ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
OBJECTIVE LENS FOR INFRARED SPECTRUM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно, к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.
Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №140705 от 11.12.2013 г., МПК G02B 13/14. Объектив содержит четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а второй - отрицательный, причем, первый и четвертый мениски выполнены из германия, а третий - из селенида цинка, отличающийся тем, что второй мениск выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, а между оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(1,07÷1,31):-(0,57÷1,5):-(1,41÷0,68):(1,31÷2,08),
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно.
Фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C достигается при выполнении подвижными вдоль оптической оси либо всего объектива, либо второго и третьего менисков совместно, либо четвертого мениска.
Указанный объектив недостаточно технологичен, т.к. имеет жесткие допуски, а следовательно, пригоден для производства мелкими партиями. Кроме того, фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур приводит к изменению фокусного расстояния, что, в свою очередь, приведет к изменению масштаба шкалы.
1
2
3
4
1
2
3
4
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14. Объектив содержит четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями, третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения: φ:φ:φ:φ=(0,75÷0,85):-(2,0÷2,5):-(1,40÷1,66):(1,7÷1,9), где φ, φ, φ, φ относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно.
Для сравнения указанный объектив пересчитан на фокусное расстояние 75 мм. Объектив имеет следующие недостатки.
1. Для сохранения расчетных характеристик объектива необходимо изготовление оптических деталей и объектива в целом (взаимное расположение компонентов объектива) с высокими точностями. Качество изображения обеспечивается в пределах небольших допусков на изготовление менисков и сборку объектива. Эквивалентное фокусное расстояние подвижных менисков составляет ~22 мм. Для предотвращения увода линии визирования на одну угловую минуту при фокусировке изображения на конечное расстояние 15 м децентрировка подвижных менисков не должна превосходить 0,02 мм.
2. При термокомпенсации в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C и фокусировке на конечное расстояние совместным перемещением третьего и четвертого менисков происходит значительное изменение фокусного расстояния, что приводит к изменению масштаба изображения до недопустимых величин для объективов с высокими требованиями постоянства фокусного расстояния в рабочем диапазоне температур. Так как подвижный компонент имеет положительную оптическую силу, изменение фокусного расстояния объектива составляет 1,19 мм.
3. Совместное перемещение двух компонентов объектива представляет технологическую сложность.
Задачей изобретения является достижение следующих технических результатов, причем, без увеличения массы и габаритов объектива: повышение технологичности объектива путем расширения допусков изготовления оптических деталей и сборки объектива, повышение качества изображения при расширенных допусках изготовления и сборки объектива, а также обеспечение неизменности фокусного расстояния объектива при термокомпенсации объектива в диапазоне рабочих температур.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем, первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из селенида цинка. В отличие от прототипа, в заявляемом объективе выполнено следующее. Второй мениск выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Третий мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. При этом выполняются следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=(0,70÷0,78):(0,18÷0,57):-(1,0÷1,78):(1,9÷2,5),
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно;
э
D2/f′=0,6÷0,7,
где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
э
f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с реальным ходом лучей для осевой и полевых точек поля зрения.
На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки (ФРТ).
На фиг. 3 приведены контраст изображения и функция концентрации энергии (ФКЭ).
На фиг. 4 приведен график функции концентрации энергии (ФКЭ) при воздействии допусков по методу Монте-Карло.
Объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит размещенные в корпусе (на рисунке не показан) четыре мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия. Мениск 2 - положительный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка. Мениск 4 - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 3 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C.
В таблице 1 приведены характеристики объектива, рассматриваемого в качестве примера реализации заявляемого объектива. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.
Оптические характеристики объектива:
1. Фокусное расстояние
75 мм
2. Относительное отверстие
1:1,25
3. Поле зрения
7,3°×5,5°
4. Спектральный диапазон
8-12 мкм
5. Длина объектива
99,4 мм
6. Задний отрезок
13,02 мм
Корпус объектива может выполняться из стали, алюминия и других материалов. Расчет объектива проведен с учетом применения алюминия, имеющего более высокий коэффициент линейного расширения по сравнению со сталью. Выполнение корпуса объектива из алюминия предпочтительно для обеспечения небольшой массы объектива.
Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения:
1
2
3
4
φ:φ:φ:φ=0,746:0,493:(-1,548):2,186;
э
D2/f′=0,645;
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы менисков 1, 2, 3 и 4 соответственно;
1
э
1
2
э
2
3
э
3
4
э
4
φ=f′/f′, φ=f′/f′, φ=f′/f′, φ=f′/f′;
э
f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива;
1
2
3
4
f′, f′, f′, f′ - фокусные расстояния менисков 1, 2, 3 и 4 соответственно;
D2 - воздушный промежуток между менисками 1 и 2.
Объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3, 4 и сходятся в плоскости изображения 5. В температурном диапазоне для получения высокого качества изображения мениск 3 перемещается вдоль оси, при этом изменяются расстояния между менисками 2 и 3, 3 и 4, т.е. соответственно отрезки D4, D6. Это же перемещение используется для фокусировки объектива на конечное расстояние.
Основная идея конструктивного выполнения объектива заключается в уменьшении оптических сил линзовых элементов.
