ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЛАВНО ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ
INFRARED LENS WITH SMOOTHLY VARYING FOCAL DISTANCE

Изобретение относится к области инфракрасной оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы чувствительных элементов. Спектральная область работы объектива 3.7-4.8 мкм.
Известен инфракрасный объектив, работающий в области спектра 3.7-4.8 мкм [Design of a Dual Field- of- View Optical System for Infra-Red Focal-Plane Arrays, SPIE, vol. 4767, p. 13-23. фиг. 2, 3]. Объектив содержит последовательно установленные выпукло-вогнутый мениск, подвижную отрицательную линзу, положительную линзу и трехлинзовую оптику переноса изображения. В качестве фотоприемного устройства используется устройство, содержащее защитное стекло, охлаждаемую апертурную диафрагму и прямоугольную матрицу чувствительных элементов. Оптика переноса изображения служит для оптического сопряжения апертурной диафрагмы с первой по ходу луча линзой для уменьшения ее светового диаметра. Одновременно оптика переноса изображения используется для атермализации объектива при работе в различных температурных режимах за счет ее небольшого (±1 мм) перемещения вдоль оптической оси, а также для фокусировки объектива на конечное расстояние до 25 м. Для 3.5-кратного изменения фокусного расстояния отрицательная линза дискретно перемещается вдоль оптической оси на 30 мм с изменением фокусного расстояния f с 220 до 63 мм. Объектив имеет высокое относительное отверстие (1:2,75) и небольшую длину l (200 мм), т.е. отношение l/f=0.91.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Дискретность смены полей зрения, при котором происходит кратковременное перекрытие поля зрения.
2. Небольшой перепад увеличений (3.5 крат).
3. Технологическая сложность изготовления, а следовательно, и стоимость объектива из-за наличия дифрактивных асферических поверхностей.
Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием по патенту РФ №2310217 от 10.01.2006 г., МПК G02B 13/14, G02B 15/16. Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы, третьей отрицательной двояковогнутой линзы, четвертой положительной двояковыпуклой линзы и пятой положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный вдоль оптической оси второй компонент, состоящий из отрицательной выпукло-вогнутой линзы, подвижный вдоль оптической оси третий компонент, состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижный четвертый компонент, состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы, и неподвижный пятый компонент, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы и второй положительной выпукло-вогнутой линзы. Вторая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена асферической.
Как и предлагаемый объектив, указанный объектив содержит пять последовательно расположенных оптически связанных компонентов. Первая линза первого компонента - выпукло-вогнутый мениск. Второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
Указанный объектив имеет следующие недостатки.
1. Недостаточная кратность увеличения, равная 8,5 крат.
2. Большая относительная длина объектива, равная 1:1.6.
3. Большое количество линз (10 линз), что снижает пропускание объектива.
4. Объектив обеспечивает хорошее качество изображения при работе в нормальных климатических условиях (+20°C). Но при работе в температурном диапазоне от минус 50°C до 50°C объектив дает большую дефокусировку изображения, особенно в случае использования в качестве материала линз германия. Германий имеет значительное изменение показателя преломления от температуры, что приводит к существенному снижению качества изображения.
