ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ
OPTICAL SYSTEM OF A THERMAL IMAGER WITH TWO FIELDS OF VISION

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, работающим в инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизионных приборах, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.
Известна оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, описанная в патенте RU №2570062 С1, МПК G02B 13/14, опубликованном 10.12.2015 г. Оптическая система, состоящая из десяти линз, имеет высокое качество изображения, концентрация энергии в кружке диаметром 30 мкм составляет в центре поля 72% для широкого поля зрения и 74% для узкого поля зрения, на краю поля зрения 67% для широкого поля зрения и 60% для узкого поля зрения. Одна из линз выполнена с асферической поверхностью. Но большое количество линз снижает коэффициент пропускания системы.
Также известен инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения для инфракрасной области от 3,7 мкм до 4,85 мкм, описанный в патенте RU №2630195 и опубликованный 05.09.2017 г. Телеобъектив имеет фокусные расстояния ƒ'=-183,3 мм для узкого поля зрения и ƒ'=-61 мм для широкого поля зрения. Смена полей зрения (фокусного расстояния) осуществляется перемещением одной линзы вдоль оптической оси. Телеобъектив состоит всего из 6 линз, но на каждой из первых пяти линз одна поверхность асферическая, а на шестой линзе одна поверхность выполнена асферо-дифракционной. Наличие большого количества асферических поверхностей делает телеобъектив технологически сложным в изготовлении и дорогостоящим.
Известен телеобъектив для средней ИК области, описанный в патенте RU №2663313 С1, МПК G02B 13/14, опубликованном 03.08.2018 г. Телеобъектив имеет очень большое фокусное расстояние ƒ'=-550,06 мм для узкого поля зрения и ƒ'=-78,48 мм для широкого поля зрения, относительное отверстие 1:4. Телеобъектив имеет высокое качество изображения и технологичен, так как содержит только сферические поверхности. Но в данном телеобъективе большое количество линз, девять, что снижает коэффициент пропускания системы.
2
2
2
3
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому объективу является оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, описанная в патенте US №7218444 G02B 13/14, опубликованном 15.05.2007 г. Оптическая система работает в средней инфракрасной области от 3,7 до 4,7 мкм. Оптическая система тепловизионного прибора состоит из расположенных вдоль оптической оси по ходу луча трех компонентов: первый, третий, второй. Первый и второй компоненты неподвижные. Третий компонент, расположенный между первым и вторым компонентами подвижный. Первый компонент состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы, изготовленной из селенида цинка ZnSe и отрицательной двояко-вогнутой линзы, изготовленной из фтористого бария BaF, первая поверхность первой линзы выполнена асферической. Второй компонент состоит из отрицательной выпукло-вогнутой линзы, изготовленной из фтористого бария BaF, и положительной двояко-выпуклой линзы, изготовленной из селенида цинка ZnSe, первая поверхность второй линзы асферическая. Третий компонент состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы, изготовленной из материала AMTIR1 и отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, изготовленной из материала трехсернистомышьяковистое стекло AsS, первая поверхность первой линзы и вторая поверхность второй линзы выполнены асферическими. Между первым и вторым компонентами для узкого поля зрения и между линзами третьего компонента для широкого поля зрения формируется промежуточное изображение. Изменение поля зрения (фокусного расстояния) оптической системы осуществляется вводом-выводом третьего компонента.
Оптическая система имеет очень высокое качество изображения в широком поле зрения, концентрация энергии в кружке диаметром 30 мкм составляет при дифракционном пределе 78,7% для осевого пучка 75,8%, для внеосевого (2ω=21°) 70,3%, но для узкого поля зрения значение концентрации энергии уменьшается, и составляет для осевого пучка 51,4%, для внеосевого (2ω=7°) 46,8%.
2
2
3
Недостатком указанной оптической системы является недостаточное качество изображения для узкого поля зрения, наличие четырех асферических поверхностей, а также использование материалов фтористого бария BaF, AMTIR1 и трехсернистомышьяковистое стекла AsS.
2
2
3
Выбор материала оптических систем является серьезной технико-экономической задачей. Наиболее распространенный и дешевый материал - это обычное оптическое стекло, но оно прозрачно только в ограниченном спектральном диапазоне (до 2 мкм), поэтому для изготовления тепловизионных приборов используют гораздо более дорогостоящие и менее технологичные специальные стекла, кристаллы и различные соединения. Используемые в аналоге материалы: AMTIR1 - дорогостоящий материал, фтористый барий BaF как и халькогенидные стекла обладает наименьшей термостойкостью и является хрупким материалом и при его обработке требуется большая осторожность, трехсернистомышьяковистое стекло AsS один из самых мягких материалов, его главный недостаток - токсичность из-за содержания мышьяка, кроме того у него низкое сопротивление тепловому удару.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения высокого качества изображения с использованием отечественных материалов, изготавливаемых серийно.
Технический результат - создание оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения с обеспечением высокого качества изображения для широкого и узкого полей зрения, причем только с двумя марками доступного оптического материала (селенид цинка и фтористый кальций).
