ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ФОКУСИРОВКИ
INFRARED LENS WITH TEMPERATURE COMPENSATION OF FOCUSING

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве светосильного объектива к оптико-электронным приборам, работающим в дальней РЖ области спектра в условиях больших изменений температуры окружающей среды.
Известна оптическая система с температурной компенсацией фокусировки (патент RU 2343511 С2, опубл. 10.01.2009), содержащая по крайней мере одну линзу с оправой, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса, и упруго закрепленный между оправой и корпусом узел температурной компенсации, содержащий компенсационный элемент, изготовленный из материала с отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения и установленный параллельно оптической оси. Узел температурной компенсации здесь выполнен в виде шарнирного механизма, содержащего коромысло, упругий элемент и прижим, при этом компенсационный элемент жестко соединен одним концом с корпусом, а другим концом шарнирно соединен с первым плечом коромысла, которое установлено с возможностью качения относительно первого кулачка, выполненного на корпусе, второе плечо коромысла состыковано с помощью прижима со вторым кулачком, выполненным на оправе и расположенным диаметрально противоположно первому, и соединено через упругий элемент с корпусом. Такая конструкция обеспечивает увеличение значения возможного перемещения линзы с оправой при сильной расфокусировке оптической системы
Недостатком этого объектива является то, что предложенная конструкция не позволяет осуществлять точную фокусировку высокосветосильных систем при наличии разброса значений коэффициента линейного расширения на разных участках рабочего диапазона температур у материала, из которого изготавливается компенсационный элемент.
Наиболее близкой по технической сущности является оптическая система (патент Японии №271957, М. кл. G02B 7/10, опубл. 25.09.1995) с подвижными линзами, содержащая приводы для перемещения линз, детекторы для определения положения линз, память для хранения данных о положениях линз и систему управления, которая на основе результатов детектирования положения линз, данных памяти и результатов измерения температуры сохраняет наилучшую фокусировку системы.
Недостатком этого устройства является то, что точность отработки алгоритма системы управления, т.е выставление положения линз, обеспечивающих наилучшую фокусировку оптической системы, зависит от точности измерений положения линз и температуры, а также от заложенных в алгоритм температурных зависимостей свойств системы. Эта точность может оказаться недостаточной для прецизионных систем, работающих в широком диапазоне измерения температуры окружающей среды, особенно для оптических систем, сочетающих сверхвысокие значения светосилы (достигающие значений ~ 1:0,7) с малым размером пикселя фотоприемника (достигающим ~ 12 мкм), что обуславливает чрезвычайно малую глубину резкости, величина которой может составлять единицы микрон (~ 0,0084 мм).
Задачей настоящего изобретения является обеспечение высокого качества изображения объектива и повышение точности совмещения положения плоскости наилучшей установки объектива с плоскостью фотоприемного устройства в широком диапазоне изменения внешних температур при сверхвысоких значениях светосилы объектива и малых размерах пикселя фотоприемника, обуславливающих малую глубину резкости.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в инфракрасном объективе с температурной компенсацией фокусировки, содержащем линзы, установленные в корпусе, узел температурной компенсации, включающий привод перемещения и датчик температуры, встроенный в корпус объектива, в отличие от известного, содержатся три линзы и апертурная диафрагма, расположенная между первой и второй линзами, причем первая поверхность первой линзы выполнена асферической, также содержится фотоприемное устройство с встроенным датчиком температуры, установленное в оправе с возможностью перемещения ее вдоль оптической оси относительно корпуса инфракрасного объектива, а узел температурной компенсации содержит компенсационное кольцо, соединенное резьбовыми соединениями с корпусом объектива, оправой фотоприемника и зубчатой передачей с приводом перемещения, компенсатор «мертвого хода» перемещения оправы фотоприемника, датчик угла поворота, соединенный зубчатой передачей с компенсационным кольцом, и микропроцессорное устройство, при этом выходы датчиков температуры, встроенных в объектив и в фотоприемное устройство, а также выход датчика угла поворота компенсационного кольца связаны со входом микропроцессорного устройства, а выход микропроцессорного устройства соединен с входом привода перемещения, при этом выполняются следующие соотношения:
об
1-2
об
ƒ<d≤1,5⋅ƒ
об
где ƒ - фокусное расстояние объектива;
1-2
d - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами объектива;
δ - точность совмещения ПНУ с плоскостью фотоприемного устройства;
к
Δ - осевое перемещение оправы фотоприемного устройства относительно корпуса объектива за один оборот компенсационного кольца;
к
В - максимальный рабочий угол поворота резьбового кольца;
ДУ
Δβ - точность датчика угла поворота;
П
N - передаточное отношение зубчатой передачи;
К
О
Р и Р - шаг резьбы участков резьбового кольца, соединенных с корпусом объектива и с оправой фотоприемного устройства соответственно.
Программа микропроцессорного устройства управляет приводом перемещения, вращая компенсационное кольцо, перемещающее фотоприемное устройство и устраняющее изменение от влияния разброса температурных коэффициентов линейного расширения материалов оптических элементов, корпуса и оправ, из которых изготовлен конкретный инфракрасный объектив, при соответствующей калибровке объектива в климатической камере.
