Проекционный объектив для средней ИК области спектра

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно, к специальным объективам, работающим в средневолновой ИК области спектра, и может быть использована с матричными охлаждаемыми приемниками излучения, чувствительными в диапазоне 3,5-5 мкм, например, в ИК микроскопах и установках для измерения пятен рассеяния объективов тепловизоров.
Растущие требования к качеству изображения объективов тепловизоров приводят к необходимости создания установок для оперативного и точного контроля качества ИК объективов. На сегодняшний день самым оперативным методом контроля качества ИК объективов является измерение их пятен рассеяния с помощью матричного ИК анализатора. Для оценки качества типовых ИК объективов тепловизоров, с относительным отверстием 1:4, в составе измерительной установки должен быть предусмотрен проекционный объектив с числовой апертурой в пространстве предметов не менее 0,5, линейным полем в пространстве предметов не менее 2 мм, увеличением 4-5 крат и дифракционным качеством изображения.
Известен светосильный объектив с высоким качеством изображения, при относительном отверстии 1:1, работающий в длинноволновой области спектра [Патент RU 2630194]. Объектив содержит четыре компонента.
Первый компонент выполнен в виде одиночного положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второй - одиночного отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, третий - одиночного положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и четвертый - одиночного положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий - из селенида цинка. Все оптические поверхности выполнены сферическими. Выполняются соотношения: |R5|>|R6|, |R5|≤|R2|, |R3|≥|R8|, где R2, R3, R5, R6, R8- радиусы, соответственно, второй, третьей, пятой, шестой и восьмой оптических поверхностей. |R3| может быть больше или меньше |R6|.
Объектив работает как собирающий из бесконечности объектив и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, совпадающей с плоскостью приемника излучения.
Фокусное расстояние объектива 130 мм, относительное отверстие 1:1, угол поля зрения 5 град 20 мин, задний фокальный отрезок 1,027 мм, задний фокальный отрезок без учета плоскопараллельной пластины 46,277 мм, входной зрачок совпадает с первой поверхностью.
Недостатком данного объектива является то, что он относится к классу «фотографических» систем и не может работать с объектом, находящимся на конечном расстоянии (т.е. объектив не является проекционным). Кроме того, рассмотренный объектив работает в длинноволновой области спектра и не подходит для использования в средневолновом ИК диапазоне.
Известен компактный объектив среднего ИК диапазона с относительным отверстием 1:4 и высоким качеством изображения [Патент RU 2621366].
Объектив состоит из входной и проекционной частей. Первый компонент входной части объектива неподвижный и выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, второй компонент подвижный и выполнен в виде одиночных отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к пространству предметов. Проекционная часть выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Между входной и проекционной частями объектива формируется промежуточное изображение. Все линзы входной части содержат асферические поверхности, а в проекционной части - асферо-дифракционную поверхность. Оптические компоненты выполнены из кремния и германия, что обеспечивает работу данного объектива в ИК области спектра.
Объектив имеет следующие характеристики: фокусное расстояние 180 мм, Диаметр входного зрачка 45 мм, линейное поле в пространстве изображений 12,3 мм.
Недостатками данного объектива являются использование асферических и асферо-дифракционной поверхностей, а также низкое относительное отверстие. Кроме того, объектив работает с удаленными объектами и не позволяет применять его в качестве проекционной системы.
Наиболее близким к предлагаемому объективу является проекционный светосильный объектив [Патент RU 191911], включающий в себя 3 оптических компонента и работающий в среднем ИК диапазоне. Объектив имеет числовую апертуру в пространстве предметов не менее 0,7 и увеличение 14 крат, обладая при этом дифракционным качеством изображения.
Первый компонент представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутой стороной к пространству предметов, второй компонент представляет собой отрицательную двояковогнутую линзу, третий компонент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы. Первый и третий компоненты выполнены из кремния, второй компонент выполнен из оптического материала с показателем преломления не менее 4, расстояние между первым и вторым компонентами не менее 0,8 от фокусного расстояния объектива. Апертурная диафрагма расположена на последней поверхности третьего компонента. Фокусное расстояние объектива 15,7 мм, расстояние от плоскости предметов до первой поверхности составляет 1,5 мм, а расстояние от последней поверхности объектива до входного окна фотоприемника составляет 180 мм. Расстояние переноса с учетом входного окна фотоприемника, выполненного из германия, толщиной 2,5 мм составляет 225 мм.
