ОБЪЕКТИВ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ
FAST INFRARED LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к специальным объективам, работающим в ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.
Известен светосильный объектив ИК-области по патенту РФ №2506616 от 17.07.2012 г., МПК G02B 9/34. Объектив, работающий в инфракрасной области спектра от 8 до 12 мкм, состоит из четырех компонентов, из которых первый - положительный мениск из германия, второй - положительный мениск из селенида цинка, третий - отрицательный мениск из селенида цинка и четвертый - положительный мениск из германия. Объектив имеет фокусное расстояние 40 мм, угловое поле зрения 12°. При высоком относительном отверстии 1:0,84 объектив имеет недостаток - небольшое значение заднего фокального отрезка  что составляет  фокусного расстояния объектива.
Также известен светосильный объектив по патенту РФ №2630194 от 01.04.2016 г., МПК G02B 13/14. Объектив состоит из четырех компонентов, из которых первый - положительный мениск из германия, второй - отрицательный мениск из селенида цинка, третий - положительный мениск из селенида цинка и четвертый - положительный мениск из германия. Объектив имеет фокусное расстояние 130 мм, относительное отверстие 1:1, большой задний фокальный отрезок  что составляет фокусного расстояния объектива. Недостатком этого объектива является очень маленькое поле зрения 5°20'.
1
4
2
3
1
4
2
3
Наиболее близким прототипом к заявляемому изобретению является светосильный объектив по патенту РФ №2413261 от 11.01.2010 г., МПК G02B 9/36, 13/14. Объектив работает в дальней инфракрасной области, содержит четыре последовательно установленных компонента. Первый и четвертый компоненты - положительные мениски. Второй - отрицательный мениск. Третий компонент - плосковогнутая линза, обращенная вогнутостью к предмету, и ее оптическая сила составляет минус (0,1÷0,5) оптической силы объектива. Четвертый компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и его оптическая сила составляет (1÷2) оптической силы объектива. При этом первый и четвертый компоненты выполнены из германия, а второй и третий компоненты из селенида цинка, т.е. выполняется соотношение n=n, n=n, v=v, v=v, где n и v - показатели преломления и коэффициенты дисперсии компонентов соответственно. Объектив обеспечивает необходимое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемника микроболометрическую матрицу с размером пикселя 25 мкм.
Характеристики этого объектива:
- фокусное расстояние 149,95 мм;
- рабочий спектральный диапазон (8÷14) мкм;
- линейное поле зрения 16,0 мм;
- относительное отверстие 1:1,1.
-1
Качество изображения объективов тепловизионных приборов оценивается по диаметру кружка рассеяния, в котором сосредоточено 80% энергии, или по значению частотно-контрастной характеристики на критической пространственной частоте, которая для размера пикселя 17 мкм составляет 30 мм.
-1
Для сравнительного анализа качества изображения этот объектив приведен к фокусному расстоянию 68 мм, соответствующему заявляемому объективу. В пересчитанном объективе контраст изображения составляет 0,5 на пространственной частоте 30 мм для осевой точки поля зрения, а на краю поля уменьшается до 0,15. Концентрация энергии в пятне, соответствующего размеру пикселя (0,017×0,017) мм для осевого пучка составляет 40%, а для внеосевого 13%.
Факторами, влияющими на качество изображения и чувствительность системы, является значение фокусного расстояния, относительное отверстие объектива, его светопропускание. Чем выше значение относительного отверстия объектива, тем больше энергии поступает на фоточувствительную площадку. Поэтому недостатком этого объектива является малое относительное отверстие 1:1,1.
Задачей изобретения является создание светосильного объектива с увеличенным относительным отверстием при обеспечении высокого качества изображения по всему полю зрения.