Это достигается тем, что в оптической системе тепловизионного прибора с двумя полями зрения, содержащего по ходу луча три компонента, первый из которых неподвижный, содержащий первую выпукло-вогнутую положительную линзу из селенида цинка, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и вторую отрицательную линзу, которая в отличие от аналога выполнена вогнуто-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Второй компонент, установленный с возможностью ввода-вывода в оптический тракт, также состоит из двух линз, из них первая положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая отрицательная вогнуто-выпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Третий неподвижный компонент, состоящий из двух линз, отличается тем, что первая отрицательная линза выполнена вогнуто-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, а первая поверхность второй положительной двояко-выпуклой линзы из селенида цинка выполнена асферической. В отличие от аналога вторая линза первого компонента и первая линза третьего компонента выполнены из фтористого кальция, первая и вторая линзы второго компонента выполнены из селенида цинка. Между первым и третьим компонентами формируется промежуточное изображение. Оптическая система тепловизионного прибора работает с фотоприемным устройством, в котором имеется входное окно и охлаждаемая диафрагма, которая является апертурной диафрагмой оптической системы.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения с широким полем зрения;
Фиг. 2 - оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения с узким полем зрения;
Фиг. 3 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 4 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 5 - функция рассеяния точки оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 6 - функция рассеяния точки оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 7 - функция концентрации энергии (ФКЭ) оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 8 - функция концентрации энергии (ФКЭ) оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 9 - кривизна поля и дисторсия оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 10 - кривизна поля и дисторсия оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 11 - относительная освещенность в плоскости изображения оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 12 - относительная освещенность в плоскости изображения оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения.
Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из трех, расположенных по ходу луча, компонентов. Первый неподвижный компонент I состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы 1, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и второй отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 2, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Второй компонент II, установленный с возможностью ввода-вывода в оптический тракт, состоит из двух линз, из них первая положительная выпукло-вогнутая линза 3, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая отрицательная вогнуто-выпуклая линза 4, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Третий неподвижный компонент III состоит из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 5, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, и положительной двояко-выпуклой линзы 6, первая поверхность которой выполнена асферической. Между первым I и третьим III компонентами формируется промежуточное изображение. Фотоприемное устройство 7 с входным окном и охлаждаемой диафрагмой 9, которая является апертурной диафрагмой.
В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, технические характеристики которой приведены в таблице 1.
Конструктивные параметры, предложенной оптической системы тепловизионного прибора приведены в таблице 2.
В оптической системе тепловизионного прибора с широким полем зрения (фиг. 1), соответствующем минимальному фокусному расстоянию ƒ', расположен второй компонент II, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы 3 и отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 4, находится в фиксированном положении и расположен между первым I и третьим III компонентами.
Инфракрасное излучение, исходящее из бесконечно удаленной точки предмета, проходит через линзы 1 и 2 первого компонента I, и выпукло-вогнутую линзу 3 второго компонента II, формирует промежуточное изображение, далее излучение проходит через вогнуто-выпуклую линзу 4 второго компонента II, через вогнуто-выпуклую линзу 5 и двояко-выпуклую линзу 6 третьего компонента III, затем через входное окно 8 и диафрагму 9 фотоприемного устройства 7 и формирует изображение на матрице чувствительных элементов фотоприемного устройства.
В оптической схеме объектива с узким полем зрения (фиг. 2), соответствующем максимальному фокусному расстоянию ƒ', второй компонент II, состоящий из выпукло-вогнутой линзы 3 и вогнуто-выпуклой линзы 4, выведен из оптической схемы. Инфракрасное излучение, исходящее из бесконечно удаленной точки предмета, проходит через линзы 1 и 2 первого компонента I, формирует промежуточное изображение, далее излучение проходит через вогнуто-выпуклую линзу 5 и двояко-выпуклую линзу 6 третьего компонента III, затем через входное окно 8 и диафрагму 9 фотоприемного устройства 7 и формирует изображение на матрице чувствительных элементов фотоприемного устройства.
Изменение поля зрения (фокусного расстояния) оптической системы тепловизионного прибора осуществляется вводом-выводом подвижного второго компонента II в оптический тракт в пространстве между неподвижными первым I и третьим III компонентами. Для каждого из фокусных расстояний относительное отверстие составляет 1:4.
Качество изображения оптической системы оценивается с помощью параметров кружка рассеяния и модуляционной передаточной функции. Параметры модуляционной передаточной функции оптической системы в сравнении с дифракционно-ограниченной системой приведены в таблице 3 для широкого поля зрения и в таблице 4 для узкого поля зрения, а также показаны на фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 5 и фиг. 6 приведены данные функции рассеяния точки. Геометрический радиус кружка рассеяния точки не превышает 15,5 мкм в центре поля зрения и 26 мкм на краю поля зрения для широкого поля зрения и 5 мкм в центре поля зрения и 20,5 мкм на краю поля зрения для узкого поля зрения.
Значение концентрации энергии для двух полей зрения приведены в таблице 5 и на графиках фиг. 7 фиг. 8.
На приведенных графиках на фиг. 9 и фиг. 10 дисторсия составляет 5% для широкого поля зрения и 0,25% для узкого поля зрения.
Заявленная оптическая система не имеет виньетирования, поэтому падение относительной освещенности в плоскости изображения (на плоскости чувствительных элементов матрицы фотоприемного устройства) от центра к краю составляет от 1 до 0,83 для широкого и узкого полей зрения, что подтверждается графиками фиг. 11 и фиг. 12.
Из таблицы 5 следует, что в отличие от аналога (51,4% для осевого и 46,8% для внеосевого) концентрация энергии для узкого поля зрения для осевого пучка и для внеосевого составляет 78,2% и 70,6% соответственно.
Таким образом, создана оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения с одной асферической поверхностью с обеспечением высокого качества изображения для широкого и узкого полей зрения, причем только с двумя марками доступного оптического материала (селенид цинка и фтористый кальций), что обеспечивает заявляемый технический результат, определяет новизну и изобретательский уровень. Изготовление объектива на оптико-механическом предприятии доказывает его промышленную применяемость.