Схема объектива показана на фигуре 1.
Объектив содержит первый по ходу луча компонент - положительный мениск 1, апертурную диафрагму АД, второй компонент - отрицательный мениск 2 и третий компонент - положительный мениск 3, корпус 4 объектива, компенсационное кольцо 5, компенсатор «мертвого хода» 6, оправу 7 фотоприемного устройства, фотоприемное устройство 8, датчик температуры 9, встроенный в корпус объектива, привод перемещения - электродвигатель 10, фиксатор 11 корпуса объектива и оправы фотоприемного устройства, датчик 12 углового положения компенсационного кольца 5 относительно оправы фотоприемного устройства 8, датчик температуры 13, встроенный в фотоприемное устройство 8, микропроцессорное устройство 14 и блок питания 15 бортсети объекта применения.
Конструктивные данные варианта оптической части объектива, рассчитанного совместно с защитным стеклом объекта применения, приведены в таблице 1.
Применение одной асферической поверхности 2-го порядка на 1-й поверхности линзы 1 и расположение апертурной диафрагмы АД в увеличенном воздушном промежутке между линзами 1 и 2 позволили обеспечить малые кружки рассеяния, сравнимые с диском Эйри, в пределах нормированного поля зрения 6,5 мм при светосиле 1:0,7.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла фотоприемного устройства 8, равную 1,1 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемного устройства 8 и светопропускания объектива -1,0 (на длинах волны 8 мкм, 9 мкм, 10,6 мкм, 12 мкм и 13 мкм) и 0,5 на длине волны 14 мкм;
- пространственную частоту 30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемного устройства 8 с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм),
получим следующие расчетные значения качественных характеристик объектива при внешней температуре +20°С, соответствующей нормальным климатическим условиям:
- для точки на оси (дифракционное качество) - КПК=70,5%;
- для точки на оси (аберрационное качество) - КПК=54,9%;
М
С
- для точки поля ±3,25 мм от центра изображения КПК=50,8%, КПК=52,7%.
Как видно из расчетов, инфракрасный объектив обеспечивает высокое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемного устройства микроболометрические матрицы с размером пикселя ~ 17 мкм.
Принцип действия объектива заключается в следующем.
Оптическая схема объектива, состоящего из линз 1, 2, 3 и апертурной диафрагмы АД, расположенной между линзами 1 и 2, обеспечивает наилучшее качество изображения в плоскости наилучшей установки (ПНУ), с которой на этапе сборки объектива при нормальной температуре окружающей среды, равной ~ 20°С наиболее точно совмещается плоскость фотоприемного устройства 8 путем разворота компенсационного кольца 5, при этом выполняется следующее соотношение:
об
1-2
об
ƒ<d≤1,5⋅ƒ,
об
где ƒ - фокусное расстояние объектива;
1-2
d - воздушный промежуток между первым 1 и вторым 2 компонентами объектива.
Выполнение соотношения оптимизирует качество изображения и минимизирует вес линз 1 и 2 и вес объектива в целом.
При изменении температуры окружающего среды изменяются линейные размеры, радиусы кривизны оптических поверхностей, показатели преломления материалов линз, а также длины и диаметры корпуса и оправ. Это приводит к изменению воздушных промежутков между линзами и заднего фокального отрезка объектива, вследствие чего ПНУ сдвигается относительно плоскости фотоприемного устройства 8 и происходит расфокусировка объектива, причем при понижении температуры ПНУ отодвигается от линзы 3 объектива на достаточно большую величину, а при повышении - придвигается к линзе 3. В заданном диапазоне температур от минус 40 до +50°С плоскость наилучшей установки объектива смещается от +0,41 мм до минус 0,202 мм соответственно.
Необходимое для сохранения качества изображения изменение величины воздушного промежутка d10 в зависимости от изменения температуры при этом приведены в таблице 2.
корп
Таблица справедлива при использовании для изготовления всех механических деталей (корпусов, оправ и колец) материала Д16 (α=0,0000222).
К
О
Изменение величины воздушного промежутка d10 осуществляется приводом перемещения 10 с применением компенсационного кольца 5, имеющего два внутренних резьбовых участка с разным шагом резьбы Р и Р, первый из которых соединен с соответствующей резьбой участка корпуса 4, а второй - с соответствующей резьбой участка оправы 7 фотоприемного устройства 8. Вращение компенсационного кольца 5, осуществляемое приводом 10 по командам с микропроцессорного устройства 14, осуществляет перемещение оправы 7 с фотоприемным устройством 8, совмещая ПНУ с плоскостью фотоприемного устройства 8 с точностью, определяемой следующим соотношением:
где δ - точность совмещения ПНУ объектива с плоскостью фотоприемного устройства 8;
к
Δ - осевое перемещение оправы 7 фотоприемного устройства 8 относительно корпуса 4 объектива за один оборот компенсационного кольца 5;
к
В - максимальный рабочий угол поворота компенсационного кольца 5;
ДУ
Δβ - точность датчика угла поворота 12;
П
N - передаточное отношение зубчатой передачи.