5. Одна из подвижных линз имеет большой диапазон перемещений (310 мм). Это приводит к существенному уводу линии визирования, особенно при искривлении направляющих при воздействии температурных факторов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение интервала изменения фокусного расстояния объектива (кратности увеличения) с одновременным уменьшением относительной длины объектива и продольных перемещений подвижных элементов, повышение спектрального пропускания и повышение термостабильности объектива (атермализации) - сохранения качества изображения в температурном диапазоне от минус 50°C до 50°C
Указанный технический результат достигается следующим образом. Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, как и прототип, содержит пять последовательно расположенных оптически связанных компонентов, причем первая линза первого компонента выполнена в виде выпукло-вогнутого мениска, а второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее: первый компонент содержит две линзы, из которых первая линза выполнена из кремния, а вторая - двояковогнутая линза, выполненная из флюорита, второй компонент - двояковогнутая отрицательная линза, установленная с возможностью перемещения вдоль оптической оси, выполненная из кремния, первая поверхность которой - коническая, с конической постоянной в пределах от (-9) до (-13), третий компонент содержит выпукло-вогнутый положительный мениск, выполненный из кремния, первая поверхность которого - коническая, с конической постоянной в пределах от (-4) до (-7), и отрицательный выпукло-вогнутый мениск, выполненный из флюорита, четвертый компонент - выпукло-вогнутый мениск, выполненный из кремния, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси в процессе изменения фокусного расстояния объектива во всем диапазоне значений фокусного расстояния сначала в одну сторону с перемещением второго компонента, а затем - в обратную, пятый компонент содержит двояковогнутую отрицательную линзу, выполненную из флюорита, и двояковыпуклую положительную линзу, выполненную из кремния и установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси независимо от перемещения второго и четвертого компонентов, при этом вторая поверхность второй линзы пятого компонента выполнена конической с конической постоянной в пределах от (-4) до (-8), причем относительные оптические силы второго и четвертого компонентов удовлетворяют следующим условиям:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0.03</mn><mo>÷</mo><mn>0.04</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>I</mi><mi>V</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0.15</mn><mo>÷</mo><mn>0.20</mn></mrow>
,
II
где: f - фокусное расстояние второго компонента;
IV
f - фокусное расстояние четвертого компонента;
max
f - максимальное значение фокусного расстояния объектива.
Придание второму и четвертому подвижным компонентам определенной оптической силы и расположение между ними неподвижного двухлинзового третьего компонента позволяет сократить продольный габарит объектива до 175 мм при фокусном расстоянии 300 мм, а также сократить диапазон линейного перемещения подвижных компонентов до 30 мм.
Коническая форма трех поверхностей линз из нетоксичного материала (кремния) позволяет обеспечить хорошее качество изображения при уменьшенном количестве линз и перепаде фокусных расстояний 10 крат.
Выбор двухлинзовой конструкции пятого компонента (оптики переноса изображения) со значительным промежутком между ними обеспечивает за счет продольного перемещения второй положительной линзы этого компонента температурную компенсацию расфокусировки изображения (атермализацию) в диапазоне ±50°C при расположении объектива в алюминиевом корпусе. Этому также способствовало исключение германия из оптической схемы объектива и применение трех линз, выполненных из флюорита. Кроме того, применение кремния в совокупности с флюоритом позволяет исправить хроматические аберрации.
Оптика переноса изображения позволяет осуществить оптическое сопряжение охлаждаемой диафрагмы фотоприемного устройства с оправой первой линзы объектива, тем самым сделать ее световой диаметр в узком поле зрения минимальным, что снижает вес объектива и исключает появление нежелательных теневых эффектов (виньетирования или срезания полевых пучков лучей).
Пример конкретной реализации объектива иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлена оптическая схема объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 300 мм до 30 мм с расположением линз для фокусного расстояния 300 мм.
На фиг. 2 показаны графики перемещения второго и четвертого компонентов с изменением воздушных промежутков d4 и d10, при изменении фокусного расстояния.
На фиг. 3 показан процесс изменения хода лучей при изменении фокусного расстояния с 300 мм до 30 мм для различных значений фокусных расстояний (конфигураций).
На фиг. 4 в верхнем левом углу представлены кружки рассеяния, т.е. функция рассеяния точки по пяти конфигурациям, а в остальных секциях - контраст изображения.
На фиг. 5 представлены кружки рассеяния при работе объектива в температурном диапазоне ±50°C.
На фиг. 6 представлены кружки рассеяния без атермализации объектива (линза 8 неподвижна).
