Светосильный широкоугольный объектив для инфракрасной области спектра

Использование: в области оптического приборостроения, а именно в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной (ИК) области спектра, в частности в диапазоне спектра 8-14 мкм. Задача: увеличение углового поля и заднего отрезка, а также обеспечение высокого качества изображения при сверхвысоком относительном отверстии. Сущность: в светосильном широкоугольном объективе для инфракрасной области спектра, состоящем из первой линзовой группы I, выполненной из мениска с оптической силой _I,1 с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, мениска с оптической силой _I,2 с вогнутой поверхностью, обращенной к предмету, и второй линзовой группы II с положительной оптической силой _II, выполненной из двух менисков с положительными оптическими силами, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, оптическая сила мениска _I,1 выполнена отрицательной, а оптическая сила мениска _I,2 - положительной, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

где d₁ - расстояние между первым и вторым менисками линзовой группы I; d ₂ - расстояние между линзовыми группами I и II; _ЭКВ - эквивалентные оптические силы объектива. Кроме того, в объективе мениск с оптической силой _I,2 линзовой группы I выполнен с асферической поверхностью. Первая линзовая группа I дополнена мениском с отрицательной оптической силой _I,2,2 с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, при этом оптические силы менисков удовлетворяют условию: где _I,2,1, _I,2,2 - оптические силы положительного I, 2, 1 и отрицательного II, 2, 2 менисков. 1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 2 илл.

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

Тепловизионные приборы, работающие в области спектра 8-14 мкм, позволяют наблюдать объекты, которые сами являются источниками излучения в диапазоне температур ±50°С, что соответствует излучению в диапазоне спектра 8-14 мкм.

К объективам, работающим в ИК диапазоне, предъявляются следующие требования:

1. Относительное отверстие 1:D¹/D, составляющее от 1:0.75 до 0,9.

Это требование обусловлено тем, что спектральная яркость излучающих объектов низка, и чувствительность используемых современных приемников (например, болометрических матриц) - мала.

2. Большое угловое поле 2>25°.

Высокое, близкое к дифракционному, качество изображения. Это требование обусловлено тем, что используются высокоразрешающие матрицы с размером элемента Q=25 мкм. Для таких матриц для объектива требуется контраст изображения более 60% по всему полю на частоте, =1/2а=20 лин/мм.

3. Наряду с оптическими параметрами, к объективу предъявляются габаритные требования: задний отрезок - расстояние от последней поверхности, без учета стрелки прогиба, до матрицы должен быть не менее 10 мм. Для широкоугольных объективов этот отрезок соизмерим со значением фокусного расстояния.

Создание оптической системы светосильного объектива для ИК тепловизионных приборов становится актуальной задачей.

Известны конструкции оптических объективов, содержащих 2-3 линзы. Относительное отверстие таких объективов менее 1:1, а угловые поля 2 достаточно малы [1, 2, 3, 4]. Современные болометрические приемники с размером пикселе 25×25 мкм и числом 240×320 имеют размер 6×8 мм (диагональ 10 мм). При фокусных расстояниях f'>20 мм угловой размер поля 2>25°.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный ИК объектив [5], состоящий из четырех менисковых линз, сформированных в две группы.

Первая линзовая группа I выполнена из мениска с оптической силой _I,1 с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, мениска с оптической силой _I,2 с вогнутой поверхностью, обращенной к предмету, и второй линзовой группой II с положительной оптической силой _II, выполненной из двух менисков с положительными оптическими силами, обращенными выпуклыми поверхностями друг к другу.

К недостаткам указанного объектива можно отнести:

- малое угловое поле при незначительном заднем отрезке, меньшем 0,5 f', где f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение углового поля и заднего отрезка, а также обеспечение высокого качества изображения при сверхвысоком относительном отверстии.

Для решения поставленной задачи предлагается светосильный широкоугольный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, состоит из двух линзовых групп. Первая линзовая группа I выполнена из мениска с оптической силой _I,1 с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, мениска с оптической силой _1,2 с вогнутой

поверхностью, обращенной к предмету и второй линзовой группы II с положительной оптической силой _II, выполненной из двух менисков с положительными оптическими силами, обращенными выпуклыми поверхностями друг к другу.

В отличие от прототипа в предлагаемом объективе оптическая сила мениска _I,1 выполнена отрицательной, а оптическая сила мениска _I?2 - положительной, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

где d₁ - расстояние между первым и вторым менисками линзовой группы I;

d ₂ - расстояние между линзовыми группами I и II;

_ЭКВ - эквивалентные оптические силы объектива.

Кроме того, мениск с оптической силой _I,2 линзовой группы I выполнен с асферической поверхностью

Первая линзовая группа I дополнена мениском с отрицательной оптической силой _I,2,2 с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, при этом оптические силы менисков удовлетворяют условию:

где _I,2,1, _I,2,2 - оптические силы положительного I, 2, 1 и отрицательного II, 2, 2 менисков.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что полученные соотношения оптических сил линз позволили обеспечить коррекцию осевых и полевых аберраций. Это дало возможность увеличить относительное отверстие до 1:f/D=1:0,8, угловом поле до 60-65°, обеспечить задний отрезок S'>2f', при этом значение среднеквадратической волновой аберрации по всему полю RMS и значений контраста миры на частоте 20 лин/мм не менее 50-70% по всему полю.

При этом выбор оптических сил первой и второй линз I-ой линзовой группы и II-ой линзовой группы позволили скомпенсировать сферическую аберрацию третьего и высших порядков, а также кривизну поверхности изображения и кому.

Соотношение оптических сил линз I-ой линзовой группы позволили увеличить угловое поле до значений более 68 градусов.

