Инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив

Изобретение относится к объективам несканирующих тепловизионных приборов с неохлаждаемыми матричными приемниками. Объектив содержит первый положительный, второй отрицательный и третий положительный мениски. Первый и третий мениски обращены вогнутостью к плоскости изображений, второй - к пространству предметов. Все преломляющие поверхности выполнены сферическими. Длина от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений не превышает 1,8 фокусного расстояния объектива. Показатель преломления материала первого и третьего менисков для основной длины волны рабочего спектрального диапазона не менее 4,0, а второго мениска - не более 2,5. Выполняются указанные в формуле изобретения соотношения между оптическими силами менисков и объектива в целом, радиусами кривизны, толщиной второго мениска, расстоянием между первым и вторым менисками. Технический результат - повышение качества изображения в пределах всего углового поля при сохранении относительного отверстия, повышение концентрации энергии в пятне, соответствующем размерам пикселей матричных тепловизионных приемников для дальней инфракрасной области спектра. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам несканирующих тепловизионных приборов «смотрящего» типа, использующих для регистрации теплового изображения неохлаждаемые матричные приемники излучения, например микроболометры.

Известны инфракрасные светосильные объективы, работающие в дальней инфракрасной области 8-12 мкм, имеющие относительное отверстие 1:1,5 и выше, содержащие две, три и более линзы [Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. -444 с.]. Качество изображения объективов указывается для пространственной частоты 10 мм^-1: коэффициент передачи контраста составляет 0,68÷0,76 в центре поля и 0,54÷0,60 - на краю поля. Недостатком таких объективов является нетехнологичная конструкция, т.к. при относительном отверстии 1: 1 и более, например 1:0,7, объективы содержат асферические поверхности. Информация о качестве изображения объективов на более высоких частотах не приводится.

Так как современные матричные приемники дальнего инфракрасного диапазона спектра (8-14 мкм) имеют размер пикселя 0,025-0,035 мм, то для создания оптимального тепловизионного прибора необходимы объективы, обеспечивающие качество изображения, согласованное с размером пикселя приемника излучения, т.е. объектив должен обеспечивать высокое значение функции концентрации энергии в пятне, размер которого соответствует размеру пикселя.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив [Патент США №3363962, вариант, представленный на фиг.1 и в п.1 формулы этого патента]. Указанный объектив содержит последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, второй мениск и третий положительный мениск, при этом первый и третий мениски обращены вогнутостью к плоскости изображений, второй - к пространству предметов, все преломляющие поверхности выполнены сферическими. Длина вдоль оптической оси от первой поверхности объектива до плоскости изображений составляет 1,7 фокусного расстояния объектива. Показатель преломления для основной длины волны (10 мкм) рабочего спектрального диапазона материала первого и третьего положительных менисков не менее 4,0, а второй - не более 2,5.

Основным недостатком прототипа является низкое качество изображения, неприемлемое для работы совместно с современными матричными тепловизионными приемниками излучения, рабочий спектральный диапазон чувствительности которых соответствует дальней инфракрасной области спектра.

В инфракрасном светосильном трехлинзовом объективе [Патент США №3363962] конструктивные параметры объектива приведены для нормированного фокусного расстояния, равного 1. Отношения оптических сил компонентов к оптической силе всего объектива составляют: 0,71; 0,02; 0,98. Расстояние d₂ вдоль оптической оси между первым и вторым менисками составляет 0,43 от фокусного расстояния всего объектива. Отношение радиуса кривизны r₃ третьей по ходу лучей преломляющей поверхности (первая поверхность второго мениска) к радиусу кривизны r₄ четвертой преломляющей поверхности (вторая поверхность второго мениска) r₃/r₄ равно 0,93. Отношение (r₃-r₄)/d₃ равно 0,413 (здесь d₃ - толщина по оптической оси второго мениска). Объектив имеет относительное отверстие до 1:0,75, угловое поле 12°, фокусное расстояние 76 мм. Отношения радиусов кривизны преломляющих поверхностей к радиусу кривизны последней поверхности равны: 2,11; 3,23; -1,55; -1,67; 0,92; 1. Расчет этого объектива при фокусном расстоянии 76 мм показывает, что концентрация энергии в 70% достигается только в пятне радиусом 0,045 мм, что неприемлемо для работы совместно с современными матричными тепловизионными приемниками излучения.

Предлагаемый инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив решает задачу повышения качества изображения в пределах всего углового поля при сохранении относительного отверстия объектива, а именно: повышение функции концентрации энергии (ФКЭ) в пятне, соответствующем размерам пикселей современных матричных тепловизионных приемников излучения, рабочий спектальный диапазон чувствительности которых соответствует дальней инфракрасной области спектра.

