СВЕТОСИЛЬНЫЙ ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2011 года по МПК G02B13/14 G02B9/60 

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в обзорных системах наблюдения, работающих с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), преимущественно охлаждаемыми, в «окне прозрачности» атмосферы в инфракрасном диапазоне оптического спектра.

Известно, что эффективность объектива определяется набором параметров, включающих светосилу, величину угла поля зрения, значение функции передачи модуляции (ФПМ), положение входного и выходного зрачков, наличие фоновых засветок. Совокупность этих характеристик определяет качество получаемого изображения.

Известен светосильный широкоугольный линзовый объектив для дальней ИК области спектра в диапазоне от 8,0 до 14,0 мкм [Пат. США №5502592, МПК G02B 13/14, G02B 13/06, G02B 9/62, опубл. 26. 03.1996], включающий группу оптических элементов из четырех менисков и апертурную диафрагму, расположенную после четвертого мениска. Входной мениск формирует излучение в угле поля зрения, равном 270°, а последующие оптические элементы обеспечивают фокусирование потока излучения и минимизацию аберраций. К его основным недостаткам следует отнести невысокое качество изображения объекта, при котором сильно искажены его геометрические пропорции, в особенности по краю поля зрения. У него большой диаметр и масса.

Известен выбранный в качестве прототипа светосильный широкоугольный линзовый объектив для инфракрасной области спектра [Пат. RU №2385475 (вар.1), МПК G02B 13/14, G02B 9/60, приор. 07.08.2008]. Объектив содержит пять оптических элементов, выполненных из германия, первый и пятый по ходу лучей - отрицательные мениски, второй, третий и четвертый - линзы, первый мениск обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов и обеспечивает угол поля зрения 150°, пятый мениск обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а апертурная диафрагма размещена в воздушном промежутке между пятым мениском и плоскостью изображений. Этот объектив рассчитан на работу в дальнем инфракрасном диапазоне от 8,0 до 14,0 мкм. К основным недостаткам относится низкое качество изображения и его неравномерность по полю зрения, вызванные большими хроматическими аберрациями и влиянием фоновых засветок от корпуса, а также повышенные габариты, его длина превышает фокусное расстояние в 22 раза.

Предложенный светосильный широкоугольный линзовый объектив работает в ИК области спектра в пределах от 2,0 до 6,0 мкм, обеспечивает высокое качество изображения и равномерность по полю зрения в угле ±40°, имеет малые габариты и массу.

Авторам не известны светосильные широкоугольные линзовые объективы для ИК области спектра в диапазоне от 2,0 до 6,0 мкм, в которых были бы реализованы указанные признаки. Изобретение основано на установленной заявителями зависимости между оптическими силами, взаимным расположением оптических элементов, их габаритами и формой с одной стороны и качеством изображения при заданном соотношении характеристик МФПУ и диаметра объектива с другой.

Такой технический результат получен, когда в светосильном широкоугольном линзовом объективе для ИК области спектра, включающем апертурную диафрагму и пять оптических элементов, преломляющие поверхности которых выполнены сферическими, где первый, второй, третий и пятый элементы по ходу лучей - мениски, первый обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между пятым мениском и фокальной плоскостью, а первый и четвертый элементы выполнены из германия, новым является то, что четвертый оптический элемент также выполнен в форме мениска, второй мениск выполнен с наибольшим диаметром, второй, четвертый и пятый мениски обращены вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий - выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй, третий и пятый мениски выполнены из монокристаллического кремния, при этом оптические силы φ менисков выбраны из условий: (0.62<φ₁<0.66), (0.16<φ₂<0.20), (0.18<φ₃<0.22), (0.35<φ₄<0.39), (0.30<φ₅<0.34), где φ₁-φ₅ - оптические силы первого-пятого менисков, соответственно, расстояние по оси объектива между соседними оптическими элементами найдено равным D·f, где D - коэффициент, f - фокусное расстояние объектива, при этом коэффициент D_1-2, определяющий расстояние между первым и вторым менисками, выбран из условия (5,0<D_1-2<6,0), коэффициент D_2-3 - между вторым и третьим менисками из условия (0,15<D_2-3<0,25), коэффициент D_3-4 - между третьим и четвертым менисками из условия (0,85<D_3-4<0,95), коэффициент D_4-5 между четвертым и пятым менисками из условия (0,1<D_4-5<0,2), коэффициент D_5-АД между пятым мениском и апертурной диафрагмой из условия (1,3<D_5-АД<1,5), диаметр ⌀₂ второго мениска выбран из условия (3,5γ<⌀₂<4,0γ), где γ - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства, причем ⌀₁<⌀₂, где ⌀₁ - диаметр входного мениска, а положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива.