Недостатком данного объектива является то, что он имеет малое линейное поле в пространстве предметов (1 мм), и, несмотря на большое увеличение, не позволяет использовать его для контроля качества тепловизионных объективов с относительным отверстием 1:4. Также при высоких значениях увеличения в проекционной системе резко падает яркость изображения, что значительно затрудняет детальное наблюдение объектов.
Задачей полезной модели является создание светосильного проекционного объектива, работающего в спектральном диапазоне 3,5…5 мкм, с числовой апертурой в пространстве предметов не менее 0,5, увеличением 4-5 крат и обладающего дифракционным качеством изображения без использования асферических поверхностей. Оптическая схема объектива должна обеспечивать телецентрический ход лучей в пространстве предметов, линейное поле в пространстве предметов должно быть не менее 2 мм.
Задача решается следующим образом.
Проекционный светосильный объектив содержит пять компонентов и апертурную диафрагму, расположенную на первой поверхности третьего компонента (фиг. 1).
Первый компонент выполнен в виде положительного мениска 1, обращенного вогнутой стороной к пространству предметов. Второй компонент 2 выполнен в виде двояковыпуклой линзы (или может быть выполнен в виде положительного мениска). Третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска 3. Четвертый компонент представляет собой отрицательный мениск 4, обращенный выпуклой стороной к пространству предметов, пятый компонент - двояковыпуклая линза 5. При этом отношение расстояния переноса (расстояния от плоскости предмета до плоскости изображения) к фокусному расстоянию системы находится в пределах от 5 до 6, а значения оптических сил компонентов, рассчитанных по формуле: ϕ=1/ƒ', где ƒ' - фокусное расстояние компонента в мм, находятся в следующих пределах:
от 0,04 до 0,067 для первого компонента,
от 0,021 до 0,049 для второго компонента,
от -0,06 до -0,021 для третьего компонента,
от -0,025 до -0,001 для четвертого компонента,
от 0,026 до 0,045 для пятого компонента.
Выполнение первого, второго и пятого компонентов из оптического материала одной марки (кремния), третьего и четвертого компонентов - из оптического материала с показателем преломления не менее 4 (например, германия), обеспечивает работу объектива в средней инфракрасной области спектра.
Вариант исполнения оптической системы приведен на фиг. 1.
Предложенная оптическая система характеризуется следующими параметрами: числовая апертура в пространстве предметов 0,52, параксиальное увеличение 4,9 крат, линейное поле в пространстве предметов 2,5 мм, фокусное расстояние f'=34,61 мм. Расстояние переноса с учетом входного окна фотоприемника из германия толщиной 2,4 мм, и фильтра толщиной 0,1 мм, находящегося на расстоянии 52 мм от фоточувствительного слоя фотоприемника, составляет 186,4 мм. При этом расстояние от плоскости предметов до первой поверхности составляет 3,4 мм, а расстояние от последней поверхности объектива до входного окна фотоприемника составляет 62,6 мм. Диафрагменное число в пространстве предметов 0,62.
Объектив работает следующим образом: поток излучения от предмета, расположенного на конечном расстоянии от объектива, проходит через линзы 1-5 и образует увеличенное изображение предмета в плоскости изображений, совмещенной с плоскостью фоточувствительного слоя фотоприемника. При этом конструкция объектива обеспечивает телецентрический ход лучей в пространстве предметов.
Ход лучей в оптической системе представлен на фиг. 2.
Объектив обладает качеством изображения, близким к дифракционному, что подтверждает график ЧКХ системы, рассчитанной в обратном ходе лучей (фиг. 3).
Функция концентрации энергии в кружке рассеяния показана на фиг. 4. Аберрации пятна рассеяния в плоскости изображения показаны на фиг. 5.