СВЕРХШИРОКОУГОЛЬНЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ РЕТРОФОКУСНЫЙ АТЕРМАЛЬНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2025 года по МПК G02B9/34 G02B13/14 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, тепловизионных каналах оптико-электронных приборов и комплексов, построенных на основе неохлаждаемых матричных приемников излучения.

В качестве аналога из мирового уровня техники известен тепловизионный объектив по патенту NL2030346B1, в котором угол поля зрения составляет 80 градусов по диагонали, но не достигает сверхширокоугольного значения, кроме того, недостатком является отсутствие компенсации терморасфокусировки.

Наиболее близким по технической сущности аналогом, принятым за прототип, который известен по патенту RU2762997 от 2021 года, является широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком. Объектив содержит четыре компонента. Первый - отрицательный мениск из германия, второй - положительный мениск из бескислородного стекла ИКС-25, третий - отрицательный мениск из селенида цинка, а четвертый - двояковыпуклая линза из стекла ИКС-25. Первый компонент установлен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а второй и третий обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Первая поверхность первого компонента выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,22 до 0,26. Выполняются соотношения:

φ1:φ2:φ3:φ4= - (0,014÷0,073):(0,69÷0,82):-(0,97÷1,15):(1,2÷1,25),

где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов. Заявленный технический результат заключается в увеличении поля зрения, увеличении заднего отрезка и повышении технологичности объектива при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю зрения со следующими техническими характеристиками: фокусное расстояние 18,4 мм; относительное отверстие 1:1,25; поле зрения 33°×26,4°; спектральный диапазон 8-12 мкм; длина объектива 46,4 мм; задний отрезок (без защитного стекла 5) 13,5 мм. Масса оптических компонентов объектива составляет 54 г.

Можно выделить следующие недостатки указанного объектива.

Малое угловое поле. Согласно приведенной в патенте информации, угловое поле составляет 33°х26,4°, то есть 42,4° по диагонали кадра. Несмотря на то, что для различных типов объективов в технической литературе приводятся отличающиеся значения поля, при котором их относят к группе широкоугольных, наиболее общий подход для классификации объектива, как широкоугольного, заключается в следующем: в широкоугольном объективе размер изображения должен превышать фокусное расстояние объектива (ГОСТ 25205-82 Фотоаппараты и съемочные фотографические объективы. Термины и определения). Такой подход применим для объективов любого назначения, работающих в любом спектральном диапазоне, в том числе в инфракрасном диапазоне спектра. Согласно ГОСТ 25205-82, объективы с угловыми полями от 40° до 51° относятся к нормальным, с угловыми полями от 52° до 82° - к широкоугольными, выше 83° - к сверхширокоугольным.

При фокусном расстоянии прототипа 18,4 мм, размер изображения (диагональ кадра) 13,98 мм, т.е. размер изображения меньше фокусного расстояния. Объектив с таким полем относится к нормальным объективам, а не к широкоугольным. Использование в названии патента слова «широкоугольный», на наш взгляд, может быть объяснено тем, что в объективе по патенту RU2762997 достигнуто бóльшее поле, чем в том объективе, который принят за аналог, т.е. это объектив с бóльшим полем, чем аналог. Вероятно, для краткости его назвали широкоугольным.

Второй недостаток - малое относительное значение заднего фокального отрезка. В объективе-аналоге задний фокальный отрезок равен 13,5 мм, что составляет 0,73 от фокусного расстояния. С точки зрения конструктивной возможности сопряжения оптики с корпусом приемника излучений отрезка 13,5 мм вполне хватает. Но для повышения углового поля при фиксированном значении размера чувствительной площадки приемника излучений необходимо уменьшать фокусное расстояния. И в этом случае может потребоваться увеличить относительное значение заднего фокального отрезка до 1 и выше. Как известно, такие объективы относятся к ретрофокусным (реверсивным, типа инвертированный, обращенный телеобъектив).

