Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)



Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)

 


Владельцы патента RU 2477502:

Хацевич Татьяна Николаевна (RU)
Дружкин Евгений Витальевич (RU)

Объектив может быть использован в тепловизорах на основе неохлаждаемых матричных фотоприемных устройств в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит четыре мениска, первый - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй - отрицательный, третий - отрицательный, четвертый - положительный и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Оптические силы менисков удовлетворяют соотношениям, указанным в формуле изобретения. В объективе по первому варианту второй мениск обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий - выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Первый и четвертый мениски выполнены из германия, второй и третий - из материалов с показателем преломления не ниже 2,2. В объективе по второму варианту второй мениск обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий - вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Первый, второй и четвертый мениски выполнены из материала с показателем преломления 4,0. Показатель преломления материала третьего мениска не превышает 2,5. Технический результат - расширение спектрального диапазона работы, уменьшение диаметров линз, длины по оси и массы, повышение термостабильности фокусного расстояния при сохранении величины относительного отверстия 1:1 и углового поля не менее 25 градусов, обеспечение в пределах всего поля высокой концентрации энергии в пятне рассеяния размером 0,025 мм и менее. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 19 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств (МФПУ), не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.

Для создания малогабаритных тепловизоров, построенных на основе МФПУ, не требующих охлаждения до криогенных температур (неохлаждаемых), чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм, в связи с увеличением формата МФПУ и уменьшением шага между пикселями возрастает необходимость в создании светосильных инфракрасных объективов с угловыми полями не менее 25°, обеспечивающих высокие значения концентрации энергии в пределах площадок, размеры которых соответствуют размерам пикселей МФПУ, имеющих величину 0,025 мм и менее.

Задачей, на решение которой направлено заявляемая группа устройств, объединенных единым изобретательским замыслом, (варианты) является создание малогабаритной технологичной, экономически эффективной конструкции оптической системы светосильного объектива с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающей возможность сопряжения с современными матричными приемниками ИК излучения в диапазоне 8-12 мкм.

Известен объектив для тепловизора, состоящий из четырех одиночных линз [Патент RU 2386155, 2010]. Объектив имеет фокусное расстояние 130 мм, относительное отверстие 1; 1,4, угловое поле в пространстве предметов 9°.

Недостатком аналога являются низкое относительное отверстие, малое угловое поле, наличие виньетирования наклонных пучков.

Известен светосильный объектив для тепловизора [патент RU 2365952, 2009], содержащий четыре компонента. Объектив имеет фокусное расстояние 100 мм, относительное отверстие 1:1, угловое поле 9,6°×7,2° (12° по диагонали), спектральный диапазон 8-12 мкм.

Недостатком аналога является недостаточная величина углового поля.

Указанные недостатки аналогов не позволяют их использовать в тепловизорах с угловыми полями не менее 25 градусов, построенных на основе неохлаждаемых МФПУ с размерами пикселей 0,025 мм и менее.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству (первый вариант) по технической сущности является светосильный объектив с угловым полем 25 градусов для тепловизора [Патент RU 2403598, 2010], состоящий из оптически связанных, расположенных по ходу лучей четырех линз, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, вторая - отрицательная линза, третья - мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображений, четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Вторая линза выполнена двояковогнутой. Суммарная оптическая сила всех линз не превышает 0,15 оптической силы всего объектива, а сумма оптических сил первых двух линз отрицательна и составляет по абсолютной величине не менее 0,8 оптической силы всего объектива. Все преломляющие поверхности объектива являются сферическими. Объектив имеет угловое поле 2ω=25°, фокусное расстояние f'=38 мм, относительное отверстие 1:1, спектральный диапазон работы от 8 до 9 мкм. Линейный размер изображения 2y (диагональ чувствительной площадки МФПУ) составляет 2y=2f'·tgω=2·38·tg12,5=16,8 мм. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения составляет 122 мм. Наибольший диаметр линз объектива равен 97,57 мм. Масса объектива, рассчитанная для входящих в него линз, диаметры которых соответствуют световым диаметрам (т.е. без учета припусков на крепление линз в оправах), составляет 208 г. Коэффициент передачи контраста на частоте 25 лин/мм составляет для точки на оси 0,65, для точек по полю - 0,5.

