ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ВЫНЕСЕННЫМИ ЗРАЧКАМИ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
OPTICAL SYSTEM WITH REMOTE APERTURES FOR INFRARED SPECTRUM

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в оптических системах тепловизионных приборов.
Для работы тепловизионного прибора, использующего сканирующие элементы, необходима оптическая система, выполняющая функцию фокусирующего объектива, с вынесенными входным и выходным зрачками, обеспечивающая оптическое сопряжение с холодной диафрагмой фотоприемного устройства (ФПУ), совмещаемой с выходным зрачком оптической системы, и сканером, размещаемым во входном зрачке системы, рассчитанная для инфракрасной (ИК) области спектра, соответствующей спектральной характеристике ФПУ.
Известны оптические системы объективов для инфракрасной области спектра, предназначенные для тепловизионных приборов, например светосильный объектив [RU 2183340 С1, 2002 г.], состоящий из четырех одиночных линз, имеющий относительное отверстие 1:1,65, поле зрения 18 град и спектральный диапазон работы от 8 до 12,5 мкм. Недостатком объектива является отсутствие вынесенных зрачков, что не позволяет рационально использовать его в тепловизионных приборах с современными ИК ФПУ.
Известен также инфракрасный объектив с вынесенным входным зрачком [RU 2281536 С1, 2006 г.], состоящий из трех одиночных линз, предназначенный для работы в дальнем или в среднем ИК-диапазоне в тепловизионных приборах. Объектив имеет фокусное расстояние 74,55 мм, относительное отверстие 1:2,4, угловое поле в пространстве предметов 17°, задний фокальный отрезок 15,27 мм, вынос входного зрачка 16 мм. Недостатком объектива является малая светосила, малая величина выноса входного зрачка и отсутствие действительного выходного зрачка, что при сопряжении с современными ИК ФПУ ведет к повышению уровня шумов тепловизионного прибора.
Известна оптическая система для ИК области спектра [RU 2006128691 А, 2008 г.], содержащая семь линз и имеющая вынесенные входной и выходной зрачки. Недостатком этой системы является большое число компонентов, снижающих коэффициент пропускания и эффективную светосилу системы.
Известно, что для рационального проектирования тепловизионных приборов оптические системы должны иметь вынесенный выходной зрачок, сопрягаемый с диафрагмой ИК ФПУ [Тарасов В.В., Якушенко Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с. См. с.94-95], а для размещения сканеров оптические системы должны иметь и вынос входного зрачка.
Наиболее близкой по технической сущности, принятой за прототип, является оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра [Патент США №6274868 В1, 2001. Оптическая схема - фиг.3, конструктивные параметры - таблицы 1 и 1а], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первый по ходу лучей положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и вторую отрицательную линзу, проекционный объектив, содержащий три одиночных мениска, первый и третий из которых по ходу лучей являются положительными и обращены выпуклыми сторонами друг к другу, второй по ходу лучей мениск является отрицательным и обращен вогнутостью к плоскости изображений, и апертурную диафрагму, расположенную между проекционным объективом и плоскостью изображений. В объективе вторая отрицательная линза выполнена в форме мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений. В проекционном объективе расстояние между первым положительным мениском и вторым отрицательным составляет 0,9 от абсолютной величины фокусного расстояния оптической системы. В каждой из линз оптической системы одна из преломляющих поверхностей выполнена асферической. При этом в оптической системе прототипа соблюдаются следующие соотношения между оптическими силами:
1
2
3
4
5
6
7
7
φ:φ:φ=0,85:1:1; φ=-0,66φ; φ:φ:φ=0,44:(-0,55):1; φ=3,45φ,
1
2
где φ, φ, φ - оптические силы соответственно объектива, проекционного объектива и оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра;
3
4
φ, φ - оптические силы соответственно первого по ходу лучей положительного мениска и второй двояковогнутой линзы в объективе;
5
6
7
φ, φ, φ - оптические силы первого, второго и третьего менисков по ходу лучей в проекционном объективе соответственно.
Относительное отверстие оптической системы - прототипа от 1:1,65 до 1:3,16, система может быть пересчитана на конкретную величину фокусного расстояния, лежащую в диапазоне от 1,89 до 2,4 дюйма, т.е. от 48 до 60 мм, спектральный диапазон работы от 8 до 11,5 мкм. Угловое поле системы в пространстве предметов 18°. Удаление входного зрачка от первой поверхности системы составляет 0,505 от абсолютной величины фокусного расстояния |f'| системы, удаление выходного зрачка от последней поверхности системы составляет 0,1 |f'|, задний фокальный отрезок (расстояние от последней преломляющей поверхности до задней фокальной плоскости) составляет 0,52 |f'|.