Третий недостаток - недостаточное относительное отверстие. В объективе-аналоге оно составляет 1:1,25. Для сопряжения с современными приемниками требуется не менее 1:1. Поскольку ИК объективы относятся к дифракционно ограниченным объективам, то значение относительного отверстия одновременно определяет и предельную частоту разрешения объектива. При повышении относительного отверстия с 1:1,25 до 1:1 предел разрешения возрастает на 40 %.

В заключение, недостатком является то, что объектив ориентирован на сопряжение с приемником с шагом пикселей 0,025 мм. Такой вывод сделан на основании того, что для оценки качества изображения в объективе-аналоге использовано значение частоты Найквиста 20 лин/мм. Современные приемники излучений LWIR диапазона спектра имеют шаг пикселей 0,012 мкм, соответственно частоту Найквиста 41,6 лин/мм. Часто оценку качества часто проводят для округленного значения 40 лин/мм.

Техническая задача - создание сверхширокоугольного светосильного ретрофокусного атермального инфракрасного объектива для длинноволнового инфракрасного диапазона спектра.

Технический результат - повышение углового поля выше 83°, относительного отверстия до уровня не менее 1:1, повышение относительного значения заднего фокального отрезка при сохранении дифракционного качества.

Сверхширокоугольный светосильный ретрофокусный атермальный инфракрасный объектив содержит размещенные в корпусе из алюминиевого сплава четыре оптических компонента, из которых первый компонент является отрицательным асферическим мениском, второй компонент имеет положительную оптическую силу, третий компонент является одиночной отрицательной линзой, четвертый - одиночной положительной линзой, при этом количество марок материалов не превышает трех. Отрицательный асферический мениск первого компонента обращен вогнутой асферической поверхностью к плоскости изображений, второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к двояковыпуклой линзе, третий компонент выполнен в виде асферической двояковогнутой линзы, четвертый - в виде асферической двояковыпуклой линзы, при этом отрицательный асферический мениск первого компонента выполнен из материала с бóльшим коэффициентом средней дисперсии для рабочего спектрального диапазона, положительный мениск второго компонента и асферическая двояковогнутая линза третьего компонента - с меньшим, а термооптические постоянные материалов являются отрицательными и лежат в диапазоне 1/градус. При нормировке: f’=1 в объективе имеют место следующие соотношения:

φ₁: φ₂: φ₃: φ₄=-(0,8÷0,9):(0,5÷0,6):-(0,1÷0,2):(0,5÷0,6), (1)

где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего, четвертого компонентов;

, , (2)

где , - расстояние соответственно между первым и вторым, вторым и третьим компонентами.

В объективе применены асферические поверхности типа четной асферики. Такой выбор типа асферических поверхностей обусловлен тем, что в современном приборостроении имеется оборудование и технологии для их изготовления. Профили асферических поверхностей рассчитываются согласно уравнению (3):

,

где z - координата асферической поверхности в системе координат, связанной с вершиной поверхности;

c - кривизна поверхности;

r - радиальная координата;

k - коническая постоянная;

коэффициент асферики.

В качестве материала отрицательного компонента (асферического мениска) применено халькогенидное стекло марки IRG209 (показатель преломления 3,145, коэффициент средней дисперсии , термооптическая постоянная 1/градус), в качестве материала положительной двояковыпуклой линзы второго компонента и асферической двояковыпуклой линзы четвертого компонента применено халькогенидное стекло марки IRG207 ( 2,613, , 1/градус), для положительного мениска второго компонента и асферической двояковогнутой линзы третьего компонента применен сульфид цинка ZnS ( 2,200, , 1/градус).

На настоящий момент материалы известны и могут быть промышленно произведены, а заявляемое устройство может быть реализовано посредством технологий современного оптического приборостроения.

Ориентация отрицательного асферического мениска первого компонента вогнутой асферической поверхностью к плоскости изображений одновременно с увеличением расстояния до и выполнением соотношений (1) и (2) позволяет достичь повышения углового поля и обеспечить задний фокальный отрезок не менее фокусного расстояния, т.е. повысить относительное значение заднего фокального отрезка - сделать объектив реверсивным (ретрофокусным).

