ДВУХДИАПАЗОННЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
DUAL BAND INFRARED HIGH-APERTURE LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в технологических установках по проверке параметров матричных приемников теплового излучения, применяемых в тепловизорах.
Имеется ограниченное количество объективов для ИК-области спектра, у которых выполняется условие обеспечения одновременной работы в двух спектральных (тепловизионных) диапазонах и наличие высокого относительного отверстия (выше чем 1:0,8).
Известен объектив [Пат.RU 2410733 С1, МПК G02B 13/14 (2006.01), G02B 9/64 (2006.01). Двухспектральный инфракрасный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой [Текст]. / Хацевич Т.Н., Терешин Е.А.; заявители и патентообладатели Хацевич Т.Н., Терешин Е.А. - 2010101899/28; заявл. 21.01.2010; опубл. 27.01.2011, Бюл. №3. - 16 с.: ил.] для инфракрасной области спектра, предназначенный для тепловизионных приборов на основе охлаждаемых матричных приемников излучения, чувствительных в диапазонах от 3-5 мкм и от 8-12 мкм. Первый положительный компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы, двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Второй компонент - пятилинзовый положительный. Между первым и вторым компонентами расположен третий компонент - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы и расположенный на расстоянии не более 0,15 фокусного расстояния первого компонента перед плоскостью промежуточного изображения. Компоненты объектива имеют сферические преломляющие поверхности, выполнены из арсенида галлия и материала KRS5. Фокусное расстояние f' объектива равно 171 мм, относительное отверстие 1:3. Рабочий спектральный диапазон 3-12 мкм, качество изображения является дифракционным как в спектральном диапазоне 3-5 мкм, так и в спектральном диапазоне 8-12 мкм при неизменном положении плоскости изображений. Длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений равна 300 мм, т.е. составляет 1,75 от фокусного расстояния объектива.
Недостатком указанного объектива является малое относительное отверстие, не позволяющее обеспечить 90% концентрацию энергии в пятне рассеяния, соответствующем размерам пикселей современных МПИ для тепловизоров.
В качестве наиболее близкого по технической сущности аналога (прототипа) выбран светосильный инфракрасный объектив [Пат.RU 2348953 С1, МПК G02B 13/14 (2006.01) Инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив [Текст]. / Хацевич Т.Н., Журавлев П.В.; заявители и патентообладатели Институт физики полупроводников СО РАН (RU) - 2007138194/28; заявл. 15.10.2007; опубл. 10.03.2009, Бюл. №7. - 9 с.: ил.], с относительным отверстием 1:0,75, содержащий три компонента, первый из которых положительный, второй отрицательный компонент и третий положительный мениски. Первый и третий мениски обращены вогнутостью к плоскости изображений, второй - к пространству предметов. Первый и третий мениски выполнены из одного материала (германий, показатель преломления 4,00), второй мениск выполнен из селенида цинка (показатель преломления 2,41). В объективе имеют место следующие соотношения:
1
2
3
Ф=(0,6÷0,7)Ф, Ф=-(0,15÷0,5)Ф, Ф=(1,3÷2)Ф,
1
2
3
где Ф, Ф, Ф, Ф - оптические силы соответственно первого, второго, третьего менисков и объектива в целом.
Фокусное расстояние f' объектива равно 35,49 мм, относительное отверстие 1:0,75. Длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений равна 63,3 мм, т.е. составляет 1,75 от фокусного расстояния объектива. Объектив рассчитан для использования с матричными приемниками, размер пикселей которых 0,03 мм и более. Пример конкретного исполнения приведен для ИК-области спектра 8-12 мкм, основная длина волны 10 мкм. В пятне диаметром 0,03 мм концентрируется не менее 70% энергии. Проверочный расчет примера конкретного исполнения в спектральном диапазоне 3-5 мкм показывает, что плоскость изображения смещается на 0,2 мм, при этом доля энергии в пятне указанного размера падает до 30%. Хроматизм положения в спектральном диапазоне 3-12 мкм составляет 0,3 мм, т.е. 1/118 от фокусного расстояния объектива. При заявленных соотношениях между конструктивными параметрами в наиболее близком аналоге удается достичь повышения коэффициента концентрации энергии в пятне диаметром 0,03 мм в спектральном диапазоне 3-5 мкм, но не более чем до 70%, при этом снижается качество в спектральном диапазоне 8-12 мкм, и плоскости изображения для спектральных диапазонов 3-5 мкм и 8-12 мкм смещены по оси.
