ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ И ВЫНЕСЕННОЙ АПЕРТУРНОЙ ДИАФРАГМОЙ
INFRARED OBJECTIVE LENS WITH TWO FIELDS OF VISION AND REMOTE APERTURE DIAPHRAGM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.
Для оптимального сопряжения в тепловизионном приборе объектива с охлаждаемым приемником теплового излучения, имеющим охлаждаемую диафрагму, необходима такая конструкция объектива, которая сформировала бы вынесенный в пространство между последней поверхностью объектива и плоскостью изображения выходной зрачок. Несовпадение выходного зрачка с охлаждаемой диафрагмой приводит к возрастанию паразитного излучения от элементов конструкции, а также к виньетированию наклонных пучков и снижению облученности на краю изображения и, в результате, - к снижению характеристик тепловизионного прибора или комплекса в целом. Для достижения максимальных характеристик тепловизионного прибора охлаждаемая диафрагма должна выполнять функцию апертурной диафрагмы и соответственно выходного зрачка в оптической системе объектива. В этом случае оптическая система объектива становится несимметричной относительно апертурной диафрагмы и тем сильнее, чем ближе охлаждаемая диафрагма расположена к плоскости чувствительной площадки приемника. Как известно, в симметричных относительно апертурной диафрагмы оптических системах происходит частичная компенсация некоторых аберраций - благодаря симметричному ходу лучей в левой и правой, относительно диафрагмы, частях системы. Несимметричность оптической системы относительно апертурной диафрагмы приводит к усложнению оптической системы и требует поиска новых схемных решений объектива, не поддающихся аналитическим методам решения, но позволяющих обеспечить такую степень коррекции аберраций, при которой достигается оптимальное соответствие между качеством изображения, даваемого объективом, и параметрами приемника теплового излучения.
Известна оптическая система, содержащая 8 линз, обеспечивающая трехступенчатую смену поля зрения, четырехкратный перепад фокусных расстояний, относительное отверстие 1:1 [патент US 6091551, 2000], а также объектив из 5 линз с относительным отверстием 1:1,2 с трехкратным перепадом фокусных расстояний и двухступенчатой сменой полей зрения [патент RU 2339983, 2006. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (варианты)]. Для смены полей зрения в этих системах используется перемещение двух компонентов на неравные расстояния вдоль оптической оси. Недостатком аналогов является размещение диафрагмы внутри системы, а выходного зрачка - в бесконечности, что предполагает использование оптической системы совместно с неохлаждаемыми болометрическими приемниками излучения, но не позволяет эффективно использовать эти оптические системы с охлаждаемыми матричными приемниками излучения.
Известна оптическая система объектива с вынесенной апертурной диафрагмой [патент US 7136235, 2006. Optical apparatus]. Объектив содержит 7 линз, имеет относительное отверстие 1:3,5, фокусное расстояние 100 мм, угловое поле в пространстве предметов 5°. Недостатком аналога является отсутствие возможности смены поля зрения, малое относительное отверстие, наличие трех асферических поверхностей, снижающих технологичность и повышающих стоимость конструкции, а также существенное снижение разрешения и облученности на краю изображения по сравнению с точкой на оси из-за большого по величине (более 50%) сужения диаметров наклонных пучков по сравнению с осевым пучком.
Известна также оптическая система для формирования изображения объекта в двух полях зрения [патент RU 2355003, 2009], в которой охлаждаемая диафрагма приемника излучения выполняет функцию апертурной диафрагмы оптической системы. Оптическая система является зеркально-линзовой и содержит 10 оптических элементов. Смена полей зрения и соответственно фокусного расстояния объектива осуществляется путем ввода-вывода линз и зеркал из хода лучей, кратность смены 2,7 раза. Относительное отверстие 1:2,05. Недостатком аналога является наличие двух асферических поверхностей, снижающих технологичность и повышающих стоимость конструкции, а также снижение эффективного относительного отверстия в канале узкого поля из-за наличия центрального экранирования.
