СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизионных приборах, построенных на основе болометрических матричных фотоприемных устройств, не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм.
Известно большое число объективов для ИК-области спектра, содержащих четыре линзы [Патент RU 2183340 C1. Светосильный объектив. Приоритет 18.10.2000, опубл. 10.06.2002 [1]; Патент RU 2365952 C1. Объектив для ИК-области спектра. Приоритет 13.02.2008, опубл. 27.08.2009, Бюл. №24 [2]; Патент RU 105750 U1. Объектив для ИК-области спектра. Приоритет 20.01.2011, опубл. 20.06.2011, Бюл. №17 [3]; Патент RU 140705 U1. Объектив для ИК-области спектра. Приоритет 11.12.2013, опубл. 20.05.2014, Бюл. №14 [4]]. Заявленные в указанных патентах соотношения между оптическими силами, форма и материалы линз не перекрывают всех возможных совокупностей признаков, позволяющих достичь желаемый технический результат.
Заявляемый светосильный объектив для ИК-области спектра имеет соотношения между оптическими силами линз, формой их выполнения, отличные от устройств объективов по указанным патентам.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности являются объектив для ИК-области спектра [Патент RU 115514, U1. Объектив для ИК-области спектра. Приоритет 11.01.2012, опубл. 27.04.2012, Бюл. №12 [5]].
Наиболее близкий аналог содержит четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями, между оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(0,75÷0,85):-(2,÷2,5):(1,40÷1,66):(1,7÷1,9),
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно,
при этом третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси.
В примере конкретного исполнения наиболее близкого аналога приводится объектив с фокусным расстоянием 80 мм, относительным отверстием 1:1,3, угловым полем 13,9°, предназначенный для сопряжения с матричным болометрическим приемником 640×480, с шагом пикселей 0,025 мм.
К числу недостатков наиболее близкого аналога можно отнести следующее: низкое относительное отверстие, малое угловое поле, низкую величину функции концентрации энергии (ФКЭ) в изображении точки на квадратной площадке со стороной 0,017 мм, соответствующей размеру шага пикселей современных болометрических матричных приемников ИК излучения. Указанная величина составляет 0,45.
Соотношение между оптическими силами линз в наиболее близком аналоге таково, что при повышении относительного отверстия до 1:1 качество изображения снижается и не позволяет обеспечить требуемые величины функции концентрации энергии на площадке размером 0,017 мм.
Для работы в составе тепловизионного прибора, содержащего болометрический матричный приемник излучения с шагом пикселей 0,017 мкм, объектив должен иметь относительное отверстие не ниже 1:1, обеспечивать значение ФКЭ в изображении точки на квадратной площадке со стороной 0,017 мм, для всех точек поля с радиальными координатами в плоскости изображения, равными или менее половины размера большей стороны чувствительной площадки приемной матрицы, - не менее 0,7.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание светосильного объектива для ИК области спектра для тепловизионного прибора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего возможность сопряжения с современными матричными приемниками ИК излучения в диапазоне 8-14 мкм.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении относительного отверстия, в увеличении углового поля, в согласовании качества изображения с размером пикселя 0,017 мм, т.е. в повышении ФКЭ в изображении точек на квадратной площадке со стороной 0,017 мм.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога в светосильном объективе для ИК-области спектра, содержащем четыре линзы, из которых вторая является отрицательной, остальные - положительными, первая и четвертая линзы выполнены в виде менисков, обращенных к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, третья - в виде мениска, обращенного к плоскости изображения своей выпуклой поверхностью, вторая - в виде линзы, первая поверхность которой является вогнутой, радиус кривизны ее второй поверхности по абсолютной величине превышает абсолютную величину радиуса кривизны ее первой поверхности, между оптическими силами линз имеют место следующие соотношения:
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы первой, второй, третьей и четвертой линз соответственно,
при этом первая и четвертая линзы выполнены из германия, вторая и третья - из материала с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающего излучение в диапазоне длин волн 8-14 мкм.
В частном случае в качестве материала второй и третьей линз использован селенид цинка. В частных случаях объектив выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, либо его четвертая линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси; либо его вторая линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси; либо его третья и четвертая линзы установлены с возможностью их совместного перемещения вдоль оптической оси. В частном случае исполнения приемник изображения установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива.
Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров, позволяющих создать малогабаритную технологичную, экономически эффективную конструкцию оптической системы светосильного объектива для ИК-области спектра для тепловизионного прибора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и является промышленно применимым. Все линзы объектива выполнены со сферическими преломляющими поверхностями, изготовлены из материалов, технология применения которых для изготовления объективов для ИК-области спектра известна и отработана на предприятиях, специализирующихся на выпуске тепловизионных приборов и их элементов. В то же время авторам не известны оптические схемы объективов для ИК-области спектра, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.
Предложенное устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг. 1 - оптическая схема светосильного объектива для ИК-области спектра;
фиг. 2 - графики ФКЭ для различных точек поля.
Оптическая система светосильного объектива для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит положительный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, отрицательную линзу 2, первая поверхность которой является вогнутой, радиус кривизны ее второй поверхности по абсолютной величине превышает абсолютную величину радиуса кривизны ее первой поверхности, положительный мениск 3, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображений, положительный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, при этом первый и четвертый мениски выполнены из германия, отрицательная линза и третий мениск - из материала с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающего излучение в диапазоне длин волн 8-14 мкм. Оптические силы линз 1-4 удовлетворяют соотношению (1).
