СВЕТОСИЛЬНЫЙ ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
HIGH-APERTURE WIDE-ANGLE OBJECTIVE LENS FOR INFRARED SPECTRUM

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в обзорных системах наблюдения, работающих с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), преимущественно охлаждаемыми, в «окне прозрачности» атмосферы в инфракрасном диапазоне оптического спектра.
Известно, что эффективность объектива определяется набором параметров, включающих светосилу, величину угла поля зрения, значение функции передачи модуляции (ФПМ), положение входного и выходного зрачков, наличие фоновых засветок. Совокупность этих характеристик определяет качество получаемого изображения.
Известен светосильный широкоугольный линзовый объектив для дальней ИК области спектра в диапазоне от 8,0 до 14,0 мкм [Пат. США №5502592, МПК G02B 13/14, G02B 13/06, G02B 9/62, опубл. 26. 03.1996], включающий группу оптических элементов из четырех менисков и апертурную диафрагму, расположенную после четвертого мениска. Входной мениск формирует излучение в угле поля зрения, равном 270°, а последующие оптические элементы обеспечивают фокусирование потока излучения и минимизацию аберраций. К его основным недостаткам следует отнести невысокое качество изображения объекта, при котором сильно искажены его геометрические пропорции, в особенности по краю поля зрения. У него большой диаметр и масса.
Известен выбранный в качестве прототипа светосильный широкоугольный линзовый объектив для инфракрасной области спектра [Пат. RU №2385475 (вар.1), МПК G02B 13/14, G02B 9/60, приор. 07.08.2008]. Объектив содержит пять оптических элементов, выполненных из германия, первый и пятый по ходу лучей - отрицательные мениски, второй, третий и четвертый - линзы, первый мениск обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов и обеспечивает угол поля зрения 150°, пятый мениск обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а апертурная диафрагма размещена в воздушном промежутке между пятым мениском и плоскостью изображений. Этот объектив рассчитан на работу в дальнем инфракрасном диапазоне от 8,0 до 14,0 мкм. К основным недостаткам относится низкое качество изображения и его неравномерность по полю зрения, вызванные большими хроматическими аберрациями и влиянием фоновых засветок от корпуса, а также повышенные габариты, его длина превышает фокусное расстояние в 22 раза.
Предложенный светосильный широкоугольный линзовый объектив работает в ИК области спектра в пределах от 2,0 до 6,0 мкм, обеспечивает высокое качество изображения и равномерность по полю зрения в угле ±40°, имеет малые габариты и массу.
Авторам не известны светосильные широкоугольные линзовые объективы для ИК области спектра в диапазоне от 2,0 до 6,0 мкм, в которых были бы реализованы указанные признаки. Изобретение основано на установленной заявителями зависимости между оптическими силами, взаимным расположением оптических элементов, их габаритами и формой с одной стороны и качеством изображения при заданном соотношении характеристик МФПУ и диаметра объектива с другой.
1
2
3
4
5
1
5
1-2
1-2
2-3
2-3
3-4
3-4
4-5
4-5
5-АД
5-АД
2
2
1
2
1
Такой технический результат получен, когда в светосильном широкоугольном линзовом объективе для ИК области спектра, включающем апертурную диафрагму и пять оптических элементов, преломляющие поверхности которых выполнены сферическими, где первый, второй, третий и пятый элементы по ходу лучей - мениски, первый обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между пятым мениском и фокальной плоскостью, а первый и четвертый элементы выполнены из германия, новым является то, что четвертый оптический элемент также выполнен в форме мениска, второй мениск выполнен с наибольшим диаметром, второй, четвертый и пятый мениски обращены вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий - выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй, третий и пятый мениски выполнены из монокристаллического кремния, при этом оптические силы φ менисков выбраны из условий: (0.62<φ<0.66), (0.16<φ<0.20), (0.18<φ<0.22), (0.35<φ<0.39), (0.30<φ<0.34), где φ-φ - оптические силы первого-пятого менисков, соответственно, расстояние по оси объектива между соседними оптическими элементами найдено равным D·f, где D - коэффициент, f - фокусное расстояние объектива, при этом коэффициент D, определяющий расстояние между первым и вторым менисками, выбран из условия (5,0<D<6,0), коэффициент D - между вторым и третьим менисками из условия (0,15<D<0,25), коэффициент D - между третьим и четвертым менисками из условия (0,85<D<0,95), коэффициент D между четвертым и пятым менисками из условия (0,1<D<0,2), коэффициент D между пятым мениском и апертурной диафрагмой из условия (1,3<D<1,5), диаметр ⌀ второго мениска выбран из условия (3,5γ<⌀<4,0γ), где γ - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства, причем ⌀<⌀, где ⌀ - диаметр входного мениска, а положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива.