Если используют охлаждаемое МФПУ для минимизации фоновых засветок, то апертурную диафрагму выполняют с возможностью захолаживания (п.2 Формулы).

Подходы к расчету характеристик оптических элементов: оптических сил, формы, габаритов и расстояний между ними на основе выбранной оптической схемы и параметров МФПУ - известны [1, 2].

На чертеже представлена оптическая схема предложенного устройства, где первый по ходу лучей мениск - 1, второй мениск - 2, третий мениск - 3, четвертый мениск - 4, пятый мениск - 5;

АД - апертурная диафрагма, F¹ - фокальная плоскость;

→ - ход лучей, - знак оптического материала.

Объектив работает следующим образом.

Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки объекта наблюдения, проходит последовательно мениски 1-5 объектива и фокусируется в плоскости матричного фотоприемного устройства (МФПУ). Объектив функционально построен из двух частей: первой - в виде отрицательного мениска 1, собирающего наклонные пучки в пределах ±40° относительно оси объектива и направляющего их во вторую функциональную часть, которая состоит из четырех оптических элементов, где первый и второй положительные мениски работают совместно и преобразуют расходящийся после первого мениска осевой поток излучения в сходящийся с одновременной коррекцией сферической и хроматической аберраций. Третий отрицательный и четвертый положительный мениски второй части с практически одинаковыми оптическими силами создают в паре афокальный компенсатор аберраций широких наклонных потоков излучения. Найденные формы всех менисков, их габариты и взаимное расположение обеспечивают минимизацию всех типов искажений изображения применительно к выбранному спектральному диапазону и полю зрения, а также фокусирование излучения так, что размер пятна рассеяния в фокальной плоскости соразмерен величине пикселя МФПУ. Выбор конструкции, в которой диаметр первого мениска меньше габаритов второго мениска, способствует эффективному решению поставленной задачи согласования качества изображения с возможностями МФПУ при минимальном количестве оптических элементов. Если используют охлаждаемое МФПУ, применяют захолаживание апертурной диафрагмы, что обеспечивает устранение фоновых засветок от корпуса объектива, способствует повышению светосилы и контраста изображения (см. п.2 Формулы)

Пример конкретного исполнения.

Из характеристик МФПУ определяют исходные требования к величине угла поля зрения, светосиле, габаритным размерам объектива и качеству изображения. По выявленной зависимости между оптическими характеристиками и формой оптических элементов выбирают принципиальную оптическую схему объектива и производят оптический расчет. Параметры светосильного широкоугольного объектива для ИК области спектра, нормированные на значение фокусного расстояния, равного 1, приведены в таблице 1. Исходя из заданного угла поля зрения, определяемого параметрами системы наблюдения не более 80° и линейного размера МФПУ, равного 11.52 мм по диагонали, величина фокусного расстояния объектива составила 8,5 мм. Для заданной светосилы объектива было выбрано положение апертурной диафрагмы относительно МФПУ и определен ее диаметр в 14,0 мм, после чего определен диаметр входного зрачка в 5.63 мм, как изображение апертурной диафрагмы диаметром 14 мм в обратном ходе лучей через предшествующие части объектива. Используя приведенные в таблице 1 значения, методом последовательных приближений осуществляют стандартную оптимизацию, например, по методу наименьших квадратов, входящую в состав всех программ для оптических расчетов. В результате получают точные величины оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей, толщин для первого мениска и второй группы оптических элементов, включающей второй, третий, четвертый и пятый мениски, а также промежутков между ними. По ходу прохождения осевого и наклонных пучков лучей последовательно определяют диаметры менисков объектива. Все перечисленные характеристики объектива для выбранного МФПУ приведены в таблицах 2 и 3. Длина объектива от входной поверхности до фокальной плоскости составляет 101,9 мм, то есть 12,0 фокусных расстояний, наибольший диаметр 42,2 мм, масса 48 г. Например, у объектива-прототипа длина 197,5 мм, диаметр 92,3 мм, масса 252 г.