Недостатками прототипа являются ограниченный спектральный диапазон работы, смещение плоскости изображения при переходе от спектрального диапазона 8-12 мкм к диапазону 3-5 мкм, низкий коэффициент концентрации энергии в пятне, размеры которого соответствуют современным МПИ (например, с пикселями 0,015 мм). Устройство оптической системы объектива, содержащееся в прототипе, таково, что в нем не исправлен хроматизм положения, что при высоком относительном отверстии приводит к увеличению размера аберрационной фигуры рассеяния и, как результат, невозможности достичь 90% концентрацию энергии в пятне диаметром 0,015 мм для любого из диапазонов 3-5 и 8-12 мкм при фиксированном положении МПИ относительно объектива по оси. Это обстоятельство не позволяет использовать прототип в технологических установках по проверке параметров матричных приемников теплового излучения, применяемых в тепловизорах.
Задачей изобретения является создание двухдиапазонного инфракрасного светосильного объектива с расширенным спектральным диапазоном, с относительным отверстием не менее чем 1:0,7, обеспечивающим неизменяемое положение плоскости изображения при работе как в рабочем спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм, так и в рабочем спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм и дифракционное качество изображения в каждом из указанных диапазонов, а также обеспечение возможности использования данного объектива в технологических установках по проверке параметров матричных приемников теплового излучения, применяемых в тепловизорах.
Технический результат, достигаемый в заявляемом двухдиапазонном инфракрасном светосильном объективе, заключается в расширении спектрального диапазона работы от 3 до 12 мкм, в обеспечении неизменного положения плоскости изображений для рабочих спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм, в повышении коэффициента концентрации энергии до 90% в пятне диаметром 0,015 мкм, размеры которого соответствуют современным МПИ, для указанных рабочих спектральных диапазонов.
Поставленная задача достигается тем, что двухдиапазонный инфракрасный светосильный объектив содержит последовательно расположенные по ходу лучей три компонента, первый и третий из которых выполнены в виде положительных менисков из одинакового материала, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, второй - отрицательный компонент, содержащий отрицательный мениск, оптическая сила которого составляет -(0,15÷0,5), при этом относительная оптическая сила первого компонента составляет (0,6÷0,7), преломляющие поверхности компонентов выполнены сферическими, согласно изобретению во второй компонент дополнительно введены отрицательный и положительный мениски с квазиравными по абсолютной величине относительными оптическими силами, расположенные соответственно с обеих сторон отрицательного мениска второго компонента, при этом мениски второго компонента обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, два из них выполнены из материалов, отличных от материала первого и третьего компонентов и имеющих в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм коэффициенты средней дисперсии, отличающиеся более чем в 5 раз, при квазиравных величинах коэффициентов частных дисперсий, при этом относительные оптические силы менисков в объективе в соответствии с их расположением по ходу лучей составляют соответственно
Первый и третий компоненты объектива выполнены из халькогенидного стекла, а мениски второго компонента - из германия и фторида свинца.