Недостатками наиболее близкого аналога являются: ограниченный спектральный диапазон работы от 8 до 9 мкм; большая длина по оси, превышающая фокусное расстояние объектива более чем в 3 раза; большие диаметры линз, превышающие диаметр входного зрачка более чем в 2,5 раза и размер изображения - более чем в 4 раза, приводящие к большой массе оптических деталей; а также большая величина изменения фокусного расстояния при изменении температуры эксплуатации.

Ограничение спектрального диапазона работы объектива вызвано тем, что объектив не может работать в спектральном диапазоне с длинами волн более 9 мкм из-за поглощения излучения в линзах из кремния.

Большая длина по оси, превышающая фокусное расстояние объектива более чем в 3 раза, обусловлена тем, что суммарная оптическая сила всех линз не превышает 0,15 оптической силы всего объектива, а сумма оптических сил первых двух линз отрицательна и составляет по абсолютной величине не менее 0,8 оптической силы всего объектива. При таком соотношении оптических сил обеспечить требуемую оптическую силу объектива можно, только включив в качестве действенного оптического параметра расстояние между компонентами, которое должно быть в этом случае сопоставимым по величине с фокусным расстоянием объектива. Это утверждение следует из анализа известной формулы для эквивалентной оптической силы системы из двух компонентов (первый компонент - первая и вторая линза, второй компонент - третья и четвертая линзы объектива-аналога).

Выполнение первых двух линз таким образом, что их оптическая сила является отрицательной, соответствует схеме «инвертированного телеобъектива», а указанное в объективе-аналоге соотношение между оптическими силами (сумма оптических сил первых двух линз отрицательна и составляет по абсолютной величине не менее 0,8 оптической силы всего объектива, а суммарная оптическая сила всех линз не превышает 0,15 оптической силы всего объектива) приводит к тому, что диаметры третьей и четвертой линз превышают диаметр входного зрачка. Следствием этого является большая масса оптических деталей объектива.

Несмотря на то, что температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кремния меньше, чем, например, германия и селенида цинка, но наличие большого расстояния по оси между второй и третьей линзой (большая длина корпуса объектива), приводит к тому, что при заявленных соотношениях между оптическими силами линз величина терморасфокусировки возрастает. Так, проверочный расчет по конструктивным параметрам наиболее близкого аналога показал, что термооптическая аберрация положения при температуре -50°C составляет примерно 1,3% от величины фокусного расстояния объектива, а относительное изменение величины фокусного расстояния - 0,86%.

Таким образом, достичь расширения спектрального диапазона работы, уменьшения длины объектива по оси, уменьшения световых диаметров линз объектива и, как результат, снижения массы, а также повышения термостабильности фокусного расстояния в наиболее близком аналоге не возможно без существенного изменения устройства оптической системы объектива, изменения соотношения между оптическими силами входящих в него линз и использования других материалов для линз объектива.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в расширении спектрального диапазона работы, в уменьшении диаметров линз, в уменьшении длины по оси, в уменьшении массы оптических деталей, а также в повышении термостабильности фокусного расстояния при одновременном сохранении величины относительного отверстия 1:1, углового поля не менее 25 градусов и высокой концентрации энергии в пятне рассеяния, соответствующему размеру пикселя МФПУ.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога вторая линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным; оптические силы второго и третьего менисков по абсолютной величине не превышают 0,3 от оптической силы всего объектива, сумма оптических сил всех линз превышает не менее чем в 1,5 раза оптическую силу объектива, при этом первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из материалов с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающих ИК излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм. В конкретных примерах исполнения в качестве материалов второго и третьего менисков использован селенид цинка либо селенид цинка и арсенид галлия.

Выполнение второй линзы в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображений, а третьего мениска отрицательным, причем оптические силы второго и третьего менисков по абсолютной величине не превышают 0,3 от оптической силы всего объектива, позволяет уменьшить длину объектива по оси и диаметры линз и, как результат, уменьшить массу оптических деталей.

Выполнение линз в объективе таким образом, что сумма оптических сил всех линз не менее чем в 1,5 раза превышает оптическую силу объектива, позволяет уменьшить длину объектива по оси и способствует повышению термостабильности фокусного расстояния.