Если используют охлаждаемое МФПУ для минимизации фоновых засветок, то апертурную диафрагму выполняют с возможностью захолаживания (п.2 Формулы).
Подходы к расчету характеристик оптических элементов: оптических сил, формы, габаритов и расстояний между ними на основе выбранной оптической схемы и параметров МФПУ - известны [1, 2].
На чертеже представлена оптическая схема предложенного устройства, где первый по ходу лучей мениск - 1, второй мениск - 2, третий мениск - 3, четвертый мениск - 4, пятый мениск - 5;
1
АД - апертурная диафрагма, F - фокальная плоскость;
→ - ход лучей,  - знак оптического материала.
Объектив работает следующим образом.
Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки объекта наблюдения, проходит последовательно мениски 1-5 объектива и фокусируется в плоскости матричного фотоприемного устройства (МФПУ). Объектив функционально построен из двух частей: первой - в виде отрицательного мениска 1, собирающего наклонные пучки в пределах ±40° относительно оси объектива и направляющего их во вторую функциональную часть, которая состоит из четырех оптических элементов, где первый и второй положительные мениски работают совместно и преобразуют расходящийся после первого мениска осевой поток излучения в сходящийся с одновременной коррекцией сферической и хроматической аберраций. Третий отрицательный и четвертый положительный мениски второй части с практически одинаковыми оптическими силами создают в паре афокальный компенсатор аберраций широких наклонных потоков излучения. Найденные формы всех менисков, их габариты и взаимное расположение обеспечивают минимизацию всех типов искажений изображения применительно к выбранному спектральному диапазону и полю зрения, а также фокусирование излучения так, что размер пятна рассеяния в фокальной плоскости соразмерен величине пикселя МФПУ. Выбор конструкции, в которой диаметр первого мениска меньше габаритов второго мениска, способствует эффективному решению поставленной задачи согласования качества изображения с возможностями МФПУ при минимальном количестве оптических элементов. Если используют охлаждаемое МФПУ, применяют захолаживание апертурной диафрагмы, что обеспечивает устранение фоновых засветок от корпуса объектива, способствует повышению светосилы и контраста изображения (см. п.2 Формулы)
Пример конкретного исполнения.
Из характеристик МФПУ определяют исходные требования к величине угла поля зрения, светосиле, габаритным размерам объектива и качеству изображения. По выявленной зависимости между оптическими характеристиками и формой оптических элементов выбирают принципиальную оптическую схему объектива и производят оптический расчет. Параметры светосильного широкоугольного объектива для ИК области спектра, нормированные на значение фокусного расстояния, равного 1, приведены в таблице 1. Исходя из заданного угла поля зрения, определяемого параметрами системы наблюдения не более 80° и линейного размера МФПУ, равного 11.52 мм по диагонали, величина фокусного расстояния объектива составила 8,5 мм. Для заданной светосилы объектива было выбрано положение апертурной диафрагмы относительно МФПУ и определен ее диаметр в 14,0 мм, после чего определен диаметр входного зрачка в 5.63 мм, как изображение апертурной диафрагмы диаметром 14 мм в обратном ходе лучей через предшествующие части объектива. Используя приведенные в таблице 1 значения, методом последовательных приближений осуществляют стандартную оптимизацию, например, по методу наименьших квадратов, входящую в состав всех программ для оптических расчетов. В результате получают точные величины оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей, толщин для первого мениска и второй группы оптических элементов, включающей второй, третий, четвертый и пятый мениски, а также промежутков между ними. По ходу прохождения осевого и наклонных пучков лучей последовательно определяют диаметры менисков объектива. Все перечисленные характеристики объектива для выбранного МФПУ приведены в таблицах 2 и 3. Длина объектива от входной поверхности до фокальной плоскости составляет 101,9 мм, то есть 12,0 фокусных расстояний, наибольший диаметр 42,2 мм, масса 48 г. Например, у объектива-прототипа длина 197,5 мм, диаметр 92,3 мм, масса 252 г.
