ДВУХЛИНЗОВЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использована в тепловизионных приборах, построенных на основе болометрических матричных фотоприемных устройств, не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм.
Создание новых и совершенствование известных схемных решений инфракрасных объективов идет по совокупности характеристик, к числу которых относятся повышение диаметров входных зрачков, относительных отверстий, качества изображения на оси и по полю, уменьшение массы и габаритных размеров и др. Поскольку приемники излучения, используемые в тепловизионных приборах, имеют вполне определенные линейные размеры, то, при использовании с одним и тем же приемником, величины фокусного расстояния объектива и углового поля связаны обратно пропорциональной зависимостью. Стремление повысить коэффициент пропускания объектива и его массу заставляет искать схемные решения оптики объектива с наименьшим числом линз. Известны объективы для ИК-области спектра, содержащие две линзы [Патент US 2010/0165455. Compact two-element infrared objective lens and IR or thermal sight for weapon hawing viewing optics [1]; Патент RU 262988 C1. Светосильный объектив для инфракрасной области спектра. Приоритет 25.05.2016, опубл. 04.09.2017 [2]]. Заявленные в указанных патентах соотношения между радиусами кривизны поверхностей, форма линз соответствуют тем диапазонам оптических характеристик (фокусное расстояние, относительное отверстие, поле), для достижения которых они найдены. Повышение одной или всех одновременно характеристик требует поиска новых схемных решений оптики объективов.
Задачей, на решение которой направлено устройство, является создание оптической системы двухлинзового светосильного объектива с относительным отверстием выше 1:1 для ИК области спектра для тепловизионного прибора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего возможность сопряжения с современными матричными приемниками ИК излучения в диапазоне 8-14 мкм, форматом 640×480 пикселей при раз мере пикселя 17×17 мкм.
Заявляемые двухлинзовые светосильные объективы для ИК-области спектра имеют соотношения между радиусами кривизны поверхностей линз, формой их выполнения, отличные от устройств объективов по указанным патентам.
Недостатком объектива [1] является малая величина относительного отверстия; диаметр входного зрачка меньше в 1,5 раза желаемого и низкое качество изображения на оси и по полю зрения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности являются объектив для ИК-области спектра [Патент RU 262988 С1. Светосильный объектив для инфракрасной области спектра. Приоритет 25.05.2016, опубл. 04.09.2017 [2]], который по совокупности характеристик и устройству оптической схемы в наибольшей мере близок к предлагаемому объективу. Его описание и анализ недостатков приводятся ниже.
Наиболее близкий аналог содержит два положительных мениска, вторая поверхность первого мениска выполнена асферической, линзы выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, радиусы кривизны менисков удовлетворяют следующим соотношениям:
1
R=(1,04÷1,26)ƒ;
2
R=(1,03÷1,62)ƒ;
3
R=(0,5÷0,79)ƒ;
4
R=(0,59÷0,98)ƒ,
1
2
3
4
где R, R - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска, R, R - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска, ƒ' - фокусное расстояние объектива.
В примере конкретного исполнения наиболее близкого аналога приводится объектив с фокусным расстоянием 30 мм, относительным отверстием 1:1,1, угловым полем 12,4°×9,4° (диагональ - 15,5°). Значение частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) на частоте 30 штрихов/мм составляет 0,54 отн. ед. для точки поля зрения на оси и 0,36 отн. ед. - для крайней точки поля зрения (по наибольшей стороне матрицы без учета диагонального размера). Дисторсия не превышает - 1,3% по полю зрения.
К числу недостатков наиболее близкого аналога можно отнести следующее: низкое относительное отверстие, малое угловое поле, малый линейный размер в плоскости изображения объектива, не позволяющий в полной мере реализовать возможности современных матриц форматом 640×480 пикселей, размером пикселя 17×17 мкм.
Соотношения между радиусами кривизны линз в наиболее близком аналоге таково, что при повышении относительного отверстия до 1:0,9 качество изображения снижается и не позволяет обеспечить требуемые значения частотно-контрастной характеристики.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении относительного отверстия, обеспечивающего, соответственно, повышение дальности действия прибора, в увеличении углового поля, увеличении линейного размера изображения в плоскости изображения объектива, позволяющего в полной мере реализовать возможности современных матриц форматом 640×480 пикселей при размере пикселя 17×17 мкм.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога в предлагаемом устройстве двухлинзового светосильного объектива для ИК-области спектра, радиусы кривизны поверхностей удовлетворяют следующим соотношениям:
1
2
3
4
где R, R - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска, R, R - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска, ƒ' - фокусное расстояние объектива, и первая поверхность первого мениска и обе преломляющие поверхности второго мениска выполнены асферическими.
В частном случае объектив выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В частном случае объектив выполнен с возможностью перемещения второго мениска вдоль оптической оси.
Предлагаемое решение, на наш взгляд, обладает новизной и является промышленно применимым. Все линзы объектива выполнены с применением асферических преломляющих поверхностей, что в настоящее время широко используется в оптической промышленной технологии при разработке конкурентоспособных приборов с высокими техническими характеристиками, изготовлены из материала, технология применения которого для изготовления объективов для ИК-области спектра известна и отработана на предприятиях, специализирующихся на выпуске тепловизионных приборов и их элементов. В то же время авторам не известны оптические схемы объективов для ИК-области спектра, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.
Предложенное устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг. 1 - оптическая схема двухлинзового светосильного объектива для ИК-области спектра;
фиг. 2 - графики ЧКХ для различных точек поля зрения;
фиг. 3 - график дисторсии.
