АТЕРМАЛИЗОВАННЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ИК-ДИАПАЗОНА Российский патент 2016 года по МПК G02B13/14 G02B9/34 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.

Известен атермализованный светосильный объектив ИК-диапазона (Патент ЕС EP 2687889 А1, G02B 13/14), содержащий три компонента по ходу лучей, которые являются положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению.

Данный объектив работает в ИК-диапазоне длин волн, при этом первый элемент выполнен из бескислородного халькогенидного стекла марки Vitron IG6, второй элемент - из германия, третий - из селенида цинка.

Характеристики объектива:

- фокусное расстояние 90 мм;

- относительное отверстие 1:1;

- угловое поле зрения ±2,7 град;

- задний фокальный отрезок 6,5 мм.

Указанный объектив является атермализованным за счет применения бескислородного халькогенидного стекла и киноформного элемента, выполненного на второй поверхности первого элемента, а также асферической поверхности 12^-ого порядка на второй поверхности третьего элемента. К недостаткам атермализации данным способом можно отнести энергетические потери излучения на дифракционных элементах, высокую стоимость изготовления киноформного элемента. Кроме того, применение дифракционных элементов требует высокой точности установки в оптической системе из-за большой зависимости характеристик от смещения элемента относительно оптической оси системы, что также повышает стоимость изготовления объектива.

Известен атермализованный четырехкомпонентный объектив ИК-диапазона (Патент Украины № UA 88915 U, МПК (2014.01) G02B 13/00), содержащий четыре компонента по ходу лучей, первый из которых является отрицательным мениском, а второй, третий и четвертый компоненты - положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению. Первый, второй и четвертый компоненты объектива выполнены из германия, а третий - из КРС-5 (бромистый таллий - йодистый таллий, TlBr - ТlI).

Характеристики объектива:

- фокусное расстояние 50,8 мм;

- относительное отверстие 1:1;

- угловое поле зрения ±12,5 град;

- задний фокальный отрезок 4,05 мм.

Представленный объектив согласно описанию обладает стабильностью характеристик в диапазоне температур от 0°C до ±60°C. Указанный диапазон рабочих температур недостаточен. Помимо этого линзы обладают значительной толщиной, что увеличивает массу объектива и уменьшает коэффициент пропускания. Кроме того, этот объектив обладает большими габаритами (отношение длины оптической системы к фокусному расстоянию составляет 3,2).

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является атермализованный объектив для инфракрасной области спектра (Патент Украины № UA 81919 U, МПК (2013.01) G02B 13/00), состоящий из четырех компонентов по ходу лучей, которые являются положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению, причем первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты выполнены из КРС-5.

Характеристики объектива:

- фокусное расстояние 60 мм;

- относительное отверстие 1:1,3;

- угловое поле зрения ±10 град;

- задний фокальный отрезок 6,9 мм.

Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако он обеспечивает недостаточно высокое качество изображения при изменении температуры (функция концентрации энергии и частотно-контрастная характеристика представлены на фиг. 1, фиг. 2 (а - при минус 50°C, б - при +50°C). Кроме того, этот первый элемент объектива имеет несферическую поверхность, что повышает стоимость изготовления объектива.

В современных тепловизионных приборах используются микроболометрические матрицы чувствительных элементов ИК-диапазона, которые имеют в основном размер пикселя 25 мкм и 17 мкм. Для таких микроболометрических матриц относительное отверстие объектива должно быть, по крайней мере, не ниже 1:1.

Качество изображения объективов тепловизионных приборов принято оценивать по диаметру кружка рассеяния, в котором сосредоточено 80% энергии, или по значению частотно-контрастной характеристики на критической пространственной частоте. Для размера пикселя 17 мкм критическая пространственная частота равна 30 мм^-1.

Как показывает расчет, объектив имеет диаметр кружка рассеяния по уровню концентрации энергии 80% при минус 50°C - 72 мкм, а при +50°C - 40 мкм, что далеко от максимально возможного дифракционного предела (дифракционный диаметр кружка рассеяния Эри равен 32 мкм).