Недостатками прототипа являются нетехнологичность конструкции из-за использования большого числа асферических поверхностей, малая величина удаления входного зрачка от первой поверхности системы, малая величина удаления выходного зрачка от последней поверхности системы, малая величина заднего фокального отрезка, наличие ограничения (48 мм) по наименьшей расчетной величине фокусного расстояния.
Решение оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, содержащееся в прототипе, не позволяет использовать ее совместно с ИК ФПУ 2 и 3 поколений фирмы SOFRADIR и с существующими и перспективными ФПУ 2 и 3 поколений отечественного производства из-за невозможности согласовать холодную диафрагму с выходным зрачком системы, а также ограничивает возможности использования оптической системы в малогабаритных тепловизорах.
Для согласования оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра с холодной диафрагмы вышеупомянутых ФПУ необходимо, чтобы расстояние от выходного зрачка оптической системы до плоскости изображения было равно расстоянию от холодной диафрагмы ФПУ до плоскости чувствительных элементов ФПУ. Величина последнего для линейчатых ФПУ составляет примерно 11,6 мм, для матричных ФПУ - около 20 мм. Также необходимо, чтобы удаление выходного зрачка от последней поверхности системы учитывало конструктивные особенности криостата ФПУ и позволяло производить юстировку масштаба, фокусировку и термокомпенсацию оптической системы. Удаление входного зрачка от первой поверхности системы должно обеспечивать возможность размещения сканера или микросканирующего устройства.
Изобретение решает задачу повышения технологичности конструкции за счет использования только сферических преломляющих поверхностей, увеличения удаления входного зрачка от первой поверхности, увеличения удаления выходного зрачка от последней поверхности системы, увеличения заднего фокального отрезка, снижения нижней границы возможных расчетных фокусных расстояний до 15 мм при сохранении относительного отверстия, углового поля и высокого качества изображения в пределах всего поля.
Для решения указанной задачи необходимо обеспечить такое сочетание оптических сил объектива, проекционного объектива, линз, входящих в их состав, форм отдельных линз, а также расстояний между линзами в проекционном объективе, чтобы увеличились величины удаления входного и выходного зрачков соответственно от первой и последней поверхностей, увеличился задний фокальный отрезок, а также было найдено оптимальное соотношение между параметрами объектива, проекционного объектива и входящих в них линз, которое позволило бы при этом обеспечить высокие значения частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и устранение дисторсии для всех точек поля при использовании только сферических преломляющих поверхностей.
Поставленная задача решается тем, что в известной оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первый по ходу лучей положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и вторую отрицательную линзу, проекционный объектив, содержащий три одиночных мениска, первый и третий из которых по ходу лучей являются положительными и обращены выпуклыми сторонами друг к другу, второй по ходу лучей мениск является отрицательным и обращен вогнутостью к плоскости изображений, и апертурную диафрагму, расположенную между проекционным объективом и плоскостью изображений, в объективе вторая отрицательная линза выполнена двояковогнутой, в проекционном объективе мениски расположены вплотную друг к другу, при этом преломляющие поверхности оптической системы являются сферическими и выполняются следующие соотношения:
1
2
где φ, φ, - оптические силы объектива и проекционного объектива соответственно;
|φ| - абсолютное значение оптической силы оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра;
3
4
φ, φ - оптические силы первого по ходу лучей положительного мениска и второй двояковогнутой линзы в объективе соответственно;
5
6
7
φ, φ, φ - оптические силы первого, второго и третьего менисков по ходу лучей в проекционном объективе соответственно.
Предлагаемая оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра позволяет повысить технологичность, обеспечивает повышение удаления входного зрачка от первой поверхности, повышение удаления выходного зрачка от последней поверхности системы, увеличение заднего фокального отрезка, снижение нижней границы возможных расчетных фокусных расстояний до 15 мм при сохранении относительного отверстия, углового поля и высокого качества изображения в пределах всего поля.
Указанные преимущества в сравнении с прототипом в оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра достигаются новой совокупностью отличительных признаков:
- выполнением второй отрицательной линзы в объективе в форме двояковогнутой;
- расположением менисков в проекционном объективе вплотную друг к другу;
- выполнением всех преломляющих поверхностей оптической системы сферическими;
- соблюдением соотношений (1) и (2).
Выполнение в оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра всех преломляющих поверхностей сферическими позволяет повысить технологичность, т.к. исключаются трудоемкие в изготовлении асферические поверхности.
