ОБЪЕКТИВ ДЛЯ SWIR ДИАПАЗОНА СПЕКТРА
LENS FOR SWIR RANGE SPECTRUM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для коротковолновой инфракрасной (ИК) области спектра (SWIR диапазон), и может быть использовано в оптико-электронных приборах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств, чувствительных в спектральном диапазоне от 0,9 до 1,7 мкм.
SWIR (Short Wave Infrared) излучение (диапазон) - это общепринятое название светового излучения в коротковолновом диапазоне электромагнитных волн от 0,9 до 3,0 мкм (Тарасов, Якушенков, 2013) [1]. Наиболее распространенные матричные приемники излучения имеют более узкий спектральный диапазон: примерно от 0,9 до 1,7 мкм. В отличие от классических тепло-визионных приборов, регистрирующих собственное излучение объектов и фонов средневолнового ИК (MWIR) и (или) длинноволнового ИК (LWIR) диапазонов, приборы SWIR диапазона регистрируют отраженное от наблюдаемых объектов и фонов излучение естественных и искусственных внешних источников, что является основой для обеспечения широкого динамического диапазона, необходимого для формирования качественных изображений объектов. К числу преимуществ, определяющих актуальность разработки приборов SWIR диапазона, обычно относят: возрастание контрастов между искусственными и естественными объектами по сравнению с диапазоном, в котором работают классические приборы ночного видения с электронно-оптическими преобразователями; способность формировать изображение в ночных условиях; возможность круглосуточного применения; возможность наблюдения в условиях запыленности, тумана или дыма; возможность применения скрытой подсветки наблюдаемых объектов; способность обнаруживать скрытые лазерные сигналы; отсутствие требований для глубокого охлаждения и др. Для реализации указанных преимуществ оптико-электронных приборов в SWIR диапазоне требуются светосильные объективы с высокими характеристиками по качеству изображения, обеспечивающие возможность оптимального сопряжения с приемниками излучений.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности являются объектив по патенту RU 2635810 [Патент RU 2635810, С1. Фотографический объектив. Приоритет 18.04.2016 опубл. 20.11.2017, Бюл. №32 [2]. В патенте заявляется объектив, предназначенный для оптико-электронных приборов, работающих в видимом, ближнем ИК (от 0,4 до 0,9 мкм) и коротковолновом ИК (от 1,5 до 1,7 мкм) диапазонах.
Объектив наиболее близкого аналога содержит три компонента и апертурную диафрагму, при этом первый положительный компонент содержит двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, второй компонент является положительным, третий компонент содержит две линзы, первая из которых является отрицательным мениском. Все линзы объектива являются одиночными. Второй положительный компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, две двояковыпуклых линзы, и отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Вторая линза третьего компонента является отрицательным мениском, обращенным выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Апертурная диафрагма в объективе расположена между первым и вторым компонентами. Группа из трех первых линз второго компонента может перемещаться вдоль оптической оси на небольшое расстояние для компенсации температурного увода плоскости наилучшей установки.
В примере конкретного исполнения наиболее близкого аналога приводится объектив с фокусным расстоянием 300 мм, относительным отверстием 1:3,5, линейным размером изображения 64 мм. Анализ приведенных в патенте параметров примера конкретного исполнения позволил выявить следующие соотношения:
1
2
3
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего компонентов и всего объектива; Δ - перемещение вдоль оптической оси подвижной группы линз второго компонента; ƒ' - фокусное расстояние объектива.
-6
-6
Материалы, используемые в примере конкретного исполнения для линз первого компонента, имеют разницу в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) более 11⋅10 1/градус. Материалы, используемые в примере конкретного исполнения для первой положительной линзы и для отрицательных линз второго компонента, имеют разницу в ТКЛР более 10⋅10 1/градус.
Анализ качества изображения, проведенный по конструктивным параметрам примера конкретного исполнения, показывает, что в SWIR диапазоне наиболее близкий аналог для длин волн от 0,9 до 1,7 мкм обеспечивает примерно такие же значения коэффициента передачи контраста, как и в заявляемом в патенте [2] диапазоне от 1,5 до 1,7 мкм. При этом угол падения главного луча крайнего наклонного пучка лучей на чувствительную площадку приемника составляет 9°.
К числу недостатков наиболее близкого аналога можно отнести следующее: малое относительное отверстие, увеличенные поперечные габаритные размеры объектива, превышающие диаметр входного зрачка, а также малый температурный интервал работы объектива.
Соотношение между оптическими силами линз и форма их выполнения в наиболее близком аналоге таковы, что при повышении относительного отверстия сверх заявленного 1:3,5 качество изображения снижается и не позволяет обеспечить требуемые величины коэффициента передачи контраста на частотах, соответствующих частоте Найквиста. Кроме того, большая разница в ТКЛР материалов не позволяет обеспечить объединение некоторых линз в склейки с целью повышения технологичности объектива (например, при пересчете объектива на меньшие значения фокусного расстояния и, соответственно, меньшие диаметры линз) из-за возможного нарушения клеевого слоя в диапазоне температур эксплуатации от -50 до +50°С.
