СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной (ЯК) области спектра, в частности в диапазоне спектра 8-14 мкм.
Системы, работающие в области спектра 8-14 мкм, позволяют наблюдать объекты, температура излучения которых составляет -50÷+50°С, что соответствует излучению в диапазоне 8-14 мкм.
К объективам, работающим в диапазоне спектра 8-14 мкм, предъявляются следующие требования:
1. Сверхвысокое относительное отверстие, составляющее
D:F=1:0.75÷1:1.
Это требование обусловлено тем, что яркость излучающих естественных объектов низка, а чувствительность используемых современных приемников (болометрических матриц)-мала.
2. Высокое, близкое к дифракционному, качество изображения. Размер элемента матрицы составляет Q=25×25 мкм. Для ИК тепловизионных приборов необходимо, чтобы в размере пикселя величина концентрации энергии η составляла не менее 75%, при том, что безаберрационная идеальная система дает η=89÷90%.
Для тепловизоров, формирующих изображение объектов конечных размеров, необходимо чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста υ=1/2Q=20 лин/мм было не менее 0,6.
3. Характеристики качество изображения должны быть постоянны по всему полю изображения объектива. Особенно это
требование важно для приборов обнаружения и слежения за удаленными объектами малых размеров. Это требование предполагает также:
- отсутствие виньетирования полевых лучей;
- близкий к телецентрическому ход главных лучей.
Выполнение перечисленных требований обеспечивает постоянство энергетических характеристик объектива по всему полю изображения.
4. Минимальное количество линзовых элементов.
3
Материал, применяемый обычно в ИК объективах, - оптический германий - имеет большой удельный вес, равный 5.33 г/см. Кроме того, германий - достаточно дорогой материал. Минимизация количества линзовых элементов позволяет снизить вес объектива и его стоимость.
f'
f'
f'
5. Габаритные параметры включают в себя требование, определяемое конструкцией приемника, чтобы задний фокальный отрезок S' удовлетворял условию S'≥10 мм, что для малых значений фокусного расстояния f' объективов составляет S'≥0,5÷1,0 f'
Кроме того, желательно, чтобы длина объектива не превышала 2÷2,5 f'.
6. Важной проблемой создания ИК объективов с использованием германия является значительное изменение его показателя преломления при изменении температуры. Это вызывает ухудшение качества изображения. Конструкция оптической схемы, а также выбор оптических сил линзовых компонентов должны минимизировать влияние изменения температуры на качество изображения.
Создание оптической системы светосильного объектива для ИК тепловизоров становится актуальной задачей.
Известны конструкции оптических схем объективов, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям и состоящие из 2-3 линз, но при этом относительное отверстие невысокое (D:F<1:1), а для достижения удовлетворительного качества изображения используются асферические поверхности, в том числе и высших порядков, что приводит к повышению стоимости таких систем и увеличению рассеянного света,
свойственного технологии изготовления асферических поверхностей [1, 2]. В объективах со сферическими поверхностями линз, в целях обеспечения требуемого уровня качества изображения обычно приходится снижать относительное отверстие или вводить виньетирования для полевых точек поля [3, 4].
I
1
2
II
3
4
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный ИК объектив [5], состоящий из четырех менисковых линз, сформированных в две группы. Первая линзовая группа с отрицательной оптической силой φ состоит из мениска с положительной оптической силой φ с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, и мениска с отрицательной оптической силой φ с вогнутой поверхностью, обращенной к предмету, вторая линзовая группа с оптической силой φ выполнена из двух менисков с положительными оптическими силами φ, φ, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу.
Оптические силы групп удовлетворяют условям:
I
II
0,36<|φ/φ|<0,75,
1
1,45<|f'/f'|<1,9,
1
где f' - фокусное расстояние первого мениска
f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
К недостаткам указанного объектива можно отнести:
1. невысокое относительное отверстие (D:F=1:1)
2. непостоянство качества изображения по полю, обусловленное, прежде всего, наличием виньетирования полевых пучков и отсутствием телецентрического хода лучей в пространстве изображений.