Для решения указанной задачи необходимо найти такое сочетание оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и расстояний между менисками, при котором одновременно удовлетворяется совокупность требований: корригируются первичные аберрации широких пучков лучей (сферическая, кома), полевые аберрации (астигматизм, кривизна изображения, дисторсия), хроматические аберрации до величин, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, сопоставимый с размером дифракционного пятна и размера пикселя приемника излучения, при сохранении относительного отверстия объектива не хуже 1:0,75 и углового поля не менее 12°.

Предложен инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив, содержащий последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, второй мениск и третий положительный мениск. Первый и третий мениски обращены вогнутостью к плоскости изображений, второй - к пространству предметов. Все преломляющие поверхности выполнены сферическими. Длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений не превышает 1,8 фокусного расстояния объектива. Показатель преломления материала первого и третьего положительных менисков для основной длины волны рабочего спектрального диапазона не менее 4,0, а второго мениска - не более 2,5. Второй мениск выполнен отрицательным. В объективе имеют место следующие соотношения:

где Ф₁, Ф₂, Ф₃, Ф - оптические силы соответственно первого, второго, третьего менисков и объектива в целом;

r₃, r₄ - радиусы кривизны третьей и четвертой по ходу лучей преломляющих поверхностей;

d₃ - толщина по оптической оси второго мениска;

d₂ - расстояние вдоль оптической оси между первым и вторым менисками;

f' - фокусное расстояние объектива.

Предлагаемый инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив позволяет повысить качество изображения в пределах всего углового поля при сохранении относительного отверстия объектива: повысить значения ФКЭ в пятне, соответствующем размерам пикселей современных матричных тепловизионных приемников излучения, рабочий спектальный диапазон чувствительности которых соответствует дальней инфракрасной области спектра.

Повышение качества изображения в инфракрасном светосильном трехлинзовом объективе достигается новой совокупностью отличительных признаков:

- выполнением второго мениска с отрицательной оптической силой;

- соблюдением в объективе соотношений (1).

Выполнение в инфракрасном светосильном трехлинзовом объективе второго мениска с отрицательной оптической силой позволяет корригировать хроматизм положения, что является необходимым условием достижения высокого качества изображения.

Соблюдение указанных соотношений (1) позволяет осуществить распределение оптических сил менисков, форму менисков и их взаимное расположение таким образом, что при сохранении относительного отверстия объектива не хуже 1:0,75 и углового поля не менее 12° остаточные аберрации (сферическая, кома, астигматизм, кривизна изображения, дисторсия, хроматические) формируют размер пятна рассеяния в плоскости приемника, сопоставимый с величиной дифракционного кружка рассеяния, что позволяет эффективно использовать современные тепловизионные матричные неохлаждаемые приемники излучения.

Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной заявителями зависимости между оптическими силами, формой, взаимным расположением линз в инфракрасном светосильном трехлинзовом объективе.

Авторам не известны инфракрасные светосильные трехлинзовые объективы, в которых были бы реализованы указанные признаки.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг.1 - Оптическая схема инфракрасного светосильного трехлинзового объектива;

Фиг.2 - Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) инфракрасного светосильного трехлинзового объектива;

Фиг.3 - ФКЭ инфракрасного светосильного трехлинзового объектива.

На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая схема инфракрасного светосильного трехлинзового объектива. Оптическая система содержит расположенные по ходу лучей 1, 2, 3 мениски. Положительный мениск 1 обращен вогнутостью к плоскости изображений. Отрицательный мениск 2 обращен вогнутостью к плоскости предметов. Положительный мениск 3 обращен вогнутостью к плоскости изображений. Мениски 1, 3 выполнены из германия (показатель преломления 4,003), мениск 2 - из селенида цинка (показатель преломления 2,406). Преломляющие поверхности всех менисков являются сферическими. В инфракрасном светосильном трехлинзовом объективе выполняются вышеприведенные соотношения (1).

На фиг.1 дополнительно показана плоскопараллельная пластинка 4, выполняющая роль защитного стекла тепловизионного приемника излучения.

Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленного объекта, проходя последовательно мениски 1, 2, 3 объектива и защитное стекло 4, фокусируется в плоскости приемника излучения.

В качестве конкретного примера исполнения в таблице 1 приведены конструктивные параметры оптической схемы инфракрасного светосильного трехлинзового объектива.