Размещение апертурной диафрагмы между первым и вторым компонентами (вблизи второго компонента), приводит к тому, что диаметры линз первого компонента превышают диаметр входного зрачка, что приводит к увеличению поперечных габаритных размеров объектива. Уменьшение диаметров линз первого компонента в схеме наиболее близкого аналога до диаметра входного зрачка приводит к двадцатипроцентному виньетированию крайних пучков лучей, что является нежелательным при эксплуатации объектива в составе оптико-электронного прибора.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание светосильного объектива для SWIR диапазона спектра для оптико-электронного прибора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего возможность сопряжения с современными матричными приемниками SWIR излучения в диапазоне от 0,9 до 1,7 мкм.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении относительного отверстия, в уменьшении поперечных габаритных размеров объектива, в увеличении температурного интервала работы объектива.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога в объективе для SWIR диапазона спектра, двояковыпуклая и двояковогнутая линзы первого компонента выполнены склеенными, второй положительный компонент выполнен в виде отрицательной склеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, отрицательный мениск третьего компонента обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, вторая линза третьего компонента выполнена положительной и имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, апертурная диафрагма совмещена с оправой первого компонента, в заявляемом объективе имеют место следующие соотношения:
1
2
3
-6
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего компонентов и всего объектива; Δ - перемещение вдоль оптической оси второй линзы третьего компонента; ƒ' - фокусное расстояние объектива, при этом разность ТКЛР материалов линз, образующих первый компонент объектива, и разность ТКЛР материалов линз, образующих отрицательную двухлинзовую склеенную линзу второго компонента, не превышает по модулю значение 3⋅10 1/градус.
В частном случае вторая линза третьего компонента выполнена выпукло-плоской.
Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров, позволяющих создать объектив для SWIR диапазона спектра для оптико-электронного прибора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего возможность сопряжения с современными матричными приемниками SWIR излучения в диапазоне от 0,9 до 1,7 мкм.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и является про-мышленно применимым. Все линзы объектива выполнены со сферическими преломляющими поверхностями, изготовлены из марок оптических стекол и оптических клеев, технология применения которых для изготовления объективов известна и отработана на предприятиях, специализирующихся на выпуске оптических приборов и их элементов. В то же время авторам не известны оптические схемы объективов для SWIR диапазона спектра, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.
Предложенное устройство иллюстрируется следующими графическими материалами: на фиг. 1 представлена оптическая схема объектива для SWIR диапазона спектра, на фиг. 2 представлен график частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) для различных точек поля, на фиг. 3 представлен график функции концентрации энергии (ФКЭ) для различных точек поля, на фиг. 4 представлен график дисторсии, на фиг. 5 представлен график ФКЭ при температуре -50°С, на фиг. 6 представлен график ФКЭ при температуре +50°С.
Оптическая система объектива для SWIR диапазона спектра (фиг. 1) содержит первый положительный компонент 1, второй положительный компонент 2, третий положительный компонент 3. Первый положительный компонент 1 является склеенной линзой, состоящей из двояковыпуклой линзы 4 и двояковогнутой линзы 5. Второй положительный компонент 2 включает склеенную линзу 6, состоящую из двояковыпуклой линзы 7 и двояковогнутой линзы 8, и положительный мениск 9, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Третий положительный компонент 3 состоит из отрицательного мениска 10, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, и положительной линзы 11. Линза 11 имеет небольшую подвижку для активной термокомпенсации. В примере конкретного исполнения линза 11 выполнена в виде выпукло-плоской линзы. Плоскость изображения (чувствительная площадка приемника) находится после защитного стекла 12 приемника. Роль апертурной диафрагмы выполняет оправа двояковыпуклой линзы 4 первого компонента 1. Все линзы выполнены из оптического бесцветного стекла. Оптические силы компонентов 1-3 (линзы 4-11) и значение подвижки линзы 11 удовлетворяют соотношению (2).
-6
Разность температурных коэффициентов линейного расширения материалов линз, образующих первый компонент объектива, являющийся положительной двухлинзовой склеенной линзой, а также разность ТКЛР материалов линз, образующих отрицательную двухлинзовую склеенную линзу второго компонента, не превышает по модулю значение 3⋅10 1/градус.
Осуществление устройства заключается в следующем. Компоненты 1-3 (линзы 4-11) фокусируют ИК излучение SWIR диапазона, 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 матричного приемника SWIR-диапазона. 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, осуществляется подвижка последней линзы объектива.
В таблице 1 приведены величины оптических сил, расстояний между линзами и их диаметры в конкретном примере исполнения объектива для SWIR диапазона. Значения параметров приведены при нормировке фокусного расстояния ƒ'=1.