Известна также оптическая система с переменным полем зрения, содержащая 11 линз [патент Японии 2002-14283, 2002]. Охлаждаемая диафрагма приемника излучения выполняет функцию вынесенной апертурной диафрагмы оптической системы. Смена поля зрения и соответственно фокусного расстояния объектива осуществляется перемещением двух компонентов вдоль оптической оси, при этом перепад увеличений равен 4. Система дополнительно включает толстую плоскопараллельную пластинку, эквивалентную развертке призмы Пехана, позволяющую использовать ее в панорамических приборах. Недостатком аналога является наличие двух асферических поверхностей, снижающих технологичность и повышающих стоимость конструкции.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является инфракрасный объектив [патент US 6424460, 2002. Фиг.3] с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображения, содержащий расположенные по ходу лучей оптически связанные первый и последний положительные компоненты и расположенный между ними подвижный компонент, включающий отрицательную и положительную линзы, имеющий два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения; при этом первый компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, последний компонент включает два положительных мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к плоскости изображений. Функцию апертурной диафрагмы в процессе работы объектива в комплексе с охлаждаемым матричным приемником ИК излучения выполняет охлаждаемая диафрагма приемника. В наиболее близком аналоге две поверхности являются асферическими, на одной из них нанесен дифракционный оптический элемент (в виде голограммы). Фокусное расстояние принимает два значения: 53 и 160 мм, т.е. обеспечивается трехкратный перепад фокусного расстояния (поля зрения). Относительное отверстие имеет величину 1:2,5. Расстояние p' от охлаждаемой апертурной диафрагмы до плоскости изображения составляет в конкретном примере исполнения 47 мм, что составляет 0,88 от наименьшей величины фокусного расстояния. Устройство таково, что проекция апертурной диафрагмы в пространство предметов - входной зрачок - является мнимой и не совпадает с первым компонентом объектива. Это приводит к тому, что диаметр первого компонента превышает диаметр входного зрачка для наибольшего фокусного расстояния. В примере конкретного исполнения это превышение составляет 1,6 раза. Совместить входной зрачок с первой линзой в наиболее близком аналоге невозможно в силу того, что внутренний подвижный компонент является отрицательным.
Итак, недостатками наиболее близкого аналога являются:
1) наличие двух асферических поверхностей и дифракционного оптического элемента в виде голограммы, что снижает технологичность и повышает стоимость устройства;
2) диаметр первой линзы превышает наибольший диаметр входного зрачка из-за того, что входной зрачок не совпадает с первой линзой. Это приводит к увеличению массы объектива;
3) большая величина расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображения, составляющая 0,88 от наименьшей величины фокусного расстояния, что ограничивает возможности использования с современными охлаждаемыми матричными приемниками ИК излучения, у которых это расстояние может достигать 10-20 мм.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание технологичной, экономически эффективной конструкции объектива с высокими техническими характеристиками, обеспечивающей возможность сопряжения с современными охлаждаемыми матричными приемниками излучения ИК диапазона.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в исключении асферических и дифракционных оптических элементов в оптической системе, уменьшении наибольшего диаметра линз объектива, уменьшении расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображений при сохранении высокого относительного отверстия, перепада увеличений и качества изображения.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в отличие от наиболее близкого аналога в первом компоненте первый мениск является положительным, второй - отрицательным; после первого положительного компонента введен подвижный отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, имеющий два фиксированных положения на оптической оси, при этом расстояния между вершинами преломляющих поверхностей подвижного отрицательного мениска и подвижного компонента являются различными в каждом из двух фиксированных положений; подвижный компонент выполнен положительным, в него введен отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, расположенный вплотную перед отрицательной линзой этого компонента; все преломляющие поверхности инфракрасного объектива выполнены сферическими.
