АТЕРМАЛИЗОВАННЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
ATHERMALISED LENS FOR INFRARED SPECTRUM

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 настоящее время большая часть существующих наблюдательных инфракрасных оптических приборов проектируется для работы в диапазонах 3-5 мкм и 8-12 мкм, соответствующих «окнам» прозрачности атмосферы.
Объективы для ИК-области спектра изготавливают в основном из монокристаллического германия или кремния, а также из других материалов, прозрачных в указанных областях спектра. Эти материалы, особенно германий, имеют значительное изменение показателя преломления от температуры, что вызывает дефокусировку изображения объектива. Это приводит к существенному снижению качества изображения, особенно в температурном диапазоне от минус 40°С до +50°С.
Другим важным фактором, влияющим на расчет и конструирование объектива, является условие его применения: температура воздуха и влажность. Так, например, применение объектива на беспилотном летательном аппарате приведет к скачкообразному изменению температуры в условиях переменной влажности. В связи с этим предъявляются особые требования к просветляющему покрытию на первой (внешней) поверхности объектива в отношении механической, термической и влаго- прочности.
В настоящее время такие покрытия освоены и называются алмазоподобными, однако могут быть нанесены и эффективно работать только на одном инфракрасном оптическом материале - германии.
Известен объектив для ИК-области спектра 8-12 мкм по патенту США №4679891 от 03.07.1985 г., МПК G02F 1/02, G02B 9/12, G02B 9/34. Объектив содержит четыре компонента, из которых первый - двояковыпуклая линза, выполненная из селенида цинка (ZnSe), второй - двояковогнутая линза, выполненная из сульфата цинка (ZnS), третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия.
Конструктивные параметры объектива (вариант III): фокусное расстояние 100 мм; относительное отверстие 1:1,6; поле зрения ±4,5°. Объектив атермализован, т.е. имеет неизменное качество изображения в температурном диапазоне от минус 40°С до +50°С. Все компоненты и сам объектив неподвижны.
-1
Проведенный нами расчет данного объектива для указанных параметров объектива и для параметров, приведенных к параметрам заявляемого объектива (фокусное расстояние 75 мм; относительное отверстие 1:1,25; поле зрения 6°×8°), показал, что указанный объектив имеет следующий недостаток: низкое качество изображения по полю зрения. Кроме того, контраст изображения на краю поля зрения снижается на 50% по отношению к осевой точке поля зрения. Контраст изображения в температурном диапазоне от минус 40°С до +50°С в центре поля зрения при частоте 20 мм равен 0,6, а по краю поля зрения - 0,3. Кроме того, поскольку первая линза объектива выполнена из селенида цинка, то для обеспечения надежной работы объектива в жестком температурном режиме необходимо применение защитного окна, выполненного из германия для использования алмазоподобного покрытия, Это приведет к снижению пропускания объектива и увеличению его массы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является 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.
Недостаток объектива заключается в том, что он не обладает требуемой стойкостью к воздействию внешних условий (температура, влажность), т.к. на первой (внешней) поверхности объектива невозможно выполнить алмазоподобное просветляющее покрытие в связи с тем, что первая линза выполнена из материала ИКС-25. Существующее просветляющее покрытие на ИКС-25 имеет вторую группу прочности. При воздействии внешних условий (температура, влажность) происходит отслоение покрытия. Это приводит к необходимости установки перед объективом защитного стекла из германия, на которое наносят алмазоподобное просветляющее покрытие, что, в свою очередь, приводит к уменьшению пропускания и увеличению продольных габаритов и массы системы: объектив и защитное стекло.
Задачей изобретения является создание атермализованного объектива, качество изображения которого не зависит от изменения температуры окружающей среды, с достижением следующего технического результата: обеспечение стойкости к воздействию внешних условий (температура, влажность), а следовательно, исключение необходимости установки перед объективом защитного стекла, снижающего пропускание и увеличивающего продольные габариты и массу оптической системы объектива.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Атермализованный объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит закрепленные в корпусе четыре компонента, третий из которых - отрицательный мениск, а четвертый - положительный мениск, выполненный из германия, причем упомянутые мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. В отличие от прототипа первый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненного из германия, а второй - в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненного из бескислородного стекла ИКС-25, третий мениск выполнен из селенида цинка или сульфата цинка, причем на первую поверхность первого мениска нанесено алмазоподобное просветляющее покрытие, при этом между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=-(0,11÷0,23):(1,44÷1,70):-(0,68÷0,92):(1,04÷1,21),
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.
Поскольку первый мениск выполнен из германия и на его внешнюю поверхность нанесено алмазоподобное просветляющее покрытие, первый мениск выполняет функцию защитного элемента объектива. Такой объектив можно использовать без защитного стекла, снижающего его пропускание и увеличивающего габариты и массу.
В спектральной области 8-12 мкм дисперсия германия очень мала, поэтому первый мениск является корректором монохроматических аберраций объектива.
