Объектив светосильный инфракрасный Российский патент 2023 года по МПК G02B13/14 G02B9/34 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к специальным объективам, работающим в ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах, построенных на основе болометрических матричных фотоприемных устройств, не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.

Наиболее распространены объективы для ИК-диапазона, содержащие четыре линзы. Они представлены российскими патентами и зарубежными.

Известны конструкции объективов (несколько вариантов) (патент US 4030805 А, МПК G02B 1/00, G02B 9/34, дата публикации 21.06.1977 г.), состоящие из четырех менисков. В первых трех вариантах для области 8-12 мкм все мениски выполнены из германия, в четвертом варианте три мениска из германия, четвертый выполнен из бромиодида таллия Th(Brl). Во всех вариантах первый, третий и четвертый мениски положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, второй мениск - отрицательный, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения. В патенте заявлено относительное отверстие 1:0,9, при этом для поля зрения 12° на контрасте 0,5 осевая пространственная частота равна 17 штр/мм, а внеосевая составляет 6 штр/мм. Такое качество изображения является недостаточным для использования объектива при работе с матрицами, размер пикселя которых составляет 17 и 12 мкм.

Известен объектив (патент CN 114002808А, МПК G02B 13/00, дата публикации 01.02.2022 г.), первая двояковыпуклая линза положительная, вторая отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, третий отрицательный мениск, четвертый положительный, третий и четвертый мениски обращены выпуклыми поверхностями к плоскости изображения. В объективе из восьми поверхностей три являются асферическими, что увеличивает трудоемкость изготовления, являясь его недостатком.

Известен светосильный объектив (патент РФ №26664, МПК G02B 13/14, G02B 9/34, G02B 9/56, G02B 3/02, дата публикации 10.12.2002 г.), содержащий четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третий и четвертый мениски обращены выпуклостью к предмету. Вторая поверхность первого мениска выполнена асферической, радиус кривизны первой оптической поверхности третьего компонента по модулю меньше радиуса второй оптической поверхности третьего компонента и имеют место соотношения:

|R₅|<|R6|, d₃<0,01R₅,

где R₅, R₆ - радиусы кривизны пятой и шестой по ходу лучей оптических поверхностей;

d₃ - толщина третьего компонента.

Данный объектив работает в диапазоне длин волн от 7 до 14 мкм и рассчитан для фокусного расстояния объектива - 62 мм, угол поля зрения - 16 градусов. Все линзы выполнены из германия с показателем преломления более 4.

Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, имеет увеличенное поле зрения, большое значение заднего фокального отрезка , что составляет фокусного расстояния объектива, однако его недостатком является малое относительное отверстие 1:2, а также недостаточная технологичность, так как содержит асферическую оптическую поверхность, изготовление которой более трудоемко, чем сферической.

Известен светосильный объектив (патент РФ №2630194, МПК G02B 13/14, G02B 9/34, дата публикации 05.09.2017 г.), состоящий из четырех компонентов, из которых первый - положительный мениск из германия, второй - отрицательный мениск из селенида цинка, третий - положительный мениск из селенида цинка и четвертый - положительный мениск из германия. Объектив имеет фокусное расстояние 130 мм, относительное отверстие 1:1, большой задний фокальный отрезок что составляет фокусного расстояния объектива. Недостатком этого объектива является очень маленькое поле зрения 5°20'.

Дальность обнаружения объекта зависит от фокусного расстояния объектива и его светосилы. При проектировании тепловизионных объективов необходимо учитывать тот факт, что размер пикселя современных микроболометров составляет 10-12 мкм, а плотность пикселей достигла формата 1280×1024. Чем больше пикселов размещается на матрице, тем выше качество и четкость получаемого изображения. Эти параметры определяют более высокие требования, предъявляемые к качеству изображения, разрешающей способности и полю зрения разрабатываемого объектива. Объектив, рассчитанный на больший формат матрицы, является более универсальным, так как он совместим с камерами, имеющими меньший формат матрицы. Чем больше размер матрицы по диагонали, при неизменном количестве пикселей, тем меньше их взаимное влияние, меньше уровень шумов, выше качество получаемого видеосигнала.

Качество изображения объективов оценивается по следующим параметрам:

- оптическая передаточная функция, являющаяся преобразованием Фурье функции рассеяния (или частотно-контрастная характеристика);

- размер кружка рассеяния, в котором сосредоточено заданное количество энергии, собираемое на чувствительную площадку приемника излучения, т.е. доля всего потока, образующего изображение удаленного точечного излучения, которая попадает на приемник;

- допустимая дисторсия изображения объекта конечных размеров;

- изменение освещенности по плоскости изображения.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объективу является светосильный объектив (патент РФ №2506616, МПК G02B 9/34, G02B 11/22, G02B 13/14, дата публикации 10.02.2014 г.), работающий в инфракрасной области спектра от 8 до 12 мкм, содержит четыре компонента, из которых первый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, третий - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению и четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты - из селенида цинка. При этом фокусные расстояния линз находятся в определенной зависимости от фокусного расстояния объектива. Примерный объектив рассчитан для требуемых значений диапазона длин волн и относительного отверстия, при этом его характеристики следующие:

- фокусное расстояние 40 мм;

- рабочий спектральный диапазон (84÷14) мкм;

- угловое поле зрения 12°;

- относительное отверстие 1:0,84;

- задний фокальный отрезок 6,7 мм.

