Инфракрасный объектив с температурной компенсацией фокусировки
INFRARED LENS WITH TEMPERATURE COMPENSATION OF FOCUSING

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к оптико-электронным приборам, работающим в дальней ИК-области спектра в условиях больших изменений температуры окружающей среды.
Известна оптическая система (патент США №6631040, М.кл. G02B 7/02, опубл. 07.10.2003 г.), содержащая, по крайней мере, одну линзу с оправой, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса оптической системы, и узел температурной компенсации, включающий компенсационный элемент, изготовленный из материала с существенно отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения и установленный параллельно оптической оси, который одним концом жестко закреплен на оправе, а другим концом жестко сопряжен с корпусом.
При изменении температуры окружающей среды из-за разности величин линейного расширения материалов корпуса и компенсационного элемента происходит перемещение линзы с оправой относительно корпуса.
Недостатком этого объектива является то, что перемещение линзы с оправой, необходимое для компенсации смещения плоскости наилучшего изображения вследствие линейного расширения материалов корпуса и оптики, а также изменения радиусов кривизны и показателей преломления оптических элементов при изменении температуры окружающей среды, имеет незначительные величины. В случаях более сильной расфокусировки оптической системы при изменении температуры, когда необходимы большие значения перемещения линзы с оправой для компенсации расфокусировки, не удается подобрать соответствующий материал для изготовления компенсационного элемента.
Наиболее близкой по технической сущности является оптическая система с температурной компенсацией фокусировки (патент RU 2343511 С2, опубл. 10.01.2009), содержащей по крайней мере одну линзу с оправой, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса, и упруго закрепленный между оправой и корпусом узел температурной компенсации, содержащий компенсационный элемент, изготовленный из материала с отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения и установленный параллельно оптической оси, узел температурной компенсации выполнен в виде шарнирного механизма, содержащего коромысло, упругий элемент и прижим, при этом компенсационный элемент жестко соединен одним концом с корпусом, а другим концом шарнирно соединен с первым плечом коромысла, которое установлено с возможностью качения относительно первого кулачка, выполненного на корпусе, второе плечо коромысла состыковано с помощью прижима со вторым кулачком, выполненным на оправе и расположенным диаметрально противоположно первому, и соединено через упругий элемент с корпусом. Такая конструкция обеспечивает увеличение значения возможного перемещения линзы с оправой при сильной расфокусировке оптической системы.
Недостатком этого объектива является то, что предложенная конструкция не позволяет осуществлять фокусировку при наличии разброса значений коэффициента линейного расширения у одного и того же материала, из которого изготавливается компенсационный элемент.
Задачей настоящего изобретения является увеличение значения возможного перемещения линзы с оправой при сильной расфокусировке оптической системы и обеспечение возможности регулировки положения плоскости наилучшей установки при наличии разброса значений коэффициента линейного расширения у разных партий поставок материала, из которого изготавливаются компенсационные элементы.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в инфракрасном объективе, содержащем, по крайней мере, одну линзу с оправой, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса оптической системы, и узел температурной компенсации, включающий компенсационный элемент, изготовленный из материала с существенно отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения и установленный параллельно оптической оси, который одним концом упруго прижат к оправе, отличающийся тем, что в нем содержатся три линзы, третья из которых имеет оправу, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса оптической системы, на оправе второй линзы жестко закреплен другой конец компенсационного элемента, на котором сформированы продольные пазы, а между корпусом и фотоприемником установлен второй компенсационный элемент, состоящий из двух частей, первая из которых изготовлена из материала с существенно отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения, а вторая часть - из материала с одинаковым с материалом корпуса коэффициентом линейного расширения, причем второй компенсационный элемент установлен параллельно оптической оси и одним концом упруго прижат к оправе фотоприемника, а другим - к корпусу объектива, а упругий элемент установлен между оправами третьей линзы и фотоприемника, при этом выполняются следующие соотношения:
;
;
;
;
4
где d - воздушный промежуток между второй и третьей линзами;
- фокусное расстояние объектива;
п
L - длина продольного паза в первом компенсационном элементе;
1к
L - длина первого компенсационного элемента;
n - число продольных пазов в первом компенсационном элементе;
2к-1
L - длина первой части второго компенсационного элемента из материала с существенно отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения;
2к-2
L - длина второй части второго компенсационного элемента из материала с одинаковым с материалом корпуса коэффициентом линейного расширения.