Оптическая система светосильного объектива для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит два положительных мениска 1, 2, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, все поверхности которых выполнены асферическими, и расположенные друг относительно друга на расстоянии не менее 0,9ƒ', при этом мениски выполнены из германия, пропускающего излучение в диапазоне длин волн 8-14 мкм. Радиусы кривизны поверхностей линз 1, 2 удовлетворяют соотношениям (1).
В частных случаях либо весь объектив выполнен с возможностью совместного перемещения менисков вдоль оптической оси, либо второй мениск объектива установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
Осуществление устройства заключается в следующем. Линзы 1, 2 фокусируют ИК излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами матричного приемника ИК излучения и фокусным расстоянием объектива, и создают действительные изображения объектов в плоскости изображения, с которой совмещается плоскость приемной площадки болометрического матричного приемника излучений. Объектив обеспечивает для каждой точки объекта фокусировку излучения в спектральном диапазоне, определяемом спектральной чувствительностью матрицы приемного устройства, в пятно малого размера, обеспечивающее высокие значения коэффициентов передачи контраста для пространственных частот, соответствующих современным приемникам ИК-излучения с форматом 640×480 пикселей (размер пикселя 17×17 мкм).
Для фокусировки излучения, идущего от объектов, расположенных на конечном расстоянии от объектива, либо для компенсации терморасфокусировки из-за эксплуатации объектива при температурах, отличающихся от температуры сборки, в частных случаях может перемещаться весь объектив, либо перемещаться может мениск 2, при этом положение первого мениска и плоскости изображения, совмещенной с приемником ИК излучения, остается неизменным. Во всех частных случаях обеспечивается сохранение заявленного качества изображения.
В таблице 1 приведены величины радиусов кривизны, материалов, расстояний между линзами объектива и их диаметры в конкретном примере исполнения светосильного объектива для ИК-области спектра. Значения параметров приведены при нормировке фокусного расстояния ƒ'=1.
1
2
3
4
Как следует из таблицы 1, радиусы кривизны линз 1, 2 соотносятся между собой следующим образом: R : R : R : R = 1,02:1,27:0,42:0,32, и удовлетворяют при этом соотношениям (1). Все четыре преломляющие поверхности менисков выполнены асферическими в виде осесимметричных полиноминальных асферических поверхностей с четной асферикой. Мениски 1, 2 выполнены из германия. Форма линз соответствует схеме объектива, приведенной на фиг. 1.
Величины подвижек для фокусировки и термокомпенсации не превышают 5% от величины фокусного расстояния объектива.
Анализ примера реализации объектива для ИК-области спектра проведен для фокусного расстояния ƒ'=34 мм, диаметра входного зрачка 37,8 мм, относительного отверстия 1:0,9, формата приемника 640×480, шаг пикселей 0,017 мм, (диагональ изображения 2y'=13,6 мм), углового поля по диагонали 22,9°.
На фиг. 2 приведены графики ЧКХ для различных точек поля: по оси абсцисс отложены пространственная частота (штрихи/мм); по оси ординат - коэффициент передачи контраста (отн. ед.). Обозначение «0.0000» соответствует ЧКХ для точки на оси; «4.08» - вертикальному краю, «5.44» - горизонтальному краю, «6.8» - крайней точке диагонали приемника. Как следует из фиг. 2 значение ЧКХ на частоте Найквиста, равной 30 штрихов/мм, для осевой точки в плоскости изображения не менее 0,61 отн. ед., для всех точек поля с радиальными координатами в плоскости изображения, равными или менее половины размера большей стороны чувствительной площадки приемной матрицы, - не менее 0,51 отн. ед.
На фиг. 3 приведен график дисторсии для примера конкретного исполнения, которая не превышает - 1,5% для края поля зрения.
Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом в заявляемом двухлинзовом светосильном объективе для ИК-области спектра повышено относительное отверстие в 1,1/0,9=1,2 раза, увеличено угловое поле в 22,9/15,6=1,44 раза, увеличено линейное поле в пространстве изображений в 11,47/8,17=1,4 раза, что позволило использовать современную матрицу форматом 640×480 пикселей с размером пикселя 17×17 мкм, при сохранении качества изображения не ниже чем в наиболее близком аналоге. Эти преимущества приводят к тому, что в тепловизионном приборе, в котором применяется предлагаемый объектив, повышается дальность действия. Дальность действия (обнаружение, распознавание, идентификация объектов) является основным целевым показателем модернизации или совершенствования тепловизионных приборов.
Таким образом, техническая реализация предлагаемого объектива для ИК-области спектра, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет обеспечить его сопряжение с современными болометрическими матричными фотоприемными устройствами, не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм, форматом 640×480 пикселей с шагом 17 мкм и получить малогабаритный светосильный тепловизионный прибор с высокими техническими и потребительскими характеристиками.
Таким образом, наличие в устройстве объектива новых признаков и новых соотношений между параметрами устройства по сравнению с известными устройствами объективов для ИК-области спектра позволяет обеспечить указанный технический результат: повысить относительное отверстие, увеличить угловое поле зрения, увеличить линейный размер изображения в плоскости изображения объектива, который позволяет в полной мере реализовать возможности современных матриц форматом 640×480 пикселей с размером пикселя 17×17 мкм, и обеспечивающий высокое качество изображения, соответствующее для этой группы оптико-электронных приборов, и определяют новизну и изобретательский уровень заявляемого технического решения, а возможность изготовления на оптико-механическом предприятии доказывает его промышленную применимость, что в совокупности устанавливает соответствие светосильного объектива для ИК-области спектра условиям патентоспособности.
Литература
1. Патент US 2010/0165455. Compact two-element infrared objective lens and IR or thermal sight for weapon hawing viewing optics.
2. Патент RU 262988 C1. Светосильный объектив для инфракрасной области спектра. Приоритет 25.05.2016, опубл. 04.09.2017.