Соблюдение указанных соотношений (1) обеспечивает такое сочетание оптических сил объектива и проекционного объектива, при котором увеличиваются величины: удаление входного зрачка от первой поверхности до 2 |f'|, удаление выходного зрачка от последней поверхностей до 0,8 |f'|, задний фокальный отрезок до 1,3 |f'|. В результате реализуется возможность снизить нижнюю границу фокусного расстояния до 15 мм, сохранив возможность сопряжения с современными ИК ФПУ 2 и 3 поколений фирмы SOFRADIR и с существующими и перспективными ФПУ 2 и 3 поколений отечественного производства, что позволяет применять оптическую систему в малогабаритных тепловизионных приборах.
Выполнение второй отрицательной линзы в объективе в форме двояковогнутой, расположение менисков в проекционном объективе вплотную друг к другу одновременно с соблюдением указанных в соотношении (2) зависимостей между оптическими силами позволяет осуществить распределение оптических сил, форм линз и их взаимное расположение таким образом, чтобы при сохранении относительного отверстия системы не ниже 1:1,65 и углового поля не менее 18° остаточные аберрации обеспечивали размер пятна рассеяния в плоскости изображения, сопоставимый с величиной дифракционного кружка рассеяния, что определяет высокие значения частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), и устранение дисторсии для всех точек поля при использовании только сферических преломляющих поверхностей.
Дополнительно можно отметить, что большая величина удаления входного зрачка позволяет обеспечить излом оптической оси перед объективом, что бывает необходимо при конструктивной компоновке малогабаритных приборов. Расстояние между объективом 1 и проекционным объективом 2 таково, что позволяет устанавливать, например, призменные системы для использования оптической системы в панорамических приборах или дополнительные зеркала для излома оптической оси.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной заявителями зависимости между оптическими силами, формой, взаимным расположением линз в оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.
Авторам не известны оптические системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, в которых были бы реализованы указанные признаки.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1. Оптическая схема оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.
Фиг.2. ЧКХ оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.
Фиг.3. Функция концентрации энергии (ФКЭ) оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.
Фиг.4. График дисторсии оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.
х
Оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра (фиг.1) содержит объектив 1, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив 2, осуществляющий оборачивание изображения с линейным увеличением (по абсолютной величине) менее 1, и апертурную диафрагму, расположенную между проекционным объективом и плоскостью изображений и являющуюся выходным зрачком оптической системы. Объектив 1 содержит первый по ходу лучей положительный мениск 3, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и вторую двояковогнутую линзу 4. Проекционный объектив 2 содержит три одиночных вплотную расположенных мениска 5, 6, 7, при этом первый по ходу лучей мениск 5 и третий мениск 7 являются положительными и обращены выпуклыми сторонами друг к другу, а второй по ходу лучей мениск 6 - отрицательным и обращен вогнутостью к плоскости изображений. Все преломляющие поверхности в системе являются сферическими. В системе выполняются соотношения (1).
На фиг.1 дополнительно между последним мениском 7 оптической системы и апертурной диафрагмой размещена плоскопараллельная пластинка 8, выполняющая роль защитного стекла криостата ФПУ.
Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленного объекта и проходящее через входной зрачок оптической системы, проходя последовательно мениск 3 и двояковогнутую линзу 4, образующие объектив 1, фокусируется ими в плоскости промежуточного изображения. Далее проекционный объектив, состоящий из менисков 5, 6 и 7, проецирует промежуточное изображение в плоскость изображений оптической системы. Апертурная диафрагма, размещенная по ходу лучей после последнего мениска 7, выполняет роль выходного зрачка оптической системы, фактически определяя светосилу оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра. Проекционный объектив в обратном ходе лучей проецирует реальную апертурную диафрагму в пространство предметов проекционного объектива, а объектив - соответственно в плоскость входного зрачка оптической системы. Таким образом формируется действительный входной зрачок на требуемом удалении от первой поверхности оптической системы.
В качестве конкретного примера исполнения в таблице 1 приведен пример реализации оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.
Таблица 1
Параметры примера реализации оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра
Наименование или номер элемента в соответствии с фиг.1
Номер линз в соответствии с фиг.1
Относительная оптическая сила
Расстояние вдоль оптической оси
Материал линз
Входной зрачок
1,91
1
3
1,300
0,13
Ge
4
-0,951
3,61
Ge
2
5
0,525
0,01
Ge
6
-0,284
0,08
ZnSe
7
1,000
0,66
Ge
Апертурная диафрагма (выходной зрачок)
0,47
Плоскость изображения
0,66
Как следует из таблицы 1, в конкретном примере оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра выполняется следующее распределение оптических сил:
1
2
3
4
5
6
7
7
φ:φ:|φ|=0,62:1,16:1; φ=-0,73φ; φ:φ:φ=0,52:(-3,52):1; φ=|φ|, где |φ| - абсолютная величина оптической силы оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра;
i
φ - оптические силы компонентов и линз системы (i - номер позиции в соответствии с фиг.1),
т.е. соблюдаются вышеприведенные соотношения (1) и (2).
