Атермализованный объектив для ИК-области спектра
ATHERMALISED LENS FOR IR SPECTRUM AREA

Изобретение относится к области инфракрасной (ИК) оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур. Спектральная область работы объектива 8-12 мкм.
В отечественной промышленности для этой спектральной области существует очень ограниченный ассортимент материалов, которые не растворяются в воде, а именно германий, селенид цинка и бескислородные стекла, в частности стекло ИКС-25, аналогом которого является стекло зарубежного производства - халькогенидное стекло IRG-26 фирмы SCHOTT.
Особой популярностью пользуется германий, обладающий очень высоким показателем преломления (n=4), низкой дисперсией и нетоксичностью. Однако, этот материал обладает сильной зависимостью показателя преломления от температуры (dn/dt), на порядок выше, чем у других материалов.
Несмотря на это, за счет подвижек вдоль оси всего объектива или его отдельных элементов можно осуществить атермализацию (термокомпенсацию) для предотвращения деградации контраста изображения при изменении температуры. Требуемым диапазоном изменения температуры окружающей среды является диапазон от минус 50°С до 55°С.
Известен объектив для ИК-области спектра, содержащий четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями. Установлены соотношения между оптическими силами менисков. Третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси [патент РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14].
Первый мениск выполнен из германия, который обладает максимальной зависимостью показателя преломления от температуры. Этот мениск имеет наибольшую оптическую силу и максимальное влияние на температурную дефокусировку изображения. Последующие элементы объектива не способны компенсировать дефокусировку, вносимую первым мениском. При работе в температурном диапазоне от минус 50°С до 55°С необходимо перемещать мениски вдоль оптической оси. Это усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу, что очень важно в случае применения тепловизора с таким объективом в носимом варианте или на беспилотных летательных аппаратах, где дополнительно необходим электродвигатель и источник энергии для перемещения элементов объектива.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является атермализованный объектив для ИК-области спектра 8-12 мкм по патенту РФ №2538423 от 08.10.2013 г., МПК G02B 9/38, G02B 11/22, G02B 13/14. Объектив содержит размещенные в корпусе четыре мениска, первый из которых - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй - отрицательный, выполнен из селенида цинка и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий - отрицательный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, четвертый - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Между относительными оптическими силами менисков 1, 2, 3, 4 имеются следующие соотношения:
1
2
3
4
ϕ:ϕ:ϕ:ϕ = (0,72÷0,85):-(1,28÷1,76):-(3,00÷6,00):(0,79÷0,92),
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.
При фокусном расстоянии 75 мм и относительном отверстии 1:1,25 объектив обладает высоким качеством изображения в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С по всему полю зрения.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Небольшое поле зрения - (4,75×6,33) градусов.
2. Первая линза объектива выполнена из бескислородного стекла ИКС-25, поэтому на ее первой (внешней) поверхности невозможно нанести алмазоподобное просветляющее покрытие, обладающее высокой механической и влагопрочностью. Перед объективом необходимо устанавливать дополнительный оптический элемент - защитное стекло, выполненное из германия, что приводит к усложнению оптической схемы объектива и снижению его пропускания.
3. Недостаточный температурный диапазон работы: от минус 40°С до 50°С.
Задачей изобретения является создание атермализованного объектива, качество изображения которого не зависит от изменения температуры окружающей среды, с обеспечением следующих технических результатов: увеличение поля зрения, повышение пропускания объектива с одновременным упрощением его конструкции, расширение температурного диапазона работы от минус 50°С до 55°С.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом.
Атермализованный объектив для РЖ-области спектра, как и прототип, содержит закрепленные в корпусе четыре последовательно расположенные по ходу лучей компонента, из которых первый, второй и третий компоненты - мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем первый мениск - положительный, а третий - отрицательный.
1
2
3
4
В отличие от прототипа в предлагаемом объективе первый мениск имеет асферическую вогнутую поверхность с коэффициентом асферичности в пределах от 0,2 до 0,4 и выполнен из германия, второй мениск - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26, третий мениск выполнен из селенида цинка, а четвертый компонент - положительная двояковыпуклая линза, выполненная из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26, при этом между относительными оптическими силами компонентов имеют место следующие соотношения: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(0,005÷0,06):(1,2÷2,0):-(1,2÷2,2):(0,9÷1,7),
1
2,
3
4
где ϕ, ϕ ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.
В качестве материала корпуса объектива могут быть использованы алюминиевый сплав, сталь.
Пример конкретной реализации атермализованного объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива, на фиг. 2 приведена функция рассеяния точки по трем конфигурациям: 20°С, -50°С и +55°С, на фиг. 3 приведена функция концентраций энергии и контраст изображения по трем конфигурациям: 20°С, -50°С и +55°С.
1
2
3
4
1
2
3
4
Атермализованный объектив для ИК-области спектра содержит закрепленные в корпусе четыре последовательно установленные оптически связанные компонента: мениски 1, 2, 3 и линзу 4. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений 5, причем его вторая поверхность выполнена асферической с коэффициентом асферичности K=0,2÷0,4. Мениск 2 - положительный, выполнен из халькогенидного стекла IRG-26 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений 5. Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений 5. Линза 4 - положительная двояковыпуклая линза, выполненная из халькогенидного стекла IRG-26. Между относительными оптическими силами ϕ, ϕ, ϕ, ϕ соответственно компонентов 1, 2, 3, 4 имеются следующие соотношения: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(0,005÷0,06):(1,2÷2,0):-(1,2÷2,2):(0,9÷1,7).