2к-1
2к-2
Изменением длин первой (L) и второй (L) частей второго компенсационного элемента устраняется влияние разброса коэффициентов линейного расширения у материалов компенсационных элементов, которые имеются на разных партиях поставок этих материалов.
Схема объектива показана на чертеже.
Объектив содержит первый по ходу луча компонент - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, второй компонент - отрицательный мениск 2, обращенный выпуклостью к плоскости изображений, третий компонент - положительный мениск 3, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, фотоприемник 4, корпус 5, оправу второй линзы 6, оправу третьей линзы 7, оправу фотоприемника 8, первый компенсирующий элемент 9, первую часть второго компенсирующего элемента 10, вторую часть второго компенсирующего элемента 11, упор 12 и разжимной пружинный элемент 13.
Конструктивные данные оптической части объектива приведены в таблице.
Принцип действия объектива заключается в следующем.
Оптическая схема объектива, состоящего из линз 1, 2 и 3, обеспечивает наилучшее качество изображения в плоскости наилучшей установки (ПНУ), с которой наиболее точно совмещается плоскость фотоприемника 4 простой регулировкой упора 12 при нормальной температуре окружающей среды, равной ~20°С, на этапе сборки объектива.
При изменении температуры окружающего воздуха изменяются линейные размеры, радиусы кривизны оптических поверхностей, показатели преломления материалов линз, а также изменяются длины и диаметры корпуса и оправ. В связи с этим изменяются воздушные промежутки между линзами и задний фокальный отрезок объектива, вследствие чего плоскость фотоприемника 4 отодвигается от ПНУ и происходит расфокусировка объектива, причем при понижении температуры ПНУ отодвигается от линзы 3 объектива на достаточно большую величину, а при повышении - придвигается к линзе 3. В предложенной оптической схеме объектива второй воздушный промежуток выполнен большой величины - сравнимой с фокусным расстоянием объектива:
4
где d - воздушный промежуток между второй и третьей линзами;
- фокусное расстояние объектива.
Это дает возможность осуществить компенсацию большей части величины смещения ПНУ изменением этого воздушного промежутка - подвижкой линзы 3.
Для обеспечения подвижки используется узел температурной компенсации с размещением компенсационного элемента 9, изготовленного из материала с существенно отличающимся от материала корпуса 5 коэффициентом линейного расширения, между оправой 7 линзы 3, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса 5 оптической системы, и оправой 6 линзы 2, и который установлен параллельно оптической оси и одним концом упруго прижат к оправе 7. На оправе 6 жестко закреплен другой конец компенсационного элемента 9, на котором сформированы продольные пазы, при этом выполняются следующие соотношения:
п
где L - длина продольного паза в первом компенсационном элементе;
1к
L - длина первого компенсационного элемента;
n - число продольных пазов в первом компенсационном элементе.
При изменении температуры меняется длина компенсационного элемента 9 и, вследствие разности коэффициентов линейного расширения материалов корпуса 5 и компенсационного элемента 9, происходит изменение взаимного положения линзы 3, компенсируя большую часть рассогласования ПНУ и фотоприемника 4.
Продольные пазы, выполненные на жестко закрепленном конце компенсационного элемента 9, обеспечивают пружинными свойствами посадочный диаметр этого элемента на участках, равных длине пазов, и исключают растрескивание жестко закрепленного конца компенсационного элемента 9 из-за разницы в изменении диаметральных размеров сопрягаемых деталей (корпуса 5, оправы 6 и компенсационного элемента 9) при изменении внешней температуры.
