Светосильный широкоугольный линзовый объектив для инфракрасной области спектра
Владельцы патента RU 2434256:
Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) (RU)
Изобретение может быть использовано в обзорных системах наблюдения с матричными ФПУ. Объектив включает пять менисков со сферическими поверхностями и апертурную диафрагму между пятым мениском и фокальной плоскостью. Первый и третий мениски обращены выпуклой поверхностью к пространству предметов. Второй, четвертый и пятый мениски обращены вогнутой поверхностью к пространству предметов. Первый и четвертый мениски выполнены из германия, второй, третий и пятый - из монокристаллического кремния. Второй мениск выполнен с наибольшим диаметром. Оптические силы φ1-φ5 первого - пятого менисков выбраны из условий: (0.62<φ1<0.66), (0.16<φ2<0.20), (0.18<φ3<0.22), (0.35<φ4<0.39), (0.30<φ5<0.34). Расстояние между менисками равно D·f, где D - коэффициент, f - фокусное расстояние объектива. Коэффициенты выбраны из условий: (5,0<D1-2<6,0), (0,15<D2-3<0,25), (0,85<D3-4<0,95), (1,3<D5-АД<1,5). Выполняются условия (3,5γ<⌀2<4,0γ) и ⌀1<⌀2, где ⌀1 и ⌀2 - диаметры входного и второго менисков, γ - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства. Положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива. Технический результат - обеспечение работы от 2,0 до 6,0 мкм, повышение качества изображения и равномерности по полю зрения в угле ±40° при малых габаритах и массе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.
Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано 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, опубл. 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 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 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. Изобретение основано 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, 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 φ менисков выбраны из условий: (0.62<φ1<0.66), (0.16<φ2<0.20), (0.18<φ3<0.22), (0.35<φ4<0.39), (0.30<φ5<0.34), где φ1-φ5 - 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 D1-2, определяющий расстояние между первым и вторым менисками, выбран из условия (5,0<D1-2<6,0), коэффициент D2-3 - между вторым и третьим менисками из условия (0,15<D2-3<0,25), коэффициент D3-4 - между третьим и четвертым менисками из условия (0,85<D3-4<0,95), коэффициент D4-5 между четвертым и пятым менисками из условия (0,1<D4-5<0,2), коэффициент D5-АД между пятым мениском и апертурной диафрагмой из условия (1,3<D5-АД<1,5), диаметр ⌀2 второго мениска выбран из условия (3,5γ<⌀2<4,0γ), где γ - 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 чертеже 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 фотоприемного 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.
Четыре таблицы иллюстрируют качественные характеристики изображения, полученного с использованием объектива с вышеназванными параметрами, где показаны функции передачи модуляции в зависимости от угла поля зрения ω в меридиональном и саггитальном сечениях в сравнении с дифракционным разрешением, где ωв=22°37' - угол поля зрения матрицы по вертикали, ωг=31°12' - по горизонтали, ωд=39°11' - по диагонали.
Достоинствами 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 чертеже | Оптическая сила φ 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 чертеже | 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-АД·f =10.53 | кремний |
| 10 | -42.675 | 32.0 |
| Таблица 4 | ||||||||
| линейное разрешение, мм-1 | Теоретич. дифракция | ω=0° | ωв=22°37' | ωг=31°12' | ωд=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 |
Источники информации:
1. Г.Г.Слюсарев. Расчет оптических систем. - Л.: Машиностроение, 1975 г., с.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 φ менисков выбраны из условий: (0,62<φ1<0,66), (0,16<φ2<0,20), (0,18<φ3<0,22), (0,35<φ4<0,39), (0,30<φ5<0,34), где φ1-φ5 - 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 D1-2, определяющий расстояние между первым и вторым менисками, выбран из условия (5,0<D1-2<6,0), коэффициент D2-3 - между вторым и третьим менисками - из условия (0,15<D2-3<0,25), коэффициент D3-4 - между третьим и четвертым менисками - из условия (0,85<D3-4<0,95), коэффициент D4-5 - между четвертым и пятым менисками - из условия (0,1<D4-5<0,2), коэффициент D5-АД - между пятым мениском и апертурной диафрагмой - из условия (1,3<D5-АД<1,5), диаметр ⌀2 второго мениска выбран из условия (3,5γ<⌀2<4,0γ), где γ - размер по диагонали матричного фотоприемного устройства, причем ⌀1<⌀2, где ⌀1 - диаметр входного мениска, а положение апертурной диафрагмы совпадает с выходным зрачком объектива.
2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что апертурная диафрагма выполнена с возможностью захолаживания.
