АТЕРМАЛИЗОВАННЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ИК-ДИАПАЗОНА
ATHERMALISED HIGH-APERTURE INFRARED LENS

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.
Известен атермализованный светосильный объектив ИК-диапазона (Патент ЕС EP 2687889 А1, G02B 13/14), содержащий три компонента по ходу лучей, которые являются положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению.
Данный объектив работает в ИК-диапазоне длин волн, при этом первый элемент выполнен из бескислородного халькогенидного стекла марки Vitron IG6, второй элемент - из германия, третий - из селенида цинка.
Характеристики объектива:
- фокусное расстояние 90 мм;
- относительное отверстие 1:1;
- угловое поле зрения ±2,7 град;
- задний фокальный отрезок 6,5 мм.
-ого
Указанный объектив является атермализованным за счет применения бескислородного халькогенидного стекла и киноформного элемента, выполненного на второй поверхности первого элемента, а также асферической поверхности 12 порядка на второй поверхности третьего элемента. К недостаткам атермализации данным способом можно отнести энергетические потери излучения на дифракционных элементах, высокую стоимость изготовления киноформного элемента. Кроме того, применение дифракционных элементов требует высокой точности установки в оптической системе из-за большой зависимости характеристик от смещения элемента относительно оптической оси системы, что также повышает стоимость изготовления объектива.
Известен атермализованный четырехкомпонентный объектив ИК-диапазона (Патент Украины № UA 88915 U, МПК (2014.01) G02B 13/00), содержащий четыре компонента по ходу лучей, первый из которых является отрицательным мениском, а второй, третий и четвертый компоненты - положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению. Первый, второй и четвертый компоненты объектива выполнены из германия, а третий - из КРС-5 (бромистый таллий - йодистый таллий, TlBr - ТlI).
Характеристики объектива:
- фокусное расстояние 50,8 мм;
- относительное отверстие 1:1;
- угловое поле зрения ±12,5 град;
- задний фокальный отрезок 4,05 мм.
Представленный объектив согласно описанию обладает стабильностью характеристик в диапазоне температур от 0°C до ±60°C. Указанный диапазон рабочих температур недостаточен. Помимо этого линзы обладают значительной толщиной, что увеличивает массу объектива и уменьшает коэффициент пропускания. Кроме того, этот объектив обладает большими габаритами (отношение длины оптической системы к фокусному расстоянию составляет 3,2).
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является атермализованный объектив для инфракрасной области спектра (Патент Украины № UA 81919 U, МПК (2013.01) G02B 13/00), состоящий из четырех компонентов по ходу лучей, которые являются положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению, причем первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты выполнены из КРС-5.
Характеристики объектива:
- фокусное расстояние 60 мм;
- относительное отверстие 1:1,3;
- угловое поле зрения ±10 град;
- задний фокальный отрезок 6,9 мм.
Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако он обеспечивает недостаточно высокое качество изображения при изменении температуры (функция концентрации энергии и частотно-контрастная характеристика представлены на фиг. 1, фиг. 2 (а - при минус 50°C, б - при +50°C). Кроме того, этот первый элемент объектива имеет несферическую поверхность, что повышает стоимость изготовления объектива.
В современных тепловизионных приборах используются микроболометрические матрицы чувствительных элементов ИК-диапазона, которые имеют в основном размер пикселя 25 мкм и 17 мкм. Для таких микроболометрических матриц относительное отверстие объектива должно быть, по крайней мере, не ниже 1:1.
-1
Качество изображения объективов тепловизионных приборов принято оценивать по диаметру кружка рассеяния, в котором сосредоточено 80% энергии, или по значению частотно-контрастной характеристики на критической пространственной частоте. Для размера пикселя 17 мкм критическая пространственная частота равна 30 мм.
Как показывает расчет, объектив имеет диаметр кружка рассеяния по уровню концентрации энергии 80% при минус 50°C - 72 мкм, а при +50°C - 40 мкм, что далеко от максимально возможного дифракционного предела (дифракционный диаметр кружка рассеяния Эри равен 32 мкм).
-1
Как видно из графика ЧКХ, на пространственной частоте 30 ммзначение частотно-контрастной характеристики в центре и на краю поля зрения равно 0,13 и 0,17 при минус 50°C, и 0,34 и 0,18 при +50°C соответственно (значение дифракционной частотно-контрастной характеристики 0,52).
Кроме того, объектив обладает большой длиной и значительной массой элементов.
Указанные значения относительного отверстия, ЧКХ и диаметра кружка рассеяния, а также стабильность характеристик при изменении температуры недостаточны в тех случаях, когда от объектива требуется предельно высокие значения светосилы и разрешающей способности при работе в широком диапазоне температур.
Задача изобретения - увеличение относительного отверстия и повышение качества изображения объектива при работе в широком диапазоне температур окружающей среды.