Для достижения полной компенсации (компенсации оставшейся меньшей части рассогласования ПНУ и фотоприемника 4) между корпусом 5 и фотоприемником 4 установлен второй компенсационный элемент, состоящий из двух частей 10 и 11, первая из которых (поз. 10) изготовлена из материала с существенно отличающимся от материала корпуса 5 коэффициентом линейного расширения, а вторая часть (поз. 11) - из материала с одинаковым с материалом корпуса 5 коэффициентом линейного расширения, причем второй компенсационный элемент установлен параллельно оптической оси и одним концом упруго прижат к оправе 8 фотоприемника, а другим - к корпусу 5 объектива через упор 12, причем между оправами 7 и 8 установлен упругий элемент 13 разжимного типа, обеспечивающий одновременно постоянный прижим оправы 7 к первому компенсационному элементу 9 и оправы 8 ко второму компенсационному элементу 10,11 при перемещениях оправ 7 и 8 вдоль оптической оси.
Для температурного диапазона ±50°С, принятого рабочим, наибольшая разность температур от начальной в +20°С, принятой для нормальной, при которой осуществляется сборка объектива, очевидно будет равна ΔТмакс = 70°С, когда внешняя температура достигнет минус 50°С.
При достижении температуры минус 50°С, которой ПНУ объектива смещается от исходного положения на максимально большую величину, увеличивая задний фокальный отрезок объектива на ~1,27 мм.
кТ
к
В качестве материала для корпуса 5, оправ и колец 6, 7, 8, 11, 12, примем материал титан (типа ВТ-1), который имеет малый коэффициент линейного расширения α = 0,0000086. При уменьшении температуры уменьшается длина  корпуса, оправ и упоров, выполненных из этого материала, на величину ΔL, которая рассчитывается по формуле . В предложенном варианте объектива уменьшение длины этих элементов составит 0,094 мм. Таким образом, полное смещение ПНУ, которое необходимо компенсировать, увеличится и станет равным 1,27+0,094=1,364 мм.
В качестве материала для компенсационных элементов 9 и 10 примем материал фторопласт Ф-4, который имеет больший коэффициент линейного расширения, чем у корпусных элементов, и который в соответствии с ГОСТ 10007-80 составляет:
-6
- 80×10 - при температурах от минус 10 до минус 60°С;
-6
- (80÷250)×10 - при температурах от минус 10 до плюс 20°С;
-6
- (250÷110)×10 - при температурах от плюс 20 до плюс 50°С.
Уменьшение размеров компенсационных элементов 9 и 10 при снижении температуры должно обеспечить компенсацию размера 1,364 мм.
При длине первого компенсационного элемента 9, равной ~120,4, мм величина первого компенсационного смещения ПНУ составит:
1к(+20÷-10)°C
-6
ΔL=120,4×165×10×30=0,59598 мм.
1к(-10÷-50)°C
-6
ΔL=120,4×80×10×40=0,38528 мм.
1к
ΔL=0,981 мм.
При длине первой части 10 второго компенсационного элемента, равной 47 мм, величина второго компенсационного смещения ПНУ составит:
2к-1(+20÷-10)°C
-6
ΔL=47×165×10×30=0,23265 мм.
2к-1(-10÷-50)°C
-6
ΔL=47×80×10×40=0,1504 мм.
2к
ΔL=0,383 мм.
Суммарная величина компенсационного смещения ПНУ составит нужные нам 1,364 мм, обеспечивающие совпадение ПНУ объектива с плоскостью фотоприемника 4 при понижении температуры до минус 50°С.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла фотоприемника 4, равную 1,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника 4 и светопропускания объектива -1,0 (на длинах волны 8 мкм, 10,6 мкм и 14 мкм);
- пространственную частоту 30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива.
При внешней температуре плюс 20°С, соответствующей нормальным климатическим условиям:
для точки на оси (дифракционное качество)
КПК=45,3%
для точки на оси (аберрационное качество)
КПК=42,1%
для точки поля 6 мм от центра изображения
КПК<sub>М</sub>=39,6%
КПК<sub>С</sub>=39,4%
При внешней температуре минус 50°С, соответствующей минимальной заданной для рабочих условий:
для точки на оси (дифракционное качество)
КПК=45,4%
для точки на оси (аберрационное качество)
КПК=42,0%
для точки поля 6 мм от центра изображения
КПК<sub>М</sub>=36,9%
КПК<sub>С</sub>=37,4%
Как видно из расчетов, инфракрасный объектив, при изменениях внешней температуры, обеспечивает совпадение плоскости ПНУ с плоскостью фотоприемника, сохраняя близкое к дифракционному приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих микроболометрические матрицы в качестве фотоприемников с размером пикселя до 17 мкм.