Выполнение первого и четвертого мениски из германия, а второго и третьего - из материалов с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающих ИК излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм, обеспечивает расширение спектрального диапазона работы, способствует уменьшению хроматических аберраций и в совокупности с указанным распределением оптических сил в объективе обеспечивает возможность получения высокой концентрации энергии в пятне рассеяния, размер которого соответствует пикселям от 0,025 мм до 0,017 мм в зависимости от типа МФПУ, во всем спектральном диапазоне.

Выполнение оптических сил второго и третьего менисков по абсолютной величине не более 0,3 от оптической силы всего объектива, суммарной оптической силы всех линз не менее чем в 1,5 раза больше, чем оптическая сила объектива, выполнение первого и четвертого менисков из германия, а второго и третьего - из материалов с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающих ИК излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм, позволяют в совокупности сохранить величину относительного отверстия до 1:1 и углового поля не менее 25 градусов, при этом достигается такое отношение длины объектива (т.е. расстояние по оси между первой поверхностью объектива и плоскостью изображения) к фокусному расстоянию объектива, которое близко по величине к сумме относительных оптических сил линз объектива, а наибольший диаметр линз практически не превышает диаметр входного зрачка.

Известен светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора, состоящий из четырех линз, выполненных в виде менисков, первый из которых является положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй - отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий - положительным; четвертый выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, при этом первый, второй и четвертый мениски выполнены из материала с показателем преломления 4,0, а третий - из материала с показателем преломления не выше 3,4 [Патент RU 2050566, 1995]. Объектив имеет угловое поле 32°46', относительное отверстие 1:1, спектральный диапазон работы 3-5 мкм (основная длина волны 3,8 мкм), фокусное расстояние 50 мм. В каталоге [Оптические системы для инфракрасной области спектра: Каталог Государственного института прикладной оптики, объектив №158, с.32] приведена характеристика качества изображения указанного объектива: размер фигуры рассеяния для основной длины волны на оси составляет 0,072 мм, на краю - 0,90 мм. Также в каталоге указано, что материалом первого мениска является кремний.

Недостатком объектива является ограничение пропускания длинноволнового ИК излучения длиной волны около 9 мкм, обусловленное использованными в нем материалами линз, а также большие размеры пятен рассеяния в пределах поля, не соответствующие размерам пикселей МФПУ 0,025 мм и менее, что не позволяет его использовать с современными с неохлаждаемыми МФПУ рабочего спектрального диапазона 8-12 мкм.

Указанный аналог принят за наиболее близкий для устройства объектива по второму варианту.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в расширении спектрального диапазона работы, в достижении высокой концентрации энергии в пятне рассеяния, соответствующем размеру пикселя МФПУ, при одновременном сохранении величины относительного отверстия 1:1, углового поля не менее 25 градусов.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, материал первого мениска имеет показатель преломления 4,0, показатель преломления материала третьего мениска не превышает 2,5, при этом относительные оптические силы менисков составляют соответственно (0,65÷0,75), - (0,01÷0,05), - (0,15÷0,25), (1,0÷1,3). В частном случае исполнения в качестве материала третьего мениска использован селенид цинка.

Указанные совокупности признаков в каждом из вариантов позволяют создать малогабаритную технологичную, экономически эффективную конструкцию оптической системы светосильного объектива с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающей возможность сопряжения с современными матричными приемниками ИК излучения в диапазоне 8-12 мкм.

Предлагаемое решение (варианты), на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны светосильные объективы с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизоров, в которых были бы реализованы совокупности указанных признаков, соответствующие предлагаемым вариантам.

Предложенное решение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг.1 - оптическая схема светосильного объектива с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора с ходом осевого и наклонных пучков лучей (первый вариант);

фиг.2а - график продольной хроматической аберрации для примера №1;

фиг.2б - графики продольной хроматической аберрации примера №2;

фиг.2в - графики продольной хроматической аберрации для примера №3;

фиг.3а - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) для примера №1;

фиг.3б - ЧКХ для примера №2;

фиг.3в - ЧКХ для примера №3;

фиг.4а - функция концентрации энергии (ФКЭ) в пятне для примера №1;

фиг.4б - ФКЭ для примера №2;

фиг.4в - ФКЭ для примера №3;

