Телеобъектив для ИК-области спектра Российский патент 2019 года по МПК G02B13/14 G02B9/16 

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 телеобъектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2594955 от 09.06.2015 г., МПК G02B 13/14. Телеобъектив содержит четыре мениска, из которых первый и второй мениски - положительные, третий - отрицательный, четвертый - положительный. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения. Первый мениск выполнен из германия, а остальные - из селенида цинка. Третий мениск выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С. Обеспечиваются следующие соотношения между относительными оптическими силами ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄ менисков: ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃:ϕ₄=(1,15÷1,27):(0,9÷1,15):-(2,8÷3,8):(1,5÷2,7).

Изменения оптических сил менисков сопровождается изменением воздушных промежутков D2 и D6 в интервалах: D2=(0,15÷0,35)f', D6=(0,25÷0,45)f', где f' - фокусное расстояние телеобъектива.

При относительном отверстии 1:1,25 и фокусном расстоянии 100 мм телеобъектив имеет длину 100 мм. Телеобъектив обладает хорошим качеством изображения во всем диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С, но имеет следующие недостатки.

1. Телеобъектив содержит 4 линзы, что усложняет конструкцию и снижает спектральное пропускание.

2. Вследствие большой оптической силы подвижного мениска (ϕ₃≈-3) для получения хорошего качества изображения в диапазоне рабочих температур его необходимо перемещать вдоль оси на ±0,01 мм. Следовательно, допуск на его перемещение составит ±0,001÷0,002 мм, что является технологически сложным.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2620202 от 10.03.2016 г. Объектив содержит три мениска, из которых первый и третий по ходу луча мениски - положительные, выполненные из германия, а второй мениск - отрицательный, выполненный из селенида цинка. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Вторая поверхность первого мениска является асферической поверхностью второго порядка с конической постоянной в пределах от 0,2 до 0,5. Второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Выполняются следующие соотношения:

ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=(0,70÷0,90):-(0,10÷0,60):(1,0÷1,80),

где: ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ - относительные оптические силы первого, второго и третьего менисков соответственно.

D2/f'=0,3÷0,7;

D4/f'=0,2÷0,6,

где: D2, D4 - воздушные промежутки между первым и вторым мениском и вторым и третьим мениском соответственно:

f' - фокусное расстояние объектива.

Объектив при фокусном расстоянии 69 мм и относительном отверстии 1:1,25 имеет хорошее качество изображения во всем диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С.

Недостатком объектива является большая относительная длина, что увеличивает массу объектива. При фокусном расстоянии f'=69 мм длина объектива L составляет 88,3 мм, а относительная длина L/f'=1,28.

Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: уменьшение относительной длины объектива, т.е. создание телеобъектива, следовательно, снижение его массы за счет уменьшения длины корпуса, а также обеспечение неизменности фокусного расстояния телеобъектива в процессе его термостабилизации при сохранении высокого контраста изображения в диапазоне температур от минус 40°С до 50°С.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Телеобъектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит три мениска, из которых первый - положительный, выполненный из германия, вторая поверхность которого является асферической, второй мениск - отрицательный, а третий - положительный, причем все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, а второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее: второй и третий мениски выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, выполняются следующие соотношения:

ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=(1,4÷1,7):-(3,0÷5,0):(2,6÷4,5),

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

D2/f'=0,38÷0,50,

D4/f'=0,18÷0,28,

где: D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;

D4 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками;

f' - эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива,

а вторая асферическая поверхность первого мениска определяется уравнением:

где: z - стрелка прогиба;

с - кривизна поверхности (обратная величина радиуса);

r - радиальная координата;

k - коническая постоянная,

- коэффициент асферики второго порядка;

- коэффициент асферики четвертого порядка;

при этом k=0, а коэффициенты и находятся в пределах:

=-(2,4^-4÷2,9^-4),

=(1,45^-8÷1,8^-8),

Пример конкретной реализации телеобъектива показан на чертежах.

На фиг. 1 приведена оптическая схема телеобъектива. На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки (ФРТ). На фиг. 3 приведены контраст изображения (ЧКХ) и функция концентрации энергии (ФКЭ) при работе телеобъектива во всем температурном диапазоне.

Телеобъектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит три мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25. Мениск 3 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25. Вторая поверхность мениска 1 асферическая. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения 4. Мениск 2 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С. Аберрационный расчет объектива в указанном температурном диапазоне показал, что фокусное расстояние объектива изменяется в пределах ±0,1 мм, т.е. практически постоянно.

В таблице 1 приведены конструктивные параметры телеобъектива. Входной зрачок телеобъектива расположен на его первой поверхности.

В таблице 2 приведены оптические характеристики телеобъектива.