Как видно из графика ЧКХ, на пространственной частоте 30 мм^-1 значение частотно-контрастной характеристики в центре и на краю поля зрения равно 0,13 и 0,17 при минус 50°C, и 0,34 и 0,18 при +50°C соответственно (значение дифракционной частотно-контрастной характеристики 0,52).

Кроме того, объектив обладает большой длиной и значительной массой элементов.

Указанные значения относительного отверстия, ЧКХ и диаметра кружка рассеяния, а также стабильность характеристик при изменении температуры недостаточны в тех случаях, когда от объектива требуется предельно высокие значения светосилы и разрешающей способности при работе в широком диапазоне температур.

Задача изобретения - увеличение относительного отверстия и повышение качества изображения объектива при работе в широком диапазоне температур окружающей среды.

Поставленная задача решается тем, что в атермализованном светосильном объективе ИК-диапазона, содержащем четыре компонента, первый из которых - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, выполненный из материала с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, третий - одиночный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, новым является то, что третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска из материала с положительным температурным коэффициентом показателя преломления и малым значением показателя дисперсии, при этом выполняются следующие условия для фокусных расстояний:

F₁/F₀=1,7÷2,2;

F₀/F₂=0,15÷0,55;

|F₃|/F₀=1,6÷3,0;

F₄/F₀=0,6÷1,0;

где F₁, F₂, F₃, F₄, F₀ - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно.

Представленная конструкция объектива с указанными условиями на фокусные расстояния компонентов позволяет одновременно увеличить относительное отверстие и повысить качество изображения при изменении температуры в широком диапазоне. При этом отношение длины оптической системы к фокусному расстоянию лежит в пределах от 0,50 до 0,80.

В частном случае материалы оптических элементов подобраны с соблюдением следующих соотношений:

n₁, n₄≥3; n₂, n₃≤3;

υ₁, υ₄≥100; υ₃≤100;

где n₁, n₂, n₃, n₄ - показатели преломления материала первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, а υ₁, υ₃, υ₄, - коэффициенты дисперсии материалов в диапазоне 8-12 мкм для первого, третьего и четвертого компонентов соответственно.

В частных случаях первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из селенида цинка; или первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из сульфида цинка; или первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из бромида цезия, третий компонент - из сульфида цинка.

В частном случае в объективе может быть выполнено следующее соотношение:

R₂=R₄=R₆;

где R₂, R₄, R₆ - радиусы второй, четвертой и шестой поверхностей соответственно. В частном случае соотношения на радиусы поверхностей позволяют сделать конструкцию объектива более технологичной и сократить номенклатуру используемых при изготовлении пробных стекол.

Представленное изобретение поясняется графическими материалами фиг. 3 - фиг. 6. На фиг. 3 показан вариант оптической схемы объектива с реальным ходом лучей для трех точек поля зрения (0 град, 4 град, 5,35 град), а его характеристики, проиллюстрированные на фиг. 4 - функция концентрации энергии, на фиг. 5 - частотно-контрастная характеристика и на фиг. 6 - графики поперечных аберраций показаны для двух состояний объектива - при минус 50°C и при +50°C.

Объектив содержит четыре последовательно установленные оптически связанные компонента: первый - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к изображению, второй - положительный мениск 2, обращенный вогнутостью к изображению, третий - отрицательный мениск, обращенного вогнутостью к изображению, четвертый - положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к изображению. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.

В представленном варианте реализации изобретения компоненты 1 и 4 выполнены из германия, компонент 2 - из КРС-5, компонент 3 - из селенида цинка.

В табл. 1 приведены конструктивные параметры представленного варианта объектива - радиусы поверхностей, толщины линз и воздушных промежутков между ними, световые и полные диаметры и материал линз.

Апертурная диафрагма размещена на первой поверхности объектива. Диаметр апертурной диафрагмы 60 мм.

Для приведенного объектива соотношение между фокусными расстояниями линзовых компонентов и отношение фокуса объектива к его длине составляет:

F₁/F₀=2,03;

F₀/F₂=0,46;

|F₃|/F₀=1,91;

F₄/F₀=0,76;

F₀/L=0,68.