фиг.4г - ФКЭ для примера №3 при температуре -50°C;

фиг.5а - дисторсия для примера №1;

фиг.5б - дисторсия для примера №2;

фиг.5в - дисторсия для примера №3,

при этом номера примеров конкретных исполнений указаны в соответствии с ниже приведенной таблицей 1;

фиг.6 - оптическая схема светосильного объектива с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора с ходом осевого и наклонных пучков лучей (второй вариант);

фиг.7 - график продольной хроматической аберрации;

фиг.8 - график ЧКХ;

фиг.9 - график ФКЭ;

фиг.10 - график дисторсии,

при этом фиг.6-10 соответствуют второму варианту.

Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (первый вариант) (фиг.1) содержит оптически связанные, расположенные по ходу лучей четыре линзы 1-4, первая из которых - положительный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, вторая - отрицательный мениск 2, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, третья - отрицательный мениск 3, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображений, четвертая - положительный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Оптические силы менисков 2 и 3 по абсолютной величине не превышают 0,3 от оптической силы всего объектива, сумма относительных оптических сил всех линз превышает не менее чем в 1,5 раза оптическую силу объектива, при этом мениски 1 и 4 выполнены из германия, а мениски 2 и 3 - из материалов с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающих инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм. В качестве материалов для менисков 2 и 3 использован селенид цинка либо селенид цинка и арсенид галлия. Поз. 5 дополнительно показано защитное окно приемника излучения в виде плоскопараллельной пластинки.

Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (второй вариант) (фиг.6) содержит оптически связанные, расположенные по ходу лучей четыре линзы 1-4, выполненные в виде менисков. Первый мениск 1 является положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Второй мениск 2 является отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов. Третий мениск 3 выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Четвертый мениск 4 выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениски 1, 2, 4 выполнены из материала с показателем преломления 4,0, показатель преломления материала мениска 3 не превышает 2,5. Относительные оптические силы менисков 1-4 составляют соответственно (0,65÷0,75), - (0,01÷0,05), - (0,15÷0,25), (1,0÷1,3). В частном случае исполнения в качестве материала мениска 3 использован селенид цинка. Поз. 5 дополнительно показано защитное окно приемника излучения в виде плоскопараллельной пластинки.

Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора по любому из вариантов работает следующим образом. Мениски 1-4 фокусируют инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами чувствительной площадки МФПУ (на фиг.1 и 6 не показано) и фокусным расстоянием объектива, и создают действительное изображение объектов в плоскости изображений, с которой совмещается плоскость чувствительных элементов МФПУ, закрытых защитным окном 5. Мениски 1-4 обеспечивают для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Диаметры менисков таковы, что обеспечивается относительное отверстие не менее 1:1, отсутствие виньетирования наклонных пучков лучей в пределах всего поля, а также ход главных лучей в пространстве изображений, близкий к телецентрическому. Телецентрический ход является необходимым для современных МФПУ, так как обеспечивает одинаковые условия облученности для всех пикселей МФПУ.

Реализация светосильного объектива с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора по первому варианту подтверждается тремя примерами конкретного исполнения, приведенными в таблице 1, с фокусными расстояниями 20, 30 и 36 мм для применения в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм совместно с неохлаждаемыми матричными приемниками излучения форматов 384×288 (шаг 0,025 мм); 640×480 (шаг 0,017 мм) и 640×480 (шаг 0,020 мм) соответственно. Объективы в примерах №1-3 конкретного исполнения имеют угловые поля 33,6; 25,5 и 25 градусов.

Для всех примеров конкретного исполнения приведены параметры оптической схемы: оптические силы, диаметры и материалы линз. Величины f' и размера изображения 2y приведены в миллиметрах, значения остальных параметров приведены при нормировке эквивалентного фокусного расстояния объективов f'н=1. Кроме того, в таблице 1 приведены формат и размер (шаг) пикселя МФПУ, для которого предназначен пример исполнения; значения ФКЭ в соответствующем размере пикселя МФПУ на оси объектива и по полю, а также наибольшая величина дисторсии для углового поля 2ω.