3. снижение качества изображения при низких температурах.
F'
4. задний отрезок S' не превышает 0,5 f'.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение относительного отверстия при обеспечении высокого качества изображения по всему полю, увеличение
заднего отрезка и сохранение качества изображения при значительных перепадах температур.
I
1
2
II
3
4
Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, состоит из двух линзовых групп. Первая линзовая группа с отрицательной оптической силой φ выполнена из мениска с положительной оптической силой φ с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, и мениска с отрицательной оптической силой φ с вогнутой поверхностью, обращенной к предмету, вторая линзовая группа с положительной оптической силой φ выполнена из двух менисков с положительными оптическими силами φ, φ, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу.
В отличие от прототипа в предлагаемом светосильном объективе для инфракрасной области спектра оптические силы линз первой I и второй II групп удовлетворяют условиям:
I
II
|(φ/φ|<0,25;
3
4
φ<φ;
4
3
4
(φ-φ)/φ=0,1÷0,3;
1
2
0,4<|φ/φ|<0,9;
а расстояние (d) между I и II группами линз удовлетворяет условию:
0,25<d/f'<0,6,
где f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что полученные соотношения оптических сил линз позволили обеспечить коррекцию осевых и полевых аберраций. Это дало возможность увеличить относительное отверстие до D:F=1:0,75 при достаточно большом угловом поле 2β=25÷30° при отсутствии виньетирования, при этом среднеквадратическая волновая аберрация по всему полю RMS≤0.2λ.
При этом соотношение оптических сил первого и второго менисков позволили скомпенсировать сферическую аберрацию высших порядков, а
третьего и четвертого менисков - полевые аберрации третьего и высшего порядков.
F'
Кроме того, полученное соотношение оптических сил I и II групп линз позволило скомпенсировать кривизну изображения, а совместно с выбранным вторым воздушным промежутком d - обеспечить задний отрезок S' более 0,5 f', где f' - фокусное расстояние объектива.
Другим достоинством предлагаемого объектива является то, что выходной зрачок расположен вблизи переднего фокуса, что обеспечивает близкий к телецентрическому ход главных лучей в пространстве изображений и тем самым равномерную освещенность в изображении объекта по всему полю.
Важным достоинством предлагаемого объектива является то, что выбранные оптические силы линз обеспечивают незначительное изменение качества изображения в зависимости от изменения температур в интервале -40÷+50°.
Таким образом, предлагаемый светосильный объектив для инфракрасной области спектра, состоящий из четырех линз, выполненных из одного материала - германия, работает в диапазоне спектра 8-12.5 мкм, и обеспечивает:
- относительное отверстие D:F=1:0,75;
- угловое поле зрения 2β=25÷30°;
- телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений и отсутствие виньетирования полевых лучей;
- дифракционно-ограниченное качество изображений:
RMS в центре поля <0.08 λ
RMS на краю поля <0.20 λ
F'
- задний отрезок S' более 0,5÷0,6 f'
- незначительное, не более 7%, изменение качества изображения при изменении температуры от - 40 до +50°С.
Таким образом, предлагаемый объектив при одинаковом с прототипом количестве линз обеспечивает существенно лучшие параметры объектива (относительное отверстие, угловое поле, задний фокальный отрезок) при высоком качестве изображения.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - представлена оптическая схема объектива, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.
Светосильный объектив для инфракрасной области спектра состоит из четырех менисковых линз 1, 2, 3 и 4, первая из которых 1 выполнена положительной и обращена выпуклостью к предмету, вторая 2 - отрицательная и обращена вогнутостью к предмету, третья 3 и четвертая 4 линзы выполнены с положительными оптическими силами и обращены выпуклостями друг к другу, кроме того, 3 линза установлена на расстоянии d от 2 линзы, при этом выполняются следующие соотношения:
I
II
|φ/φ|<0,25;
3
4
4
3
4
φ,<φ; (φ-φ)/φ=0,1÷0,3;
1
2
0,4<|φ/φ|<0,9;
0,25<d/f'<0,6,
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - оптические силы менисков 1, 2, 3 и 4,
I
φ - оптическая сила первой группы линз, состоящей из менисков 1 и 2;
II
φ - оптическая сила второй группы линз, состоящей из менисков 3 и 4.
d - расстояние между первой и второй группами линз.