Четыре таблицы иллюстрируют качественные характеристики изображения, полученного с использованием объектива с вышеназванными параметрами, где показаны функции передачи модуляции в зависимости от угла поля зрения ω в меридиональном и саггитальном сечениях в сравнении с дифракционным разрешением, где ω_в=22°37' - угол поля зрения матрицы по вертикали, ω_г=31°12' - по горизонтали, ω_д=39°11' - по диагонали.

Достоинствами заявленного объектива являются высокое качество изображения и его равномерность по полю, малые габариты и масса, при высокой светосиле и большом угле поле зрения, возможность совмещения параметров с конкретными МФПУ, работающими в среднем ИК спектральном диапазоне.

Таблица 1 Номер мениска на чертеже Оптическая сила φ мениска Коэффициент D для расчета расстояния между менисками по оси Диаметр оптических элементов, мм 1 -0.637 5.42 2.69 2 0.179 0.21 4.94 3 0.202 0.88 4.25 4 -0.370 0.16 3.59 5 0.318 0.58 3.73

Таблица 2 Фокусное расстояние f', мм 8.50 Относительное отверстие 1:1.51 Угловое поле зрения по горизонтали, град. 62°24' Диаметр входного зрачка, мм 5.63 Линейный размер приемника по горизонтали, мм 9.216 Угловое поле зрения по вертикали, град. 45°14' Линейный размер приемника по вертикали, мм 6.912 Угловое поле зрения по диагонали, мм 78°22' Линейный размер приемника по диагонали, мм 11.52 Спектральный диапазон, мкм 3.5÷5.5 Диаметр апертурной диафрагмы, мм 14.0 Расстояние между пятым мениском и МФПУ, мм 20 Точность установки МФПУ, мм ±0,002

Таблица 3 № на чертеже номер поверхности радиус кривизны, мм диаметр ⌀, мм толщина, мм расстояние по оси, мм материал 1 мениск 1 20.89 22.9 2.6 D_1-2·f=46.1 германий 2 12.472 18.4 2 мениск 3 -55.08 40.3 5 D_2-3·f=1.8 кремний 4 -39.63 42.2 3 мениск 5 50.59 36.2 4.3 D_3-4·f=7.5 кремний 6 94.41 34.5 4 мениск 7 -37.14 29.2 2.7 D_4-5·f=1.4 германий 8 -84.34 30.8 5 мениск 9 -116.15 31.3 4.3 D_5-АД·f =10.53 кремний 10 -42.675 32.0

Таблица 4 линейное разрешение, мм^-1 Теоретич. дифракция ω=0° ω_в=22°37' ω_г=31°12' ω_д=39°11' мер. саг. мер. саг. мер. саг. 5 0.97 0.95 0.79 0.95 0.69 0.94 0.72 0.86 10 0.91 0.91 0.52 0.89 0.41 0.85 0.50 0.59 15 0.87 0.86 0.35 0.83 0.25 0.74 0.34 0.32 20 0.83 0.81 0.25 0.76 0.17 0.64 0.22 0.18 25 0.78 0.77 0.18 0.71 0.14 0.53 0.15 0.13 30 0.74 0.72 0.14 0.65 0.11 0.44 0.11 0.10 35 0.70 0.68 0.12 0.60 0.09 0.36 0.09 0.08 40 0.66 0.64 0.09 0.55 0.07 0.29 0.07 0.06

Источники информации:

1. Г.Г.Слюсарев. Расчет оптических систем. - Л.: Машиностроение, 1975 г., с.206-291.

