Широкоугольный светосильный инфракрасный объектив
WIDE-ANGLE HIGH-POWER INFRARED LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе микроболометрических матричных фотоприемников, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.
Микроболометрические матрицы с форматом 640×480 чувствительных элементов (пикселей) имеют пиксель равный 17×17 мкм, что сравнимо с рабочей длиной волны, и линейные размеры 10,88×8,16 мм с диагональю 13,6 мм. Микроболометрические матрицы форматом 800×600 пикселей (линейные размеры 13,6×10,2 мм с диагональю 17 мм) имеют пиксель 17×17 мкм, при этом диагональ пикселя составляет 24 мкм. Объектив для указанных матриц должен иметь большое поле зрения. Если кружок рассеяния объектива будет превышать размеры пикселя, это приведет к уменьшению освещенности пикселя, что равнозначно уменьшению относительного отверстия объектива. Таким образом, эффективность высокого относительного отверстия объектива возможна только при одновременном достижении высокого качества изображения.
Для оценки качества изображения объектива необходимо учитывать волновые свойства света, то есть дифракцию. На практике это достигается расчетом функции концентрации энергии и контраста изображения объектива.
-1
В настоящее время, с учетом остаточных аберраций объектива, кружок рассеяния реального объектива определяется при 80% концентрации энергии, что соответствует критерию Релея. Другим критерием качества изображения может служить частотно-контрастная характеристика. Для матриц с малым размером пикселя контраст изображения объектива должен находиться в пределах 0,55÷0,65 на пространственной частоте 20÷30 мм (критерий Найквиста).
Известен светосильный объектив по патенту РФ №2586273, работающий в инфракрасной области спектра (8-12,5 мкм), имеющий по второму варианту фокусное расстояние 130,03 мм, поле зрения 6° и относительное отверстие 1:1,08.
Объектив состоит из четырех одиночных менисков, обращенных вогнутостью к изображению. Первый мениск - положительный, второй и третий - отрицательные, четвертый - положительный. Первый, второй и четвертый мениски выполнены из германия, третий - из селенида цинка. Радиус второй оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу шестой оптической поверхности. Радиус третьей оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу пятой оптической поверхности.
Для анализа качества изображения данный объектив пересчитан на фокусное расстояние 32 мм, как у заявляемого объектива.
-1
Анализ качества изображения полученного объектива с учетом дифракции показал, что для относительного отверстия 1:1,08 контраст изображения составляет 0,72 на пространственной частоте 20 мм для осевой точки поля зрения, при диагональном поле зрения 10° контраст равен 0,62, а при 20° - нулю. Таким образом, основной недостаток объектива - малое поле зрения.
Наиболее близким к заявляемому изобретению - прототипом - является светосильный объектив по патенту РФ №2611100 от 23.10.2015 г., работающий в дальней инфракрасной области спектра. Объектив имеет фокусное расстояние 89,8 мм, относительное отверстие - не ниже 1:0,998.
Указанный светосильный объектив состоит из четырех расположенных по ходу лучей одиночных линз: первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Первая и четвертая линзы выполнены из германия, а вторая и третья линзы - из селенида цинка. Радиусы кривизны второй и шестой оптических поверхностей по ходу лучей равны: .
Из приведенного примера конкретного исполнения объектива следует, что соотношения между фокусными расстояниями линз составляют:
1
Σ
2
Σ
3
Σ
4
Σ
f'=1,36 f', f'=8 f', f'=2,66 f', f'=0,82 f',
1
2
3
4
где: f', f', f', f' - фокусные расстояния соответственно первой, второй, третьей и четвертой линз;
Σ
f' - фокусное расстояние объектива.
При относительном отверстии 1:0,998 объектив обладает высоким качеством изображения. Значение полихроматической частотно-контрастной характеристики объектива при 30 лин/мм для осевой точки - 0,55, по полю 8,4° - не менее 0,5.
Пересчет указанного объектива на фокусное расстояние 32 мм показал, что увеличение поля зрения до 19,3°×14,5°, что соответствует матрице форматом 640×480 пикселей, сопряжено с падением качества изображения по всему полю зрения. Значение полихроматической частотно-контрастной характеристики объектива при 30 лин/мм для осевой точки - 0,4, а на краю поля зрения - 0.
Указанный объектив имеет недостаточное поле зрения и не может использоваться с матрицей 640×480 пикселей и тем более с матрицей 800×600 пикселей, для которой необходимо поле зрения 24°×18° (при фокусном расстоянии 32 мм). Кроме того, объектив обладает недостаточными относительным отверстием и качеством изображения по краям поля зрения.
Техническая проблема заключается в достижении следующего технического результата: увеличение поля зрения, обеспечение высокого качества изображения объектива по всему полю зрения и увеличение относительного отверстия.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Широкоугольный светосильный инфракрасный объектив, как и прототип, содержит четыре компонента, из которых первый и второй по ходу луча компоненты - положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, причем первый и четвертый компоненты выполнены из германия.