Положение плоскости изображения в таблице 1 указано как расстояние между апертурной диафрагмой и плоскостью изображения, т.е. задний фокальный отрезок системы составляет 1,13 |f'|, что в 2,1 раза превышает задний фокальный отрезок в прототипе. Как следует из таблицы 1, удаление входного зрачка от первой поверхности составляет 1,91 |f'|, т.е. в 3,8 раза превышает соответствующую величину в прототипе. Как следует из таблицы 1, удаление выходного зрачка от последней поверхности составляет 0,66 |f'|, т.е. в 6,6 раза превышает соответствующую величину в прототипе.
Точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси под конкретные значения показателей преломления и конкретное значение фокусного расстояния оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра и конкретный спектральный диапазон, определяемый спектральной чувствительностью используемого ФПУ, устанавливаются стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ для оптических расчетов.
Анализ примера реализации оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра проведен в программе Zemax для следующих значений: фокусное расстояние оптической системы 24,5 мм, относительное отверстие 1:1,65, линейный размер изображения 8,06 мм (соответствует угловому полю в пространстве предметов 18,6°), спектральный диапазон длин волн от 7,7 до 10,3 мкм, - т.е. для значений светосилы и углового поля, аналогичных прототипу.
ЧКХ оптической системы этого примера реализации приведены на фиг.2, а ФКЭ - на фиг.3 для различных точек изображения. На графиках указаны значения координат у' точки изображения в плоскости изображения (0, 2 и 4,03 мм) для меридионального (m) и сагиттального сечений (s), а также безаберрационные ЧКХ и ФКЭ (обозначение «дифр»).
-1
Из приведенных графиков следует, что на коэффициенты передачи контраста для пространственной частоты 40 мм составляют для точки на оси 0,26, для точки изображения с координатой у'=2 мм - 0,24 и 0,26 соответственно для меридионального и сагиттального сечений, для точки изображения с координатой у'=4,03 мм - 0,15 и 0,20 соответственно для меридионального и сагиттального сечений, т.е. близки к значению коэффициента передачи контраста для указанной частоты в безаберрационной системе, равному 0,27. ФКЭ в пятне радиусом 0,0125 мм для точек с координатами у', равными 0; 2 и 4,03 мм, составляют соответственно 0,73; 0,75 и 0,65, т.е. близки к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,76.
Расчетные интегральные характеристики качества изображения, приведенные на фиг.2 и 3, свидетельствуют о высокой степени коррекции остаточных аберраций, достигаемой при соблюдении заявляемых соотношений оптических сил, форм линз и их преломляющих поверхностей, их взаимных положений в оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.
На фиг.4 приведен график дисторсии для примера реализации: по оси ординат указаны величины изображения у' в плоскости изображения, по оси абсцисс - относительная дисторсия в процентах. Как следует из графика, дисторсия для края поля не превышает 2,3%, что является приемлемой величиной для объективов тепловизионных приборов.
Анализ ЧКХ прототипа, приведенной в [Патент США №6274868, 2001. Фиг.4], показывает, что значения коэффициентов передачи модуляции для различных точек поля лежат в диапазоне от 0,27 до 0,14. На основании сравнения примера реализации с прототипом можно сделать заключение, что в предлагаемой оптической системе обеспечивается высокое качество изображения при сохранении светосилы и относительного отверстия.
Таким образом, заявленная оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, обладающая совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет повысить технологичность конструкции за счет использования только сферических преломляющих поверхностей, увеличить удаление входного зрачка от первой поверхности, увеличить удаление выходного зрачка от последней поверхности системы, увеличить задний фокальный отрезок, обеспечить снижение нижней границы возможных расчетных фокусных расстояний до 15 мм при сохранении относительного отверстия, углового поля и высокого качества изображения в пределах всего поля.
Использование предлагаемой оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра позволяет повысить технологичность и создать малогабаритные тепловизионные приборы, работающие совместно с ИК ФПУ 2 и 3 поколений фирмы SOFRADIR и с существующими и перспективными ФПУ 2 и 3 поколений отечественного производства.
Литература
1. RU 2183340 С1, 2002 г.
2. RU 2281536 C1, 2006 г.
3. RU 2006128691 A, 2008 г.
4. Тарасов В.В., Якушенко Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.
5. Патент США №6274868 В1, 2001 г. (прототип).