КОМПАКТНЫЙ ОБЪЕКТИВ СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА
COMPACT LENS OF MID-INFRARED RANGE

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для средней инфракрасной области спектра, и может быть использовано с матричными охлаждаемыми приемниками теплового излучения, чувствительными в диапазоне 3-5 мкм.
Известна оптическая система для средней инфракрасной области спектра, описанная в патенте РФ №2419113, МПК G02B 13/14, опубликованном 20.05.2011 г., состоящая из двух компонентов. Достоинством системы является вынесенная апертурная диафрагма, оптически сопряженная с холодной диафрагмой приемного устройства, что позволяет значительно уменьшить паразитные засветки и минимизировать диаметры линз первого компонента объектива. Недостатком является большое число линз, а именно семь, и большая длина системы, что не позволяет использовать ее в компактных тепловизионных системах.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является оптическая система для средней ИК области спектра, описанная в патенте РФ №2543693, МПК G02B 13/14, опубликованном 10.03.2015 г. Оптическая тепловизионная система для средней ИК области спектра состоит по ходу лучей из входного объектива, строящего промежуточное действительное изображение и проекционного объектива, за которым установлено фотоприемное устройство. Входной объектив выполнен в виде положительного и отрицательного менисков, обращенных выпуклостью к пространству предметов. Проекционный объектив расположен перед фотоприемным устройством и содержит последовательно установленные по ходу лучей отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу и положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов. Входное окно является частью конструкции фотоприемного устройства, охлаждаемая диафрагма ограничивает апертуру лучей, попадающих на матрицу чувствительных элементов фотоприемного устройства. Данная оптическая схема обеспечивает высокое качество изображения, однако его длина сравнима с фокусным расстоянием, что не позволяет создать на ее основе компактный длиннофокусный объектив.
Задачей настоящего изобретения является создание компактного объектива среднего ИК диапазона с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в предельном укорочении объектива при сохранении высокого качества изображения.
Это достигается тем, что в компактном объективе среднего ИК диапазона, содержащем входную часть объектива, выполненную из двух компонентов, первый из которых неподвижный, выполненный из положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, а второй выполнен, по крайней мере, из отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, за входной частью объектива расположена проекционная часть, содержащая положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, в отличие от известного во втором компоненте во входной части объектива добавлен одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, расположенный за отрицательным мениском, причем второй компонент во входной части объектива и проекционная часть объектива выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, кроме того, во входной части объектива линзы выполнены с асферическими поверхностями, а в проекционной части объектива линза выполнена с асферо-дифракционной поверхностью.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг. 1 - оптическая схема компактного объектива среднего ИК диапазона.
фиг. 2 - коэффициент передачи модуляции компактного объектива среднего ИК диапазона;
фиг. 3 - кружок рассеяния компактного объектива среднего ИК диапазона.
На фиг. 1 представлена оптическая схема компактного объектива среднего ИК диапазона. Объектив состоит из входной и проекционной частей. Первый компонент входной части объектива неподвижный и выполнен в виде положительного мениска 1, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Второй компонент подвижный и выполнен в виде одиночных отрицательного мениска 2 и положительного мениска 3, обращенных выпуклостями к пространству предметов. Проекционная часть объектива выполнена в виде положительного мениска 4, обращенного выпуклостью к пространству предметов и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Между входной и проекционной частями объектива формируется промежуточное изображение. При этом все линзы входной части объектива содержат асферические поверхности, а линза в проекционной части объектива - асферо-дифракционную поверхность, которая помимо асферического профиля имеет фозовый. Плоскость фотоприемного устройства (ФПУ) совмещают с плоскостью изображений компактного объектива среднего ИК диапазона. Между плоскостью ФПУ и компактным объективом среднего ИК диапазона находятся защитное стекло 5 и фильтр 6.
На фиг. 2 представлен график коэффициента модуляции компактного объектива. Как видно из графика, на пространственной частоте 33 л/мм коэффициент модуляции компактного объектива равен дифракционному, а для крайних точек поля составляет не менее 0.2. Таким образом, данный объектив может быть использован с охлаждаемыми матрицами диапазона 3-5мкм размером пикселя 15 мкм и более, а также размером площадки до 9.6×7.6 мм.
На фиг. 3 показана диаграмма пятен рассеяния компактного объектива. Как на оси, так и для всех точек поля диаметр кружка рассеяния менее диаметра кружка Айри, что позволяет говорить о дифракционно-ограниченном качестве изображения, создаваемого компактным объективом.
Компактный объектив среднего ИК диапазона работает следующим образом. Линзы 1, 2, 3 фокусируют ИК-излучение и создают действительное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения. При этом фокусное расстояние комбинации из положительного мениска 1, отрицательного мениска 2 и положительного мениска 3 значительно превышает расстояние от первого элемента до промежуточного изображения, то есть имеет место большой коэффициент телеукорочения. Затем промежуточное изображение передается при помощи проекционной линзы 4 через защитное стекло 5 и фильтр 6 на плоскость ФПУ матричного приемника ИК-излучения. Коррекция аберраций достигается путем использования линз указанной формы в конфигурации, приведенной на фиг. 1, а также при помощи асферических поверхностей. Малое число оптических элементов в проекционной части объектива обусловлено использованием дифракционной поверхности на линзе 4. Калибровка тепловизионной камеры, использующей данный объектив, осуществляется перемещением линз 2 и 3. Фокусировка осуществляется путем перемещения линзы 4. В данном объективе даже небольшое (меньше мм) перемещение линз 2 и 3 приводит к быстрой расфокусировке изображения до размера кружка рассеяния, сравнимого с диаметром матрицы. Это позволяет получить равномерную освещенность матрицы вне зависимости от сцены, что является важным условием калибровки тепловизионной камеры. Так как наиболее чувствительным к децентрировке в данном объективе является взаимное положение второй и третьей линз, предпочтительно объединение их в подвижную группу. Фокусировка объектива осуществляется путем перемещения проекционной линзы 4.
В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, имеющий следующие характеристики:
Фокусное расстояние, мм
180
Диаметр входного зрачка, мм
45
Линейное поле в пространстве изображений, мм
12.3
Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.
Таким образом, создан компактный объектив среднего ИК диапазона, обладающий значительным коэффициентом телеукорочения при сохранении высокого качества изображения, который может быть применен с охлаждаемыми матричными ФПУ для создания компактных тепловизионных систем.