ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2016 года по МПК G02B13/14 G02B9/34 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.

Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2365952 от 13.02.2008 г. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Мениски выполнены из германия, отрицательная и положительная линзы - из бескислородного стекла. Фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям: где - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива. Фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от -40°C до +50°C достигается при выполнении отрицательной линзы, подвижной вдоль оптической оси.

Указанный объектив имеет высокое относительное отверстие 1:1 и хорошее качество изображения при температуре 20°C. Однако в температурном диапазоне от -40°C до +50°C контраст изображения существенно снижается. Объектив при f′=100 мм имеет большую длину по оптической оси, равную 145 мм. Кроме того, фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур приводит к изменению фокусного расстояния, что в свою очередь приведет к изменению масштаба шкалы электронной сетки на фотоприемной матрице.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14. Объектив содержит четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями, третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения: φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=(0,75÷0,85):-(2,0÷2,5):-(1,40÷1,66):(1,7÷1,9), где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.

Для сравнения указанный объектив пересчитан на фокусное расстояние 75 мм. Объектив имеет хороший контраст изображения во всем температурном диапазоне от -40°C до +50°C. При этом объектив имеет следующие недостатки:

1. Низкое относительное отверстие, равное 1:1,3.

2. При термокомпенсации в диапазоне рабочих температур от -40°C до +50°C и фокусировке на конечное расстояние совместным перемещением третьего и четвертого менисков происходит изменение фокусного расстояния объектива на 1,7%.

Задачей изобретения является достижение следующих технических результатов: повышение относительного отверстия объектива при сохранении высокого контраста изображения и обеспечение неизменности фокусного расстояния объектива в диапазоне температур от -40°C до +50°C.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом.

Объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из селенида цинка. В отличие от прототипа в заявляемом объективе выполнено следующее. Второй мениск выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Третий мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Выполняются следующие соотношения:

φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=(0,75÷0.83):(0,3÷0,64):-(0,69÷1,5):(1,30÷1,77),

где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков;

D2/f′=0,18÷0,42,

D6/f′=0,34÷0,60,

где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;

f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива;

D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками.

Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.

На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с реальным ходом лучей для осевой точки поля зрения.

На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки.

На фиг. 3 приведены контраст изображения и функция концентрации энергии.

Объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит четыре мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия. Мениск 2 - положительный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка. Мениск 4 - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 3 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения 5 в диапазоне рабочих температур от -40°C до +50°C.

В таблице 1 приведены характеристики объектива, рассматриваемого в качестве примера реализации заявляемого объектива. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.

Оптические характеристики объектива:

1. Фокусное расстояние 75 мм 2. Относительное отверстие 1:1 3. Поле зрения 7,3°×5,5° 4. Спектральный диапазон 8-12 мкм 5. Длина объектива 96,5 мм 6. Задний отрезок 13,14 мм

Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами менисков 1, 2, 3, 4: φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=0,79:0,37:-0,78:1,36

где

f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива;

- фокусные расстояния соответственно менисков 1, 2, 3, 4. При этом воздушные промежутки D2 и D6 соответственно между менисками 1 и 2, 3 и 4 равны: D2=0,25f′, D6=0,52f′.

Объектив работает следующим образом.

Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5. Для получения высокого качества изображения в температурном диапазоне мениск 3 перемещается вдоль оси, при этом изменяются воздушные промежутки D4 - между менисками 2 и 3, и D6 - между менисками 3 и 4. Это же перемещение используется для фокусировки объектива на конечное расстояние.

Основная идея конструктивного выполнения объектива заключается в уменьшении оптических сил менисков, их крутизны и расположения. Это необходимо для того, чтобы уменьшить угол падения лучей по отношению к нормали к поверхностям менисков. Расчеты объектива выполнены в предположении, что корпус объектива выполнен из алюминия.

Изменения оптических сил менисков φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ в диапазонах соответственно (0,75÷0,83), (0,3÷0,64), -(0,69÷1,5), (1,30÷1,77) сопровождается изменением воздушных промежутков D2, D6 в интервалах: D2=(0,18÷0,42)f′, D6=(0,34÷0,60)f′.

Величина воздушного промежутка D4 между менисками 2 и 3 влияет на параметры объектива следующим образом.