В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее. Второй компонент выполнен из халькогенидного стекла IRG-26, третий - из халькогенидного стекла IRG-25, а четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, или в виде выпукло- плоской линзы, причем вторые по ходу луча поверхности первого и второго компонентов выполнены асферическими, конические постоянные которых лежат в пределах:
К2=4,2÷15,0; К4=2,6÷4,8,
где: К2, К4 - конические постоянные асферических поверхностей соответственно первого и второго компонентов,
при этом выполняются следующие соотношения:
Σ
1
Σ
3,57f'<f'<5f',
Σ
2
Σ
0,6f'<f'<0,64f',
Σ
3
Σ
-0,52f'<f'<-0,45f',
Σ
4
Σ
0,75f'<f'<0,81f',
1
2
3
4
где: f', f', f', f' - фокусные расстояния соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов;
Σ
f' - фокусное расстояние объектива.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива, показан ход широкого наклонного пучка лучей в меридиональной плоскости.
На фиг. 2 представлена частотно-контрастная характеристика (ЧКХ).
На фиг. 3 приведены графики функции концентрации энергии (ФКЭ).
Широкоугольный светосильный инфракрасный объектив (фиг. 1) содержит четыре установленные по ходу луча компонента 1, 2, 3, 4. Защитное стекло 5 установлено перед матрицей фотоприемника 6, установленного в плоскости изображений (фокальной плоскости объектива F'). Компонент 1 - положительный мениск, выполненный из германия, его вторая по ходу луча поверхность асферическая. Компонент 2 - положительный мениск, выполненный из халькогенидного стекла марки IRG-26 фирмы SCHOTT, его вторая по ходу луча поверхность асферическая. Компонент 3 - отрицательный мениск, выполненный из халькогенидного стекла IRG-25 фирмы SCHOTT. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Компонент 4 - выпукло-плоская линза, выполненная из германия, обращенная плоской стороной к плоскости изображений. Апертурная диафрагма АД установлена на второй поверхности компонента 2. Конструктивные характеристики объектива приведены в таблице 1.
* - асферизованные поверхности.
Оптические характеристики объектива:
1. Фокусное расстояние
32 мм
2. Относительное отверстие
1:0,92
3. Поле зрения
24°×18°
4. Спектральный диапазон
8-12 мкм
5. Длина объектива
48,8 мм
6. Масса оптических деталей
68 г.
1
Σ
2
Σ
3
Σ
4
Σ
Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения: f'=3,85 f', f'=0,62 f', f'=-0,5 f', f'=0,765 f'. Конические постоянные равны: K2=7,38; К4=3,3.
Объектив работает следующим образом. Пучки лучей проходят через компоненты 1-4 таким образом, что главный луч ABC сначала проходит через центр апертурной диафрагмы (точка А), а в пространстве изображений луч ВС идет параллельно оптической оси, т.е. является телецентрическим. Это позволяет компенсировать кому и дисторсию. Дисторсия в прототипе составляет примерно 4%, а в предлагаемом объективе дисторсия менее 0,1%.
Точка С соответствует полю зрения 18°. В действительности объектив рассчитывался для косых лучей, т.е. для поля зрения 24°×18°. Это соответствует положению главного луча в точке D.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива по графикам частотно - контрастной характеристики (ЧКХ) и функции концентрации энергии (ФКЭ).
-1
Верхний график ЧКХ (фиг. 2) соответствует дифракционно ограниченному (безаберрационному) объективу. Контраст изображения одинаков для всех точек поля зрения и составляет 0,53 для пространственной частоты 30 мм.
Графики ФКЭ (фиг. 3) показывают, что в окружности с диаметром 24 мкм (что соответствует описанной окружности вокруг пикселя со сторонами 17×17 мкм) сосредоточено 76% энергии для осевой точки поля зрения, 78% - для зональной и 77% - для края поля зрения.
Σ
1
Σ
Σ
2
Σ
Σ
3
Σ
Σ
4
Σ
Проведенные расчеты показали, что заявленный технический результат достигается при всех значениях конических постоянных: К2=4,2÷15,0; К4=2,6÷4,8 и при всех значениях фокусных расстояний компонентов: 3,57f'<f'<5f'; 0,6f'<f'<0,64f'; -0,52f'<f'<-0,45f'; 0,75f'<f'<0,81f'. Заявленный технический результат достигается и при выполнении компонента 4 в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений.
Таким образом, предлагаемый объектив по сравнению с прототипом обладает большим относительным отверстием 1:0,92, более широким полем зрения 24°×18°, что соответствует матрице 800×600 пикселей, а также высоким (дифракционным) качеством изображения по всему полю зрения.