-6
-6
Однако материал, из которого изготавливаются компенсационные элементы 9 и 10, имеет разброс коэффициентов линейного расширения в области температур от минус 10 до +20°С, который регламентируется ГОСТ 10007-80 и составляет (80÷250)×10. Приведенные расчеты базируются на средней величине коэффициента, принятого равным 165×10, и длине первой части второго компенсационного элемента 10, равной 47 мм. При поставках материала для первого компенсационного элемента 9 и первой части 10 второго компенсационного элемента на разных партиях поставок возможны отклонения значения коэффициента линейного расширения от средней величины, а компенсация этих отклонений возможна изменением длины первой части 10 второго компенсационного элемента и соответствующим изменением длины второй части 11 второго компенсационного элемента с сохранением их суммарной длины, при этом выполняется следующее соотношение:
,
2к-1
где L - длина первой части 10 второго компенсационного элемента из материала с существенно отличающимся от материала корпуса коэффициентом линейного расширения;
2к-2
_
L длина второй части 11 второго компенсационного элемента из материала с одинаковым с материалом корпуса коэффициентом линейного расширения.
2к-1
2к-2
Возможность увеличить (или уменьшить) длину первой (L) части 10 второго компенсационного элемента и, соответственно, уменьшить (или увеличить) длину второй (L) части 11 второго компенсационного элемента, сохраняя неизменной их суммарную длину, позволяет устранять влияние разброса коэффициентов линейного расширения у материалов компенсационных элементов 9 и 10, которые имеются на разных партиях поставок этих материалов, простым методом подбора длин элементов 10 и 11.
-6
-6
Отклонение значения коэффициента линейного расширения от средней величины в предлагаемом варианте компенсируется изменением размеров частей 10 и 11 второго компенсационного элемента таким образом, чтобы получить требуемую величину компенсации, равную 1,364 мм. Например, пусть величина коэффициента линейного расширения отклоняется от средней величины со 165×10 до максимально возможной 250×10 при температурах от минус 10 до плюс 20°С (значение увеличивается).
При длине первого компенсационного элемента 9, равной ~120,4 мм, величина первого компенсационного смещения ПНУ увеличится и составит:
1к(+20÷-10)°С
-6
ΔL=120,4×250×10×30=0,903 мм
1к(-10÷-50)°С
-6
ΔL=120,4×80×10×40=0,38528 мм
1к
ΔL=1,288 мм
Тогда определяем, что для получения требуемой величины компенсации, равной 1,364 мм, необходимо уменьшить длину первой части 10 второго компенсационного элемента, например, с 47 мм до 7 мм, при этом величина второго компенсационного смещения ПНУ составит:
2к-1(+20÷-10)°С
-6
ΔL=7×250×10×30=0,0525 мм
2к-1(-10÷-50)°С
-6
ΔL=7×80×10×40=0,0224 мм
2к
ΔL=0,0749 мм
Тогда общая величина температурной компенсации будет равна 1,288+0,0749=1,363 мм.
При требуемой величине, равной 1,364 мм, имеем погрешность в 1 мкм, которой можно пренебречь, т.к. требуемая точность совмещения ПНУ с плоскостью фотоприемника 4 на порядок ниже. Таким образом, при отклонении величины коэффициента линейного расширения до максимального значения необходимо уменьшить длину первой части 10 второго компенсационного элемента на 40 мм (с 47 мм до 7 мм) и соответственно на 40 мм увеличить длину второй части 11 второго компенсационного элемента, который изготовлен из материала с другим коэффициентом линейного расширения, аналогичным материалу корпусных элементов объектива.
Определение длины первой части 10 второго компенсационного элемента и соответствующей длины второй части 11 второго компенсационного элемента производится один раз для каждой партии материала методом коллимационного измерения величины «недокомпенсации» или «перекомпенсации» фокусировки в условиях камеры холода при минус 50°С.
Предлагаемое соответствующее изменение длин частей 10 и 11 второго компенсационного элемента позволяет устранить влияние разброса коэффициентов линейного расширения у материалов компенсационных элементов, которые имеются на разных партиях поставок этих материалов.