Атермализированный объектив для ИК-области спектра Российский патент 2019 года по МПК G02B13/14 G02B9/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, предназначено для работы с неохлаждаемым матричным приемником лучистой энергии и может быть использовано в качестве объектива тепловизора.

Известны атермализованные объективы для ИК-области, описанные в патенте на полезную модель RU 156006 МПК G02B 13/16 и в патентах RU 2538423 МПК G02B 9/38, RU 2583338 G02B 13/14, RU 2586394 МПК G02B 13/14. Объективы обладают высокой светосилой до 1:1 и высоким качеством изображения, но имеют малые угловые поля, величина которых не превосходит 13,8°.

Известен атермализованный объектив для ИК-области спектра, имеющий увеличенное до 22° угловое поле и описанный в патенте RU 2618590 МПК G02B 13/14. Но при этом он обладает невысокой светосилой, которая не превосходит 1:1,25.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является атермализованный объектив для ИК-области спектра, описанный в патенте RU 2613483, МПК G02B 13/14, опубл. 18.09.17 г. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный мениск из селенида цинка, третий - отрицательный мениск из германия. Мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Вогнутая поверхность третьего мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,32 до 0,46. Четвертый компонент - положительная линза из германия с выпуклой первой поверхностью, обращенной к плоскости предметов, и плоской или вогнутой второй поверхностью. Выполняются соотношения: φ1:φ2:φ3:φ4=(1,44÷1,80):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,00):(1,38÷1,56), D4/f'=0,16÷0,31, D6/f'=0,22÷0.40, где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов, D4, D6 - воздушные промежутки соответственно между вторым и третьим и между третьим и четвертым компонентами; f' -эквивалентное фокусное расстояние объектива. Данный объектив атермализован в диапазоне температур от -50°С до +50°С, имеет большое угловое поле, которое равняется 19°, и обладает высоким качеством. Однако данный объектив имеет невысокую светосилу, которая составляет 1:1,2, что ограничивает его эксплуатационные характеристики. Кроме того, одна из поверхностей выполнена асферической, а сами линзы из трех различных материалов, что усложняет процесс производства объектива.

Задача изобретения - создание атермализованного объектива для ИК-области спектра с улучшенными эксплуатационными и производственными характеристиками.

Технический результат - повышение светосилы объектива, при повышении технологичности за счет исключения в объективе асферических поверхностей, уменьшение номенклатуры используемых материалов линз при сохранении атермализации, величины углового поля и качества изображения.

Это достигается тем, что в атермализованном объективе для ИК-области спектра, состоящем по ходу луча из четырех компонентов, первый из которых выполнен в виде положительного мениска из бескислородного стекла ИКС-25, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй в виде отрицательного мениска, выполненного из селенида цинка, третий в виде мениска, четвертый в виде положительной линзы с выпуклой первой поверхностью, обращенной к плоскости предметов, в отличие от известного линза второго компонента обращена вогнутой поверхностью к плоскости предметов, линза третьего компонента положительная и обращена вогнутой поверхностью к плоскости предметов, линза четвертого компонента выполнена в виде мениска, линзы третьего и четвертого компонентов выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, все поверхности объектива - сферические, при этом соблюдаются соотношения: φ1:φ2:φ3:φ4=(0,3÷0,7):-(1,3÷1,7):(0,80÷1,2):(0,80÷1,2), D2/f'=0,6÷0,8,

где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов, D2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами; f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.

На фиг. 1 представлена оптическая схема предложенного объектива, на фиг. 2 - графики функции передачи модуляции при температурах -50°С, +20°С, +50°С.

Атермализованный объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) состоит по ходу лучей из первого компонента, выполненного в виде положительного мениска 1, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска 2, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Третий компонент выполнен в виде положительного мениска 3, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска 4, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Все поверхности объектива сферические. Все линзы выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, кроме линзы второго компонента, выполненного из селенида цинка.

Атермализованный объектив для ИК-области спектра работает следующим образом: световой поток, исходящий из бесконечно удаленной точки предмета попадает на первую поверхность первого компонента выполненного в виде положительного мениска 1, проходит через него, затем через второй компонент, выполненный в виде отрицательного мениска 2, затем через третий компонент, выполненный в виде положительного мениска 3, затем через четвертый компонент, выполненный в виде положительного мениска 4, и образует изображение предмета в фокальной плоскости атермализованного объектива.

В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный атермализованный объектив для ИК-области спектра, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

Характеристики рассчитанного атермализованного объектива для ИК-области спектра:

фокусное расстояние ƒ'=40,00 мм

относительное отверстие 1:1

угловое поле 2ω=19°

На фиг. 2 приведены графики функции передачи модуляции при температурах +20°С, -50°С, +50°С.

Предлагаемый атермализованный объектив для ИК-области спектра имеет более высокую светосилу, по сравнению с ближайшим аналогом, угловое поле, соответствующее значению углового поля ближайшего аналога, атермализацию в диапазоне температур от -50°С до +50°С при сохранении высокого качества изображения, что подтверждается графиком функции передачи модуляции для различных температур (фиг. 2) - коэффициент передачи модуляции в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм на пространственной частоте 20 лин/мм составляет не менее 0,58 для точки на оси и не менее 0,53 для края углового поля. Кроме того, все поверхности объектива выполнены сферическими, а в качестве материала линз использованы только два материала.

Таким образом, достигнут технический результат - создан атермализованный объектив для ИК-области спектра с повышенной светосилой, с уменьшенной номенклатурой используемых материалов при сохранении углового поля, качества изображения и атермализации в диапазоне температур от -50°С до +50°С, все поверхности которого выполнены сферическими.

Изобретение предназначено для работы с неохлаждаемым матричным приемником и может быть использовано в качестве объектива тепловизора. Объектив состоит из положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов, положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов, положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Первая, третья и четвертая линзы выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, а вторая линза - из селенида цинка. Соблюдаются соотношения: φ1:φ2:φ3:φ4=(0,3÷0,7):-(1,3÷1,7):(0,80÷1,2):(0,80÷1,2), D2/f'=0,6÷0,8, где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов, D2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами; f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива. Технический результат - повышение светосилы объектива и технологичности, уменьшение номенклатуры используемых материалов при сохранении атермализации, величины углового поля и качества изображения. 2 ил., 1 табл.

Атермализованный объектив для ИК-области спектра, состоящий по ходу луча из четырех компонентов, первый из которых выполнен в виде положительного мениска из бескислородного стекла ИКС-25, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй в виде отрицательного мениска, выполненного из селенида цинка, третий в виде мениска, четвертый в виде положительной линзы с выпуклой первой поверхностью, обращенной к плоскости предметов, отличающийся тем, что линза второго компонента обращена вогнутой поверхностью к плоскости предметов, линза третьего компонента положительная и обращена вогнутой поверхностью к плоскости предметов, линза четвертого компонента выполнена в виде мениска, линзы третьего и четвертого компонентов выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, все поверхности объектива - сферические, при этом соблюдаются соотношения:

φ1:φ2:φ3:φ4=(0,3÷0,7):-(1,3÷1,7):(0,80÷1,2):(0,80÷1,2), D2/f'=0,6÷0,8,

где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов, D2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами; f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.