В подавляющем большинстве объективов, работающих в спектральной области 8-12 мкм, первой линзой объектива является положительный германиевый мениск, который вносит основной вклад в изменение фокусного расстояния при изменении температуры (Г.Г. Слюсарев "Методы расчета оптических систем", Маш., Л., 1969). Следствием этого является необходимость активной атермализации за счет подвижки всего объектива или его отдельных компонентов. Это подразумевает наличие двигателя, редуктора и источника питания, что усложняет конструкцию объектива.
В предлагаемом объективе первый мениск имеет слабую отрицательную силу и работает в противоположном направлении, т.е. как корректор термооптических аберраций последующих компонентов объектива.
Для обеспечения атермализации в диапазоне температур от минус 40°С до +50°С выполнение первого мениска из германия повлекло изменение формы первого, второго и третьего менисков и материала второго и третьего менисков.
Материал второго, третьего и четвертого менисков объектива выбран таким образом, чтобы компенсировать хроматические аберрации. В качестве материала третьего мениска выбраны селенид цинка или сульфат цинка. Использование сульфата цинка, известного как керамика оптическая КО-2 ОСТ3-1652-73, дает лучшие результаты по ахроматизации объектива, но меньшее пропускание в соответствии с упомянутым стандартом.
Пример конкретной реализации атермализованного объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива.
На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки.
На фиг. 3 приведены контраст изображения и функция концентрации энергии при работе объектива во всем температурном диапазоне.
Атермализованный объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит четыре мениска. Мениск 1 - отрицательный, выполнен из германия. Мениск 2 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25. Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка. Мениск 4 - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения 5. На первой поверхности мениска 1 (внешней поверхности объектива) нанесено алмазоподобное просветляющее покрытие, например покрытие DLC фирмы IZOVAC (Беларусь).
В таблице 1 приведены характеристики атермализованного объектива, рассматриваемого в качестве примера реализации. Входной зрачок объектива расположен на его первой поверхности.
В таблице 2 приведены оптические характеристики объектива.
1
2
3
4
1
2
3
4
Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами φ, φ, φ, φ менисков 1-4: φ:φ:φ:φ=-0,177:1,538:-0,751:1,1,
1
1
2
2
3
3
4
4
где: φ=f′/f′, φ=f′/f′, φ=f′/f′, φ=f′/f′;
f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива;
1
2
3
4
f′, f′, f′, f′ - фокусные расстояния соответственно менисков 1, 2, 3 и 4.
Атермализованный объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета (показан осевой пучок лучей) последовательно проходят через мениски 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5.
При расчете объектива учитывались следующие факторы.
1. Зависимость показателя преломления от температуры.
2. Расширение и сжатие материала менисков при изменении температуры, что, в свою очередь, приводит к изменению радиусов и толщин линз.
3. Изменение расстояния между элементами в результате расширения и сжатия материала оправ и корпуса объектива.
-6
В качестве материала корпуса использован традиционно используемый алюминиевый сплав с температурным коэффициентом расширения (ТСЕ), равным 22×10. Показатели преломления выбранных материалов, коэффициенты линейного расширения и зависимость показателя преломления от температуры (dn/dt) выбирались из отечественных стандартов, в связи с чем в программе ZEMAX был создан дополнительный каталог стекол, т.к. стекло ИКС-25 в ней отсутствует.
Основные характеристики материалов менисков представлены в таблице 3.
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до +50°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 40°С до +50°С. При оптимизации использованы коэффициенты линейного расширения материалов для ИК-области спектра (ТСЕ) и коэффициент изменения показателя преломления с температурой (dn/dt), представленные в таблице 3.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки (ФРТ), которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения (ЧКХ) и функцию концентрации энергии (ФКЭ), 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 40°С, а в третьей - для 50°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 6,3°×8,3°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 32,3 мкм для относительного отверстия 1:1,25. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии.
-1
На фиг. 3 слева дан контраст изображения на частоте 20 мм, а справа - функция концентрации энергии для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков.
-1
Как видно из фиг. 3, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента матрицы Q составляет: Q=0,025×0,025 мм. 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 v=1/2Q=20 мм было не менее 0,6. Из фиг. 3 видно, что контраст изображения для осевой точки поля зрения приближается к 0,7, а для края поля зрения он равен 0,6.
Детальное рассмотрение графиков ФКЭ на фиг. 3 позволило определить диаметр кружков рассеяния при 80% концентрации энергии, величины которых впечатаны в верхней части квадратов на фиг. 2. Рассмотрение этих величин позволяет сделать вывод, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения в диапазоне температур от минус 40°С до +50°С.
Проведенные расчеты показывают, что технические результаты достигаются в пределах всех заявляемых диапазонов.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает стойкость объектива к воздействию внешних условий (температура, влажность), а следовательно, исключает необходимость установки перед объективом защитного стекла, что в результате повысит пропускание и уменьшит продольные габариты и массу оптической системы объектива.