Таблица 1
Параметры примеров конкретного исполнения (первый вариант)
Параметр Номер примера конкретного исполнения
1 2 3
f', мм 20 30 36
D:f' 1:1,05 1:1,00 1:1,00
2ω, град 33,6 25,5 25
2y, мм 12 13,6 16
Δλ, мкм 8-12 8-12 8-12
Поз.1 и 4 Ge Ge Ge
Поз.2, 3 ZnSe ZnSe ZnSe, GaAs
Масса, г 18,4 43,5 83
Длина, мм 34,6 50,0 63,4
Формат МФПУ 384×288 640×480 640×480
Размер пикселя, мм 0,025 0,017 0,020
ФКЭ на оси 0,84 0,75 0,80
ФКЭ по полю 0,80 0,71 0,75
Дисторсия, % 0,5 0,13 0,11
|f'н| 1 1 1
2y, отн.ед. 0,61 0,46 0,44
D1 0,95 1,00 1,00
φ1 0,64 0,66 0,68
D2 0,90 0,88 0,88
φ2 -0,19 -0,24 -0,28
D3 0,86 0,83 0,84
φ3 -0,15 -0,18 -0,22
D4 0,97 0,93 1,0
φ4 1,30 1,44 1,52
φ23 1,27 1,33 1,25
φ1234 1,60 1,68 1,70
L/f' 1,74 1,67 1,75

В таблице 1 приняты следующие обозначения: φi - относительная оптическая сила i-го мениска в соответствии с позицией на фиг.1; Di - диаметр i-го мениска в соответствии с позицией на фиг.1; L - расстояние от первой поверхности мениска поз.1 до плоскости изображений объектива.

Как следует из таблицы 1 и фиг.1, знаки оптических сил и форма менисков соответствуют заявляемым в первом варианте объектива. Мениски 1 и 4 во всех примерах реализации выполнены из германия (показатель преломления 4,0). Мениски 2 и 3 в примерах 1 и 2 выполнены из ZnSe (показатель преломления 2,4); в примере 3 - из ZnSe и GaAs (показатель преломления 3,3), при этом материалы менисков 2 и 3 имеют показатель преломления не ниже 2,2. Все использованные материалы пропускают инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм. Все линзы примеров конкретных исполнений имеют сферические преломляющие поверхности.

Спектральный диапазон работы увеличен по сравнению с наиболее близким аналогом с 8-9 мкм до 8-12 мкм, что соответствует четырехкратному увеличению. Световые диаметры всех линз, входящих в объектив, не превышают диаметр входного зрачка. Наиболее превышение длины объектива по оси в сравнении с его фокусным расстоянием составляет 1,75, что меньше, чем в объективе-аналоге в 1,9 раза. Уменьшение габаритных размеров линз объектива привело к уменьшению массы: примеры исполнения, приведенные в таблице 1 имеют массу: 18,4; 43,5 и 83 г. Исполнение по примеру №3, угловое поле и формат изображения которого соответствуют наиболее близкому аналогу, имеет массу в 2,5 раза меньше, чем аналог.

При этом все примеры из таблицы 1 имеют высокие значения ФКЭ для размеров пикселей, применяемых МФПУ, и малые значения дисторсии, удовлетворяющие требованиям к качеству изображения объективов тепловизионных приборов.

Для подтверждения высокого качества изображения предлагаемого варианта для трех примеров конкретного исполнения, представленных в таблице 1, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения.

На фиг.2а, 2б и 2в приведены графики продольной хроматической аберрации, из которых следует, что в указанных примерах достигается высокая степень коррекции хроматической аберрации: например, в примере №3 остаточный продольный хроматизм не превышает 0,007 мм, что составляет менее 1/5000 от величины фокусного расстояния объектива.

Графики ЧКХ для тех же примеров представлены на фиг.3а, 3б, 3в, графики ФКЭ - соответственно на фиг.4а, 4б, 4в, графики дисторсии - соответственно на фиг.5а, 5б, 5в. Из представленных графиков следует, что заявляемый объектив обеспечивает высокое качество изображения для каждого из примеров конкретного исполнения, близкое к дифракционному. Так, для примера №3 для пространственной частоты 25 лин/мм в плоскости изображений коэффициент передачи контраста для всех точек в пределах поля не выходит за пределы от 0,66 до 0,5. ФКЭ для этого же примера для пикселя размером 0,02 мм для всех точек в пределах поля имеет величины от 0,75 до 0,8. Величина дисторсии для примера №3 не превышает 0,1% для всех точек поля.