Выполнение второго компонента в виде двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к двояковыпуклой линзе при одновременном выполнении соотношений (1) и (2), позволяет уменьшить аберрации широких наклонных пучков в оптической системе и повысить относительное отверстие объектива.

В оптический компонент 2 дополнительно введен положительный мениск, оптическая сила которого составляет менее 0,1 от оптической силы компонента 2. Этот мениск выполняет функцию коррекции аберраций широких пучков лучей с целью повышения относительного отверстия и расширения диапазона рабочих пространственных частот.

Выполнение третьего компонента в виде асферической двояковогнутой линзы, а четвертого - в виде асферической двояковыпуклой линзы способствует коррекции аберраций астигматизма и кривизны изображения, что является актуальным для создания широкоугольных и сверхширокоугольных оптических систем.

При этом асферическая поверхность третьего компонента расположена со стороны второго компонента, а асферическая поверхность четвертого компонента - со стороны плоскости изображения.

При ограниченном наборе материалов (в данном случае применено три материала) использование в качестве материала отрицательного первого компонента (асферического мениска) материала с бóльшим коэффициентом средней дисперсии для рабочего спектрального диапазона для группы использованных материалов, а для положительного мениска второго компонента и асферической двояковогнутой линзы третьего компонента - материала с меньшим коэффициентом средней дисперсии позволяет снизить хроматические аберрации по полю в сверхширокоугольном объективе - прежде всего хроматизм увеличения и в результате способствует повышению углового поля в объективе.

Соблюдение найденных соотношений между оптическими силами компонентов и расстояний между ними, определяемых соотношениями (1) и (2), в совокупности с тем, что термооптические постоянные материалов находятся в диапазоне 1/градус позволяет обеспечить пассивную атермализацию в объективе, т.е. отсутствие взаимного смещения плоскости изображения объектива и плоскости чувствительной площадки приемника излучений при изменении температуры эксплуатации в пределах ±50°С, учитывающее, что корпус объектива и промежуточные кольца между линзами в объективе выполнены из алюминиевого сплава.

Совокупное действие всех вышеописанных отличительных признаков в заявляемом объективе приводит к тому, что при увеличении углового поля, относительного отверстия и заднего фокального отрезка достигается высокая степень коррекции аберраций, что обеспечивает дифракционное качество изображения и расширение диапазона рабочих пространственных частот (частота Найквиста повышается в два раза с 20 до 40 лин/мм).

В качестве примера конкретного исполнения объектива приводится объектив с соответствующими техническими характеристиками:

Фокусное расстояние 12,4 мм;

Относительное отверстие 1:1;

Спектральный диапазон 8-12 мкм;

Угловое поле по горизонту и вертикали 76,8°х59,5°;

Угловое поле по диагонали 105°;

Задний фокальный отрезок 23,3 мм;

Длина 77,3 мм (от первой поверхности до плоскости изображений);

Объектив ориентирован на приемник излучений 1280×1024, пиксель 12×12 мкм.

Проведенные расчеты в специализированном программном обеспечении показывают, что обозначенные технические результаты достигаются в пределах всех заявляемых диапазонах значений оптических сил компонентов и расстояний между компонентами, а также значений термооптических постоянных материалов.

На фиг.1 приведена оптическая схема объектива с ходом осевого и наклонных пучков лучей (сечение вертикальной плоскостью), где первый компонент - отрицательный асферический мениск, второй компонент - содержит две линзы и имеет положительную оптическую силу, третий компонент - одиночная отрицательная линза, четвертый компонент - одиночная положительная линза, а между оптическими силами соблюдаются соотношения (1) и (2). Кроме того, на фиг.1 представлены защитное стекло 5 и положение плоскости чувствительной площадки матричного неохлаждаемого приемника излучения 6, на которой собирается излучение, проходящее через компоненты 1-4.

На фиг.2 представлена частотно-контрастная характеристика сверхширокоугольного светосильного ретрофокусного атермального инфракрасного объектива на графиках А, Б, В при температурах -50° С, +50° С, и +20°С соответственно.