Пучки лучей от предмета последовательно проходят через компоненты 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5.
Характеристики объектива приведены в таблицах 1, 2. Входной зрачок объектива расположен на его первой поверхности.
При расчете объектива учитывались следующие факторы: температурный коэффициент расширения (ТСЕ) оптических материалов, влияющий на толщину линзовых элементов; температурный коэффициент расширения (ТСЕ) корпуса объектива, влияющий на воздушные промежутки между компонентами; изменение показателей преломления материала линзовых элементов; изменение прогибов линзовых элементов (кривизны их поверхностей) под воздействием температуры.
-6
Основные оптические характеристики применяемых оптических материалов, а именно показатели преломления в области 8-12 мкм при давлении в одну атмосферу и температуре 20°С, -50°С и 55°С, даны в таблице 3. В этой же таблице приведен температурный коэффициент расширения для оптических материалов и корпуса объектива (ТСЕ=22⋅10). Девятая поверхность - плоскость изображения.
В таблице 4 дано изменение кривизны (CRVT) поверхностей менисков, их толщины и воздушных промежутков (THIC) в зависимости от температуры (TEMP) при давлении (PRES) одна атмосфера. На это указывает литера Т (Thermal Pick Up) для конфигураций -50°С и 55°С (Config 2, Config 3).
Расчет производится автоматически программой ZEMAX за счет встроенной подпрограммы термооптического анализа с последующей оптимизацией параметров объектива методом мультиконфигураций.
1
2
3
4
1
1
2
2
3
3
4
4
В рассчитанном объективе коэффициент асферичности К вогнутой поверхности мениска 1 равен 0,225, а соотношения между относительными оптическими силами компонентов равны: ϕ:ϕ:ϕ:ϕ = 0,01:1,51:-1,36:1,156, где: ϕ=f'/f', ϕ=f'/f', ϕ=f'/f', ϕ=f'/f';
f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива;
1
2
3
4
-6
f', f', f', f' - фокусные расстояния соответственно компонентов 1, 2, 3, 4. При расчете использовались косые пучки лучей от предмета, т.е. одновременно в меридиональной и сагиттальных плоскостях. В качестве материала корпуса взят традиционно используемый алюминиевый сплав с температурным коэффициентом расширения ТСЕ=22x10.
При изменении температуры полная длина объектива (от первой поверхности до плоскости изображения) изменяется от 44,44 до 44,55 мм, а фокусное расстояние - в пределах 60 мкм, т.е. практически постоянно.
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от минус 50°С до 55°С использован метод мультиконфигураций, предусмотренный в программе ZEMAX с использованием опции "Thermal Pick Up". С учетом этой опции проведена одновременная оптимизация новых (по отношению к номинальной конфигурации) значений параметров схемы объектива для значений температуры от минус 50°С до 55°С. При оптимизации использованы коэффициенты линейного расширения материалов для ИК-области спектра (ТСЕ) и коэффициенты изменения показателя преломления с температурой (dn/dt) материалов линз, представленные в таблице 5.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива: функцию рассеяния точки, которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения и функцию концентрации энергии, позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 3).
На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°С, во второй колонке - для минус 50°С, а в третьей - для 55°С. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, в третьей - для края поля зрения, т.е. по диагонали размером 13,36х17,7 градусов. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 32 мкм для относительного отверстия 1:1,25. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Над каждым пятном рассеяния указан его размер в микрометрах (26,6; 30,5 и др.), соответствующий 80% концентрации энергии.
-1
-1
На фиг. 3 справа дан контраст изображения на частоте 20 мм, а слева - функция концентрации энергии при радиусе пятна рассеяния 30 мкм для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. Как видно из фиг. 3, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента (пикселя) матрицы Q составляет: Q=17x17 мкм, а по диагонали соответственно 24 мкм. Для инфракрасных объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии составляло не менее 80%. Для тепловизоров, формирующих изображение, необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста ν=1/2Q=20 мм было не менее 0,6. Из фиг. 3 видно, что контраст изображения для осевой точки поля зрения равен 0,65, а для края поля зрения 0,63.
Графики фиг. 3 подтверждают, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения во всем диапазоне температур: от минус 50°С до 55°С.
При этом в объективе увеличено более чем в 2,8 раза поле зрения (в объективе 13,36x17,7 градусов, в прототипе - 4,75x6,33 градусов), а также повышено пропускание и упрощена конструкция за счет выполнения мениска 1 из германия, исключающего необходимость устанавливать перед объективом защитное стекло.
В настоящее время максимальный размер матрицы (UL 04 272 ULIS, Франция) с форматом 480×640 с размером элемента 17×17 мкм составляет порядка 12 мм по диагонали. Если фокусное расстояние предлагаемого объектива пересчитать на фокус 75 мм, как у прототипа, то требуемая диагональ матрицы составит 25 мм, что при современном уровне развития технологии недостижимо. Но даже в этом случае предлагаемый объектив будет обладать хорошим качеством изображения с небольшим падением контраста по краю диагонали поля зрения.
1
2
3
4
Проведенные расчеты показали, что заявленные технические результаты достигаются во всех диапазонах соотношений ϕ:ϕ:ϕ:ϕ=(0,005÷0,06):(1,2÷2,0):-(1,2÷2,2):(0,9÷1,7) и значений коэффициента асферичности K=0,2÷0,4. Аналогичные технические результаты достигаются при использовании в объективе бескислородного стекла ИКС-25.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обеспечивает увеличение поля зрения, повышение пропускания и упрощение конструкции, а также расширение температурного диапазона работы объектива.