Предлагаемое устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1 - оптическая схема двухспектрального ИК объектива, где компоненты 1, 3 выполнены в виде положительных менисков из одинакового материала, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений; компонент 2 выполнен из положительного мениска 5 и дополнительно введенных отрицательного и положительного менисков 4, 6 с квазиравными по абсолютной величине относительными оптическими силами и обращенными к плоскости изображения вогнутыми поверхностями; линзы 4, 5 компонента 2 выполнены из разных материалов;
фиг.2 - график продольной хроматической аберрации для диапазона спектра от 3 до 12 мкм;
фиг.3а - ЧКХ для среднего ИК диапазона спектра;
фиг.3б - ЧКХ для дальнего ИК диапазона спектра;
фиг.4а - функция концентрации энергии (ФКЭ) в пятне для среднего ИК диапазона спектра;
фиг.4б - ФКЭ для дальнего ИК диапазона спектра.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Компонент 1, линзы 4, 5, 6, компонента 2 и компонент 3 фокусируют излучение среднего и (или) дальнего диапазонов спектра, идущее от каждой точки удаленных объектов, расположенных в пределах углового поля, определяемого размерами чувствительной площадки неохлаждаемого МФПУ и эквивалентным фокусным расстоянием компонентов 1, 2, 3 и создают действительное изображение в плоскости изображения объектива, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией, при этом положение плоскости изображений остается неизменным как для среднего, так и для дальнего ИК диапазонов спектра.
В качестве примера конкретного исполнения приведен пятилинзовый инфракрасный светосильный объектив. Фокусное расстояние f' объектива равно 40 мм, относительное отверстие 1:0,75. Рабочий спектральный диапазон 3-12 мкм. Длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений равна 76,5 мм, т.е. составляет 1,9 от фокусного расстояния объектива, задний фокальный отрезок составляет 20 мм. Первый и третий компоненты объектива выполнены из халькогенидного стекла (amtirl), а мениски второго компонента - из германия и фторида свинца. В таблице 1 приведены относительные оптические силы и характеристики материалов линз.
Таблица 1
Параметры материалов
Компонент
Линза
Материал
Ф <sub>отн.</sub>
V<sub>3-5</sub>
V<sub>8-12</sub>
Р<sub>3-5</sub>
Р<sub>8-12</sub>
1
1
AMTIR1
0,70
198,33
116,94
0,39
0,52
2
4
GERMANIUM
-0,68
107,29
795,97
0,31
0,37
5
PBF2
-0,17
46,39
8,64
0,55
0,53
6
AMTIR1
0,58
198,33
116,94
0,39
0,52
3
3
AMTIR1
0,74
198,33
116,94
0,39
0,52
Как следует из таблицы 1, в конкретном исполнении инфракрасного светосильного пятилинзового объектива в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм коэффициенты средней дисперсии дополнительно введенных в компоненет 2 отрицательного и положительного менисков отличаются в 795,97/107,29=7,41; 46,39/8,64=5,37, т.е. более чем в 5 раз, а коэффициенты частных дисперсий близки по величине, т.е. являются квазиравными величинами. Относительные оптические силы менисков в объективе в соответствии с их расположением по ходу лучей составляют соответственно: 0,7; -0,68; -0,17; 0,58; 0,74, что удовлетворяет соотношению (1).
Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого предлагаемой оптической системой двухспектрального ИК объектива, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в аналогичных оптических системах.
На фиг.2 приведен график продольной хроматической аберрации для широкого спектрального интервала от 3 до 12 мкм, включающего как средний, так и дальний ИК диапазоны. Характер кривой продольной хроматической аберрации свидетельствует о том, что в предлагаемом объективе в указанном спектральном диапазоне обеспечивается апохроматическая коррекция, при этом остаточный продольный хроматизм составляет 0,006 мм, т.е. 1/6660 от фокусного расстояния.
Графики ЧКХ для указанных рабочих спектральных диапазонов представлены соответственно на фиг.3а и 3б, а графики ФКЭ - соответственно на фиг.4а и 4б для фиксированного положения плоскости изображений. Из представленных графиков следует, что заявляемый двухспектральный объектив обеспечивает высокое качество изображения, близкое к дифракционному пределу в каждом из спектральных диапазонов при неизменном положении плоскости изображения, в частности на оси обеспечивается 90% концентрации энергии в пятне диаметром 0,015 мкм, размер которого соответствуют размеру пикселя современного МПИ, что позволяет использовать изобретение в технологических установках по проверке параметров матричных приемников теплового излучения, применяемых в тепловизорах.