Поставленная задача решается тем, что в атермализованном светосильном объективе ИК-диапазона, содержащем четыре компонента, первый из которых - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, выполненный из материала с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, третий - одиночный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, новым является то, что третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска из материала с положительным температурным коэффициентом показателя преломления и малым значением показателя дисперсии, при этом выполняются следующие условия для фокусных расстояний:
1
0
F/F=1,7÷2,2;
0
2
F/F=0,15÷0,55;
3
0
|F|/F=1,6÷3,0;
4
0
F/F=0,6÷1,0;
1
2
3
4
0
где F, F, F, F, F - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно.
Представленная конструкция объектива с указанными условиями на фокусные расстояния компонентов позволяет одновременно увеличить относительное отверстие и повысить качество изображения при изменении температуры в широком диапазоне. При этом отношение длины оптической системы к фокусному расстоянию лежит в пределах от 0,50 до 0,80.
В частном случае материалы оптических элементов подобраны с соблюдением следующих соотношений:
1
4
2
3
n, n≥3; n, n≤3;
1
4
3
υ, υ≥100; υ≤100;
1
2
3
4
1
3
4
где n, n, n, n - показатели преломления материала первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, а υ, υ, υ, - коэффициенты дисперсии материалов в диапазоне 8-12 мкм для первого, третьего и четвертого компонентов соответственно.
В частных случаях первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из селенида цинка; или первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из сульфида цинка; или первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из бромида цезия, третий компонент - из сульфида цинка.
В частном случае в объективе может быть выполнено следующее соотношение:
2
4
6
R=R=R;
2
4
6
где R, R, R - радиусы второй, четвертой и шестой поверхностей соответственно. В частном случае соотношения на радиусы поверхностей позволяют сделать конструкцию объектива более технологичной и сократить номенклатуру используемых при изготовлении пробных стекол.
Представленное изобретение поясняется графическими материалами фиг. 3 - фиг. 6. На фиг. 3 показан вариант оптической схемы объектива с реальным ходом лучей для трех точек поля зрения (0 град, 4 град, 5,35 град), а его характеристики, проиллюстрированные на фиг. 4 - функция концентрации энергии, на фиг. 5 - частотно-контрастная характеристика и на фиг. 6 - графики поперечных аберраций показаны для двух состояний объектива - при минус 50°C и при +50°C.
Объектив содержит четыре последовательно установленные оптически связанные компонента: первый - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к изображению, второй - положительный мениск 2, обращенный вогнутостью к изображению, третий - отрицательный мениск, обращенного вогнутостью к изображению, четвертый - положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к изображению. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.
В представленном варианте реализации изобретения компоненты 1 и 4 выполнены из германия, компонент 2 - из КРС-5, компонент 3 - из селенида цинка.
В табл. 1 приведены конструктивные параметры представленного варианта объектива - радиусы поверхностей, толщины линз и воздушных промежутков между ними, световые и полные диаметры и материал линз.
Апертурная диафрагма размещена на первой поверхности объектива. Диаметр апертурной диафрагмы 60 мм.
Для приведенного объектива соотношение между фокусными расстояниями линзовых компонентов и отношение фокуса объектива к его длине составляет:
1
0
F/F=2,03;
0
2
F/F=0,46;
3
0
|F|/F=1,91;
4
0
F/F=0,76;
0
F/L=0,68.
ИК-объектив имеет следующие характеристики:
- относительное отверстие 1:1;
- фокусное расстояние 60 мм;
- угол поля зрения 10,7 град;
- длина объектива 88,7 мм;
- задний фокальный отрезок 9,7 мм.
На фиг. 4 показана функция концентрации энергии в кружке рассеяния объектива. Как видно из графика, диаметр кружка рассеяния (по уровню 80%) составляет 18 мкм по центру поля зрения во всем диапазоне температур, для края поля зрения - 27 мкм во всем диапазоне температур (дифракционный диаметр кружка рассеяния Эри 25 мкм).
-1
На фиг. 5 показана частотно-контрастная характеристика объектива. Как видно из графика, на пространственной частоте 30 мм значение частотно-контрастной характеристики в центре и на краю поля зрения равно 0,59 и 0,43 при минус 50°C, и 0,58 и 0,38 при +50°C соответственно (значение дифракционной частотно-контрастной характеристики 0,61).
На фиг. 6 (а, б) показаны характерные графики поперечных аберраций объектива при минус 50°C и при +50°C соответственно. Как видно из графиков, геометрические аберрации не превышают 3 мкм и 7 мкм в центре и на краю поля зрения соответственно во всем диапазоне температур.
Разработанный объектив имеет высокие показатели качества изображения при большом относительном отверстии и необходимом поле зрения, при этом объектив имеет небольшую длину и достаточный задний фокальный отрезок. Объектив прост в изготовлении, не содержит асферических поверхностей и сохраняет стабильность характеристик в диапазоне температур от минус 50°C до +50°C.
Три вогнутые поверхности могут быть выполнены с одинаковыми радиусами кривизны, что позволяет сделать конструкцию объектива более технологичной и сократить номенклатуру используемых при изготовлении пробных стекол.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить качество изображения объектива при работе в широком диапазоне температур при большом относительном отверстии и угле поля зрения оптической системы.