На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая схема сверхширокоугольного светосильного ретрофокусного атермального инфракрасного объектива. Оптическая система из четырех линзовых компонентов 1, 2, 3, 4, размещенных в корпусе из алюминиевого сплава, содержит расположенные по ходу лучей пять одиночных линз, представляющих собой выпукло-вогнутый мениск, двояковыпуклую и выгнуто-вогнутую линзы, двояковогнутую линзу и двояковыпуклую линзу соответственно.

Применение сверхширокоугольного светосильного ретрофокусного атермального инфракрасного объектива предполагает использование совместно с приемником излучения и ориентировано на применение неохлаждаемого матричного приемника с разрешением 1280×1024 точек с размером пикселя 12×12 мкм.

Инфракрасное излучение, проходя через линзовые компоненты 1, 2, 3, 4 устройства и защитное стекло 5, фокусируется в плоскости чувствительной площадки неохлаждаемого матричного приемника излучения 6.

В таблице 1 приведены значения оптических сил, материалов, расстояний между компонентами и их диаметры в конкретном примере исполнения заявляемого объектива при нормировке: f’=1.

Таблица 1

Номер в соотв.
с фиг. 1 Оптическая сила Материал Расстояние по оси Диаметр 1 -0,888 Irg209 1,29 2,4 2 0,506 Irg207, ZnS 0,79 2,6 3 -0,192 ZnS 0,32 2,4 4 0,569 Irg207 1,87 2,6

Образующая асферических поверхностей (а именно поверхности 2 первого компонента - отрицательного асферического мениска, поверхности 7 третьего компонента - одиночной отрицательной линзы и поверхности 10 четвертого компонента - асферической двояковыпуклой линзы; порядковый номер поверхности считается слева направо от 1 до 10) описывается уравнением (3) с соответствующими значениями переменных, приведенных в таблице 2 при нормировке f’=1:

Таблица 2

№ пов. r k 2 1,99 0,59 0 1,55⋅10^-2 3,2⋅10^-3 1,63⋅10^-4 1,8⋅10^-3 0 7 -8,10 -0,34 0 -1,10⋅10^-3 4,63⋅10^-4 -2,85⋅10^-4 -6,18⋅10^-4 1,19⋅10^-4 10 -12,02 49,63 0 2,16⋅10^-2 -3,0⋅10^-3 3,70⋅10^-3 2,00⋅10^-3 4,29⋅10^-4

В таблице 3 приведены оптические характеристики материалов.

Таблица 3

Материал [мкм] ν [1/градус] Irg209 3,14518 236 -8,6 Irg207 2,61299 178 -10,3 ZnS 2,19999 22,7 -4,9

Как следует из таблицы 1, оптические силы компонентов 1-4 соотносятся между собой следующим образом -0,888:0,506:-0,192:0,569, и удовлетворяют соотношению (1). Расстояния между компонентами , , что соответствует соотношению (2). Форма линз соответствует схеме объектива, приведенной на фиг.1.

В заявляемом объективе использованы халькогенидные материалы и сульфит цинка. Термооптические постоянные этих материалов в совокупности с заявляемыми оптическими силами способствуют обеспечению термонерастраиваемости (атермальности, атермализации), т.е. отсутствию терморасфокусировки - смещения плоскости изображения относительно положения чувствительной площадки приемника излучений в диапазоне температур от -50 до +50°С с учетом температурного коэффициента линейного расширения алюминиевого корпуса объектива, что подтверждается фиг. 2.

Заявленные соотношения распределения оптических сил внутри объектива между компонентами направлены на уменьшение полевых аберраций и аберраций широких пучков, что служит повышению относительного отверстия, повышению углового поля и повышению относительного значения заднего фокального отрезка выше 1 (т.е. получению сверхширокоугольного ретрофокусного объектива).

Определение конструктивных параметров конкретного исполнения достигается путем применения типовых инженерных методов компьютерной оптимизации оптических систем при соблюдении указанных выше соотношений, форм линз и материалов и соотношений (1) и (2).