В частном случае в качестве материала второй и третьей линзы использован селенид цинка. В частных случаях объектив выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, либо его четвертая линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси; либо его вторая линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси; либо его третья и четвертая линзы установлены с возможностью их совместного перемещения вдоль оптической оси.
Осуществление устройства заключается в следующем. Линзы 1-4 фокусируют ИК излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами матричного приемника ИК излучения и фокусным расстоянием объектива, и создают действительные изображения объектов в плоскости изображения, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией, и соразмерное с шагом пикселей современного болометрического матричного приемника излучений (0,017 мм). Плоскость чувствительных элементов матричного приемника ИК излучения (на фиг. 1 не показан) совмещается с плоскостью изображений объектива.
Для фокусировки излучения, идущего от объектов, расположенных на конечном расстоянии от объектива, либо для компенсации терморасфокусировки из-за эксплуатации объектива при температурах, отличающихся от температуры сборки, весь объектив или приемник излучения перемещаются вдоль оптической оси. В частных случаях перемещаться могут либо мениск 4, либо совместно мениски 3, 4, либо линза 2, при этом положение остальных компонентов схемы и приемника ИК излучения остается неизменным. Во всех частных случаях обеспечивается сохранение заявленного качества изображения.
В таблице 1 приведены величины оптических сил, материалов, расстояний между линзами и их диаметры в конкретном примере исполнения светосильного объектива для ИК-области спектра. Значения параметров приведены при нормировке фокусного расстояния f′=1.
1
2
3
4
Как следует из таблицы 1, оптические силы линз 1-4 соотносятся между собой следующим образом: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=0,76:(-1,52):1,15:1,14, и удовлетворяют при этом соотношению (1). Внешние мениски 1 и 4 выполнены из германия, внутренние линзы 2 и 3 - из селенида цинка. Форма линз соответствует схеме объектива, приведенной на фиг. 1.
Величины подвижек для фокусировки и термокомпенсации не превышают 5% от величины фокусного расстояния объектива.
При промышленной применимости заявляемого объектива в тепловизионном приборе, исходя из приведенных в табл. 1 значений и используя стандартную оптимизацию по методу наименьших квадратов, входящую в состав всех современных программ для оптических расчетов, устанавливаются точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси для конкретного значения фокусного расстояния объектива, величина которого согласована с размером чувствительной площадки ФПУ и требуемым угловым полем в пространстве предметов. Наличие только сферических преломляющих поверхностей обеспечивает промышленную реализацию на типовом оборудовании для производства и сборки объективов.
Анализ примера реализации объектива для ИК-области спектра проведен для фокусного расстояния f′=50 мм, диаметра входного зрачка 50 мм,
относительного отверстия 1:1, формата приемника 640×480, шаг пикселей 0,017 мм, (диагональ изображения 2y′=13,6 мм), углового поля по диагонали 15,1°.
На фиг. 2 приведены графики ФКЭ для различных точек поля: по оси абсцисс отложены половина ширины квадратной площадки (в мкм); по оси ординат - значения ФКЭ (отн. ед.), собираемой объективом на соответствующей квадратной площадке. Обозначение «0.0000» соответствует ФКЭ для точки на оси; «4.08» - вертикальному краю, «5.44» - горизонтальному краю, «6.8» - крайней точке диагонали приемника; «Дифр. предел» - дифракционной ФКЭ для точки на оси объектива. Как следует из фиг.2 величина ФКЭ в изображении точки на квадратной площадке со стороной 0,017 мм, для всех точек поля с радиальными координатами в плоскости изображения, равными или менее 5,44 мм, имеет величину не менее 0,7.
Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом в заявляемом светосильном объективе для ИК-области спектра повышено относительное отверстие в 1,3/1=1,3 раза, увеличено угловое поле в 15,1/13,9=1,08 раз, повышена величина ФКЭ в изображении точки на квадратной площадке со стороной 0,017 мм в 0,7/0,45=1,5 раза.
Таким образом, техническая реализация предлагаемого объектива для ИК-области спектра, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет обеспечить его сопряжение с современными болометрическими матричными фотоприемными устройствами, не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм, и получить малогабаритный тепловизионный прибор с высокими техническими и потребительскими характеристиками.
Таким образом, наличие в устройстве объектива новых признаков и новых соотношений между параметрами устройства по сравнению с известными устройствами объективов для ИК-области спектра позволяет обеспечить указанный технический результат: повышение относительного отверстия, увеличение углового поля, повышении ФКЭ на квадратной площадке со стороной 0,017 мм, обеспечивающий получение высоких технических и эксплуатационных характеристик изделия, и определяют новизну и изобретательский уровень заявляемого технического решения, а возможность изготовления на оптико-механическом предприятии доказывает его промышленную применимость, что в совокупности устанавливает соответствие светосильного объектива для ИК-области спектра условиям патентоспособности.
Литература
1. Патент RU 2183340 C1. Светосильный объектив. Приоритет 18.10.2000, опубл. 10.06.2002.
2. Патент RU 2365952 C1. Объектив для ИК-области спектра. Приоритет 13.02.2008, опубл. 27.08.2009, Бюл. №24.
3. Патент RU 105750 U1. Объектив для ИК-области спектра. Приоритет 20.01.2011, опубл. 20.06.2011, Бюл. №17.
4. Патент RU 140705 U1. Объектив для ИК-области спектра. Приоритет 11.12.2013, опубл. 20.05.2014, Бюл.№14.
5. Патент RU 115514, U1. Объектив для ИК-области спектра. Приоритет 11.01.2012, опубл. 27.04.2012, Бюл. №12.