Устройство для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра

Использование: в области оптического приборостроения в тепловизионных наблюдательных приборах, приемники которых чувствительны в ИК-диапазоне спектра (8-12 мкм). Задача: расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения его работоспособности для приемников различной конфигурации, а также увеличение относительного отверстия до 1:1 и больше, расширение углового поля при сохранении высокого качества изображения. Сущность: в устройстве для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра, содержащем корпус, в котором подвижно установлена оправа с объективом, включающим два мениска, атермализованный узел, закрепленный на корпусе, и одним из концов - на оправе с объективом, и выполненный в виде стержней из материала с малым коэффициентом расширения, объектив дополнен третьим мениском, первый из которых выполнен отрицательным, обращенным вогнутой поверхностью к объекту, второй и третий - с положительными оптическими силами, обращенными выпуклыми поверхностями к объекту, третий мениск установлен на расстоянии d от второго, при этом выполняются следующие соотношения:

-0,2<_I/экв<-0,15

0,6<_II/экв<0,7

0,9<_III/экв<1,1

0,4<_I,II/экв<0,6

0,8d_экв0,9,

где _I, _II, _III, - оптические силы I, II, III менисков,

_I,II - оптическая сила компонента, состоящего из I и II менисков,

_экв. - оптическая сила объектива.

Кроме того, устройство дополнено приемником, при этом оправа с объективом и приемник соединены с концами стержней атермализованного узла с помощью элементов крепления, длины которых l ₁ и l₂ выбирается из условия:

-dn/[_экв(n-1)₀]=l₁+l ₂+d-l₃₁,

где dn - изменения показателя преломления материала линз объектива от изменения температуры,

n - показатель преломления материала линз объектива,

l₁ - длина элемента крепления, с помощью которого оправа с объективом соединена со стержнями атермализованного узла;

l₂ - длина элемента крепления, с помощью которого приемник соединен со стержнями атермализованного узла;

l₃ - длина стержней атермализованного узла;

₀ - коэффициент линейного расширения материала элементов крепления;

₁ - коэффициент линейного расширения материала стержней атермализованного узла.

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасном (ИК)-диапазоне спектра.

В настоящее время большая часть существующих наблюдательных ИК- оптических приборов проектируется для работы в диапазонах 3-5 мкм и 8-12 мкм, соответствующих «окнам» прозрачности атмосферной влаги и самоизлучению от источника наблюдения. При этом, системы, работающие в области 8-12 мкм обладают тем преимуществом, что позволяют наблюдать собственное ИК-излучение всех объектов, температура которых отлична от 0°К, что позволяет им регистрировать сигналы от очень удаленных объектов.

До недавнего времени основным недостатком систем, работающих в дальнем ИК-диапазоне, было несовершенство приемников, требующих применения специальных мер защиты от паразитной засветки, главным образом, глубокого охлаждения окружающих механических деталей. При этом оптическая система объектива должна была иметь выходной зрачок, вынесенный в пространство изображений для совмещения его с входным окном криостата [1]. Однако, с появлением болометрических приемников [2], необходимость в этих мерах отпала, и, следовательно, появилась возможность значительно упростить конструкцию как всего прибора, так и объектива.

В связи с ограниченностью количества оптических материалов, прозрачных в области 8-12 мкм, линзы ИК-объективов обычно

изготавливаются из монокристаллического германия, который отличается большим показателем преломления (n4) и высокой стоимостью. Поэтому, при проектировании оптических систем из германия необходимо минимизировать в них число оптических деталей в целях снижения потерь на отражение от поверхностей и цены изделия. При этом, такие объективы должны обладать большой светосилой, поскольку они, как правило, служат для обнаружения далеких объектов.

Исходя из указанных соображений, многие современные оптические ИК системы имеют относительно простую конструкцию, включающую 2-3 линзы при значительной светосиле (диафрагменное число менее 1). При этом, для достижения удовлетворительного качества изображения используются асферические поверхности, в т.ч. высших порядков, что приводит к повышению стоимости таких систем [3, 4]. В объективах, по тем или иным причинам не имеющим асферических линз, в целях обеспечения требуемого уровня качества изображения обычно приходится идти на значительное снижение светосилы и углового поля, например [5]. В этой связи все актуальнее становиться задача создания устройства с объективом [6] для ИК системы, который обеспечивал бы требуемое качество изображения, светосилу и величину полевого угла без использования сложных асферических поверхностей и при умеренном числе оптических деталей.

Другой важной проблемой создания ИК объективов с использованием германия является значительное изменение его показателя преломления от температуры. Это вызывает дефокусировку dS', равную

dS'=f'·dn/(n-1),

где f' - фокусное расстояние объектива; dn - изменение показателя преломления n при изменении температуры на T.

Например, для германия n=4, dn=0,025 при изменении температуры от Т=20°С до Т=-40°С и при f'=40 мм dS'=0,33 мм.

Такая дефокусировка приводит к полной потере качества изображения и для ее компенсации необходимы специальные устройства температурной компенсации.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство температурной компенсации для оптического прибора [7], содержащее корпус, в котором подвижно установлена оправа с объективом, включающим два мениска, атермализованный узел, одним концом закрепленный на корпусе, а другим - на оправе.