Другим достоинством предложенного объектива является то, что соотношение оптических сил совместно с выбранными воздушными промежутками d₁ и d ₂ позволили увеличить задний фокальный отрезок до 2 f'.

Важность этого связана с тем, что при больших угловых полях 2>60° и заданном размере приемника, значение фокусного расстояния f' мало и равно:

, где - 0,5 размера приемника,

в то время, как задний отрезок S' должен быть не менее 10-12 мм, без учета стрелки прогиба линзы, из-за конструктивных особенностей приемника, требующего применение защитной заслонки перед чувствительной площадкой.

Для исправления аберраций высших порядков второй мениск первой линзовой группы выполнен с асферической поверхностью. Эта же задача может решаться не с помощью асферической поверхности, а путем введения в первую линзовую группу дополнительного мениска с

отрицательной оптической силой _I,2,2 с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, при этом его оптическая сила вместе с оптической силой _I,2,1 второго мениска первой линзовой группы составляют оптическую силу _1,2, удовлетворяющей условию:

а оптические силы _I,2,1, _I,2,2 связаны соотношением:

Таким образом, предлагаемый светосильный объектив для инфракрасной области спектра, состоящий из четырех линз с одной асферической поверхностью, либо из пяти сферических линз, выполненный из одного материала - германия, работает в диапазоне спектра 8-12,5 мкм и обеспечивает:

- относительное отверстие 1:0,8;

- угловое поле 2>63°;

- фокусное расстояние - 9 мм;

- задний отрезок S'_f'=2 f'=17 мм;

- дифракционно-ограниченное качество изображений:

в центре поля:

RMS=0,08

ФПМ (20 л/мм) - 0,57

На краю поля =31,5°;

RMS=0,09

ФПМ (20 л/мм) - 0,5/0,64.

Таким образом, предлагаемый объектив обеспечивает существенно лучшие параметры объектива (угловое поле, задний фокальный отрезок, относительное отверстие) при высоком качестве изображения.

Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - представлена четырехлинзовая оптическая схема объектива с асферической поверхностью, на фиг.2 - пятилинзовая оптическая схема

объектива из сферических поверхностей и Приложением I и II, в котором приведены конструктивные параметры объективов и оптические характеристики.

Светосильный широкоугольный объектив для инфракрасной области спектра состоит (фиг.1) из четырех менисковых линз 1, 2, 3 и 4 с асферической поверхностью 5 на второй линзе 2, первая из которых 1 выполнена отрицательной, обращенной выпуклостью к предмету.

Вторая линза 2 - положительная выполнена с вогнутой поверхностью, обращенной к предмету.

Третья 3 и четвертая 4 линзы выполнены с положительными оптическими силами и обращены выпуклостями друг к другу, кроме того, расстояние d₁ между первым и вторым менисками и d₂ - расстояние между вторым и третьим менисками - расстояние между линзовыми группами I и II определяются следующим соотношением:

На фиг.2 представлен объектив, состоящий из пяти менисковых линз 1, 2, 3, 4 и 6. Линза 1 выполнена отрицательной, обращенной выпуклостью к предмету.

Линза 2 - положительная с вогнутой поверхностью, обращенной вогнутостью к предмету, линза 6 выполнена отрицательной, линза 4 и линза 5 выполнены с положительными оптическими силами и обращены выпуклостями друг к другу, при этом выполняются условия:

Работа объектива осуществляется следующим образом.

Параллельный пучок излучения от удаленного объекта фокусируется в мнимом заднем фокусе первого отрицательного мениска 1, который расположен перед мениском, линзы 2, 3 и 4 переносят его в

плоскость изображения, совпадающую с задним фокусом F' всего объектива, с которым совмещаются приемник изображения.

В Приложении приведены объективы со следующими параметрами:

I четырехлинзовый	II пятилинзовый
(фиг.1)	(фиг.2)

Параметры объективов:

2=63°

f'_ЭКВ.=9.00

ФПМ (20 л/мм)=0,57

Таким образом, в предлагаемом объективе достигнуто большое угловое поле при высокой светосиле и значительный задний отрезок при высоком качестве изображения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. США. патент №6292293, МПК: G02В 1/00, 2001 г.

2. США. патент №6236501, МПК: G02В 1/00, 2002 г.

3. Российская Федерация, патент №2187135, МПК: G02В 13/34, 2002 г.

4. Российская Федерация, патент №2183340, МПК: G02В 13/34, 2002 г.

5. Япония, патент №7072385, МПК: G02В 13/34, 2003 г. - прототип.

1. Светосильный широкоугольный объектив для инфракрасной области спектра, состоящий из первой линзовой группы I, выполненной из мениска с оптической силой _I,1 с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, мениска с оптической силой _I,2 с вогнутой поверхностью, обращенной к предмету, и второй линзовой группы II с положительной оптической силой _II, выполненной из двух менисков с положительными оптическими силами, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, отличающийся тем, что оптическая сила мениска _I,1 выполнена отрицательной, а оптическая сила мениска _I,2 - положительной, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

где d₁ - расстояние между первым и вторым менисками линзовой группы I;

d ₂ - расстояние между линзовыми группами I и II;

_экв - эквивалентные оптические силы объектива.

2. Светосильный широкоугольный объектив для инфракрасной области спектра по п.1, отличающийся тем, что мениск с оптической силой _I,2 линзовой группы I выполнен с асферической поверхностью.

3. Светосильный широкоугольный объектив для инфракрасной области спектра по п.1, отличающийся тем, что первая линзовая группа I дополнена мениском с отрицательной оптической силой _I,2,2 с выпуклой поверхностью, обращенной к предмету, при этом оптические силы менисков удовлетворяют условию:

где _I,2,1,I,2,2 - оптические силы положительного I, 2, 1 и отрицательного II, 2, 2 менисков.