Светосильный широкоугольный линзовый объектив для инфракрасной области спектра

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в обзорных системах наблюдения, работающих с матричными фотоприемными устройствами. Объектив работает в ИК области спектра в пределах от 2,0 до 6,0 мкм, обеспечивает высокое качество изображения и равномерность по полю зрения в угле ±40°, имеет малые габариты и массу. Такой технический результат получен, когда в светосильном широкоугольном линзовом объективе для ИК области спектра, включающем апертурную диафрагму и пять оптических элементов, преломляющие поверхности которых выполнены сферическими, где первый, второй, третий и пятый элементы по ходу лучей -мениски, первый обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между пятым мениском и фокальной плоскостью, а первый и четвертый элементы выполнены из германия, новым является то, что четвертый оптический элемент также выполнен в форме мениска, второй мениск выполнен с наибольшим диаметром, второй, четвертый и пятый мениски обращены вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий - выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй, третий и пятый мениски выполнены из монокристаллического кремния, при этом оптические силы менисков выбраны из условий: (0.62<₁<0.66), (0.16<₂<0.20), (0.18<₃<0.22), (0.35<₄<0.39), (0.30<₅<0.34), где ₁-₅ - оптические силы первого - пятого менисков, соответственно, расстояние по оси объектива между соседними оптическими элементами найдено равным D·f, где D - коэффициент, f - фокусное расстояние объектива, при этом коэффициент D_1-2 , определяющий расстояние между первым и вторым менисками, выбран из условия (5,0<D_1-2<6,0), коэффициент D _2-3 - между вторым и третьим менисками - из условия (0,15<D _2-3<0,25), коэффициент D_3-4 - между третьим и четвертым менисками - из условия (0,85<D_3-4<0,95), коэффициент D_4-5 - между четвертым и пятым менисками - из условия (0,1<D_4-5<0,2), коэффициент D _5-AД - между пятым мениском и апертурной диафрагмой - из условия (1,3<D_5-АД<1,5), диаметр ₂ второго мениска выбран из условия (3,5<₂<4,0), где - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства, причем ₁<₂, где ₁ - диаметр входного мениска, а положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива. 1 з.п. 1 илл.

Настоящая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в обзорных системах наблюдения, работающих с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), преимущественно охлаждаемыми, в «окне прозрачности» атмосферы в инфракрасном диапазоне оптического спектра.

Известно, что эффективность объектива определяется набором параметров, включающих светосилу, величину угла поля зрения, значение функции передачи модуляции (ФПМ), положение входного и выходного зрачков, наличие фоновых засветок. Совокупность этих характеристик определяет качество получаемого изображения.

Известен светосильный широкоугольный линзовый объектив для дальней ИК области спектра в диапазоне от 8,0 до 14,0 мкм. [Пат. США 5502592, МПК G02B 13/14, G02B 13/06, G02B 9/62, публ. 26.03.1996], включающий группу оптических элементов из четырех менисков и апертурную диафрагму, расположенную после четвертого мениска. Входной мениск формирует излучение в угле поля зрения равном 270°, а последующие оптические элементы обеспечивают фокусирование потока излучения и минимизацию аберраций. К его основным недостаткам следует отнести невысокое качество изображения объекта, при котором сильно искажены его геометрические пропорции, в особенности, по краю поля зрения. У него большой диаметр и масса.

Известен выбранный нами в качестве прототипа светосильный широкоугольный линзовый объектив для инфракрасной области спектра [Пат. RU, 2385475 (вар.1), МПК G02B 13/14, G02B 9/60, приор. 07.08.2008]. Объектив содержит пять оптических элементов, выполненных из германия, первый и пятый по ходу лучей - отрицательные мениски, второй, третий и четвертый - линзы, первый мениск обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов и обеспечивает угол поля зрения 150°, пятый мениск обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а апертурная диафрагма размещена в воздушном промежутке между пятым мениском и плоскостью изображений. Этот объектив рассчитан на работу в дальнем инфракрасном диапазоне от 8,0 до 14,0 мкм. К основным недостаткам относится низкое качество изображения и его неравномерность по полю зрения, вызванные большими хроматическими аберрациями и влиянием фоновых засветок от корпуса, а также повышенные габариты, - его длина превышает фокусное расстояние в 22 раза.