Интегральная оценка качества изображения проводится с использованием частотно-контрастной характеристики, которая представлена на фиг. 2. Оценка проводится в диапазоне пространственных частот от 0 до 40 лин/мм. Из графиков фиг. 2 следует, что частотно-контрастная характеристика в центре поля зрения не значительно отличается от дифракционной частотно-контрастной характеристики. Для остальных точек поля отклонения от дифракционной частотно-контрастной характеристики не превышают 10%. Качество изображения сохраняется в диапазоне температур от минус 50 до +50 градусов, что демонстрируется графиками А, Б, В на фиг.2. Таким образом в объективе осуществлена пассивная атермализация при креплении линз в алюминиевом корпусе.

Таким образом, предлагаемый объектив имеет увеличенное относительное отверстие, увеличенное поле зрения по диагонали (105°), увеличенный задний отрезок (23,3 мм - более фокусного расстояния в 1,8 раза), при этом состоит из четырех линзовых компонентов, для которых используется не более трех марок оптического стекла. Объектив ориентирован на применение с современными матричными приемниками излучения формата 1280×1024, с размером пикселя 12×12 мкм.

Современный уровень развития оптических технологий позволяет обеспечить промышленную применимость заявленного изобретения.

Изобретение относится к сверхширокоугольным светосильным ретрофокусным атермальным инфракрасным объективам. Объектив содержит четыре оптических компонента. Первый компонент является отрицательным асферическим мениском и обращен вогнутой асферической поверхностью к плоскости изображений, второй имеет положительную оптическую силу и выполнен в виде двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к двояковыпуклой линзе, третий является одиночной отрицательной асферической двояковогнутой линзой, четвертый - одиночной положительной асферической двояковыпуклой линзой. При этом количество марок материалов не превышает трех, а термооптические постоянные материалов являются отрицательными, при этом выполняются следующие соотношения: φ₁: φ₂: φ₃: φ₄=-(0,8÷0,9):(0,5÷0,6):-(0,1÷0,2):(0,5÷0,6), где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего, четвертого компонентов; d₁ < 1,4, d₂ < 0,8, где d₁, d₂ - расстояния соответственно между первым и вторым, вторым и третьим компонентами. Технический результат - повышение углового поля выше 83°, сохранение дифракционного качества. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Сверхширокоугольный светосильный ретрофокусный атермальный инфракрасный объектив, содержащий размещенные в корпусе из алюминиевого сплава четыре линзовых компонента, из которых первый компонент является отрицательным асферическим мениском, второй компонент имеет положительную оптическую силу, третий компонент является одиночной отрицательной линзой, четвертый компонент – одиночной положительной линзой, при этом количество марок материалов не превышает трех, отличающийся тем, что отрицательный асферический мениск первого компонента обращен вогнутой асферической поверхностью к плоскости изображений, второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к двояковыпуклой линзе, третий компонент выполнен в виде асферической двояковогнутой линзы, четвертый – в виде асферической двояковыпуклой линзы, при этом отрицательный асферический мениск первого компонента выполнен из материала с бóльшим коэффициентом средней дисперсии для рабочего спектрального диапазона, положительный мениск второго компонента и асферическая двояковогнутая линза третьего компонента – с меньшим, а термооптические постоянные материалов являются отрицательными, при этом выполняются следующие соотношения:

ϕ₁: ϕ₂: ϕ₃: ϕ₄=-(0,80,9):(0,50,6):-(0,10,2):(0,50,6),

где ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄ – оптические силы соответственно первого, второго, третьего, четвертого компонентов;

d₁<1,4, d₂<0,8,

где d₁, d₂ – расстояния соответственно между первым и вторым, вторым и третьим компонентами.

2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала отрицательного асферического мениска первого компонента применено халькогенидное стекло марки IRG209, в качестве материала положительной двояковыпуклой линзы второго компонента и асферической двояковыпуклой линзы четвертого компонента применено халькогенидное стекло марки IRG207, для положительного мениска второго компонента и асферической двояковогнутой линзы третьего компонента применен сульфид цинка ZnS.

3. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что асферическая поверхность третьего компонента расположена со стороны второго компонента, а асферическая поверхность четвертого компонента – со стороны плоскости изображения.