Линейное поле зрения в пространстве изображений 2у'=8,4 мм.

Недостатками данного объектива являются небольшие фокусное расстояние и линейное поле зрения.

При приведении объектива аналога к увеличенному фокусному расстоянию, например, к фокусному расстоянию 89,7 мм, соответствующему заявляемому объективу, качество изображения ухудшается, контраст изображения на пространственной частоте 30 мм^-1 составляет 0,12 для осевой точки поля зрения и 0,10 для края поля зрения, что недостаточно для получения необходимого качества изображения объектива. По второму параметру оценки качества изображения функции концентрации энергии в пятне рассеяния, соответствующего размеру пикселя (0,012×0,012) мм, для осевого пучка составляет всего 28%, а для внеосевого пучка (11-20) %.

Задачей изобретения является увеличение фокусного расстояния и линейного поля зрения с сохранением требований по качеству изображения.

Технический результат - создан светосильный объектив с увеличенными фокусным расстоянием и полем зрения.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Светосильный инфракрасный объектив, как и аналог, содержит четыре компонента. Первый и четвертый - положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, выполнены из германия, второй - мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения, выполнен из селенида цинка, третий компонент - мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения.

В отличие от аналога в заявляемом объективе выполнено следующее. Второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска, третий компонент в виде положительного мениска. Третий компонент выполнен из германия, т.е. выполняются соотношения n₁=n₃=n₄, v₁=v₃=v₄, где n и v -показатели преломления и коэффициенты дисперсии компонентов соответственно. При этом относительные оптические силы компонентов и воздушные промежутки удовлетворяют следующим условиям:

Ф₁=(0,42÷0,47) Ф,

Ф₂=-(0,066÷0,076) Ф,

Ф₃=(0,25÷0,27) Ф,

Ф₄=(1,16÷1,34) Ф,

d₂=(0,37÷0,44)/Ф,

d₄=(0,39÷0,44)/Ф,

d₆=(0,39÷0,44)/Ф,

где: Ф_1, Ф₂, Ф₃, Ф₄ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов;

Ф - оптическая сила объектива.

d₂ - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;

d₄ - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;

d₆ - воздушный промежуток между третьим и четвертым компонентами;

Все линзы объектива выполнены со сферическими поверхностями и изготовлены из материалов, технология изготовления которых отработана на многих предприятиях.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

На Фиг. 1 приведена оптическая схема светосильного объектива с реальным ходом лучей для осевой и внеосевых точек поля зрения.

На Фиг. 2 представлена передаточная функция (МПФ) или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) светосильного инфракрасного объектива;

На Фиг. 3 представлена концентрации энергии (ФКЭ) светосильного инфракрасного объектива;

На Фиг. 4 приведен астигматизм и дисторсия светосильного инфракрасного объектива;

Светосильный инфракрасный объектив (фиг. 1) содержит, установленные по ходу луча в корпусе (на рисунке не показан), четыре компонента: 1, 2, 3, 4. Компонент 1 - положительный мениск, выполненный из германия. Компонент 2 - отрицательный мениск, выполненный из селенида цинка. Компонент 3 - положительный мениск из германия. Компонент 4 - положительный мениск, выполненный из германия. Мениски 1, 3, 4 обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Мениск 2 обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображения.

Оптические силы компонентов 1, 2, 3, 4 и воздушные промежутки удовлетворяют следующим условиям:

Ф₁=(0,42÷0,47) Ф,

Ф₂= -(0,066÷0,076) Ф,

Ф₃=(0,25÷0,27) Ф,

Ф₄=(1,16÷1,34) Ф,

d₂=(0,37÷0,44)/Ф,

d₄=(0,39÷0,44)/Ф,

d₆=(0,39÷0,44)/Ф,

где: Ф_1, Ф₂, Ф₃, Ф₄ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов;

Ф - оптическая сила объектива;

d₁, d₄, d₆ - воздушные промежутки соответственно между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым компонентами.

Стекло защитное 5 матрицы, установленное перед светочувствительной площадкой матрицы фотоприемника 6, размещенной в плоскости изображения объектива.

Световой поток, исходящий из бесконечно удаленной точки предмета последовательно проходит через компоненты объектива 1, 2, 3, 4, стекло защитное 5 фотоприемника и строит изображение на светочувствительной плоскости матрицы фотоприемника 6.

В таблице 1 приведены оптические характеристики объектива, заявляемого в качестве изобретения.