Предложенный нами светосильный широкоугольный линзовый объектив работает в ИК области спектра в пределах от 2,0 до 6,0 мкм, обеспечивает высокое качество изображения и равномерность по полю зрения в угле ±40°, имеет малые габариты и массу.

Авторам не известны светосильные широкоугольные линзовые объективы для ИК области спектра в диапазоне от 2,0 до 6,0 мкм, в которых были бы реализованы указанные признаки. Полезная модель основана на установленной заявителями зависимости между оптическими силами, взаимным расположением оптических элементов, их габаритами и формой с одной стороны и качеством изображения при заданном соотношении характеристик МФПУ и диаметра объектива, - с другой.

Такой технический результат получен нами, когда в светосильном широкоугольном линзовом объективе для ИК области спектра, включающем апертурную диафрагму и пять оптических элементов, преломляющие поверхности которых выполнены сферическими, где первый, второй, третий и пятый элементы по ходу лучей - мениски, первый обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между пятым мениском и фокальной плоскостью, а первый и четвертый элементы выполнены из германия, новым является то, что четвертый оптический элемент также выполнен в форме мениска, второй мениск выполнен с наибольшим диаметром, второй, четвертый и пятый мениски обращены вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий - выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй, третий и пятый мениски выполнены из монокристаллического кремния, при этом оптические силы менисков выбраны из условий: (0.62<₁<0.66), (0.16<₂<0.20), (0.18<₃<0.22), (0.35<₄<0.39), (0.30<₅<0.34), где ₁-₅ - оптические силы первого - пятого менисков, соответственно, расстояние по оси объектива между соседними оптическими элементами найдено равным D·f, где D - коэффициент, f - фокусное расстояние объектива, при этом коэффициент D_1-2 , определяющий расстояние между первым и вторым менисками, выбран из условия (5,0<D_1-2<6,0), коэффициент D _2-3 - между вторым и третьим менисками - из условия (0,15<D _2-3<0,25), коэффициент D_3-4 - между третьим и четвертым менисками - из условия (0,85<D_3-4<0,95), коэффициент D_4-5 - между четвертым и пятым менисками - из условия (0,1<D_4-5<0,2), коэффициент D _5-АД - между пятым мениском и апертурной диафрагмой - из условия (1,3<D_5-АД<1,5), диаметр ₂ второго мениска выбран из условия (3,5<₂<4,0), где - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства, причем ₁<₂, где ₁ - диаметр входного мениска, а положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива.

Если используют охлаждаемое МФПУ для минимизации фоновых засветок, то апертурную диафрагму выполняют с возможностью захолаживания (п.2 Формулы).

Подходы к расчету характеристик оптических элементов: оптических сил, формы, габаритов и расстояний между ними на основе выбранной оптической схемы и параметров МФПУ - известны [1, 2].

На фиг. представлена оптическая схема предложенного устройства, где первый по ходу лучей мениск - 1, второй мениск - 2, третий мениск - 3, четвертый мениск - 4, пятый мениск - 5;

АД - апертурная диафрагма, F¹ - фокальная плоскость;

- ход лучей, - знак оптического материала.

Объектив работает следующим образом.

Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки объекта наблюдения проходит последовательно мениски 1-5 объектива и фокусируется в плоскости матричного фото приемного устройства (МФПУ). Объектив функционально построен из двух частей: первой - в виде отрицательного мениска 1, собирающего наклонные пучки в пределах ±40° относительно оси объектива и направляющего их во вторую функциональную часть, которая состоит из четырех оптических элементов, где первый и второй положительные мениски работают совместно и преобразуют расходящийся после первого мениска осевой поток излучения в сходящийся с одновременной коррекцией сферической и хроматической аберраций. Третий отрицательный и четвертый положительный мениски второй части, с практически одинаковыми оптическими силами создают в паре афокальный компенсатор аберраций широких наклонных потоков излучения. Найденные формы всех менисков, их габариты и взаимное расположение обеспечивают минимизацию всех типов искажений изображения применительно к выбранному спектральному диапазону и полю зрения, а также фокусирование излучения так, что размер пятна рассеяния в фокальной плоскости соразмерен величине пикселя МФПУ. Выбор конструкции, в которой диаметр первого мениска меньше габаритов второго мениска, способствует эффективному решению поставленной задачи согласования качества изображения с возможностями МФПУ при минимальном количестве оптических элементов. Если используют охлаждаемое МФПУ, применяют захолаживание апертурной диафрагмы, что обеспечивает устранение фоновых засветок от корпуса объектива, способствует повышению светосилы и контраста изображения (см. п.2 Формулы)

Пример конкретного исполнения.

Из характеристик МФПУ определяют исходные требования к величине угла поля зрения, светосиле, габаритным размерам объектива и качеству изображения. По выявленной зависимости между оптическими характеристиками и формой оптических элементов выбирают принципиальную оптическую схему объектива и производят оптический расчет. Параметры светосильного широкоугольного объектива для ИК области спектра, нормированные на значение фокусного расстояния равного 1, приведены в таблице 1. Исходя из заданного угла поля зрения, определяемого параметрами системы наблюдения не более 80° и линейного размера МФПУ равного 11.52 мм по диагонали, величина фокусного расстояния объектива составила 8,5 мм. Для заданной светосилы объектива было выбрано положение апертурной диафрагмы относительно МФПУ и определен ее диаметр, в 14,0 мм, после чего определен диаметр входного зрачка в 5.63 мм, как изображение апертурной диафрагмы диаметром 14 мм в обратном ходе лучей через предшествующие части объектива. Используя приведенные в таблице 1 значения, методом последовательных приближений осуществляют стандартную оптимизацию, например, по методу наименьших квадратов, входящую в состав всех программ для оптических расчетов. В результате получают точные величины оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей, толщин для первого мениска и второй группы оптических элементов, включающей второй, третий, четвертый и пятый мениски, а также промежутков между ними. По ходу прохождения осевого и наклонных пучков лучей последовательно определяют диаметры менисков объектива. Все перечисленные характеристики объектива для выбранного МФПУ приведены в таблицах 2 и 3. Длина объектива от входной поверхности до фокальной плоскости составляет 101,9 мм, то есть 12,0 фокусных расстояний, наибольший диаметр 42,2 мм, масса 48 г. Например, у объектива-прототипа длина 197,5 мм, диаметр 92,3 мм, масса 252 г.

Таблица 4 иллюстрируют качественные характеристики изображения, полученного с использованием объектива с вышеназванными параметрами, где показаны функции передачи модуляции в зависимости от угла поля зрения со в меридиональном и саггитальном сечениях в сравнении с дифракционным разрешением, где в=22°37' - угол поля зрения матрицы по вертикали, г=31°12' - по горизонтали, д=39°11' - по диагонали.

Достоинством заявленного объектива являются высокое качество изображения и его равномерность по полю, малые габариты и масса, при высокой светосиле и большом угле поле зрения, возможность совмещения параметров с конкретными МФПУ работающими в среднем ИК спектральном диапазоне.

Таблица 1
Номер мениска на фиг.	Оптическая сила мениска	Коэффициент D для расчета расстояния между менисками по оси	Диаметр оптических элементов, мм
1	-0.637	5.42	2.69
2	0.179	0.21	4.94
3	0.202	0.88	4.25
4	-0.370	0.16	3.59
5	0.318	0.58	3.73
Таблица 2.
Фокусное расстояние f', мм	8.50
Относительное отверстие	1:1.51
Угловое поле зрения по горизонтали, град.	62°24'
Диаметр входного зрачка, мм	5.63
Линейный размер приемника по горизонтали, мм	9.216
Угловое поле зрения по вертикали, град.	45°14'
Линейный размер приемника по вертикали, мм	6.912
Угловое поле зрения по диагонали, мм.	78°22'
Линейный размер приемника по диагонали, мм.	11.52
Спектральный диапазон, мкм.	3.5÷5.5
Диаметр апертурной диафрагмы, мм	14.0
Расстояние между пятым мениском и МФПУ, мм	20
Точность установки МФПУ, мм	±0,002

