ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Полезная модель относится к области оптики и может быть использована в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы (МБМ).
К объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, работающим с МБМ, предъявляются следующие требования: большой задний отрезок для удобного сопряжения его плоскости изображения с плоскостью чувствительных элементов МБМ, высокое качество изображения при большом относительном отверстии и большом поле зрения, а также небольшие габариты и масса, что особенно критично для носимых тепловизионных приборов.
Для объектива в области спектра 8-12 мкм относительное отверстие, рассчитанное по формуле 3.12 [Н.Н. Михельсон. "Оптические телескопы", М., "Наука", 1976], должно быть не ниже 1:1-1:1.3, т.к. пиксель МБМ имеет очень малый размер - 0.025 мм. Кружок рассеяния определяется при 80% концентрации энергии ("D 80%"), что соответствует критерию Релея. Чувствительные элементы МБМ расположены внутри механического корпуса, обычно на расстоянии 15-20 мм от торца или защитного стекла, что требует достаточного заднего отрезка ИК-объектива. Особенно это актуально, когда между последней линзой объектива и МБМ устанавливают механическую шторку, которая периодически вводится в ход лучей для учета фоновой обстановки наблюдаемой картины, и на счету каждый миллиметр заднего отрезка объектива.
Известен объектив для ИК-области спектра (8-15 мкм), содержащий четыре компонента, первый из которых - положительная линза, второй - отрицательный мениск, третий - положительная линза, четвертый - вогнуто-плоская линза [A.D. Kirkpatric. "Far infrared lens", US Pat. №3.439.969, МПК G02B 3/00, 1969]. С целью компенсации расфокусировки изображения при изменении температуры окружающей среды третья линза выполнена из германия, остальные - из сульфида цинка (ZnS). Объектив имеет поле зрения 12°, относительное отверстие 1:2,а при фокусе 100 мм длину вдоль оси - 150 мм.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Задний отрезок равен нулю, что приводит к невозможности оптического сопряжения объектива с МБМ.
2. Большая длина объектива - 150 мм.
3. Малое относительное отверстие. При идеальном исправлении геометрических аберраций кружок рассеяния (D 80%) составляет 0.04 мм.
4. Низкое качество изображения. При нулевом поле зрения D 80%=0.072 мм.
1
2
3
4
Известен объектив для ИК-области спектра (8-14 мкм) [P.G. Rogers "Infra-red lenses", US Pat. №4.030.805, МПК G02B 1/00, 1977]. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Все компоненты выполнены из германия. Фокусные расстояния компонентов, приведенные в базе данных "Lens view", U.S. Patent bibliographic data, удовлетворяют следующим условиям: f'/f'=1.47, f'/f'=-1.33, f'/f'=0.81, f'/f'=0.57.
Объектив имеет поле зрения 16.5° при относительном отверстии 1: 0.59. Однако, проверочный расчет по конструктивным параметрам (радиусы кривизны поверхностей линз, толщины и воздушные промежутки) показал следующие недостатки объектива:
1. Большие габариты: длина объектива - 176 мм, диаметр - 160 мм при фокусном расстоянии 100 мм.
2. Величина заднего отрезка близка к нулю, что не позволяет установить фотоприемное устройство.
3. Низкое качество изображения: уже для центральных точек поля зрения диаметр кружка рассеяния D 80%=0.060-0.100 мм.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2365952, МПК G02B 13/14, 9/34, 2008. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Первый и четвертый мениски выполнены из германия, а отрицательная и положительная линзы выполнены из бескислородного стекла.
В прототипе фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:
1
f'/f'=1.14÷1.3,
2
f'/f'=-0.69÷0.74,
3
f'/f'=0.84÷0.98,
4
f'/f'=0.93÷1.6,
1
2
3
4
где f', f', f', f' - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, f' - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива.
В прототипе может использоваться бескислородное стекло марки ИКС-25, а отрицательная линза может перемещаться вдоль оптической оси.
Указанный объектив при фокусном расстоянии 100 мм имеет достаточно большой задний отрезок (25 мм) и высокое качество изображения при большом относительном отверстии и поле зрения.
Недостатком объектива являются большие габариты и масса: длина объектива при фокусном расстоянии 100 мм составляет 145 мм, диаметр - 100 мм, масса - 540 г. Это не позволяет использовать данный объектив для носимых тепловизионных приборов, в частности, для приборов, устанавливаемых на стрелковом оружии.
Кроме того, расчет показывает, что при уменьшении фокусного расстояния с целью уменьшения габаритов объектива-прототипа происходит уменьшение заднего отрезка объектива, что затрудняет оптическое сопряжение объектива с МБМ. Например, при пересчете на фокусное расстояние 60 мм (как у заявляемого объектива) задний отрезок объектива - прототипа равен 15 мм, а с учетом прогиба последней вогнутой поверхности объектива задний рабочий отрезок составляет 12,5 мм. Сопряжение такого объектива с МБМ технически невыполнимо.
Задача полезной модели - уменьшение габаритов и массы объектива, а также увеличение заднего отрезка с обеспечением высокого качества изображения объектива при высоком относительном отверстии и поле зрения.
Поставленная задача решается тем, что в объективе для ИК-области спектра, как и в прототипе, содержащем четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, причем мениски выполнены из германия, отрицательная и положительная линзы выполнены из бескислородного стекла, в отличие от прототипа фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:
1
f'/f'=0.9÷1.09,
2
f'/f'=-0.4÷0.65,
3
f'/f'=0.7÷0.83,
4
f'/f'=0.9÷1.4,
1
2
3
4
где f', f', f', f' - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, f' - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива. Разброс параметров определяется выбором конкретного относительного отверстия и поля зрения объектива.
В качестве материала отрицательной и положительной линз может быть использовано бескислородное стекло марок ИКС-25, ИКС-28, ИКС-31, ИКС-32 (ОСТ3-3441-83).
В частных случаях реализации, например, для фокусировки объектива на конечное расстояние, для термокомпенсации смещения плоскости установки объектива при изменении температурного режима, для юстировки объектива при неподвижной МБМ, отрицательная линза может быть установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах. На фиг.1 приведена оптическая схема объектива, на фиг.2 - кружки рассеяния (для центра, зоны и края поля зрения).
Объектив (фиг.1) содержит четыре последовательно установленные оптически связанные компонента: первый - положительный мениск 1, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза 2, третий -положительная линза 3, четвертый - положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к изображению. Мениски 1 и 4 выполнены из германия, линзы 2 и 3 выполнены из бескислородного стекла ИКС-25. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива. Выполняются соотношения:
1
2
3
4
1
2
3
4
f'/f'=0.9÷1.09, f'/f'=-0.4÷0.65, f'/f'=0.7÷0.83, f'/f'=0.9÷1.4, где f', f', f', f' - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, f' - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива.
Объектив работает следующим образом. Световой поток от предмета проходит через компоненты 1-4 и в плоскости изображения, в которой находится МБМ (на фиг.1 не показана), строит изображение предмета величиной, соответствующей полю зрения объектива. Апертурная диафрагма находится на мениске 1.
В соответствии с предложенным решением рассчитан ИК-объектив для диапазона 8-12 мкм. Конструктивные элементы объектива приведены в таблице.
№
Радиус
Толщина
Материал
Световой
кривизны
по оси
диаметр
1
61.38
4.0
Germanium
48.0
2
89.54
32.2
Воздух
46.0
3
-196.34
2.8
ИКС-25
26.0
4
66.53
12.0
Воздух
26.0
5
0.0
3.5
ИКС-25
30.0
6
-85.9
1.0
Воздух
30.0
7
30.20
3.5
Germanium
28.0
8
33.11
18.0
Воздух
26.0
9
Пл. изобр.
12.3
Оптические характеристики объектива:
Фокусное расстояние
60 мм
Относительное отверстие
1:1.3
Поле зрения
9.2°×7.0° (по диагонали - 11.6°)
Спектральный диапазон
8-12 мкм
Длина объектива
77.3 мм
Задний отрезок
18.0 мм
1
2
3
4
Для приведенного объектива соотношение между фокусными расстояниями линзовых элементов составляет: f'/f'=0.98, f'/f'=-0.46, f'/f'=0.81, f'/f'=1.0.
Заявляемый объектив при фокусном расстоянии 60 мм имеет одновременно небольшую длину - 77.3 мм, небольшой диаметр - 48 мм и большой задний отрезок - 18 мм, достаточный для сопряжения с МБМ. Соблюдение указанных соотношений фокусных расстояний, отличающих заявляемый объектив от прототипа, позволяет получить задний отрезок 18 мм, тогда как в прототипе при фокусном расстоянии 60 мм задний отрезок равен 15 мм.
Параметры заявляемого объектива, приведенные для удобства сравнения с прототипом к фокусному расстоянию 100 мм и относительному отверстию 1:1, составляют: длина - 128 мм, диаметр - 100 мм, масса - 480 г., задний отрезок - 30 мм., что подтверждает преимущества по сравнению с прототипом - уменьшение габаритов, увеличение заднего отрезка.
Качество изображения заявляемого объектива демонстрируется кружками рассеяния для центра, зоны и края поля зрения (фиг.2). На каждый кружок рассеяния впечатан кружок Эри. Кроме того, над каждым кружком впечатан размер "D 80%" (0.024, 0.025 и 0.026 мм). В левом нижнем углу приведены среднеквадратические (RMS) и геометрические (GEO) кружки рассеяния по полям зрения, а также диаметр кружка Эри. Как видно из диаграммы, диаметр дифракционного пятна рассеяния с учетом геометрических аберраций не превышает 0.026 мм (D 80%<0.026 мм) по всему полю зрения.
Разработанный объектив имеет такие же, как и в прототипе, высокие показатели качества изображения при высоком относительном отверстии и необходимом поле зрения. При этом в объективе уменьшены габариты и увеличен задний отрезок. Такой объектив может применяться в малогабаритных носимых тепловизионных приборах.
Вторая отрицательная линза может быть установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, что используется для фокусировки объектива на конечное расстояние, для термокомпенсации смещения плоскости установки объектива при изменении температурного режима, и для юстировки объектива при неподвижном фотоприемном устройстве.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет уменьшить габариты и массу объектива, а также увеличить задний отрезок с обеспечением высокого качества изображения при высоком относительном отверстии и поле зрения.