СВЕТОСИЛЬНАЯ ИНФРАКРАСНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2020 года по МПК G02B13/14 G02B9/34 

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов на основе неохлаждаемых матричных фотоприемных устройств.

Известен светосильный объектив для дальнего инфракрасного диапазона спектра (см. патент RU 2187135 С2, МПК⁷ G02B 13/14, публ. 10.08.2002 г.) с фокусным расстоянием 148,39 мм и длиной L=160 мм, состоящий из трех германиевых линз. Объектив имеет и относительное отверстие 1:1,65 (диаметр входного зрачка D=90 мм), что является недостаточным для работы с неохлаждаемым фотоприемным устройством.

Также известен светосильный объектив для дальнего инфракрасного диапазона спектра (см. патент RU 2411555 С1, МПК⁷ G02B 13/14, публ. 10.02.2011 г.), состоящий из трех линз и имеющий фокусное расстояние системы 130 мм, длину 200 мм и относительное отверстие 1:1,08 (диаметр входного зрачка 120 мм). Недостатками являются малое фокусное расстояние, не обеспечивающее необходимого углового разрешения, и наличие асферической поверхности большого диаметра на входной линзе.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе, принятой за прототип, является светосильная инфракрасная система, описанная в патенте RU 2586273 С1, МПК⁷ G02B 13/14 публ. 10.06.2016 г., состоящая из расположенных вдоль оптической оси одиночных линз, первая из которых положительная выпукло-вогнутая из германия, вторая - отрицательная выпукло-вогнутая из германия, третья - отрицательная выпукло-вогнутая из селенида цинка, четвертая - положительная выпукло-вогнутая из германия, и фотоприемного устройства. Система предназначена для работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне спектра и имеет фокусное расстояние f=130 мм, длину от первой поверхности до плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства (ФПУ) L=173,4 мм и относительное отверстие 1:1,08 (диаметр входного зрачка D=120 мм). В указанной системе выполняются следующие соотношения: f'₁/f'=0,8, f'₂/f'=-1,3, f'₃/f'=5,5, f'₄/f'=0,7, d₂/f'=0,15, d₄/f'=0,15, d₆/f'=0,15, где f'₁, f'₂, f'₃, f'₄ - фокусные расстояния линз объектива, d₂, d₄, d₆ - расстояния между линзами. При работе со стандартным неохлаждаемым ФПУ, имеющим формат матрицы 640×512 с шагом элементов 17 мкм, угловое разрешение системы составляет α=2*17/f'=0,26 мрад.

Системы, работающие с неохлаждаемыми фотоприемными устройствами, должны иметь относительное отверстие не менее 1:1,4, и оптимальные габаритные параметры, определяемые длиной от первой поверхности до плоскости чувствительных элементов ФПУ, диаметром входной линзы и их соотношением L/D. Из перечисленных выше систем минимальной величиной этого соотношения обладает система-прототип, в которой она равна 1,45.

Для повышения углового разрешения таких систем необходимо увеличение фокусного расстояния, что приведет к увеличению длины и диаметра входного зрачка с целью обеспечения необходимого относительного отверстия. Оптимальные габаритные параметры при этом могут быть достигнуты за счет минимизации величины соотношения между длиной и диаметром входного зрачка.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение углового разрешения светосильной инфракрасной системы за счет увеличения ее фокусного расстояния при уменьшении величины соотношения между длиной системы и диаметром входного зрачка.

Указанная цель достигается тем, что в светосильной инфракрасной системе, состоящей из расположенных вдоль оптической оси первой положительной и второй выпукло-вогнутых линз, выполненных из германия, третьей отрицательной выпукло-вогнутой линзы из селенида цинка, четвертой положительной выпукло-вогнутой линзы и фотоприемного устройства, вторая линза выполнена положительной асферической, а четвертая линза выполнена из селенида цинка, при этом выполняются следующие соотношения:

0,85≤f'₁/f'≤1,15;

-0,27≤f'₃/f'≤-0,13;

0,127≤f'₄/f'≤0,27;

0,43≤d₂/f'≤0,53;

0,16≤d₄/f'≤0,22;

0,09≤d₆/f'≤0,14;

где f'₁, f'₃ и f'₄ - фокусные расстояния первой, третьей и четвертой линз системы; f' - фокусное расстояние системы; d₂, d₄, d₆ - расстояния между линзами.

На фигуре 1 представлена оптическая схема светосильной инфракрасной системы для фокусного расстояния f'=190 мм.

На фигуре 2 представлены оптические схемы светосильной инфракрасной системы для f'=170 мм (а) и f'=210 мм (б), соответствующие предельным значениям указанных выше соотношений.