1
2
3
Как следует из таблицы 1, в примере конкретного исполнения оптические силы компонентов 1-3 соотносятся между собой следующим образом: φ:φ:φ=0,29:0,89:0,68, что входит в интервал, указанный в соотношении (2) и отличаются от соотношений (1) в прототипе. Форма линз соответствует схеме объектива, приведенной на фиг. 1.
Для изготовления линз использованы стекла со следующими значениями ТКЛР, представленные в таблице 2):
-6
-6
-6
Разность ТКЛР для линз 4 и 5 составляет 1,16⋅10 1/градус, и для линз 7 и 8 составляет 0,70⋅10 1/градус, что меньше, чем 3⋅10 1/градус.
Величины подвижек для термокомпенсации на конечное расстояние до объектов составляют примерно 2 мм, что не превышает 3% от величины фокусного расстояния объектива и соответствуют соотношению (2).
В качестве примера конкретного исполнения приводится объектив с техническими характеристиками, указанными в таблице 3. Угловое поле зрения объектива составляет 7,1°×5,7°. Относительное отверстие 1:1,6.
При промышленной применимости заявляемого объектива в тепловизионном приборе, исходя из приведенных в таблицы 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 SWIR диапазона ИК-области спектра проведен для фокусного расстояния ƒ'=77 мм, диаметра входного зрачка 50 мм, относительного отверстия 1:1,6, формата приемника 640×512, шаг пикселей 0,15 мкм, углового поля 7,1°×5,7° (по диагонали 9,1°).
На фиг. 2 приведен график ЧКХ для различных точек поля. Обозначение «0,00» соответствует ЧКХ для точки на оси; «3,84» - вертикальному краю, «4,80» - горизонтальному краю, «6,15» - крайней точке диагонали приемника. Как следует из фиг. 1, при пространственной частоте 33 цикл/мм коэффициент передачи контраста для точки на оси равен 0,87, для остальных точек поля составляет более 0,72.
На фиг. 3 приведен график 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 «0,00» соответствует ФКЭ для точки на оси; «3,84» - вертикальному краю, «4,80» - горизонтальному краю, «6,15» - крайней точке диагонали приемника; «дифр. предел» - дифракционной ФКЭ для точки на оси объектива. Как следует из фиг. 2, при фокусировке на бесконечность величина ФКЭ в изображении точки на квадратной площадке со стороной 0,15 мкм составляет для всех точек поля более 0,86.
На фиг. 4 приведен график дисторсии для различных точек поля. Дисторсии составляет по модулю не более 0,15%.
На фиг. 5 приведен график ФКЭ при температуре -50°С. Результаты анализа подвижек и оценки качества для рассматриваемого решения путем введения внутренней термокомпенсационной подвижки последней линзы объектива показали, что относительная погрешность фокусного расстояния  составляет -0,054%, подвижка линзы 11 составляет 0,10 мм (линза смещается влево).
На фиг. 6 приведен график ФКЭ при температуре +50°С.Результаты анализа величин подвижек и оценки качества для рассматриваемого решения путем введения внутренней термокомпенсационной подвижки последней линзы объектива показали, что относительная погрешность фокусного расстояния  составляет 0,019%, подвижка линзы 11 составляет 0,05 мм (линза смещается право).
Результаты, представленные на фиг. 5 и 6 подтверждают, что термокомпенсация обеспечивает восстановление качества изображения в температурном интервале работы объектива от -50°С до +50°С.
Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом в заявляемом светосильном объективе для SWIR диапазона ИК-области спектра: повышено относительное отверстие в 3,5/1,6=2,2 раза, уменьшены поперечные габаритные размеры объектива, так что они не превышают диаметра входного зрачка, увеличен температурный интервал работы объектива от -50°С до +50°С - примерно в три раза по сравнению с объективом-аналогом. Кроме того, дополнительно обеспечено уменьшение угла наклона главных лучей наклонных пучков в пространстве изображений до 1,8° (против 9°), что делает объектив более телецентрическим и способствует обеспечению одинаковых условий облученности пикселей матричного приемника.
Таким образом, наличие в устройстве объектива новых признаков и новых соотношений между параметрами устройства по сравнению с известными устройствами объективов для SWIR диапазона ИК-области спектра позволяет обеспечить указанный технический результат: повышение относительного отверстия, уменьшение поперечных габаритных размеров объектива, увеличение температурного интервала работы объектива, 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 предлагаемого светосильного объектива для SWIR диапазона ИК-области спектра условиям патентоспособности.
Литература
1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Современное состояние и перспективы развития зарубежных тепловизионных систем // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - №3 (85). - 2013. - С. 1-13.
2. Патент RU 2635810, С1. Фотографический объектив. Приоритет 18.04.2016 опубл. 20.11.2017, Бюл. №32.