При увеличении D4 снижается качество изображения объектива, а при уменьшении возможен "наезд" оправ менисков 2 и 3 друг на друга. Поэтому величина воздушного промежутка D4 выбирается по конструктивным соображениям и лежит в пределах, определяемых из соотношения D4/f′=0,08±10%.

В отношении длины объектива L и заднего отрезка S′ (фиг. 1) справедливо следующее. Чем больше L и меньше S′, тем выше качество изображения и больше потенциальных возможностей для дальнейшего увеличения относительного отверстия. Но в первом случае увеличиваются габариты и масса объектива, а во втором - возникают проблемы с размещением механического корпуса фотоприемника в заднем отрезке объектива.

Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки, которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения и функцию концентрации энергии (ФКЭ), позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 3).

На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°C, во второй колонке - для -40°C, а в третьей - для +50°C. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, а в третьей - для края поля зрения, т.е. по диагонали размером 7,3°×5,5°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 26 мкм для относительного отверстия 1:1 (для относительного отверстия 1:1,3 этот кружок составляет 33,4 мкм). В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Как видно из фиг. 2, все пятна рассеяния практически вписываются в кружок Эйри, что наглядно демонстрирует высокое качество изображения в геометрическом приближении.

На фиг. 3. слева дан контраст изображения на частоте 20 мм^-1, а справа - функция концентрации энергии для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. В соответствии с критерием Найквиста для ожидаемых кружков рассеяния 0,025 мм контраст изображения на частоте 20 мм^-1 должен быть не менее 0,6, что следует из фиг. 3. Детальное рассмотрение графиков ФКЭ позволило определить диаметр кружков рассеяния при 80% концентрации энергии, величины которых впечатаны в верхней части квадратов на фиг. 2. Рассмотрение этих величин позволяет сделать вывод, что представленный объектив имеет дифракционное качество изображения при относительном отверстии 1:1.

Существенным обстоятельством является способ атермализации объектива и его фокусировки на конечное расстояние. В прототипе с этой целью используется перемещение вдоль оси двух положительных линз, эквивалентная оптическая сила которых имеет большую величину. В предлагаемом изобретении подвижная линза 3 имеет оптическую силу (по абсолютной величине) примерно в восемь раз меньше. Это, с одной стороны, позволяет увеличить в десять раз допуск на ее децентрировку с уводом визирной оси не более одной угловой минуты, а с другой, предотвратить изменение фокусного расстояния при ее перемещении. Это также обусловлено тем, что атермализация и фокусировка объектива на конечное расстояние осуществляется не положительным, а отрицательным компонентом. Изменение фокусного расстояния составляет 0,05%, т.е. практически постоянно. У прототипа это изменение составляет 1,7%.

При температуре 50°C мениск 3 перемещается на 0,35 мм в сторону мениска 2, а при -40°C перемещается на 0,71 мм в сторону мениска 4. При фокусировке объектива на конечное расстояние 15 м в нормальных климатических условиях, т.е. при 20°C, мениск 3 перемещается на 1 мм в сторону мениска 4.

Проведенные расчеты показывают, что технические результаты достигаются для соотношений φ₁:φ₂:φ₃:φ₄, D2/f′ и D6/f′ в пределах всех заявляемых диапазонов.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет повысить относительное отверстие объектива при сохранении высокого контраста изображения и обеспечить неизменность фокусного расстояния в диапазоне температур от -40°С до +50°С.

Объектив может быть использован в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча мениски - положительные, третий - отрицательный. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из селенида цинка. Третий мениск выполнен подвижным вдоль оптической оси. Выполняются следующие соотношения: φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=(0,75÷0,83):(0,3÷0,64):-(0,69÷1,5):(1,30÷1,77), где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков; D2/f′=0,18÷0,42; D6/f=0,34÷0,60, где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками, f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива; D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками. Технический результат - повышение относительного отверстия объектива при сохранении высокого контраста изображения и обеспечение неизменности фокусного расстояния в диапазоне температур от -40°C до +50°C. 3 ил., 1 табл.

Объектив для ИК-области спектра, содержащий четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из селенида цинка, отличающийся тем, что второй мениск выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным, обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом выполняются следующие соотношения:
φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=(0,75÷0.83):(0,3÷0,64):-(0,69÷1,5):(1,30÷1,77),
где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков;
D2/f′=0,18÷0,42,
D6/f′=0,34÷0,60,
где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива;
D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками.