СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны к инфракрасной (ИК) области спектра, в частности в диапазоне спектра 8-14 мкм.
К объективам, работающим в ИК диапазоне спектра 8-14 мкм, с матричными болометрическими приемниками, предъявляются следующие требования:
1. Сверхвысокое относительное отверстие 1:1÷1:0,75. Это требование обусловлено низкой энергетической яркостью наблюдаемых объектов и малой чувствительностью болометрических матриц.
2. Высокое, близкое к дифракционному качество изображения. Необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста  было не менее 0,5-0,6, где а - размер элемента приемника (пиксель).
3. Качество изображения должно быть постоянно по всему полю изображения. При этом необходимо отсутствие виньетирования для полевых лучей и близкий к телецентрическому ход главных лучей в пространстве приемника.
Выполнение перечисленных требований обеспечивает постоянство энергетических характеристик объектива по всему полю изображения.
3
4. Минимальное количество линзовых элементов. Материал, применяемый обычно в ИК объективах - оптический германий - имеет большой удельный вес, равный 5,33 г/см. Кроме того, германий
достаточно дорогой материал. Минимизация количества линзовых элементов позволяет снизить вес объектива и его стоимость.
Создание оптической системы светосильного объектива для тепловизоров становится актуальной задачей.
Известен объектив [1], работающий в (ИК) диапазоне спектра 8-12 мкм, состоящий из трех линз, выполненных из материала одной марки.
Недостатком такого объектива является низкая светосила - относительное отверстие равно 1:2.
1
2
3
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный объектив [2], состоящий из трех компонентов, выполненных в виде менисков из оптического материала одной марки, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой φ, второй - с отрицательной оптической силой φ, и третий - с положительной оптической силой φ.
Компоненты разделены между собой большими воздушными промежутками, равными более 0,3 фокусного расстояния объектива.
Основным недостатком указанного объектива является низкое относительное отверстие, доходящее до 1:1,65 и низкое качество изображения по полю.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение относительного отверстия при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.
1
2
3
Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, содержит три компонента, выполненные в виде менисков из одинакового оптического материала, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой φ, второй - с отрицательной оптической силой φ, и третий - с положительной оптической силой φ.
В отличие от прототипа оптические силы компонентов удовлетворяют условию:
где φ - оптическая сила объектива, а расстояние d между вторым и третьим компонентами удовлетворяет условию:
0,65<dφ<0,8;
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что полученные соотношения оптических сил компонентов позволили обеспечить коррекцию осевых и полевых аберраций. Это дало возможность увеличить относительное отверстие до 1:0,75 при достаточно большом угловом поле 10° и высоком качестве изображения: на частоте 20 л/мм контраст более 0,40 по всему полю.
Апертурная диафрагма совмещена с первой поверхностью первого компонента.
1
2
Соотношение оптических сил первого и второго компонентов φ и φ, позволили скомпенсировать сферическую аберрацию, включая ее высшие порядки.
1,2
3
Соотношение оптических сил первого и второго компонентов φ и третьего компонента φ позволили скомпенсировать кривизну, хроматизм положения и сферохроматизм. Полученное значение оптической силы третьего компонента вместе с выбранным воздушным промежутком - расстоянием между вторым и третьим компонентами позволили скомпенсировать полевые аберрации - кому и астигматизм.
Другим достоинством предлагаемого объектива является то, что входной зрачок расположен вблизи переднего фокуса, что обеспечивает близкий телецентрическому ход главных лучей в пространстве
изображений и тем самым равномерную освещенность в изображении объекта по всему полю при отсутствии виньетирования.
Таким образом, предлагаемый светосильный объектив для инфракрасной области спектра, состоящий из трех компонентов, выполненных из одного материала - германия, работает в диапазоне спектра 8-12,5 мкм и обеспечивает:
- относительное отверстие 1:0,75;
- угловое поле 2β=10°;
- телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений и отсутствие виньетирования полевых лучей;
дифракционно-ограниченное качество изображения:
среднеквадратическая деформация волнового фронта (RMS)no всему полю менее 0,2λ, контраст по частоте 20 л/мм - более 0,40 по всему полю изображения.