Апертурная диафрагма расположена на первой поверхности компонента 1. Диаметр апертурной диафрагмы 119,6 мм.

В заявляемом объективе величина заднего фокального отрезка составляет фокусного расстояния объектива (у прототипа ). Увеличение этого размера предоставляет конструктору большую свободу в выборе вариантов крепления матрицы и возможность фокусировки приемным устройством.

Качество изображения разработанного объектива светосильного инфракрасного оценивается с помощью параметров кружка рассеяния и модуляционной передаточной функции. Параметры модуляционной передаточной функции объектива в сравнении с дифракционно-ограниченной системой приведены в таблице 3, а также показаны на фиг. 2.

На графике функции концентрации энергии (ФКЭ), представленного на фиг. 3 показано, что концентрация энергии в пятне, соответствующего размеру пикселя (0,012×0,012) мм при дифракционном пределе 87% составляет 84% для осевого пучка и для внеосевых пучков 76% (2ω°=7,934°), 58% (2ω°=11,22°), соответственно. Дисторсия составляет 0,39%. Приведенные данные показывают хорошее качество изображения заявляемого светосильного инфракрасного объектива.

Чем выше значение относительного отверстия объектива, тем больше энергии поступает на фоточувствительную площадку. Освещенность в плоскости изображения объектива пропорциональна квадрату относительного отверстия объектива. По сравнению с прототипом освещенность в плоскости изображения заявляемого объектива увеличилась в (1/0,75)²/(1/0,84)²=1,25 раз за счет увеличения относительного отверстия объектива.

Как следует из таблицы 1, фокусное расстояние заявляемого объектива f'=89,1 мм, линейное поле зрения 2y'=17,62 мм, что в 2,24 и в 2,1 раза соответственно больше, чем у объектива аналога.

Представленная оптическая схема заявляемого объектива светосильного инфракрасного с указанными условиями на фокусные расстояния компонентов, воздушные промежутки, позволяет получить большое поле в пространстве изображений и обеспечить проекцию на матрицу размером (15,36×8,64) мм при фокусном расстоянии 89,7 мм с частотно-контрастной характеристикой в центре поля зрения 0,53 мкм на пространственной частоте 40 мм¹¹, при значении дифракционной частотно-контрастной характеристики 0,61.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан объектив светосильный инфракрасный, который в отличие от прототипа, работающего с приемником, имеющим размер пикселя (0,017×0,017) мм, пригоден для работы с размером пикселя (0,012×0,012) мкм и с матрицей, размер которой больше в 2,1 раза, при этом объектив близок к дифракционному качеству изображения по всему полю зрения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к специальным объективам, работающим в ИК-диапазоне длин волн. Объектив светосильный инфракрасный, содержит четыре компонента, из которых первый, третий и четвертый - положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, второй компонент - отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения. Первый, третий и четвертый компоненты выполнены из германия, т.е. выполняются соотношения n₁=n₃=n₄, v₁=v₃=v₄, где n и v - показатели преломления и коэффициенты дисперсии компонентов соответственно, второй компонент выполнен из селенида цинка. При этом относительные оптические силы компонентов и воздушные промежутки удовлетворяют следующим условиям: Ф₁=(0,42÷0,47) Ф, Ф₂=- (0,066÷0,076) Ф, Ф₃=(0,25÷0,27) Ф, Ф₄=(1,16÷1,34) Ф, d₂=(0,37÷0,44)/Ф, d₄=(0,39÷0,44)/Ф, d₆=(0,39÷0,44)/Ф, где: Ф_1, Ф₂, Ф₃, Ф₄ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов; Ф - оптическая сила объектива; d₂, d₄, d₆ - воздушные промежутки соответственно между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым компонентами. Технический результат - увеличение фокусного расстояния объектива и линейного поля зрения при высоком качестве изображения. 4 ил., 3 табл.

Объектив светосильный инфракрасный, содержащий четыре компонента, из которых первый и четвертый - положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, второй компонент - мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения, третий компонент - мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, при этом первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй компонент - из селенида цинка, отличающийся тем, что второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска, третий компонент выполнен в виде положительного мениска, при этом третий компонент выполнен из германия, т.е. выполняются соотношения n₁=n₃=n₄, v₁=v₃=v₄, где n и v - показатели преломления и коэффициенты дисперсии компонентов соответственно, при этом относительные оптические силы компонентов и воздушные промежутки удовлетворяют следующим условиям:

Ф₁=(0,42÷0,47) Ф,

Ф₂=-(0,066÷0,076) Ф,

Ф₃=(0,25÷0,27) Ф,

Ф₄=(1,16÷1,34) Ф,

d₂=(0,37÷0,44)/Ф,

d₄=(0,39÷0,44)/Ф,

d₆=(0,39÷0,44)/Ф,

где: Ф_1, Ф₂, Ф₃, Ф₄ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов;

Ф - оптическая сила объектива;

d₂, d₄, d₆ - воздушные промежутки соответственно между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым компонентами.