Атермализация объектива и его фокусировка на конечное расстояние в предлагаемом изобретении осуществляется отличным от прототипа способом. В прототипе с этой целью используется перемещение вдоль оси двух положительных линз, эквивалентная оптическая сила которых имеет большую величину. В предлагаемом изобретении подвижная линза 3 имеет оптическую силу (по абсолютной величине) в два раза меньше. Это, с одной стороны, позволяет увеличить допуск на ее децентрировку в два раза с уводом визирной оси не более одной угловой минуты, а с другой стороны - предотвратить изменение фокусного расстояния при ее перемещении. Это также обусловлено тем, что термокомпенсация и фокусировка объектива на конечное расстояние в заявляемом объективе осуществляется отрицательным компонентом, а не положительным, как в прототипе. Изменение фокусного расстояния составляет 0,025%, т.е. фокусное расстояние практически постоянно. У прототипа изменение фокусного расстояния составляет 1,7%.
При температуре 50°C мениск 3 перемещается на 0,34 мм влево, а при минус 40°C - на 0,68 мм вправо. При фокусировке объектива на конечное расстояние 15 м в нормальных климатический условиях, т.е. при 20°C, мениск 3 перемещается на 0,42 мм вправо, т.е. входит в диапазон подвижек при термокомпенсации.
Значения величины воздушного промежутка D2 влияют на параметры объектива двояким образом. При увеличении этого промежутка снижается качество изображения объектива, а при уменьшении - возрастают световые диаметры линз и соответственно их оправ, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик объектива.
При увеличении воздушного промежутка D2 увеличивается кривизна вогнутой поверхности мениска 2 и уменьшается кривизна выпуклой поверхности мениска 3, что приводит к уменьшению воздушного зазора между краями этих менисков. Это, в свою очередь, может привести к касанию оправ этих менисков при температурной компенсации в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C. Кроме того, происходит увеличение длины объектива на величину, равную увеличению воздушного промежутка D2. При уменьшении воздушного промежутка D2 имеет место обратный эффект, но при этом увеличиваются световые диаметры менисков 2 и 3 и, следовательно, масса объектива.
э
э
Высокое качество изображения объектива обеспечивается в диапазоне D2/f′=0,6÷0,7. Наиболее оптимальным значением воздушного промежутка D2 является значение D2=0,645f′.
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки (ФРТ), которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении, контраст изображения (ЧКХ) и функцию концентрации энергии (ФКЭ), позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния.
Функция рассеяния точки приведена на фиг. 2. В первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°C, во второй - для минус 40°C, а в третьей - для 50°C. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, а в третьей - для края поля зрения. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 33,5 мкм. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии.
Как видно из фиг. 2, все пятна рассеяния вписываются в кружок Эйри, что наглядно демонстрирует высокое качество изображения в геометрическом приближении. В прототипе кружки рассеяния выходят за пределы диска Эйри, что обусловлено наличием аберраций высших порядков из-за крутого падения лучей на поверхности линз относительно нормали поверхности.
-1
-1
Для более надежной оценки качества изображения используется величина контраста изображения и функция концентрации энергии. На фиг. 3 слева дан контраст изображения на частоте 20 мм, а справа - функция концентрации энергии для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. В соответствии с критерием Найквиста для ожидаемых кружков рассеяния 0,025 мм контраст изображения на частоте 20 мм должен быть не менее 0,6, что следует из фиг. 3. Детальное рассмотрение графиков ФКЭ позволило определить диаметр кружков рассеяния при 80% концентрации энергии, величины которых впечатаны, в верхней части квадратов на фиг. 2. Рассмотрение этих величин позволяет сделать вывод, что представленный объектив имеет дифракционное качество изображения, а качество изображения на 10-15% выше, чем у прототипа.
Стабильность качества изображения объектива зависит от допусков на изготовление оптических деталей и их сборки. Чем шире допуски, тем ниже стоимость и выше качество готовых изделий, особенно в серийном производстве.
Рассмотрим чувствительность объектива методом Монте-Карло, применяемым при анализе допусков в промышленном производстве. Анализ методом Монте-Карло моделирует эффект одновременного воздействия допусков на всю систему. Для каждого Монте-Карло-цикла все параметры, для которых установлены допуски, изменяются случайным образом в соответствии с законом нормального распределения с полной шириной, равной четырем стандартным отклонениям.
Рассмотрим ФКЭ изображения при введении допусков на объектив для осевой точки поля зрения. Величины допусков на изготовление линз и сборку объектива представлены в таблице 2, а график ФКЭ соответствующий этим допускам, на фиг. 4.
Как видно из графика, падение ФКЭ для двадцати циклов Монте-Карло незначительно, и это при диапазоне допусков для предлагаемого объектива в 2÷5 раз большем, чем у прототипа.
1
2
3
4
Проведенные расчеты показывают, что заявленные технические результаты достигаются при соотношениях оптических сил менисков 1-4, равных φ:φ:φ:φ=(0,70÷0,78):(0,18÷0,57):-(1,0÷1,78):(1,9÷2,5).
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение позволяет повысить технологичность объектива путем расширения допусков на изготовление оптических деталей и сборки объектива, повысить качество изображения при расширенных допусках изготовления и сборки объектива, а также обеспечить неизменность фокусного расстояния объектива при термокомпенсации объектива в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C. Указанные результаты достигаются без увеличения массы и габаритов объектива.