в
г
д
Четыре таблицы иллюстрируют качественные характеристики изображения, полученного с использованием объектива с вышеназванными параметрами, где показаны функции передачи модуляции в зависимости от угла поля зрения ω в меридиональном и саггитальном сечениях в сравнении с дифракционным разрешением, где ω=22°37' - угол поля зрения матрицы по вертикали, ω=31°12' - по горизонтали, ω=39°11' - по диагонали.
Достоинствами заявленного объектива являются высокое качество изображения и его равномерность по полю, малые габариты и масса, при высокой светосиле и большом угле поле зрения, возможность совмещения параметров с конкретными МФПУ, работающими в среднем ИК спектральном диапазоне.
Таблица 1
Номер мениска на чертеже
Оптическая сила φ мениска
Коэффициент D для расчета расстояния между менисками по оси
Диаметр оптических элементов, мм
1
-0.637
5.42
2.69
2
0.179
0.21
4.94
3
0.202
0.88
4.25
4
-0.370
0.16
3.59
5
0.318
0.58
3.73
Таблица 2
Фокусное расстояние f', мм
8.50
Относительное отверстие
1:1.51
Угловое поле зрения по горизонтали, град.
62°24'
Диаметр входного зрачка, мм
5.63
Линейный размер приемника по горизонтали, мм
9.216
Угловое поле зрения по вертикали, град.
45°14'
Линейный размер приемника по вертикали, мм
6.912
Угловое поле зрения по диагонали, мм
78°22'
Линейный размер приемника по диагонали, мм
11.52
Спектральный диапазон, мкм
3.5÷5.5
Диаметр апертурной диафрагмы, мм
14.0
Расстояние между пятым мениском и МФПУ, мм
20
Точность установки МФПУ, мм
±0,002
Таблица 3
№ на чертеже
номер поверхности
радиус кривизны, мм
диаметр ⌀, мм
толщина, мм
расстояние по оси, мм
материал
1 мениск
1
20.89
22.9
2.6
D<sub>1-2</sub>·f=46.1
германий
2
12.472
18.4
2 мениск
3
-55.08
40.3
5
D<sub>2-3</sub>·f=1.8
кремний
4
-39.63
42.2
3 мениск
5
50.59
36.2
4.3
D<sub>3-4</sub>·f=7.5
кремний
6
94.41
34.5
4 мениск
7
-37.14
29.2
2.7
D<sub>4-5</sub>·f=1.4
германий
8
-84.34
30.8
5 мениск
9
-116.15
31.3
4.3
D<sub>5-АД</sub>·f =10.53
кремний
10
-42.675
32.0
Таблица 4
линейное разрешение, мм<sup>-1</sup>
Теоретич. дифракция
ω=0°
ω<sub>в</sub>=22°37'
ω<sub>г</sub>=31°12'
ω<sub>д</sub>=39°11'
мер.
саг.
мер.
саг.
мер.
саг.
5
0.97
0.95
0.79
0.95
0.69
0.94
0.72
0.86
10
0.91
0.91
0.52
0.89
0.41
0.85
0.50
0.59
15
0.87
0.86
0.35
0.83
0.25
0.74
0.34
0.32
20
0.83
0.81
0.25
0.76
0.17
0.64
0.22
0.18
25
0.78
0.77
0.18
0.71
0.14
0.53
0.15
0.13
30
0.74
0.72
0.14
0.65
0.11
0.44
0.11
0.10
35
0.70
0.68
0.12
0.60
0.09
0.36
0.09
0.08
40
0.66
0.64
0.09
0.55
0.07
0.29
0.07
0.06
Источники информации:
1. Г.Г.Слюсарев. Расчет оптических систем. - Л.: Машиностроение, 1975 г., с.206-291.
2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы “смотрящего” типа. - М.: Логос, 2004 г. - 444 с.