоточено 80% энергии: 0,024 мм, 0,028 мм, 0,032 мм. Эти результаты получены из графиков ФКЭ. Кроме того, на каждое пятно впечатан дифракционный диск Эри диаметром 0,032 мм. Из фиг. 5 видно, что все пятна рассеяния вписываются в диск Эри, что подтверждает высокое качество изображения объектива.
На фиг. 6 представлены астигматизм и дисторсия объектива по всему диагональному полю зрения 7,75°. Благодаря телецентрическому ходу главного луча в пространстве изображений в объективе исправлены астигматизм и дисторсия.
Объектив способен работать в температурном диапазоне ±50°С путем его незначительного перемещения вдоль оптической оси без ухудшения качества изображения.
1
2
3
Указанные технические результаты достигаются также при выполнении мениска 2 из халькогенидного стекла IRG-25 фирмы SCHOTT, мениска 3 - из отечественного бескислородного стекла ИКС-25, при конической постоянной К в пределах от 0,28 до 0,52 и при всех заявленных соотношениях: ϕ = (0,77÷1,00)ϕ, ϕ = -(2,00÷2,45)ϕ, ϕ = (2,80÷3,20)ϕ, D2=(0,58÷0,86)f'.
Таким образом, предложенный объектив прост в изготовлении менисков и сборке всего объектива, обладает качеством изображения, близким к дифракционному в широком поле зрения 12,4°×9,3° и при высоком относительным отверстии 1:1,05, имеет небольшие габариты и массу.