ТЕЛЕОБЪЕКТИВ 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: f′₁/f′=1,1÷1,3; f′₂/f′=-0,69÷-0,74; f′₃/f′=0,84÷0,98; f′₄/f′=0,93÷1,6, где f′₁, f′₂, f′₃, f′₄ - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива.

Фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от -40°С до +50°С достигается при выполнении отрицательной линзы подвижной вдоль оптической оси.

Указанный объектив имеет высокое относительное отверстие 1:1 и хорошее качество изображения при температуре 20°С. Однако в температурном диапазоне от -40°С до +50°С контраст изображения существенно снижается. Кроме того, объектив при фокусном расстоянии 100 мм имеет большую длину по оптической оси, равную 145 мм, т.е. L/f′=1,45, где L - длина объектива, f′ - эквивалентное фокусное расстояние объектива. 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 электронной шкалы объектива прицела.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра (патент РФ №115514, МПК G02B 13/14, 11.01.2012), который 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 первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно.

Для сравнения указанный объектив пересчитан на фокусное расстояние 100 мм. При относительном отверстии 1:1,3 объектив имеет хороший контраст изображения во всем температурном диапазоне от -40°С до +50°С.

Объектив имеет следующие недостатки.

1. Объектив имеет большую относительную длину, равную L/f′=1,32, что увеличивает его массу. Длина объектива вдоль оптической оси при фокусном расстоянии 100 мм равна 132 мм.

2. При термокомпенсации в диапазоне рабочих температур от -40°С до +50°С и фокусировке на конечное расстояние совместным перемещением третьего и четвертого менисков происходит значительное изменение фокусного расстояния. Так как подвижный компонент имеет положительную оптическую силу, изменение фокусного расстояния объектива составляет 1,19 мм (1,7%).

Задачей изобретения является создание телеобъектива с достижением следующих технических результатов: уменьшение длины телеобъектива и его массы при сохранении высокого контраста изображения в диапазоне температур от -40°С до +50°С с обеспечением постоянства фокусного расстояния.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Телеобъектив 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 мениск выполнен из германия, а второй и третий - из селенида цинка. В отличие от прототипа в заявляемом телеобъективе выполнено следующее. Второй мениск выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, а четвертый мениск выполнен из селенида цинка. Третий мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. При этом выполняются следующие соотношения:

φ₁:φ ₂:φ₃:φ₄=(1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7),

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

D2/f′=0,15÷0,35;

D6/f′=0,25÷0,45;

где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;

D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками;

f′ - эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива.

Пример конкретной реализации телеобъектива показан на чертежах.

На фиг. 1 приведена оптическая схема телеобъектива.

На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки.

На фиг. 3 приведены контраст изображения и функция концентрации энергии при работе телеобъектива во всем температурном диапазоне.

Телеобъектив 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 селенида цинка. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения 5. Мениск 3 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от -40°С до +50°С, при этом фокусное расстояние изменяется в пределах 0,02 мм, т.е. фактически постоянно.

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

В таблице 2 приведены оптические характеристики телеобъектива.

Расчеты телеобъектива выполнены в предположении, что корпус объектива выполнен из алюминия, а показатели преломления для германия и селенида цинка взяты из базы данных программы ZEMAX (каталог ″INFRARED″). При использовании отечественных стандартов (для германия РТМ3-1640-83, а для селенида цинка ТУ АХ 23-83) для получения достигнутого качества изображения необходимо перемещение отрицательного мениска 3 вдоль оси в пределах ±0,01 мм.

Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ менисков 1-4: φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=1,189:1,02:-3,43:2,26,

где φ₁=f′/f′₁, φ₂=f′/f′₂, φ₃=f′/f′₃, φ₄=f′/f′₄;

f′ - эквивалентное фокусное расстояние всего телеобъектива;

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

D2=0,28 f′; D6=0,318 f′.

Телебъектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета (показан осевой пучок лучей) 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 по стрелкам А и В, при этом изменяются величины отрезков D4 и D6. Это же перемещение используется для фокусировки телеобъектива на конечное расстояние.

Основная идея конструктивного выполнения телеобъектива заключается в том, что четвертый мениск выполнен из селенида цинка, при этом увеличилась оптическая сила отрицательного мениска 3, что перевело предлагаемый объектив в разряд телеобъективов, т.к. его длина не превышает его фокусное расстояние.

Изменения оптических сил менисков φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ в диапазонах соответственно (1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7) сопровождается изменением воздушных промежутков D2 и D6 в интервалах: D2=(0,15÷0,35)f′, D6=(0,25÷0,45)f′.

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

На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°С, во второй колонке - для минус 40°С, а в третьей - для 50°С. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, в третьей - для края поля зрения, т.е. по диагонали размером 6,3°×4,7°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 32,3 мкм для относительного отверстия 1:1,25. 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 предлагаемый телеобъектив имеет дифракционное качество изображения при его длине, равной фокусному расстоянию, т.е. при L=f′=100 мм.

Из-за уменьшения длины телеобъектива соответственно уменьшается длина его корпуса и, следовательно, масса телеобъектива.

В прототипе для атермализации объектива и его фокусировки на конечное расстояние используется перемещение вдоль оси двух положительных менисков. При этом изменение фокусного расстояния составляет 1,7%. В изобретении перемещается вдоль оси мениск 3, имеющий отрицательную оптическую силу. Это позволяет предотвратить изменение фокусного расстояния при его перемещении. Изменение фокусного расстояния составляет 0,02%, т.е. фокусное расстояние практически постоянно.

При температуре 50°С мениск 3 перемещается на 0,15 мм влево по стрелке А (фиг. 1), а при минус 40°С - на 0,33 мм вправо по стрелке В. При фокусировке телеобъектива на конечное расстояние 15 м в нормальных климатический условиях, т.е. при 20°С, мениск 3 перемещается на 0,21 мм вправо.

Проведенные расчеты показывают, что заявленные технические результаты достигаются при соотношениях:

φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=(1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7);

D2/f′=(0,15÷0,35);

D6/f′=(0,25÷0,45).

Таким образом, изобретение по сравнению с прототипом позволяет уменьшить продольные габариты и массу телеобъектива при сохранении высокого контраста изображения и обеспечить неизменность фокусного расстояния в диапазоне температур от -40°С до +50°С.

Изобретение может быть использовано в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Телеобъектив содержит четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча мениски - положительные, а третий - отрицательный. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Первый мениск выполнен из германия, а остальные - из селенида цинка. Третий мениск выполнен подвижным вдоль оптической оси. Выполняются следующие соотношения: φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=(1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7), где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков; D2/f′=0,15÷0,35; D6/f′=0,25÷0,45, где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками, f^' - эквивалентное фокусное расстояние объектива; D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками. Технический результат - уменьшение длины и массы телеобъектива при сохранении высокого контраста изображения и обеспечение неизменности фокусного расстояния в диапазоне температур от -40°С до +50°С. 3 ил., 2 табл.

Телеобъектив 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 мениск выполнен 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, а четвертый мениск выполнен из селенида цинка, при этом выполняются следующие соотношения:
φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=(1,15÷1,27): (0,9÷1,15): -(2,8÷3,8): (1,5÷2,7),
где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков;
D2/f′=0,15÷0,35;
D6/f′=0,25÷0,45;
где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками;
f′ - эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива.