Атермализованный объектив для ИК-области спектра
ATHERMALISED LENS FOR INFRARED SPECTRUM

Изобретение относится к области инфракрасной (ИК) оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур. Спектральная область работы объектива 8-12 мкм.
В отечественной промышленности для спектральной области 8-12 мкм существует очень ограниченный ассортимент материалов, которые не растворяются в воде, а именно: германий, селенид цинка и бескислородные стекла, в частности ИКС-25.
Особой популярностью пользуется германий, обладающий очень высоким показателем преломления (n=4), низкой дисперсией и нетоксичностью. Однако, этот материал обладает сильной зависимостью показателя преломления от температуры (dn/dt), на порядок выше, чем у других материалов.
Несмотря на это, за счет подвижек вдоль оси всего объектива или его отдельных элементов можно осуществить атермализацию (термокомпенсацию) для предотвращения деградации контраста изображения при изменении температуры в диапазоне от -50°C до +50°C.
Известен объектив для ИК-области спектра, в котором атермализация осуществляется перемещением двух менисков вдоль оптической оси. Объектив содержит четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями. Установлены соотношения между оптическими силами менисков. Третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси [Патент РФ№115514от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14].
Первый мениск выполнен из германия, обладающего максимальной зависимостью показателя преломления от температуры. Этот мениск имеет наибольшую оптическую силу и максимальное влияние на температурную дефокусировку изображения. Последующие элементы объектива не способны компенсировать дефокусировку, вносимую первым мениском. При работе в температурном диапазоне ±50°C необходимо перемещать мениски вдоль оптической оси. Это усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу. Последнее обстоятельство очень важно в случае применения тепловизора с таким объективом в носимом варианте или на беспилотных летательных аппаратах, где дополнительно необходим редуктор и источник энергии (батарейки) для перемещения элементов объектива.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является атермализованный объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2538423 от 08.10.2013 г., МПК G02B 9/38, G02B 11/22, G02B 13/14. Объектив содержит размещенные в корпусе четыре мениска, первый из которых - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный, выполнен из селенида цинка, третий - отрицательный, выполнен из германия, четвертый - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Между относительными оптическими силами менисков имеются следующие соотношения:
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(0,72÷0,85):-(1,28÷1,76):-(3,00÷00):(0,79÷0,92),
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.
При фокусном расстоянии 75 мм и относительном отверстии 1:1,25 объектив обладает высоким качеством изображения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C по всему полю зрения.
Недостаток объектива заключается в том, что он имеет небольшие поле зрения и относительное отверстие, а также большую длину. Относительная длина объектива составляет 1,38.
Задачей изобретения является создание атермализованного объектива с обеспечением следующих технических результатов: увеличение поля зрения и относительного отверстия, а также уменьшение длины объектива.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Атермализованный объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит размещенные в корпусе четыре оптически связанных мениска, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из селенида цинка, третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, а четвертый компонент - положительная линза с выпуклой первой поверхностью, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, выполненная из германия. В отличие от прототипа вогнутая поверхность третьего мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,32 до 0,46, а вторая поверхность четвертого компонента выполнена плоской или вогнутой, при этом выполняются следующие соотношения:
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(1,44-1,80):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,00):(1,38÷1,56),
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ- относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.
D4/f'=0,16÷0,31,
D6/f'=0,22÷0.40,
где D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;
D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым компонентами;
f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
Четвертый компонент в виде выпукло-плоской линзы более технологичен по сравнению с выпукло-вогнутым мениском, поэтому предпочтителен.
В качестве материала корпуса объектива могут быть использованы алюминиевый сплав, сталь, инвар.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива.
Атермализованный объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит четыре компонента. Мениск 1 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 3 - отрицательный, выполнен из германия (Ge). Линза 4 - положительная, выпукло-плоская, выполненная из германия. Мениски 1, 2, 3 обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения 5, а линза 4 обращена плоской стороной к плоскости изображения 5. Вторая (вогнутая) поверхность мениска 3 выполнена асферической. Между менисками 2 и 3 имеется воздушный промежуток D4, между мениском 3 и линзой 4 воздушный промежуток D6.
Атермализованный объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через компоненты 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5.
При расчете объектива учитывались следующие факторы:
1. Температурный коэффициент расширения оптических материалов, влияющий на толщину менисков;
2. Температурный коэффициент расширения корпуса объектива, влияющий на воздушные промежутки между менисками;
3. Изменение показателей преломления материала менисков;
4. Изменение прогибов менисков (кривизны их поверхностей) под воздействием температуры.
При расчете объектива использовались косые пучки лучей, т.е. одновременно в меридиональной и сагиттальных плоскостях.
-6
В качестве материала корпуса взят традиционно используемый алюминиевый сплав с температурным коэффициентом расширения (ТСЕ), равным 22×10. Показатели преломления выбранных материалов, коэффициенты линейного расширения и зависимость показателя преломления от температуры (dn/dt) выбирались из отечественных стандартов, поэтому в программе ZEMAX был создан дополнительный каталог стекол, т.к. стекло ИКС-25 в ней отсутствует.