Апертурная диафрагма 5, расположенная на первой поверхности первого мениска (являясь одновременно входным зрачком), находится вблизи переднего фокуса объектива - F, обеспечивая тем самым близкий к телецентрическому ход главных лучей в пространстве изображений.
Работа объектива осуществляется следующим образом.
Параллельный пучок излучения от удаленного объекта фокусируется в заднем фокусе мениска 1, отрицательный мениск 2
переносит его в пространство объекта мениска 3, и далее мениски 3 и 4 перепроектируют его в плоскость изображения, совпадающую с задним фокусом F' всего объектива.
Сведения, подтверждающие полученные технические результаты при числовых значениях, допускаемых заявленным диапазоном, приведены в нижеследующей таблице.
Заявленные соотношения
1
2
3
4
|φ<sub>I</sub>/φ<sub>II</sub>|<0,25
0.17
0.13
0.02
0.02
φ<sub>3</sub><φ<sub>4</sub>
φ<sub>3</sub>=0.69
φ<sub>3</sub>=0.58
φ<sub>3</sub>=0.48
φ<sub>3</sub>=0.49
φ<sub>4</sub>=0.75
φ<sub>4</sub>=0.70
φ<sub>4</sub>=0.55
φ<sub>4</sub>=0.56
(φ<sub>4</sub>-φ<sub>3</sub>)/φ<sub>4</sub>=0,1÷0,3
0.1
0.16
0.30
0.16
0,4<|φ<sub>1</sub>/φ<sub>2</sub>|<0,9
0.51
0.59
0.86
0.90
0,25<d/f'<0,6
0.32
0.42
0.51
0.51
Параметры объектива.
f' мм
22.9
22.8
18.0
18.0
D:f'
1:0.75
1:0.75
1:0.75
1:0.75
2β град
25.2
25.2
31.0
31.0
Контраст при υ=20 мм<sup>-1</sup>
0.71
0.73
0.73
0.78
RMS (в центре поля)
0.08λ
0.07λ
0.05λ
0.03λ
В Приложениях 1÷4 приведены конструктивные параметры и характеристики качества изображения указанных примеров.
Таким образом, в предлагаемом объективе достигнуто увеличение светосилы при высоком качестве изображения по всему полю, увеличение заднего отрезка и сохранение качества изображения при значительных перепадах температур.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ИК ОБЪЕКТИВ
Фокусное расстояние, мм:
F'=22.8783
Диафрагменное число:
F'/D=0.7501
Диаметр входного зрачка, мм:
Dp=30.5000
Положение входного зрачка, мм:
Sp=0.0000
Диаметр выходного зрачка, мм:
D'p=169.5969
Положение выходного зрачка, мм:
S'p=127.2317
Линейная величина изображения, мм:
2у'=10.0000
Угловое поле зрения,:
2β=25.2000°
Длина системы, мм:
L=51.0200
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000 главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
АД
51.0500
3.0000
15.2500
2.3310
Германий
2
84.7200
9.4500
14.9000
1.3205
3
-28.7100
2.5000
14.1000
3.7009
Германий
4
-57.4100
7.4000
15.6000
2.1601
5
-53.9500
4.0000
19.5000
3.6474
Германий
6
-36.9000
2.9000
20.2500
6.0528
7
32.2800
3.5000
18.9000
6.1115
Германий
8
45.8100
16.3500
18.2000
3.7705
9
плоскость
1.0000
6.0654
0.0000
Германий
10
плоскость
0.9200
5.8893
0.0000
11
плоскость
-0.0258
5.0558
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
5.0348
0.0000
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ИК ОБЪЕКТИВ
Фокусное расстояние, мм:
F'=22.8089
Диафрагменное число:
F'/D=0.7491
Диаметр входного зрачка, мм:
Dp=30.4500
Положение входного зрачка, мм:
Sp=0.0000
Диаметр выходного зрачка, мм:
D'p=257.4374
Положение выходного зрачка, мм:
S'p=192.8422