Совокупность всех введенных признаков в предлагаемом инфракрасном объективе с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой позволяет совместить входной зрачок с первой поверхностью объектива и уменьшить диаметр последнего до диаметра входного зрачка, исключить асферические и дифракционные оптические поверхности в устройстве, осуществить коррекцию аберраций осевых и внеосевых пучков лучей при несимметричном размещении апертурной диафрагмы, сократив при этом расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображения, и обеспечить такие размеры пятен рассеяния в пределах поля зрения, при которых достигаются дифракционно ограниченные частотно-контрастные характеристики (ЧКХ), высокие значения функции концентрации энергии (ФКЭ) и приемлемые значения дисторсии для каждого из двух полей зрения при сохранении относительного отверстия. В результате получена технологичная, экономически эффективная конструкция объектива с высокими техническими характеристиками, обеспечивающая возможность сопряжения с современными охлаждаемыми матричными приемниками излучения ИК диапазона.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны оптические системы инфракрасных объективов с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, в которых были бы реализованы указанные признаки.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1а - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой (узкое поле зрения);
Фиг.1б - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой (широкое поле зрения);
Фиг.2а - ЧКХ инфракрасного объектива для узкого поля зрения;
Фиг.2б - ЧКХ инфракрасного объектива для широкого поля зрения;
Фиг.3а - ФКЭ в инфракрасном объективе для узкого поля зрения;
Фиг.3б - ФКЭ в инфракрасном объективе для широкого поля зрения;
Фиг.4а - астигматизм и дисторсия в инфракрасном объективе для узкого поля зрения;
Фиг.4б - астигматизм и дисторсия в инфракрасном объективе для широкого поля зрения.
На фиг.1а изображена предлагаемая оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой в одном из двух фиксированных положений подвижных компонентов, в котором реализуется узкое поле зрения. Объектив содержит расположенные по ходу лучей, оптически связанные неподвижный положительный компонент 1, подвижный отрицательный мениск 2, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, подвижный положительный компонент 3, неподвижный положительный компонент 4, в пространстве между которым и плоскостью изображений размещена апертурная диафрагма. Компонент 1 выполнен в виде положительного мениска 5 и отрицательного мениска 6, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений. Подвижный положительный компонент 3 включает близко расположенные отрицательный мениск 7, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, отрицательную линзу 8 и положительную линзу 9. Неподвижный положительный компонент 4 состоит из вплотную расположенных отрицательного мениска 10, двух положительных менисков 11 и 12, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательного мениска 13, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений. Все преломляющие поверхности объектива выполнены сферическими. Подвижный мениск 2 и компонент 3 имеют два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения, при этом расстояния между вершинами преломляющих поверхностей подвижного мениска 2 и подвижного компонента 3 являются различными в каждом из двух фиксированных положений. Дополнительно показано защитное стекло поз.14 криостата, в который помещается приемник ИК излучения, и охлаждаемая диафрагма которого выполняет функцию апертурной диафрагмы объектива. На фиг.1б показано взаимное расположение компонентов объектива во втором фиксированном положении подвижных элементов, в котором реализуется широкое поле зрения.
Оптическая система работает следующим образом. В положении компонентов, показанных на рис.1а, линзы компонентов 1 и 2 фокусируют инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного приемника ИК излучения и фокусным расстояние объектива, и создают действительное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения, которое затем линзами компонентов 3 и 4 через защитное стекло 14 переносится в плоскость изображений объектива, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Охлаждаемая апертурная диафрагма обеспечивает высокое относительное отверстие объектива, отсутствие виньетирования для наклонных пучков лучей и минимизирует поступление на матричный приемник ИК излучения фонового ИК излучения. Плоскость чувствительных элементов матричного приемника ИК излучения совмещается с плоскостью изображений объектива. Для смены поля зрения осуществляется перемещение вдоль оптической оси компонентов 2 и 3 в положение, показанное на фиг.1б, при этом расстояние между вершинами первых поверхностей компонентов 2 и 3 меняется. В этом положении промежуточное действительное изображение объектов формируется линзами компонентов 1, 2 и 3, а затем линзами компонента 4 переносится в плоскость изображений объектива. При этом эквивалентное фокусное расстояние инфракрасного объектива уменьшается в три раза, и соответственно в три раза увеличивается угловое поле в пространстве предметов. Положение плоскости изображений остается неизменным как при узком, так и при широком поле зрения.