Таким образом, предлагаемый объектив при одинаковом с прототипом количестве линз обеспечивает существенно более высокое относительное отверстие 1:0,75 вместо 1:1,65 как в прототипе, при высоком качестве изображения.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - представлена оптическая схема объектива, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.
Светосильный объектив для инфракрасной области спектра состоит из трех компонентов, выполненных в виде менисков 1, 2 и 3, апертурной диафрагмы 4, защитного стекла 5 и приемника оптического излучения 6.
1
2
3
Все мениски обращены вогнутостью к изображению, и выполнены: первый мениск выполнен с положительной оптической силой φ, второй - с отрицательной оптической силой φ и третий - с положительной оптической силой φ.
Третий мениск 3 установлен на расстоянии d от второго мениска 2, при этом выполняются следующие соотношения:
где φ - оптическая сила объектива
I
2
3
φ, φ, φ - оптические силы менисков 1, 2 и 3,
I,2
φ - оптическая сила первого и второго менисков;
d - расстояние между вторым и третьим менисками удовлетворяет условию:
Апертурная диафрагма 4 совмещена с первой поверхностью мениска 1, являясь одновременно входным зрачком, находится вблизи переднего фокуса объектива, обеспечивая тем самым близкий к телецентрическому ход главных лучей в пространстве изображений.
Работа объектива осуществляется следующим образом.
Излучение от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через мениски 1, 2 и 3, защитное стекло 5 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник излучения 6.
Сведения, подтверждающие полученные технические результаты при числовых значениях, допускаемых заявленным диапазоном, приведены в нижеследующей таблице.
Заявленные соотношения
Примеры объективов
1
2
3
4
0,95<(φ<sub>1</sub>/φ)<l,05
0,978
0,948
1,048
0,95
<img he="7" wi="33" file="00000011.TIF" img-content="undefined" img-format="TIF" />
0,736
0,517
0,918
0,687
0,35<(φ<sub>1,2</sub>/φ)<0,55
0,465
0,543
0,458
0,452
1,25<(φ<sub>3</sub>/φ)<1,5
1,373
1,164
1,492
1,325
0,65<(dφ)<0,8
0,75
0,819
0,652
0,795
f' мм
57,55
57,52
57,56
45,25
D:f'
1:0.75
1:0.75
1:0.75
1:0.75
2β град
10
10
10
12,8
Контраст (мер/саг) при υ=20мм<sup>-1</sup>у'=0
60,4
52,1
55,8
52,5
у'=5 мм
43,3 45,3
46,0 30,0
56,1 32,0
42,0 43,3
RMS
0,20
0,26
0,25
0,195
В Приложениях 1÷4 приведены конструктивные параметры и характеристики качества изображения указанных примеров.
Таким образом, предлагаемый объектив, у которого оптические силы компонентов и расстояние между вторым и третьим компонентами удовлетворяют указанным выше условиям, обеспечивает увеличение относительного отверстия при высоком качестве изображения по всему полю.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Российская Федерация, патент №2189063, МПК: G02В 13/34, 9/14, 2002 г.
2. США, патент №4537464, НКИ: 350/1.4, 1985 г. - прототип.
ИК_ОБЪЕКТИВ-1
Фокусное расстояние, F', мм:
57.5524
Диафрагменное число F'/D:
0.7494
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:
76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:
0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:
302.1049
Положение выходного зрачка, S'p, мм:
226.4474
Линейная величина изображения, 2у', мм:
10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:
10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:
8.0000°
Длина системы, L, мм:
90.0000
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000 главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.