Линейная величина изображения, мм:
2у'=10.0000
Угловое поле зрения,:
2β=25.2000°
Длина системы, мм:
L=55.3450
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000 главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
АД
57.0200
5.0000
15.2250
2.0702
Германий
2
107.4000
7.0000
14.6500
1.0039
3
-33.8800
2.5000
14.0500
3.0506
Германий
4
-72.1100
9.6500
15.2000
1.6202
5
-66.2200
6.0000
19.6000
2.9671
Германий
6
-45.1900
0.9500
21.0000
5.1758
7
36.3100
6.0000
19.8500
5.9062
Германий
8
50.5800
16.3250
18.1000
3.3494
9
плоскость
1.0000
6.0504
0.0000
Германий
10
плоскость
0.9200
5.8773
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
5.0510
0.0000
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ИК ОБЪЕКТИВ
Фокусное расстояние, мм:
F'=17.9967
Диафрагменное число:
F'/D=0.7499
Диаметр входного зрачка, мм:
Dp=24.000
Положение входного зрачка, мм:
Sp=7.3891
Диаметр выходного зрачка, мм:
D'p=51.9461
Положение выходного зрачка, мм:
S'p=-38.9287
Линейная величина изображения, мм:
2у'=10.0000
Угловое поле зрения,:
2β=31.0000°
Длина системы, мм:
L=43.5500
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000 главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
1
40.8300
3.0000
11.4283
1.6320
Германий
2
54.9500
4.5000
10.7294
1.0577
3
-22.4900
3.0000
10.1046
2.3978
Германий
АД
-30.5500
9.1325
10.9745
2.0393
5
-67.6100
4.0000
13.9703
1.4591
Германий
6
-43.9500
0.5000
14.6616
2.5176
7
24.8300
4.0000
13.8505
4.2219
Германий
8
29.2400
13.5000
12.5143
2.8133
9
плоскость
1.0000
5.5438
0.0000
Германий
10
плоскость
0.9200
5.4060
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
4.8059
0.0000
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ИК ОБЪЕКТИВ
Фокусное расстояние, мм:
F'=18.0007
Диафрагменное число:
F'/D=0.7500
Диаметр входного зрачка, мм:
Dp=24.0000
Положение входного зрачка, мм:
Sp=23.9961
Диаметр выходного зрачка, мм:
D'p=18.8881
Положение выходного зрачка, мм:
S'p=-14.1698
Линейная величина изображения, мм:
2у'=10.0000
Угловое поле зрения,:
2β=31.0000°
Длина системы, мм:
L=44.600
Спектральные характеристики
Длины волн, мкм
Отн-ные веса
8.0000
0.1000
9.0000
0.5000
10.0000
1.0000 главная
11.0000
0.5000
12.5000
0.1000
Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
Световые высоты
Стрелки прогиба
Опт. среды
1
40.0534
4.0000
13.3046
2.2743
Германий
2
54.0298
5.0000
12.2597
1.4093
3
-24.3034
4.0000
11.9430
3.1369
Германий
4
-34.3757
9.1787
13.2625
2.6614
5
-76.5057
4.0000
12.6537
1.0537
Германий
6
-47.0303
0.5000
13.0125
1.8360
7
22.3995
3.0000
10.5452
2.6375
Германий
АД
26.5217
13.0000
9.4440
1.7384
9
плоскость
1.0000
5.2844
0.0000
Германий
10
плоскость
0.9182
5.1975
0.0000
Изобр.
плоскость
0.0000
4.8583
0.0000
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. США. патент №6292293, МПК: G02В 1/00, 2001 г.
2. США. патент №6236501, МПК: G02В 1/00, 2002 г.
3. Российская Федерация, патент №2187135, МПК: G02В 13/34, 2002 г.
4. Российская Федерация, патент №2183340, МПК: G02В 13/34, 2002 г.
5. Япония, патент №7072385, МПК: G02В 13/34, 2003 г. - прототип.