Объектив содержит последовательно установленные и оптически сопряженные первый компонент I, выполненный в виде выпукло-вогнутого мениска 1, и двояковогнутую линзу 2, второй компонент II, выполненный в виде двояковогнутой линзы 2, третий компонент III, содержащий выпукло-вогнутый положительный мениск 4 и отрицательный выпукло-вогнутый мениск 5, четвертый компонент IV, выполненный в виде положительного выпукло-вогнутого мениска 6, и пятый компонент V, выполненный в виде отрицательной двояковогнутой линзы 7 и положительной двояковыпуклой линзы 8. В заднем отрезке объектива расположено фотоприемное устройство 9, содержащее защитное стекло 10, охлаждаемую апертурную диафрагму 11 и фоточувствительную матрицу 12. Между четвертым и пятым компонентом расположена плоскость промежуточного изображения 13.
Компонент II (линза 3) установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а компонент IV (линза 6) установлен с возможностью перемещения в процессе изменения фокусного расстояния объектива во всем диапазоне значений фокусного расстояния сначала в одну сторону с перемещением компонента II, а затем - в обратную. Линза 8 компонента V установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси независимо от перемещения компонентов II и IV. Для получения высокого контраста изображения и сокращения длины объектива первая поверхность линзы 3, первая поверхность линзы 6 и вторая поверхность линзы 8 выполнены коническими.
Оптические характеристики объектива имеют следующие значения.
1. Диапазон изменения фокусного расстояния, мм
300÷30
2. Линейное поле зрения (диагональ), мм
13.6
3. Увеличение, крат
10
4. Относительное отверстие
1:4
5. Спектральный диапазон, мкм
3.7÷4.8
6. Длина, мм
175
7. Число линз
8
8. Число конических поверхностей
3
9. Температурный диапазон работы
±50°C
Конструктивные параметры заявляемого объектива с расположением линз для фокусного расстояния 300 мм представлены в таблице 1, где даны радиусы кривизны "r" поверхностей, толщины и воздушные промежутки "d", а также материал, из которого выполнены линзы.
max
Относительные оптические силы компонентов II и IV соответственно равны: (-0,0383) и 0,17 без учета оборачивания изображения, т.е. при f=300 мм.
Перемещение линз 3, 6 служит для изменения фокусного расстояния объектива, а перемещение линзы 8 - для его атермализации.
Исключение из схемы оптической германия позволило уменьшить термооптические аберрации объектива, а за счет независимого перемещения линзы 8 пятого компонента полностью скомпенсировать расфокусировку изображения, вызванную изменением температуры окружающей среды при использовании корпуса объектива, выполненного из распространенного материала - алюминия, а применение кремния в совокупности с флюоритом - исправить хроматические аберрации.
Объектив работает следующим образом: параллельный пучок лучей инфракрасного излучения проходит через все линзы объектива, включая плоскость промежуточного изображения 13, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами кривизны каждой поверхности и материалами линз, и фокусируется в плоскости фоточувствительной матрицы 12. Диагональ прямоугольной фоточувствительной матрицы 12, расположенной в плоскости изображения, составляет 13.6 мм.
Главный луч наклонного пучка лучей (в обратном ходе), проходя через центр апертурной диафрагмы 11, идет примерно в центр светового диаметра мениска 1, что обеспечивает его минимальные габариты.
Диаметр пучка лучей определяется диаметром апертурной диафрагмы, в качестве которой служит охлаждаемая диафрагма 11 диаметром 5.1 мм. В данном фотоприемном устройстве 9 конфигурация деталей такова, что фоточувствительная матрица 12 находится в воздушном промежутке d20=20.47 мм от диафрагмы 11. Поэтому расстояние от задней поверхности линзы 8 до фоточувствительной матрицы 12 (задний отрезок) должно быть не менее 30 мм, чтобы обеспечить приемлемую величину промежутка d17, поскольку линза 8 является подвижной. Большой задний отрезок является фактором, ограничивающим достижение более высоких характеристик объектива, таких как его длина и контраст изображения.
Компоненты II, III и IV представляют собой трансфокатор (zoom lens group), с помощью которого осуществляется изменение фокусного расстояния объектива. С этой целью компоненты II и IV перемещаются вдоль оптической оси по определенному закону с изменением переменных воздушных промежутков d4, d6 и d10, d12, при неподвижном компоненте III. Значения этих промежутков для пяти значений фокусного расстояния объектива f приведены в таблице 2, а сам процесс изменения - на фиг. 2.