Технический результат - увеличение относительного отверстия при высоком качестве изображения.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Объектив светосильный инфракрасный, как и прототип, содержит четыре компонента. Первый и четвертый - положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, выполнены из германия, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполнен из селенида цинка, третий компонент - отрицательная плоско-вогнутая линза. Отрицательная плоско-вогнутая линза обращена плоской поверхностью к плоскости изображения. Четвертый компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
1
3
4
1
3
4
-9
-12
-17
В отличие от прототипа в заявляемом объективе выполнено следующее. Третий компонент - отрицательная плоско-вогнутая линза выполнена из германия, т.е. выполняются соотношения n=n=n, v=v=v, где n и v - показатели преломления и коэффициенты дисперсии компонентов соответственно, первая поверхность первого компонента выполнена асферической с конической постоянной k=0, коэффициенты корректирующего полинома 2,9871×10, 1,6143×10, -1,7686×10. При этом выполняются следующие соотношения:
1
Ф=(0,82÷0,9) Ф,
2
Ф=-(0,116÷0,102) Ф,
3
Ф=-(0,52÷0,46) Ф,
4
Ф=(1,29÷1,43) Ф,
1
2
3
4
где Ф, Ф, Ф, Ф - оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов;
Ф - оптическая сила объектива
2
d=(0,01÷0,05)/Ф,
4
d=(0,14÷0,19)/Ф,
2
где: d - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;
4
d - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;
Ф - оптическая сила объектива.
Качество изображения должно быть таким, чтобы кружок рассеяния объектива не превышал размер пикселя 0,017 мм. Размер кружка рассеяния определяется дифракцией, которая является следствием волновой природы света, и аберрациями, которые зависят от геометрических параметров поверхностей линз объектива и материала из которого они изготовлены. Кружок рассеяния имеет центральный диск, называемый диском Эри, в нем сосредоточено 84% энергии (Р. Хадсон "Инфракрасные системы" издательство "Мир" Москва 1972 г.). Диаметр кружка определяется по формуле:
где δ - диаметр дифракционного пятна Эри, выраженный в миллирадианах, λ - основная длина волны спектрального диапазона равная 10,5 мкм, D - диаметр входного зрачка в миллиметрах.
Радиус дифракционного пятна Эри, выраженный в линейной мере, в миллиметрах:
где ƒ'- фокусное расстояние объектива в миллиметрах, D - диаметр входного зрачка в миллиметрах.
Из этой формулы следует, что чем меньше величина ƒ'/D, т.е. чем выше относительное отверстие объектива D/ƒ', тем меньше кружок Эри. Так, например, при относительном отверстии объектива прототипа D/ƒ'=1/1,1 дифракционный (минимально достижимый) кружок рассеяния будет составлять 26,84 мкм на длине волны λ=10 мкм, а при D/ƒ'=1/0,75-18,3 мкм. Дифракционный кружок рассеяния определяется расчетом функции концентрации энергии и контраста изображения объектива.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - оптическая схема объектива светосильного инфракрасного;
Фиг. 2 - модуляционная передаточная функция (МПФ) или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) объектива светосильного инфракрасного;
Фиг. 3 - функция концентрации энергии (ФКЭ) объектива светосильного инфракрасного;
Фиг. 4 - астигматизм и дисторсия объектива светосильного инфракрасного;
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с реальным ходом лучей для осевой и внеосевых точек поля зрения.
Объектив светосильный инфракрасный (фиг. 1) содержит, установленные по ходу луча в корпусе (на рисунке не показан), четыре компонента: 1, 2, 3, 4. Компонент 1 - положительный мениск, выполненный из германия, его первая по ходу луча поверхность асферическая. Компонент 2 - отрицательный мениск, выполненный из селенида цинка. Компонент 3 - отрицательная плоско-вогнутая линза из германия. Компонент 4 - положительный мениск, выполненный из германия. Мениски 1, 2, 4 обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Отрицательная плоско-вогнутая линза 3 обращена плоской поверхностью к плоскости изображения.
