Светосильный объектив для инфракрасной области спектра

 

Использование: в оптическом приборостроении, а именно в специальных объективах, работающих в дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне волн, а также в тепловизионных приборах. Задача: является увеличение относительного отверстия и обеспечение высокого качества изображения по всему полю. Сущность: в светосильном объективе для инфракрасной области спектра, содержащем три компонента, выполненные в виде менисков из одинакового оптического материала, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой 1, второй - с отрицательной оптической силой 2, третий - с положительной оптической силой 3, оптические силы компонентов удовлетворяют условию:

где - оптическая сила объектива, а расстояние d между вторым и третьим компонентами удовлетворяет условию: 0,65<d<0,8 1 с.п. ф-лы, 1 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны к инфракрасной (ИК) области спектра, в частности в диапазоне спектра 8-14 мкм.

К объективам, работающим в ИК диапазоне спектра 8-14 мкм, с матричными болометрическими приемниками, предъявляются следующие требования:

1. Сверхвысокое относительное отверстие 1:1÷1:0,75. Это требование обусловлено низкой энергетической яркостью наблюдаемых объектов и малой чувствительностью болометрических матриц.

2. Высокое, близкое к дифракционному качество изображения. Необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста было не менее 0,5-0,6, где а - размер элемента приемника (пиксель).

3. Качество изображения должно быть постоянно по всему полю изображения. При этом необходимо отсутствие виньетирования для полевых лучей и близкий к телецентрическому ход главных лучей в пространстве приемника.

Выполнение перечисленных требований обеспечивает постоянство энергетических характеристик объектива по всему полю изображения.

4. Минимальное количество линзовых элементов. Материал, применяемый обычно в ИК объективах - оптический германий - имеет большой удельный вес, равный 5,33 г/см3. Кроме того, германий

достаточно дорогой материал. Минимизация количества линзовых элементов позволяет снизить вес объектива и его стоимость.

Создание оптической системы светосильного объектива для тепловизоров становится актуальной задачей.

Известен объектив [1], работающий в (ИК) диапазоне спектра 8-12 мкм, состоящий из трех линз, выполненных из материала одной марки.

Недостатком такого объектива является низкая светосила - относительное отверстие равно 1:2.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный объектив [2], состоящий из трех компонентов, выполненных в виде менисков из оптического материала одной марки, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой 1, второй - с отрицательной оптической силой 2, и третий - с положительной оптической силой 3.

Компоненты разделены между собой большими воздушными промежутками, равными более 0,3 фокусного расстояния объектива.

Основным недостатком указанного объектива является низкое относительное отверстие, доходящее до 1:1,65 и низкое качество изображения по полю.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение относительного отверстия при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.

Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, содержит три компонента, выполненные в виде менисков из одинакового оптического материала, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой 1, второй - с отрицательной оптической силой 2, и третий - с положительной оптической силой 3.

В отличие от прототипа оптические силы компонентов удовлетворяют условию:

где - оптическая сила объектива, а расстояние d между вторым и третьим компонентами удовлетворяет условию:

0,65<d<0,8;

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что полученные соотношения оптических сил компонентов позволили обеспечить коррекцию осевых и полевых аберраций. Это дало возможность увеличить относительное отверстие до 1:0,75 при достаточно большом угловом поле 10° и высоком качестве изображения: на частоте 20 л/мм контраст более 0,40 по всему полю.

Апертурная диафрагма совмещена с первой поверхностью первого компонента.

Соотношение оптических сил первого и второго компонентов 1 и 2, позволили скомпенсировать сферическую аберрацию, включая ее высшие порядки.

Соотношение оптических сил первого и второго компонентов 1,2 и третьего компонента 3 позволили скомпенсировать кривизну, хроматизм положения и сферохроматизм. Полученное значение оптической силы третьего компонента вместе с выбранным воздушным промежутком - расстоянием между вторым и третьим компонентами позволили скомпенсировать полевые аберрации - кому и астигматизм.

Другим достоинством предлагаемого объектива является то, что входной зрачок расположен вблизи переднего фокуса, что обеспечивает близкий телецентрическому ход главных лучей в пространстве

изображений и тем самым равномерную освещенность в изображении объекта по всему полю при отсутствии виньетирования.