Для примера конкретного исполнения в таблице 1 приведены оптические силы компонентов и линз предлагаемого объектива, расстояния между линзами, материалы линз и их диаметры. Значения параметров в таблице 1 приведены при нормировке эквивалентного фокусного расстояния объектива f'=-1.
Таблица 1 - Параметры инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой
Номер компонента в соответствии с фиг.1а
Оптическая сила
Номер линзы в соответствии с фиг.1а
Оптическая сила
Расстояние по оси
Материал
Диаметр
1
1,296
5
1,399
0,038
Ge
0,53
6
-0,128
0,490/0,104
ZnSe
0,52
2
-1,264
2
-1,264
0,270/0,067
Ge
0,20
3
2,366
7
-2,083
0,010
Ge
0,24
8
-0,193
0,029
GaAs
0,29
9
3,873
0,161/0,750
Ge
0,30
4
8,137
10
-2,712
0,010
GaAs
0,16
11
6,010
0,010
Ge
0,18
12
4,780
0,024
Ge
0,16
13
-2,693
0,046
Ge
0,12
14
0
0,014
Ge
0,065
А.д.
0,094
Через знак «/» указаны расстояния между компонентами соответственно для узкого и широкого полей зрения. При широком поле зрения фокусное расстояние объектива составляет -0,33.
Как следует из таблицы 1, фиг.1а и 1б, знаки оптических сил компонентов и входящих в них линз, а также форма линз соответствуют заявляемым. Относительное отверстие объектива 1:2. Входной зрачок совмещен с первой поверхностью объектива, и наибольший диаметр линзы объектива согласован с диаметром входного зрачка. В результате уменьшается масса объектива. Преломляющие поверхности всех линз объектива являются сферическими, т.е. повышается технологичность устройства и снижается его стоимость. Расстояние от апертурной диафрагмы (А.д.) до плоскости изображения составляет 0,094 от наибольшего фокусного расстояния и соответственно 0,28 от наименьшего, т.е. меньше, чем в наиболее близком аналоге.
Конкретные значения радиусов сферических преломляющих поверхностей определяются под требуемые значения фокусных расстояний в каждом из фиксированных положений подвижных линз и показатели преломления материалов, соответствующих рабочему спектральному диапазону используемого приемника излучения, путем использования оптимизации любой современной оптической проектировочной программы.
Анализ примера реализации инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой проведен для варианта с трехкратной сменой поля зрения, с фокусными расстояниями 210 и 70 мм, угловыми полями соответственно 3,34° и 10,5°, определяемые диагональю приемника (12,4 мм). Для каждого из фокусных расстояний относительное отверстие составляет 1:2. Спектральный диапазон (от 7,7 до 10,3 мкм) соответствует спектральной чувствительности охлаждаемого приемника ИК излучения фирмы Sofradir. В примере реализации p'=19,8 мм, что составляет 0,28 от наименьшей величины фокусного расстояния.
Графики ЧКХ и ФКЭ представлены соответственно на фиг.2а и фиг.3а для положений компонентов в объективе, обеспечивающих узкое поле, и на фиг.2б и фиг.3б - широкое поля зрения. Графики астигматизма и дисторсии представлены на фиг.4а для положений компонентов в объективе, обеспечивающих узкое поле, а на фиг.4б - широкое поле зрения. Из представленных графиков следует, что заявляемый объектив обеспечивает высокое качество изображения для каждого из полей зрения, близкое к дифракционному, и дисторсию не более 2,2% для края поля зрения. В предлагаемом объективе сохранен трехкратный перепад полей зрения, относительное отверстие имеет величину 1:2, реализуется двухпольный режим наблюдения.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать технологичную, экономически эффективную конструкцию объектива с высокими техническими характеристиками, использовать его совместно с современными охлаждаемыми матричными приемниками ИК излучения, в том числе в малогабаритных тепловизионных приборах.
Источники информации
1. Патент US 6091551, 2000.
2. Патент RU 2339983, 2006.
3. Патент US 7136235, 2006.
4. Патент RU 2355003, 2009.
5. Патент Японии 2002-14283, 2002.
6. Патент US 6424460, 2002.