Атермализованный узел выполнен в виде стержней и обеспечивает перемещение оправы относительно корпуса при изменении температуры.

На атермализованном узле и корпусе или оправе выполнены ответные части, соответственно упруго сопрягающиеся друг с другом, что позволяет устранить зазоры между соединяемыми частями.

К недостаткам известного устройства можно отнести его ограниченные возможности, так как термостатированным выполнен только объектив (оптический прибор), это обозначает, что положение плоскости изображения стабильно относительно корпуса объектива и при этом данная конструкция предназначена только для конкретного приемника, плоскость изображения которого совмещена с плоскостью установки.

Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения его работоспособности для приемников различной конфигурации, а также увеличение относительного отверстия до 1:1 и больше, расширение углового поля при сохранении высокого качества изображения.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра, которое, как и прототип, содержит корпус, в котором подвижно установлена оправа с объективом, включающим два мениска, атермализованный узел, закрепленный на

корпусе, и одним из концов - на оправе с объективом, и выполненный в виде стержней из материала с малым коэффициентом расширения (₁).

В отличие от прототипа объектив дополнен третьим мениском, первый из которых выполнен отрицательным, обращенным вогнутой поверхностью к объекту, второй и третий - с положительными оптическими силами, обращенными выпуклыми поверхностями к объекту, третий мениск установлен на расстоянии d от второго, при этом выполняются следующие соотношения:

-0,2<_I/экв<-0,15

0,6<_II/экв<0,7

0,9<_III/экв<1,1

0,4<_I,II/экв<0,6

0,8d_экв0,9,

где _I, _II, _III, - оптические силы I, II, III менисков,

_I,II - оптическая сила компонента, состоящего из I и II менисков,

_экв. - оптическая сила объектива.

Кроме того, устройство дополнено приемником, при этом оправа с объективом и приемник соединены с концами стержней атермализованного узла с помощью элементов крепления, длины которых l ₁ и l₂ выбирается из условия:

-dn/[_экв(n-1)₀]=l₁+l ₂+d-l₃₁,

где dn - изменение показателя преломления материала линз объектива от изменения температуры,

n - показатель преломления материала линз объектива,

l₁ - длина элемента крепления, с помощью которого оправа с объективом соединена со стержнями атермализованного узла;

l₂ - длина элемента крепления, с помощью которого приемник соединен со стержнями атермализованного узла;

l₃ - длина стержней атермализованного узла;

₀ - коэффициент линейного расширения материала элементов крепления;

₁ - коэффициент линейного расширения материала стержней атермализованного узла.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря предлагаемой схеме выполнения объектива, первый, второй и третий мениски действуют как единый коррекционно-силовой элемент, одновременно позволяющий расширить угловое поле по меньшей мере в 1,4 раза и скомпенсировать аберрации высших порядков широких пучков при повышении относительного отверстия до 1:1.

При этом, первый мениск объектива, являясь отрицательным, ориентирован вогнутой поверхностью к предмету, благодаря чему компенсируется несимметричность внеосевых пучков относительно главных лучей при одновременном увеличении углового поля.

Другим достоинством предложенной схемы является то, что, несмотря на значительное увеличение выходной апертуры, величина заднего отрезка в ней составляет не менее 0,35f'.

Таким образом, предлагаемое устройство для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра с объективом, работающим с относительным отверстием 1:1 и угловым полем 25°, и обеспечивающим высокое качество изображения, и атермализованным узлом, обеспечивает полную компенсацию дефокусировки в диапазоне температур -15° ÷ +50°.

Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид устройства для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра; на фиг.2 - оптическая схема объектива и Приложением, где приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.

Предлагаемое устройство для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра содержит корпус 1, в котором подвижно установлена оправа 2 с объективом 3, атермализованный узел 4, закрепленный на корпусе 1, и одним из концов - на оправе 2 с объективом 3.

Атермализованный узел 4 выполнен в виде стержней из материала с малым коэффициентом расширения (₁).

Объектив 3 состоит из трех менисков 5, 6 и 7, первый из которых мениск 6 выполнен отрицательным, обращенным вогнутой поверхностью к объекту, второй мениск 6 и третий мениск 7 - с положительными оптическими силами, обращенными выпуклыми поверхностями к объекту, третий мениск 7 установлен на расстоянии d от второго мениска 6, при этом выполняются следующие соотношения:

-0,2<_I/экв<-0,15

0,6<_II/экв<0,7

0,9<_III/экв<1,1

0,4<_1,II/экв<0,6

0,8d_экв0,9,

где _I, _II, _III, - оптические силы I, II, III менисков,

_1,II - оптическая сила компонента, состоящего из I и II менисков,

_экв. - оптическая сила объектива.