Перемещение оправы 7 с фотоприемным устройством 8 осуществляется за счет разности шагов первого и второго резьбовых участков и определяется следующим соотношением:
к
к
о
Δ=Р-Р,
к
о
где Р и Р - шаг резьбы участков компенсационного кольца, соединенных с корпусом объектива 4 и с оправой 7 фотоприемного устройства 8 соответственно.
Фиксатор 11 служит для фиксации корпуса объектива 4 и оправы 7 фотоприемного устройства 8, предохраняя их от углового разворота при вращении компенсационного кольца 5, не ограничивая при этом осевое перемещение оправы 7 с фотоприемным устройством 8 относительно корпуса объектива 4.
В качестве компенсатора «мертвого хода» резьбовых соединений используется пружина 6, которая создает постоянное усилие, отжимающее оправу 7 от корпуса 4, выбирая зазоры в резьбах корпуса 4, компенсационного кольца 5 и оправы 7.
Микропроцессорное устройство 14 принимает сигналы с выходов датчиков температуры 9 и 13, встроенных в корпус 4 объектива и в фотоприемное устройство 8 соответственно, а также сигнал с выхода датчика 12 угла поворота компенсационного кольца 5.
Блок питания 15 обеспечивает электропитание фотоприемного 8 и микропроцессорного 14 устройств.
Программа микропроцессорного устройства 14 преобразует входные сигналы и выдает управляющие сигналы на привод перемещения 10 для управления поворотом компенсационного кольца 5, угловой разворот которого перемещает оправу 7 с фотоприемным устройством 8 на величину, соответствующую среднему значению от температур, измеренных датчиками температуры 9 и 13. Угол поворота компенсационного кольца 5 соответствует изменению величины d10 в соответствии с табличными значениями (табл. 2), либо со значениями d10, зафиксированными микропроцессорным устройством 14 и полученными при непосредственной калибровке объектива, включенного в климатической камере, при принудительной отработке привода управления 10 и фокусировке по наилучшему изображению при разных значениях внешней температуры. Использование двух датчиков температуры 9 и 13 повышает точность определения температуры. В рабочих режимах программа микроконтроллера может линейно интерполировать значения d10 в промежуточных точках температур, не охваченных значениями температур калибровки.
Точность отработки величины d10 зависит также от точности применяемого датчика 12 угла поворота компенсационного кольца 5.
В варианте исполнения используются следующие элементы:
- привод перемещения 10 - электродвигатель типа ДПР-2-Н1;
К
О
- компенсационное кольцо со значениями шагов резьбовых участков Р=1,0 мм и Р=1,5 мм;
- датчик угла поворота 12 - типа ЭУПМ-360-М7 со значением ошибки определения угла, равной ±0,3°;
П
- зубчатая передача цилиндрического типа для привода перемещения и датчика угла, соединенных с компенсационным кольцом, с передаточным отношением N=5.
К
В этом случае при повороте компенсационного кольца 5 на один оборот (360°) осевое перемещение оправы фотоприемного устройства относительно корпуса объектива составит величину Δ=0,5 мм, что превышает максимально возможное изменение d10, равное 0,41 мм при минус 40°С, и является достаточным.
При этом максимальный рабочий угол поворота будет иметь место при изменении температуры от плюс 20 до минус 40°С и составит
К
β=0,41⋅360/0,5=295,2°.
Тогда точность совмещения ПНУ объектива с плоскостью фотоприемного устройства 8 будет укладываться в следующий диапазон значений:
0,1 мкм ≤δ≤0,5 мкм.
Полученная точность удовлетворяет практическому использованию, так как максимально допустимая точность совмещения при светосиле объектива 1:0,7 и при размере пикселя фотоприемника 0,017 мкм составляет величину, равную 0,7⋅0,017 = 0,0119 мм = 11,9 мкм (И.А. Турыгин, Прикладная оптика, Машиностроение, Москва, 1966 г., стр. 14).
При достигнутых значениях точности совмещения ПНУ с фотоприемным устройством 8 путем изменения воздушного промежутка d10 получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива.
При внешней температуре плюс 50°С:
- для точки на оси (дифракционное качество) - КПК=70,3%;
- для точки на оси (аберрационное качество) - КПК=58,4%;
М
С
- для точки поля ±3,25 мм от центра изображения КПК=42,0%, КПК=40,7%.
При внешней температуре минус 40°С:
- для точки на оси (дифракционное качество) - КПК=70,8%;
- для точки на оси (аберрационное качество) - КПК=45,9%;
М
С
- для точки поля ±3,25 мм от центра изображения КПК=44,2%, КПК=41,3%.
Как видно из расчетов, инфракрасный объектив обеспечивает приемлемое качество изображения (не менее 40% для центра поля зрения и не менее 35% для края поля зрения) для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемника микроболометрические матрицы с размером пикселя до 17 мкм в рабочем диапазоне температур от минус 40 до плюс 50°С.