Таблица 1
Конструктивные параметры инфракрасного светосильного трехлинзового объектива
1	1	70,850	5,026	48,0	Ge
2	120,671	19,615	46,4
2	3	-49,209	5,457	35,5	ZnSe
4	-61,991	18,997	36,6
3	5	33,614	3,994	25,0	Ge
6	58,933	4,815	23,1
4	7	∞	1	15,0	Ge
8	∞	3,4	14,7

Позиция линз указана в соответствии с фиг.1; №пов. - номер преломляющей поверхности по ходу луча; R - радиус сферических преломляющих поверхностей; d - толщины линз и воздушных промежутков: О_⊘- световые диаметры. Первый и третий положительные мениски выполнены из германия (показатель преломления для основной длины волны равен 4,003), второй отрицательный мениск - из селенида цинка (показатель преломления 2,406 для основной длины волны). Преломляющие поверхности всех менисков являются сферическими.

Фокусное расстояние f' объектива равно 35,49 мм, относительное отверстие 1: 0,75, угловое поле в пространстве предметов 12 градусов, размер изображения равен 7,3 мм. Рабочий спектральный диапазон 8-12 мкм, основная длина волны 10 мкм. Длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений равна 63,3 мм, т.е. составляет 1,75 фокусного расстояния объектива.

Как следует из таблицы 1, в конкретном примере инфракрасного светосильного трехлинзового объектива выполняется следующее распределение оптических сил: Ф₁=0,67Ф, Ф₂=-0,16Ф, Ф₃=1,52Ф. Одновременно в оптической системе выполняются следующие соотношения между параметрами: (r₃-₄)/d₃=2,35, r₃/r₄=0,79, d₂=0,55f', т.е. соблюдаются вышеприведенные соотношения (1).

На фиг.2 приведены график ЧКХ инфракрасного светосильного трехлинзового объектива. По оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 50 мм^-1, отнесенные к плоскости изображений объектива. Верхняя кривая на фиг.2 соответствует дифракционной ЧКХ (обозначение дифр.), остальные кривые - для точки на оси, для углов наклона 6⁰ (край поля) и 4⁰ (соответственно обозначение 0, 6° и 4°) как для меридионального (м), так и сагиттального (s) сечений. Из графиков следует, что предельная частота для всех точек поля превышает 50 мм^-1, что свидетельствует о лучшем качестве изображения по сравнению с прототипом, обеспечивающим предельную частоту до 33 мм^-1.

На фиг.3 приведены графики ФКЭ инфракрасного светосильного трехлинзового объектива. По оси ординат указаны значения ФКЭ в относительных единицах, по оси абсцисс - значения радиуса пятна рассеяния, для которого рассчитаны ФКЭ. Верхняя кривая на фиг.3 соответствует дифракционной ФКЭ (обозначение дифр.), остальные кривые - для точки на оси, для углов наклона 6⁰ (край поля) и 4⁰ (соответственно обозначение 0, 6° и 4°). Так, инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив в пятне радиусом 0,015 мм концентрирует не менее 70% энергии, идущей от любой точки пространства предметов в пределах углового поля; в пятне радиусом 0,01 мм доля концентрируемой энергии колеблется от 57 до 67% в зависимости от точек поля. В предлагаемом светосильном трехлинзовом объективе аналогичное качество изображения сохраняется до относительного отверстия 1: 0,7 при соблюдении соотношений (1).

Расчет инфракрасного светосильного трехлинзового объектива, взятого за прототип, для фокусного расстояния 35 мм показывает, что в нем в пятне радиусом 0,015 мм концентрируется не более 40% энергии, а в пятне радиусом 0,01 мм - не более 22%.

Таким образом, предлагаемый инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет повысить качество изображения в пределах всего углового поля при сохранении относительного отверстия объектива.

Предлагаемый инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив может быть использован в несканирующих тепловизионных приборах «смотрящего» типа, использующих для регистрации теплового изображения неохлаждаемые матричные приемники излучения.

Литература

1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.

2. Патент США №3363962.

Инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив, содержащий последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный мениск, второй мениск и третий положительный мениск, при этом первый и третий мениски обращены вогнутостью к плоскости изображений, второй - к пространству предметов, все преломляющие поверхности выполнены сферическими, длина по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений не превышает 1,8 фокусного расстояния объектива, показатель преломления материала первого и третьего положительных менисков для основной длины волны рабочего спектрального диапазона не менее 4,0, а второго мениска - не более 2,5, отличающийся тем, что второй мениск выполнен отрицательным и в объективе имеют место следующие соотношения:

1,8≤(r₃-r₄)/d₃≤3,3, r₃/r₄=(0,7÷0,8), d₂=(0,5÷1)f',

где Ф₁ Ф₂, Ф₃, Ф - оптические силы соответственно первого, второго, третьего менисков и объектива в целом;

r₃, r₄ - радиусы кривизны третьей и четвертой по ходу лучей преломляющих поверхностей;

d₃ - толщина по оптической оси второго мениска;

d₂ - расстояние вдоль оптической оси между первым и вторым менисками;

f' - фокусное расстояние объектива.