Таблица 3
на фиг	номер поверхности	радиус кривизны, мм	диаметр , мм	толщина мм	расстояние по оси, мм	материал
1 мениск	1	20.89	22.9	2.6	D1-2·f=46.1	германий
2	12.472	18.4
2 мениск	3	-55.08	40.3	5	D2-3·f=1.8	кремний
4	-39.63	42.2
3 мениск	5	50.59	36.2	4.3	D3-4·f=7.5	кремний
6	94.41	34.5
4 мениск	7	-37.14	29.2	2.7	D4-5·f=1.4	германий
8	-84.34	30.8
5 мениск	9	-116.15	31.3	4.3	D5-AД·f=10.53	кремний
10	-42.675	32.0
таблица 4.
линейное разрешение, мм-1	Теоретич. дифракция	=0°	в=22°37'	г=31°12'	д=39°11'
мер.	саг.	мер.	саг.	мер.	саг.
5	0.97	0.95	0.79	0.95	0.69	0.94	0.72	0.86
10	0.91	0.91	0.52	0.89	0.41	0.85	0.50	0.59
15	0.87	0.86	0.35	0.83	0.25	0.74	0.34	0.32
20	0.83	0.81	0.25	0.76	0.17	0.64	0.22	0.18
25	0.78	0.77	0.18	0.71	0.14	0.53	0.15	0.13
30	0.74	0.72	0.14	0.65	0.11	0.44	0.11	0.10
35	0.70	0.68	0.12	0.60	0.09	0.36	0.09	0.08
40	0.66	0.64	0.09	0.55	0.07	0.29	0.07	0.06

Литература:

1. Г.Г.Слюсарев. Расчет оптических систем. Л. Машиностроение, 1975 г., стр.206-291.

2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. - М.: Логос, 2004 г. - 444 с.

1. Светосильный широкоугольный линзовый объектив для инфракрасной области спектра, включающий апертурную диафрагму и пять оптических элементов, преломляющие поверхности которых выполнены сферическими, где первый, второй, третий и пятый элементы по ходу лучей - мениски, первый обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов, апертурная диафрагма размещена между пятым мениском и фокальной плоскостью, а первый и четвертый элементы выполнены из германия, отличающийся тем, что четвертый оптический элемент также выполнен в форме мениска, второй мениск выполнен с наибольшим диаметром, второй, четвертый и пятый мениски обращены вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий - выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй, третий и пятый мениски выполнены из монокристаллического кремния, при этом оптические силы менисков выбраны из условий: (0,62<₁<0,66), (0,16<₂<0,20), (0,18<₃<0,22), (0,35<₄<0,39), (0,30<₅<0,34), где ₁-₅ - оптические силы первого-пятого менисков, соответственно, расстояние по оси объектива между соседними оптическими элементами найдено равным D·f, где D - коэффициент, f - фокусное расстояние объектива, при этом коэффициент D_1-2 , определяющий расстояние между первым и вторым менисками, выбран из условия (5,0<D_1-2<6,0), коэффициент D _2-3 - между вторым и третьим менисками - из условия (0,15<D _2-3<0,25), коэффициент D_3-4 - между третьим и четвертым менисками - из условия (0,85<D_3-4<0,95), коэффициент D_4-5 - между четвертым и пятым менисками - из условия (0,1<D_4-5<0,2), коэффициент D _5-АД - между пятым мениском и апертурной диафрагмой - из условия (1,3<D_5-АД<1,5), диаметр ₂ второго мениска выбран из условия (3,5<₂<4,0), где - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства, причем ₁<₂, где ₁ - диаметр входного мениска, а положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что апертурная диафрагма выполнена с возможностью захолаживания.