Таким образом, предлагаемый светосильный объектив для инфракрасной области спектра, состоящий из трех компонентов, выполненных из одного материала - германия, работает в диапазоне спектра 8-12,5 мкм и обеспечивает:

- относительное отверстие 1:0,75;

- угловое поле 2=10°;

- телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений и отсутствие виньетирования полевых лучей;

дифракционно-ограниченное качество изображения:

среднеквадратическая деформация волнового фронта (RMS)no всему полю менее 0,2, контраст по частоте 20 л/мм - более 0,40 по всему полю изображения.

Таким образом, предлагаемый объектив при одинаковом с прототипом количестве линз обеспечивает существенно более высокое относительное отверстие 1:0,75 вместо 1:1,65 как в прототипе, при высоком качестве изображения.

Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - представлена оптическая схема объектива, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.

Светосильный объектив для инфракрасной области спектра состоит из трех компонентов, выполненных в виде менисков 1, 2 и 3, апертурной диафрагмы 4, защитного стекла 5 и приемника оптического излучения 6.

Все мениски обращены вогнутостью к изображению, и выполнены: первый мениск выполнен с положительной оптической силой 1, второй - с отрицательной оптической силой 2 и третий - с положительной оптической силой 3.

Третий мениск 3 установлен на расстоянии d от второго мениска 2, при этом выполняются следующие соотношения:

где - оптическая сила объектива

I, 2, 3 - оптические силы менисков 1, 2 и 3,

I,2 - оптическая сила первого и второго менисков;

d - расстояние между вторым и третьим менисками удовлетворяет условию:

Апертурная диафрагма 4 совмещена с первой поверхностью мениска 1, являясь одновременно входным зрачком, находится вблизи переднего фокуса объектива, обеспечивая тем самым близкий к телецентрическому ход главных лучей в пространстве изображений.

Работа объектива осуществляется следующим образом.

Излучение от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через мениски 1, 2 и 3, защитное стекло 5 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник излучения 6.

Сведения, подтверждающие полученные технические результаты при числовых значениях, допускаемых заявленным диапазоном, приведены в нижеследующей таблице.

Заявленные соотношенияПримеры объективов
1 234
0,95<(1/)<l,050,978 0,9481,0480,95
0,7360,5170,9180,687
0,35<(1,2/)<0,550,465 0,5430,4580,452
1,25<(3/)<1,51,373 1,1641,4921,325
0,65<(d)<0,80,75 0,8190,6520,795
f' мм 57,5557,5257,5645,25
D:f'1:0.751:0.75 1:0.751:0.75
2 град10 101012,8
Контраст (мер/саг) при =20мм-1у'=0 60,452,155,852,5
у'=5 мм43,3 45,346,0 30,056,1 32,0 42,0 43,3
RMS 0,200,260,250,195

В Приложениях 1÷4 приведены конструктивные параметры и характеристики качества изображения указанных примеров.

Таким образом, предлагаемый объектив, у которого оптические силы компонентов и расстояние между вторым и третьим компонентами удовлетворяют указанным выше условиям, обеспечивает увеличение относительного отверстия при высоком качестве изображения по всему полю.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, патент 2189063, МПК: G02В 13/34, 9/14, 2002 г.

2. США, патент 4537464, НКИ: 350/1.4, 1985 г. - прототип.

ИК_ОБЪЕКТИВ-1

Фокусное расстояние, F', мм:57.5524
Диафрагменное число F'/D:0.7494
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:302.1049
Положение выходного зрачка, S'p, мм:226.4474
Линейная величина изображения, 2у', мм: 10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2:10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2:8.0000°
Длина системы, L, мм:90.0000

Спектральные характеристики
Длины волн, мкмОтн-ные веса
8.00000.1000
9.00000.5000
10.00001.0000 главная
11.00000.5000
12.50000.1000

Конструктивные параметры оптической системы
пов.Радиусы кривизны Расстоянния по осиСветовые высотыСтрелки прогибаОпт. среды
АД 65.31007.0000 38.400012.4816 Germanium
2 95.260010.0500 37.35007.6276
3 139.32004.5000 32.60003.8678 Germanium
4 85.310043.1500 30.40005.6003
5 30.34003.8000 18.95006.6458 Germanium
6 36.22006.0000 17.75004.6475
7 плоскость3.0000 16.50000.0000 Germanium
8 плоскость10.5000 16.00000.0000
9 плоскость1.0000 6.15350.0000Germanium
10плоскость1.00005.9803 0.0000
11 плоскость-0.0770 5.14250.0000
Изобр. плоскость0.0000 5.12260.0000