Относительная длина заявляемого телеобъектива L/f'=0,914, что на 40% меньше, чем у прототипа, у которого L/f'=1,28.

Корпус телеобъектива может выполняться из алюминия или стали. Расчеты выполнены для телеобъектива с корпусом из алюминия.

Для рассчитанного телеобъектива относительные оптические силы менисков равны: ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=1,54:-3,92:3,62,

где: ϕ₁=f'/f'₁, ϕ₂=f'/f'₂, ϕ₃=f'/f'₃;

f'₁, f'₂, f'₃ - фокусные расстояния соответственно менисков 1, 2, 3.

Воздушные промежутки между менисками D2 и D4 равны: D2=0,424f'; D4=0,244f'.

Асферическая поверхность определяется уравнением:

Все указанные значения находятся в пределах заявленных диапазонов.

Телеобъектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3 и строят изображение в плоскости изображения 4. Для получения высокого качества изображения в температурном диапазоне мениск 2 перемещают вдоль оси в сторону плоскости изображения на 0,57 мм при температуре минус 40°С и в сторону пространства предметов на 0,27 мм при температуре 50°С, при этом изменяются величины отрезков D2 и D4. Это же перемещение используется для фокусировки телеобъектива на конечное расстояние 25 м, при этом мениск 2 необходимо смещать в сторону пространства изображения на 1 мм.

Мениски 2 и 3 выполнены из одного и того же материала ИКС-25. Это, с одной стороны, позволило исправить сферохроматизм телеобъектива и его полевые аберрации, а с другой - придать мениску 2 значительную оптическую силу ϕ₂=-3,92 (у прототипа ϕ₂=-0,245), что позволило уменьшить относительную длину телеобъектива.

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 размером 6°×4,6° с диагональю 7,5°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 33,6 мкм для относительного отверстия 1:1,3. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Как видно из фиг. 2, все пятна рассеяния 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. Предлагаемый телеобъектив имеет дифракционное качество изображения при его меньшей, чем у прототипа, относительной длине. Из-за уменьшения относительной длины телеобъектива соответственно уменьшается длина его корпуса, и, следовательно, масса телеобъектива.

Проведенные расчеты показывают, что заявленный технический результат достигается во всех заявленных диапазонах значений величин (ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃), D2/f', D4/f', α₁, α₂.

Таким образом, предлагаемое изобретение, по сравнению с прототипом, позволяет создать телеобъектив, имеющий при сравнимых фокусных расстояниях меньшую относительную длину, следовательно, меньшую длину и массу за счет уменьшения длины корпуса, и при этом имеющий высокий контраст изображения в диапазоне температур от минус 40°С до 50°С и неизменность значения фокусного расстояния в процессе термостабилизации.

Объектив может быть использован в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Телеобъектив содержит три мениска, из которых первый и третий - положительные, второй - отрицательный. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Первый мениск выполнен из германия, остальные - из бескислородного стекла ИКС-25. Вторая поверхность первого мениска асферическая. Второй мениск выполнен подвижным вдоль оптической оси. Выполняются соотношения: ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=(1,4÷1,7):-(3,0÷5,0):(2,6÷4,5), где ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ - относительные оптические силы соответственно первого, второго и третьего менисков; D2/f'=0,38÷0,50, D4/f'=0,18÷0,28, где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками; D4 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками; f' - эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива. Форма асферической поверхности определяется уравнением, приведенным в формуле изобретения. Технический результат: уменьшение относительной длины телеобъектива и обеспечение неизменности значения фокусного расстояния при термостабилизации при сохранении высокого контраста изображения в диапазоне температур от -40°С до +50°С. 3 ил., 2 табл.

Телеобъектив для ИК-области спектра, содержащий три мениска, из которых первый - положительный, выполненный из германия, вторая поверхность которого является асферической, второй мениск - отрицательный, а третий - положительный, причем все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, а второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, отличающийся тем, что второй и третий мениски выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, при этом выполняются следующие соотношения:

ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=(1,4÷1,7):-(3,0÷5,0):(2,6÷4,5),

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

D2/f'=0,38÷0,50;

D4/f'=0,18÷0,28,

где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;

D4 - воздушный промежуток между третьим и четвертым менисками;

f' - эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива, а асферическая поверхность первого мениска определяется уравнением

где z - стрелка прогиба;

с - кривизна поверхности (обратная величина радиуса);

r - радиальная координата;

k - коническая постоянная;

- коэффициент асферики второго порядка;

- коэффициент асферики четвертого порядка;

при этом k=0, а коэффициенты и находятся в пределах:

=-(2,4^-4÷2,9^-4);

=(1,45^-8÷1,8^-8).