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне ±50°C использован метод мультиконфигураций, предусмотренный в программе ZEMAX с использованием опции “Thermal Pick Up”. С учетом этой опции проведена одновременная оптимизация новых (по отношению к номинальной конфигурации) значений параметров схемы объектива для значений температуры от -50°C до +50°C. При оптимизации использованы коэффициенты линейного расширения материалов для ИК-области спектра (ТСЕ) и коэффициент изменения показателя преломления с температурой (dn/dt), представленные в таблице 1.
-6
Основные оптические характеристики применяемых оптических материалов, т.е. показатели преломления в области 8-12 мкм при давлении в одну атмосферу и температурном диапазоне от -50°C до +50°C даны в таблице 2. В этой же таблице приведен температурный показатель расширения ТСЕ для оптических материалов и корпуса объектива (ТСЕ=22⋅10). Девятая поверхность - плоскость изображения.
В таблице 3 дано изменение кривизны (CR*) поверхностей менисков их толщины и воздушных промежутков (Т*) в зависимости от температуры (ТЕ*) при давлении (PR*) одна атмосфера. На это указывает литера Т (Thermal Pick Up) во всех графах системы для конфигураций (Config) 2 и 3, т.е. минус 50°С и +50°C. Это производится автоматически программой ZEMAX за счет встроенной подпрограммы термооптического анализа с последующей оптимизацией параметров объектива методом мультиконфигураций.
В таблице 4 приведены оптические характеристики объектива.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
1
2
2
3
3
4
4
1
2
3
4
Конструктивные элементы (радиусы кривизны поверхностей и толщины компонентов 1-4, воздушные промежутки между компонентами 1-4) объектива с приведенными в таблице 4 оптическими характеристиками, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами ϕ, ϕ, ϕ, ϕ компонентов 1-4: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=1,613:-0,988:-0,777:1,516, где ϕ=f'/f', ϕ=f'/f', ϕ=f'/f', ϕ=f'/f'; f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива; f', f', f', f' - фокусные расстояния соответственно компонентов 1, 2, 3, 4. При этом относительные воздушные промежутки между компонентами 2 и 3, 3 и 4 равны: D4/f'=0,222; D6/f'=0,322. Коническая постоянная К асферической поверхности мениска 3 равна 0,41.
При изменении температуры полная длина объектива L (от первой поверхности до плоскости изображения) изменяется от 43,74 до 43,82 мм, а фокусное расстояние изменяется на 50 мкм, т.е. фокусное расстояние практически постоянно.
В прототипе относительная длина объектива (L/f') составляет 1,38, а в предлагаемом изобретении относительная длина объектива равна 1,22. В прототипе поле зрения составляет 4,75×6,33°, а в предлагаемом изобретении 11,42×15,2°, т.е. в два раза больше. Относительное отверстие в прототипе составляет 1,25, а в предлагаемом изобретении - 1,20.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки, которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения и функцию концентрации энергии, позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 3).
На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°С, во второй колонке - для -50°С, а в третьей - для +50°С. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, в третьей - для края поля зрения, т.е. по диагонали размером 11,42×15,2°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 31 мкм для относительного отверстия 1:1,2. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Кроме того, над каждым пятном рассеяния впечатан его размер, соответствующий 80% концентрации энергии.
-1
На фиг. 3 справа дан контраст изображения на частоте 20 мм, а слева - функция концентрации энергии при радиусе пятна рассеяния 20 мкм для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков, в первом ряду - для 20°С, во втором - для -50°С, а в третьем - для +50°С.
-1
Как видно из фиг. 3, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента матрицы Q составляет: Q=0,017×0,017 мм, а по диагонали соответственно 24 мкм. Для инфракрасных объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии составляло не менее 80%. Для тепловизоров, формирующих изображение, необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста ν=1/2Q=20 мм было не менее 0,6. Из фиг. 3 видно, что контраст изображения для осевой точки поля зрения равен 0,7, а для края поля зрения 0,6.
Представленные графики свидетельствуют о том, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения в диапазоне температур от -50°С до +50°С (в прототипе диапазон температур от -40°С до +50°С).
Проведенные расчеты показывают, что технические результаты (увеличение поля зрения и относительного отверстия, уменьшение длины объектива) достигаются в пределах всех заявляемых диапазонов:
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(1,44÷1,80):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,00):(1,38÷1,56);
D4/f'=0,16÷0,31; D6/f'=0,22÷0,40; K=0,32÷0,46.
Технические результаты достигаются в пределах всех указанных диапазонов также и при выполнении четвертого компонента в виде выпукло-вогнутого мениска. Расчеты объектива с выпукло-вогнутым мениском, вторая поверхность которого имеет небольшую кривизну, показали, что объектив также имеет дифракционное качество изображения в указанном диапазоне температур.
В настоящее время максимальный размер матрицы (UL 04 272 ULIS, Франция) с форматом 480×640 с размером элемента 17×17 мкм составляет порядка 12 мм по диагонали. Если фокусное расстояние предлагаемого объектива пересчитать на фокус 75 мм, как у прототипа, то требуемая диагональ матрицы составит 25 мм, что нереально. Но даже в этом случае предлагаемый объектив будет обладать хорошим качеством изображения с небольшим падением контраста по краю диагонали поля зрения.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение обеспечивает при высоком качестве изображения в температурном диапазоне ±50°С увеличение в два раза поля зрения, увеличение относительного отверстия и уменьшение длины объектива.