Радиусы кривизны
Расстоянния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
АД
65.3100
7.0000
38.4000
12.4816
Germanium
2
95.2600
10.0500
37.3500
7.6276
3
139.3200
4.5000
32.6000
3.8678
Germanium
4
85.3100
43.1500
30.4000
5.6003
5
30.3400
3.8000
18.9500
6.6458
Germanium
6
36.2200
6.0000
17.7500
4.6475
7
плоскость
3.0000
16.5000
0.0000
Germanium
8
плоскость
10.5000
16.0000
0.0000
9
плоскость
1.0000
6.1535
0.0000
Germanium
10
плоскость
1.0000
5.9803
0.0000
11
плоскость
-0.0770
5.1425
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
5.1226
0.0000
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ИК_ОБЪЕКТИВ-2
Фокусное расстояние, F', мм:
57.5219
Диафрагменное число F'/D:
0.7490
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:
76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:
0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:
2359.5503
Положение выходного зрачка, S'p, мм:
1767.3072
Линейная величина изображения, 2у', мм:
10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:
10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:
8.0000°
Длина системы, L, мм:
88.9550
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000 главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
АД
69.1369
7.0000
38.4000
11.6447
Germanium
2
102.9747
5.0429
37.3150
6.9988
3
168.1250
4.5000
35.9432
3.8871
Germanium
4
109.6279
47.1122
33.9934
5.4035
5
34.8954
3.8000
18.9551
5.5970
Germanium
6
41.8993
6.0000
17.7562
3.9484
7
плоскость
3.0000
15.9400
0.0000
Germanium
8
плоскость
10.5000
15.4362
0.0000
9
плоскость
1.0000
6.1410
0.0000
Germanium
10
плоскость
1.0000
5.9731
0.0000
11
плоскость
-0.0145
5.1368
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
5.1235
0.0000
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ИК_ОБЪЕКТИВ-3
Фокусное расстояние, F', мм:
57.5581
Диафрагменное число F'/D:
0.7495
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:
76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:
0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:
215.5019
Положение выходного зрачка, S'p, мм:
161.5479
Линейная величина изображения, 2у', мм:
10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:
10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:
8.0000°
Длина системы, L, мм:
88.3843
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000 главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
АД
76.0160
7.0000
38.4000
10.4121
Germanium
2
130.5955
14.0943
37.5490
5.5145
3
323.4261
4.5000
29.6354
1.3606
Germanium
4
118.6001
37.4900
28.1140
3.3804
5
43.9517
3.8000
20.2405
4.9379
Germanium
6
66.2193
6.0000
19.4646
2.9253
7
плоскость
3.0000
16.5502
0.0000
Germanium
8
плоскость
10.5000
16.0267
0.0000
9
плоскость
1.0000
6.0741
0.0000
Germanium
10
плоскость
1.0000
5.8996
0.0000
11
плоскость
-0.1267
5.2626
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
5.1568
0.0000
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ИК_ОБЪЕКТИВ-4
Фокусное расстояние, F', мм:
45.2498
Диафрагменное число F'/D:
0.7542
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:
60.0000
Положение входного зрачка, Sp, мм:
0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:
276.2385
Положение выходного зрачка, S'p, мм:
208.3617
Линейная величина изображения, 2у', мм:
10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:
10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:
8.0000°
Длина системы, L, мм:
72.7200
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000 главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
АД
50.4349
5.5000
30.0000
9.8926
Germanium
2
71.5093
6.6722
29.0970
6.1875
3
107.5092
3.5000
26.4560
3.3060
Germanium
4
67.9508
36.0038
24.7536
4.6691
5
23.7781
3.5000
16.0467
6.2310
Germanium
6
27.5317
4.5000
14.8825
4.3691
7
плоскость
2.5000
14.7583
0.0000
Germanium
8
плоскость
8.5000
14.3219
0.0000
9
плоскость
1.0000
6.2563
0.0000
Germanium
10
плоскость
1.0000
6.0817
0.0000
11
плоскость
0.0440
5.1329
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
5.0911
0.0000