Оптические силы компонентов 1, 2, 3, 4 удовлетворяют следующим условиям:
1
Ф=(0,82÷0,9) Ф,
2
Ф=-(0,116÷0,102) Ф,
3
Ф=-(0,52÷0,46) Ф,
4
Ф=(1,29÷1,43) Ф,
1
2
3
4
где Ф, Ф, Ф, Ф - оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов;
Ф - оптическая сила объектива.
2
d=(0,01÷0,05)/Ф,
4
d=(0,14÷0,19)/Ф,
2
где d - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;
4
d - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;
Ф - оптическая сила объектива.
Поз. 5 на оптической схеме фиг. 1 - защитное стекло матрицы, установленное перед светочувствительной площадкой матрицы фотоприемника 6, размещенной в плоскости изображения объектива.
Световой поток, исходящий из бесконечно удаленной точки предмета последовательно проходит через компоненты объектива 1, 2, 3, 4, стекло защитное фотоприемника 5 и строит изображение на светочувствительной плоскости матрицы фотоприемника 6.
В таблице 1 приведены оптические характеристики объектива, заявляемого в качестве изобретения.
Апертурная диафрагма расположена на первой поверхности компонента 3.
В таблице 2 приведены конструктивные характеристики объектива.
* - первая поверхность первого компонента выполнена асферической.
Сечение асферической поверхности описывается уравнением:
где
R - радиус при вершине поверхности;
k - коническая постоянная, k=0;
4
6
8
А, А, А - коэффициенты корректирующего полинома;
4
6
8
-9
-12
-17
A=2,9871×10, A=1,6143×10, A=-1,7686×10.
Асферическая оптика все чаще является составной частью современных оптических систем, так как обеспечивает существенное уменьшение массы и габаритов оптических приборов, улучшение качества изображения, светосилы и угла поля зрения.
Компонент 4 установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для юстировки объектива при неподвижной микроболометрической матрице в процессе сборки тепловизионного прибора и для фокусировки объектива на конечное расстояние.
В заявляемом объективе величина заднего фокального отрезка составляет  фокусного расстояния объектива (у прототипа ). Увеличение этого размера предоставляет конструктору большую свободу в выборе вариантов крепления матрицы и возможность фокусировки приемным устройством.
Качество изображения разработанного объектива светосильного инфракрасного оценивается с помощью параметров кружка рассеяния и модуляционной передаточной функции. Параметры модуляционной передаточной функции объектива в сравнении с дифракционно-ограниченной системой приведены в таблице 3, а также показаны на фиг. 2.
На графике функции концентрации энергии (ФКЭ), представленного на фиг.3 показано, что концентрация энергии в пятне, соответствующего размеру пикселя (0,017×0,017) мм при дифракционном пределе 84% составляет 76% для осевого пучка и для внеосевых пучков 74% (2ω°=6,609°), 55% (2ω°=9,336°), 30% (2ω°=11,42°) соответственно. Дисторсия составляет 0,27%. Приведенные данные показывают хорошее качество изображения заявляемого светосильного инфракрасного объектива.
2
Освещенность в плоскости изображения объектива пропорциональна квадрату относительного отверстия объектива. По сравнению с прототипом освещенность в плоскости изображения заявляемого объектива увеличилась в (1/0,75)/(1/1,1)=2,15 раз за счет увеличения относительного отверстия объектива.
Представленная оптическая схема заявляемого объектива светосильного инфракрасного с указанными условиями на фокусные расстояния компонентов, воздушные промежутки, и введенной асферической поверхностью позволяет одновременно увеличить относительное отверстие и повысить качество изображения.
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан объектив светосильный инфракрасный с большим относительным отверстием 1:0,75, который в отличие от прототипа, работающего с приемником, имеющим размер пикселя 0,025×0,025 мм, пригоден для работы с болометрической матрицей с размером пикселя 0,017×0,017 мкм при дифракционном качестве изображения по всему полю зрения, а его изготовление на оптико-механическом предприятии доказывает его промышленную применимость, что в совокупности устанавливает соответствие объектива светосильного инфракрасного условиям патентоспособности изобретения.