Как видно из фиг. 2, компонент II (кривая сверху) перемещается по гиперболическому закону, а компонент IV совершает возвратно-поступательное движение в течение периода изменения фокусного расстояния от 300 мм до 30 мм.
Процесс изменения хода лучей при изменении фокусного расстояния с 300 до 30 мм представлен на фиг. 3 для следующих фокусных расстояний (конфигураций): 300 мм, 200 мм, 130 мм, 70 мм и 30 мм. В поле каждой конфигурации впечатана соответствующая величина фокусного расстояния объектива.
В верхнем левом углу даны графики астигматизма и дисторсии, равной 5% для среднего фокусного расстояния 130 мм.
Из таблицы 2 видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния f к минимальному составляет 10 крат.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>l</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0.58</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При заявленном конструктивном исполнении длина объектива l (расстояние от первой поверхности до плоскости изображения) равна 175 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше чем в 0.58 раз
. По сравнению с прототипом относительная длина объектива (0.58) в 2.75 раза меньше (у прототипа 1.6). Диапазон линейного перемещения подвижных компонентов сокращен до 30 мм, что в 10 раз меньше, чем в прототипе.
На фиг. 4 в верхнем левом углу даны кружки рассеяния, т.е. функция рассеяния точки (ФРТ) по пяти вышеуказанным конфигурациям. Первая строка для оси, вторая - для зоны (0.7) и третья - для края поля зрения. В остальных секциях дан контраст изображения на частоте 20 штрихов на миллиметр также по пяти конфигурациям. Как видно из рисунка, пятна рассеяния вписываются в кружок Эри, впечатанный на каждое пятно, составляющий 42.5 мкм, а контраст изображения постоянен для всех конфигураций и приближается к дифракционному пределу.
На фиг. 5 представлены кружки рассеяния при работе объектива в температурном диапазоне ±50°C, при этом сторона квадрата составляет 200 мкм. Слева для сравнения даны кружки рассеяния в диапазоне фокусных расстояний от 300 до 30 мм при работе объектива при +20°C. В самом жестком режиме, т.е. при фокусном расстоянии 300 мм, линза 8 компонента V перемещается вдоль оси на 1.25 мм вправо (в сторону фотоприемного устройства 9) для температуры минус 50°C и на 0.5 мм влево для температуры +50°C за счет изменения отрезков d15 и d17. Расчеты даны с учетом того, что корпус объектива выполнен из алюминия.
На фиг. 6 представлены кружки рассеяния без атермализации объектива (линза 8 неподвижна), при этом сторона квадрата составляет 1000 мкм. Как видно из рисунка, происходит полная деградация качества изображения.
Активная атермализация объектива независимым оптическим элементом (линза 8) имеет следующие преимущества. Обычно атермализация панкратических объективов осуществляется установкой на корпусе объектива температурных датчиков, сигналы с которых поступают в процессор для корректировки управления законом движения подвижных линз трансфокатора с изменением температуры. Это, с одной стороны, усложняет электронную систему объектива, а с другой - не позволяет с достаточной степенью точности совместить плоскость изображения с фоточувствительной матрицей, особенно при высоких относительных отверстиях объектива и при точностях подвижки линз трансфокатора порядка 10 мкм. Это происходит из-за того, что особенности конфигурации корпуса объектива и оправ крепления линз, а также флуктуации температурной обстановки не позволяют создать точную математическую модель для корректировки закона движения подвижных компонентов.
С другой стороны, работа оператора в реальном масштабе времени позволяет простым способом устранить эти недостатки путем независимого управления положением линзы 8 на оптической оси. Это же движение может быть использовано для фокусировки объектива на конечное расстояние.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить интервал изменения фокусного расстояния объектива (кратность увеличения) с одновременным уменьшением относительной длины объектива и продольных перемещений подвижных элементов, повысить спектральное пропускание и термостабильность объектива в температурном диапазоне ±50°C.