Светосильная инфракрасная система состоит из расположенных вдоль оптической оси первой положительной выпукло-вогнутой 1 и второй положительной асферической выпукло-вогнутой 2 линз, выполненных из германия, третьей отрицательной выпукло-вогнутой 3 и четвертой положительной выпукло-вогнутой 4 линз, выполненных из селенида цинка, и фотоприемного устройства 5.

Для фокусных расстояний f'₁, f'₃ и f'₄ первой 1, третьей 3 и четвертой 4 линз соответственно, фокусного расстояния системы f' и расстояний между линзами d₂, d₄, d₆ выполняются следующие соотношения: 0,85≤f'₁/f'≤1,15; -0,27≤f'₃/f'≤-0,13; 0,127≤f'₄/f'≤0,27; 0,43≤d₂/f'≤0,53; 0,16≤d₄/f'≤0,22; 0,09≤d₆/f'≤0,14.

В таблицах 1-3 приведены конструктивные параметры примеров исполнения светосильной инфракрасной системы для фокусных расстояний 190 мм, 170 мм и 210 мм соответственно

В таблице 4 приведены соотношения, выполняемые в заявляемой системе, для фокусных расстояний f'₁, f'₃ и f'₄ первой 1, третьей 3 и четвертой 4 линз соответственно, фокусного расстояния системы f' и расстояний между линзами d₂, d₄, d₆ для трех примеров исполнения, представленных в таблицах 1-3.

Технические характеристики примеров исполнения светосильной инфракрасной системы приведены в таблице 5.

Как следует из таблицы 5 фокусное расстояние системы увеличено по сравнению с прототипом в 1,3 раза для фокусного расстояния 170 мм, в 1,45 раза для фокусного расстояния 190 мм и в 1,6 раза для фокусного расстояния 210 мм, что обеспечивает угловое разрешение 0,16-0,2 мрад, в то время как в прототипе оно составляет 0,26 мрад. Увеличение фокусного расстояния системы достигается выбором фокусных расстояний линз 1-4, их взаимным расположением в соответствии с приведенными в таблице 4 значениями и выбором материалов. В приведенных примерах диаметр входного зрачка составляет 150 мм, что обеспечивает относительное отверстие от 1:1,13 до 1:1,4. При этом величина соотношения L/D уменьшена до 1,27 (в прототипе L/D=1,45).

Светосильная инфракрасная система работает следующим образом: поток излучения проходит через линзы 1-4 системы, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами кривизны и материалами линз и фокусируется в плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства 5.

Таким образом, выполнение светосильной инфракрасной системы в соответствии с предлагаемым техническим решением обеспечивает увеличение фокусного расстояния при уменьшении величины соотношения между длиной системы и диаметром входного зрачка, что позволяет использовать ее при создании тепловизионных приборов с высоким угловым разрешением.

Система может быть использована в тепловизионных приборах на основе неохлаждаемых матричных фотоприемных устройств. Система состоит из первой и второй положительных выпукло-вогнутых линз, выполненных из германия, третьей отрицательной выпукло-вогнутой линзы из селенида цинка, четвертой положительной выпукло-вогнутой линзы из селенида цинка и фотоприемного устройства. Вторая линза выполнена асферической. Выполняются соотношения: 0,85<f'₁/f<1,15; -0,27<f'₃/f'<-0,13; 0,127<f'₄/f'<0,27; 0,43<d₂/f'<0,53; 0,16<d₄/f'<0,22; 0,09<d₆/f'<0,14; где f'₁, f'₃ и f'₄ - фокусные расстояния первой, третьей и четвертой линз системы; f' - фокусное расстояние системы; d₂, d₄, d₆ - расстояния между линзами. Технический результат - повышение углового разрешения за счет увеличения фокусного расстояния при уменьшении величины соотношения между длиной системы и диаметром входного зрачка. 2 ил., 5 табл.

Светосильная инфракрасная система, состоящая из расположенных вдоль оптической оси первой положительной и второй выпукло-вогнутых линз, выполненных из германия, третьей отрицательной выпукло-вогнутой линзы из селенида цинка, четвертой положительной выпукло-вогнутой линзы и фотоприемного устройства, отличающаяся тем, что вторая линза выполнена положительной асферической, а четвертая линза выполнена из селенида цинка, при этом выполняются следующие соотношения:

0,85<f'₁/f'<1,15;

-0,27<f'₃/f'<-0,13;

0,127<f'₄/f'<0,27;

0,43<d₂/f'<0,53;

0,16<d₄/f'<0,22;

0,09<d₆/f'<0,14;

где f'₁, f'₃ и f'₄ - фокусные расстояния первой, третьей и четвертой линз системы; f' - фокусное расстояние системы; d₂, d₄, d₆ - расстояния между линзами.