Устройство дополнено приемником 8, при этом оправа 2 с объективом 3 и приемник 8 соединены с концами стержней атермализованного узла 4 с помощью элементов крепления 9 и 10, длины которых l ₁ и l₂ выбирается из условия:

-dn/[_экв(n-1)₀]=l₁+l ₂+d-l₃₁,

где dn - изменение показателя преломления материала линз объектива от изменения температуры,

n - показатель преломления материала линз объектива,

l₁ - длина элемента крепления 9, с помощью которого оправа 2 с объективом 3 соединена со стержнями атермализованного узла 4;

l₂ - длина элемента крепления 10, с помощью которого приемник 8 соединен со стержнями атермализованного узла 4;

l₃ - длина стержней атермализованного узла 4;

₀ - коэффициент линейного расширения материала элементов крепления 9 и 10;

₁ - коэффициент линейного расширения материала стержней атермализованного узла 4.

Предлагаемое устройство для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра работает следующим образом.

Мениски 5 и 6 положительной оптической силы, формируют изображение в промежуточной плоскости, расположенной за фокальной плоскостью объектива 3, свободное от аберраций низших порядков для осевой точки. Мениск 7 положительной оптической силы перепроектирует промежуточное изображение в фокальную плоскость объектива и минимизирует кому внеосевых точек и дополнительно оказывает корректирующее воздействие в области высших порядков сферической аберрации, а также кривизны изображения.

При изменении температуры, например, на T, фокальная плоскость смещается на - dS'. Оправа 2 с объективом 3 смещаются вправо к фокальной плоскости на величину l₁, определяемой длиной элемента крепления 9 - l₁:

l₁=l₁·₀T,

при этом стержни атермализованного узла 4 практически не меняются по длине, т.к. они выполнены из материала с линейным коэффициентом расширения ₁<₀.

С другой стороны приемник 8 смещается влево в сторону к объективу 3 на величину l₂, определяемой длиной элемента крепления 10 приемника 8:

l₂₌l₂·₀T.

Таким образом элементы крепления 9 и 10 обеспечивают часть компенсации дефокусировки dS', равную l₁+l₂.

Выбранный промежуток d между менисками 6 и 7 помимо коррекции полевых аберраций астигматизма и комы, обеспечивает дополнительное смещение фокальной плоскости на

d₌d·₀T,

Таким образом, благодаря тому, что при изменении температуры на +T, фокальная плоскость смещается на - dS', предлагаемое устройство для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра позволяет скомпенсировать дефокусировку и обеспечить хорошее качество изображения при широких перепадах температур.

В Приложении 1 приведен объектив со следующими параметрами:

_I=-0,18

_II=0,65

_III=0,94

_I,II=0,53

d_экв=0,85

Объектив обеспечивает угловое поле 25° относительное отверстие 1:1.07, f' _экв=42,8 мм.

Качество изображения: на частоте 10 лин/мм, контраст не менее 0,6 по всему полю изображения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Орлов В.А., Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. М. Военное изд., 1989.

2. Маляров В.Г. Неохлаждаемые тепловые инфракрасные матрицы. Оптический журнал. 2002. Т 69. №10. С.60-72.

3. США, патент №6292293, МПК: G 02 B 1/00 от 18.09.2001

4. США, патент №6236501, МПК: G 02 B 1/00 от 22.05.2002

5. Российская Федерация, патент №2187135, МПК: G 02 B 13/34 от 10.08.2002

6. Российская Федерация, патент №2183340, МПК: G 02 B 13/34 от 10.06.2002

7. США, патент №6631040, МПК: G 02 B 7/02 от 08.05.2002 - прототип.

Устройство для формирования и температурной компенсации изображения в инфракрасной области спектра, содержащее корпус, в котором подвижно установлена оправа с объективом, включающим два мениска, атермализованный узел, закрепленный на корпусе, и одним из концов - на оправе с объективом, и выполненный в виде стержней из материала с малым коэффициентом расширения, отличающееся тем, что объектив дополнен третьим мениском, первый из которых выполнен отрицательным, обращенным вогнутой поверхностью к объекту, второй и третий - с положительными оптическими силами, обращенными выпуклыми поверхностями к объекту, третий мениск установлен на расстоянии d от второго, при этом выполняются следующие соотношения:

-0,2<_I/экв<-0,15

0,6<_II/экв<0,7

0,9<_III/экв<1,1

0,4<_I,II/экв<0,6

0,8d_экв0,9,

где _I, _II, _III, - оптические силы I, II, III менисков;

_I,II - оптическая сила компонента, состоящего из I и II менисков;

_экв - оптическая сила объектива, кроме того, устройство дополнено приемником, при этом оправа с объективом и приемник соединены с концами стержней атермализованного узла с помощью элементов крепления, длины которых l ₁ и l₂ выбирается из условия:

-dn/[_экв(n-1)₀]=l₁+l ₂+d-l₃₁,

где dn - изменения показателя преломления материала линз объектива от изменения температуры;

n - показатель преломления материала линз объектива;

l₁ - длина элемента крепления, с помощью которого оправа с объективом соединена со стержнями атермализованного узла;

l₂ - длина элемента крепления, с помощью которого приемник соединен со стержнями атермализованного узла;

l₃ - длина стержней атермализованного узла;

₀ - коэффициент линейного расширения материала элементов крепления;

₁ - коэффициент линейного расширения материала стержней атермализованного узла.