Для удобства сравнения с наиболее близким аналогом проведен расчет термооптических аберраций объектива примера №3, рассчитанного на тот же формат и размер пикселя МФПУ, что и наиболее близкий аналог. То обстоятельство, что в примере №3 фокусное расстояние несколько отличается от величины фокусного расстояния в наиболее близком аналоге, объясняется меньшей величиной дисторсии в примере №3, при одинаковых величинах изображения. Расчет проводился для диапазона температур эксплуатации от -50 до +50°C. Наибольшая величина термооптической аберрации (при -50°C) составляет 0,336 мм, т.е. 0,93% от фокусного расстояния. Изменение фокусного расстояния составляет 0,09% от величины фокусного расстояния, что на порядок меньше, чем в наиболее близком аналоге, и позволяет говорить о термостабильности фокусного расстояния объектива в указанном температурном диапазоне эксплуатации. ФКЭ с учетом термокомпенсационной подвижки представлена на фиг.4г для температуры -50°C и подтверждает сохранение высокого качества изображения в температурном диапазоне.

Таким образом, в примерах конкретного исполнения по первому варианту светосильного объектива с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора достигаемый технический результат по сравнению с наиболее близким аналогом заключается в расширении спектрального диапазона работы в 4 раза, в уменьшении диаметров линз до диаметра входного зрачка, в уменьшении длины по оси в 1,9 раза, в уменьшении массы оптических деталей, в повышении термостабильности фокусного расстояния, в обеспечении в пределах всего поля высокой концентрации энергии в пятне рассеяния размером до 0,015 мм при одновременном сохранении величины относительного отверстия 1:1 и углового поля не менее 25 градусов.

Реализация второго варианта светосильного объектива с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора иллюстрируется конкретным примером исполнения, параметры которого приведены в таблице 2. Обозначения в таблице 2 аналогичны таблице 1. Объектив имеет фокусное расстояние 24 мм, угловое поле 28 градусов. Рассчитан для использования с МФПУ формата 384×288, шаг 0,025 мм. Выбор величины относительного отверстия 1: 1,2 обусловлен требованиями технического задания для разработки конкретного малогабаритного тепловизора.

Оптические силы 1-4 линз объектива (см. фиг.6) равны соответственно: 0,69; -0,03; -0,22; 1,14, что обосновывает заявленный диапазон изменения оптических сил линз в объективе по второму варианту.

Показатель преломления материала линз 1, 2 и 4 составляет 4,0 (германий); линзы 3-2,4 (селенид цинка), при этом последний не превышает 2,5.

Конкретные значения конструктивных параметров обеспечиваются стандартной оптимизацией, входящей в состав любой современной оптической программы по расчету оптических систем, при использовании указанных оптических сил и материалов.

Таблица 2
Параметры примера конкретного исполнения (второй вариант)
Параметр Значение
f', мм 24
D:f' 1:1,2
2ω, град 28
2y, мм 12
Δλ, мкм 8-12
Поз.1, 2, 4 Ge
Поз.3 ZnSe
Масса, г 26,6
Длина, мм 41
Формат МФПУ 384×288
Размер пикселя, мм 0,025
ФКЭ на оси 0,84
ФКЭ по полю 0,82
Дисторсия, % 0,1
|f'н| 1
2y, отн. ед. 0,51
D1 1,0
φ1 0,69
D2 1,0
φ2 -0,03
D3 1,0
φ3 -0,22
D4 0,93
φ4 1,14
φ1234 1,58
L/f' 1,71

Для подтверждения высокого качества изображения предлагаемого варианта на фиг.7 приведен графики продольной хроматической аберрации, из которого следует, что остаточный продольный хроматизм не превышает 0,0045 мм, что составляет менее 1/5000 от величины фокусного расстояния объектива.

Графики ЧКХ представлены на фиг.8, графики ФКЭ - на фиг.9, графики дисторсии - на фиг.10.

Из представленных графиков следует, что заявляемый объектив (второй вариант) также обеспечивает высокое качество изображения, близкое к дифракционному. Так, для пространственной частоты 20 лин/мм в плоскости изображений коэффициент передачи контраста для всех точек в пределах поля имеет величины от 0,67 до 0,6.