ИК-объектив имеет следующие характеристики:

- относительное отверстие 1:1;

- фокусное расстояние 60 мм;

- угол поля зрения 10,7 град;

- длина объектива 88,7 мм;

- задний фокальный отрезок 9,7 мм.

На фиг. 4 показана функция концентрации энергии в кружке рассеяния объектива. Как видно из графика, диаметр кружка рассеяния (по уровню 80%) составляет 18 мкм по центру поля зрения во всем диапазоне температур, для края поля зрения - 27 мкм во всем диапазоне температур (дифракционный диаметр кружка рассеяния Эри 25 мкм).

На фиг. 5 показана частотно-контрастная характеристика объектива. Как видно из графика, на пространственной частоте 30 мм^-1 значение частотно-контрастной характеристики в центре и на краю поля зрения равно 0,59 и 0,43 при минус 50°C, и 0,58 и 0,38 при +50°C соответственно (значение дифракционной частотно-контрастной характеристики 0,61).

На фиг. 6 (а, б) показаны характерные графики поперечных аберраций объектива при минус 50°C и при +50°C соответственно. Как видно из графиков, геометрические аберрации не превышают 3 мкм и 7 мкм в центре и на краю поля зрения соответственно во всем диапазоне температур.

Разработанный объектив имеет высокие показатели качества изображения при большом относительном отверстии и необходимом поле зрения, при этом объектив имеет небольшую длину и достаточный задний фокальный отрезок. Объектив прост в изготовлении, не содержит асферических поверхностей и сохраняет стабильность характеристик в диапазоне температур от минус 50°C до +50°C.

Три вогнутые поверхности могут быть выполнены с одинаковыми радиусами кривизны, что позволяет сделать конструкцию объектива более технологичной и сократить номенклатуру используемых при изготовлении пробных стекол.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить качество изображения объектива при работе в широком диапазоне температур при большом относительном отверстии и угле поля зрения оптической системы.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах. Объектив содержит четыре одиночных мениска, обращенных вогнутостью к изображению. Первый мениск - положительный, второй - положительный, выполненный из материала с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, третий - отрицательный, выполненный из материала с положительным температурным коэффициентом показателя преломления и малым значением показателя дисперсии, четвертый - положительный. Между фокусными расстояниями линз выполняются соотношения: F₁/F₀=1,7÷2,2; F₀/F₂=0,15÷0,55; |F₃|/F₀=1,6÷3,0; F₄/F₀=0,6÷1,0; где F₁, F₂, F₃, F₄, F₀ - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно. Технический результат - повышение качества изображения объектива в широком диапазоне температур при большом относительном отверстии и угле поля зрения. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Атермализованный светосильный объектив ИК-диапазона, содержащий четыре компонента, первый из которых - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, выполненный из материала с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, третий - одиночный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, отличающийся тем, что третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска из материала с положительным температурным коэффициентом показателя преломления и малым значением показателя дисперсии, при этом фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:
F₁/F₀=1,7÷2,2;
F₀/F₂=0,15÷0,55;
|F₃|/F₀=1,6÷3,0;
F₄/F₀=0,6÷1,0;
где F₁, F₂, F₃, F₄, F₀ - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно.

2. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что материалы оптических элементов подобраны с соблюдением следующих соотношений:
n₁, n₄≥3; n₂, n₃≤3;
υ₁, υ₄≥100; υ₃≤100;
где n₁, n₂, n₃, n₄ - показатели преломления материала первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, а υ₁, υ₃, υ₄ - коэффициенты дисперсии материалов в диапазоне 8-12 мкм для первого, третьего и четвертого компонентов соответственно.

3. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из селенида цинка.

4. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из сульфида цинка.

5. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из бромида цезия, третий компонент - из сульфида цинка.

6. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что оптические поверхности выполнены с соблюдением следующих соотношений:
R₂=R₄=R₆;
где R₂, R₄, R₆ - радиусы второй, четвертой и шестой оптических поверхностей соответственно.