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ИК_ОБЪЕКТИВ-2

Фокусное расстояние, F', мм:57.5219
Диафрагменное число F'/D:0.7490
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:2359.5503
Положение выходного зрачка, S'p, мм:1767.3072
Линейная величина изображения, 2у', мм: 10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2:10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2:8.0000°
Длина системы, L, мм:88.9550

Спектральные характеристики
Длины волн, мкмОтн-ные веса
8.00000.1000
9.00000.5000
10.00001.0000 главная
11.00000.5000
12.50000.1000

Конструктивные параметры оптической системы
пов.Радиусы кривизны Расстояния по осиСветовые высотыСтрелки прогибаОпт. среды
АД 69.13697.0000 38.400011.6447 Germanium
2 102.97475.0429 37.31506.9988
3 168.12504.5000 35.94323.8871 Germanium
4 109.627947.1122 33.99345.4035
5 34.89543.8000 18.95515.5970 Germanium
6 41.89936.0000 17.75623.9484
7 плоскость3.0000 15.94000.0000 Germanium
8 плоскость10.5000 15.43620.0000
9 плоскость1.0000 6.14100.0000Germanium
10плоскость1.00005.9731 0.0000
11 плоскость-0.0145 5.13680.0000
Изобр. плоскость0.0000 5.12350.0000

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ИК_ОБЪЕКТИВ-3

Фокусное расстояние, F', мм:57.5581
Диафрагменное число F'/D:0.7495
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:215.5019
Положение выходного зрачка, S'p, мм:161.5479
Линейная величина изображения, 2у', мм: 10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2:10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2:8.0000°
Длина системы, L, мм:88.3843

Спектральные характеристики
Длины волн, мкмОтн-ные веса
8.00000.1000
9.00000.5000
10.00001.0000 главная
11.00000.5000
12.50000.1000

Конструктивные параметры оптической системы
пов.Радиусы кривизны Расстояния по осиСветовые высотыСтрелки прогибаОпт. среды
АД 76.01607.0000 38.400010.4121 Germanium
2 130.595514.0943 37.54905.5145
3 323.42614.5000 29.63541.3606 Germanium
4 118.600137.4900 28.11403.3804
5 43.95173.8000 20.24054.9379 Germanium
6 66.21936.0000 19.46462.9253
7 плоскость3.0000 16.55020.0000 Germanium
8 плоскость10.5000 16.02670.0000
9 плоскость1.0000 6.07410.0000Germanium
10плоскость1.00005.8996 0.0000
11 плоскость-0.1267 5.26260.0000
Изобр. плоскость0.0000 5.15680.0000

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ИК_ОБЪЕКТИВ-4

Фокусное расстояние, F', мм:45.2498
Диафрагменное число F'/D:0.7542
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:60.0000
Положение входного зрачка, Sp, мм:0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:276.2385
Положение выходного зрачка, S'p, мм:208.3617
Линейная величина изображения, 2у', мм: 10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2:10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2:8.0000°
Длина системы, L, мм:72.7200

Спектральные характеристики
Длины волн, мкмОтн-ные веса
8.00000.1000
9.00000.5000
10.00001.0000 главная
11.00000.5000
12.50000.1000

Конструктивные параметры оптической системы
пов.Радиусы кривизны Расстояния по осиСветовые высотыСтрелки прогибаОпт. среды
АД 50.43495.5000 30.00009.8926 Germanium
2 71.50936.6722 29.09706.1875
3 107.50923.5000 26.45603.3060 Germanium
4 67.950836.0038 24.75364.6691
5 23.77813.5000 16.04676.2310 Germanium
6 27.53174.5000 14.88254.3691
7 плоскость2.5000 14.75830.0000 Germanium
8 плоскость8.5000 14.32190.0000
9 плоскость1.0000 6.25630.0000Germanium
10плоскость1.00006.0817 0.0000
11 плоскость0.0440 5.13290.0000
Изобр. плоскость0.0000 5.09110.0000

Светосильный объектив для инфракрасной области спектра, содержащий три компонента, выполненные в виде менисков из одинакового оптического материала, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой 1, второй - с отрицательной оптической силой 2, третий - с положительной оптической силой 3, отличающийся тем, что оптические силы компонентов удовлетворяют условию:

; ;

; ,

где - оптическая сила объектива, а расстояние d между вторым и третьим компонентами удовлетворяет условию:

0,65<d<0,8.



 

Наверх