2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы “смотрящего” типа. - М.: Логос, 2004 г. - 444 с.

Изобретение может быть использовано в обзорных системах наблюдения с матричными ФПУ. Объектив включает пять менисков со сферическими поверхностями и апертурную диафрагму между пятым мениском и фокальной плоскостью. Первый и третий мениски обращены выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй, четвертый и пятый мениски обращены вогнутой поверхностью к пространству предметов. Первый и четвертый мениски выполнены из германия, второй, третий и пятый - из монокристаллического кремния. Второй мениск выполнен с наибольшим диаметром. Оптические силы φ₁-φ₅ первого - пятого менисков выбраны из условий: (0.62<φ₁<0.66), (0.16<φ₂<0.20), (0.18<φ₃<0.22), (0.35<φ₄<0.39), (0.30<φ₅<0.34). Расстояние между менисками равно D·f, где D - коэффициент, f - фокусное расстояние объектива. Коэффициенты выбраны из условий: (5,0<D_1-2<6,0), (0,15<D_2-3<0,25), (0,85<D_3-4<0,95), (1,3<D_5-АД<1,5). Выполняются условия (3,5γ<⌀₂<4,0γ) и ⌀₁<⌀₂, где ⌀₁ и ⌀₂ - диаметры входного и второго менисков, γ - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства. Положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива. Технический результат - обеспечение работы от 2,0 до 6,0 мкм, повышение качества изображения и равномерности по полю зрения в угле ±40° при малых габаритах и массе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

1. Светосильный широкоугольный линзовый объектив для инфракрасной области спектра, включающий апертурную диафрагму и пять оптических элементов, преломляющие поверхности которых выполнены сферическими, где первый, второй, третий и пятый элементы по ходу лучей - мениски, первый обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между пятым мениском и фокальной плоскостью, а первый и четвертый элементы выполнены из германия, отличающийся тем, что четвертый оптический элемент также выполнен в форме мениска, второй мениск выполнен с наибольшим диаметром, второй, четвертый и пятый мениски обращены вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий - выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй, третий и пятый мениски выполнены из монокристаллического кремния, при этом оптические силы φ менисков выбраны из условий: (0,62<φ₁<0,66), (0,16<φ₂<0,20), (0,18<φ₃<0,22), (0,35<φ₄<0,39), (0,30<φ₅<0,34), где φ₁-φ₅ - оптические силы первого - пятого менисков соответственно, расстояние по оси объектива между соседними оптическими элементами найдено равным D·f, где D - коэффициент, f - фокусное расстояние объектива, при этом коэффициент D_1-2, определяющий расстояние между первым и вторым менисками, выбран из условия (5,0<D_1-2<6,0), коэффициент D_2-3 - между вторым и третьим менисками - из условия (0,15<D_2-3<0,25), коэффициент D_3-4 - между третьим и четвертым менисками - из условия (0,85<D_3-4<0,95), коэффициент D_4-5 - между четвертым и пятым менисками - из условия (0,1<D_4-5<0,2), коэффициент D_5-АД - между пятым мениском и апертурной диафрагмой - из условия (1,3<D_5-АД<1,5), диаметр ⌀₂ второго мениска выбран из условия (3,5γ<⌀₂<4,0γ), где γ - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства, причем ⌀₁<⌀₂, где ⌀₁ - диаметр входного мениска, а положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что апертурная диафрагма выполнена с возможностью захолаживания.