ФКЭ для пикселя размером 0,025 мм для всех точек в пределах поля имеет величины от 0,87 до 0,82. Величина дисторсии не превышает 0,1% для всех точек поля и является приемлемой для тепловизионных приборов.

Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом объектив по второму варианту обеспечивает спектральный диапазон работы от 8 до 12 мкм, малые размеры аберрационных пятен рассеяния, подтверждением чему являются ЧКХ и ФКЭ (фиг.8, 9), близкие к дифракционному ограничению, что позволяет его использовать с современными с неохлаждаемыми МФПУ рабочего спектрального диапазона 8-12 мкм

Анализ качества изображения подтверждает высокое качество изображения, близкое к дифракционному, и приемлемую для тепловизионных приборов величину дисторсии.

Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемых вариантов светосильного объектива позволяет создать малогабаритную технологичную, экономически эффективную конструкцию оптической системы светосильного объектива с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, на основе современных неохлаждаемых матричных приемников ИК излучения в диапазоне 8-12 мкм.

Литература

1. Патент RU 2386155, 2010.

2. Патент RU 2365952, 2009.

3. Патент RU 2403598, 2010.

4. Патент RU 2050566, 1995.

5. Оптические системы для инфракрасной области спектра: Каталог Государственного института прикладной оптики. - Казань: ГИПО, 1992.

1. Светосильный объектив с угловым полем не менее 25° для тепловизора, состоящий из оптически связанных, расположенных по ходу лучей четырех линз, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, вторая - отрицательная, третья - мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображений, четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, отличающийся тем, что вторая линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным, оптические силы второго и третьего менисков по абсолютной величине не превышают 0,3 от оптической силы всего объектива, сумма относительных оптических сил всех линз превышает не менее, чем в 1,5 раза оптическую силу объектива, при этом первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из материалов с показателем преломления не ниже 2,2, пропускающих инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов для второго и третьего менисков использован селенид цинка либо селенид цинка и арсенид галлия.

3. Светосильный объектив с угловым полем не менее 25° для тепловизора, состоящий из оптически связанных, расположенных по ходу лучей четырех линз, выполненных в виде менисков, первый из которых является положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй - отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, при этом второй и четвертый мениски выполнены из материала с показателем преломления 4,0, отличающийся тем, что третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, материал первого мениска имеет показатель преломления 4,0, показатель преломления материала третьего мениска не превышает 2,5, при этом относительные оптические силы менисков составляют соответственно (0,65÷0,75), -(0,01÷0,05), -(0,15÷0,25), (1,0÷1,3).

4. Объектив по п.3, отличающийся тем, что в качестве материала третьего мениска использован селенид цинка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в технологических установках по проверке параметров матричных приемников теплового излучения, применяемых в тепловизорах.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может использоваться как объектив цифровых фотоаппаратов мобильных телефонов или массовых видеокамер наблюдения, работающих в режиме «день-ночь», т.е.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в качестве объектива тепловизионных приборов для наблюдения и опознавания объектов по тепловому излучению.

Изобретение относится к технике формирования изображений, в частности к оптическим системам оптико-электронных приборов формирования и обработки инфракрасных изображений (ИК), в которых актуальна задача коррекции тепловизионного изображения, связанная с компенсацией постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов, и может быть использовано для разработки и создания тепловизорных систем и приборов различного назначения с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ).

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной (ИК) области спектра, в частности в диапазоне спектра =8-14 мкм.

Изобретение относится к ИК оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах. .

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к теплотелевизионным приборам в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам для видимой и ближней ИК-области спектра, и может быть использовано совместно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОПами) в приборах ночного видения и в современных цифровых приборах, предназначенных для обнаружения и опознавания объектов наблюдения при пониженной освещенности.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для средней инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения, чувствительных в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм.

Объектив // 2260824
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив, работающий с полупроводниковым лазером или светодиодом.

Объектив может быть использован для работы в ИК-диапазоне длин волн в тепловизионных приборах. Объектив содержит четыре компонента: первый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, третий - одиночный мениск, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты - из селенида цинка. Второй компонент выполнен положительным, третий - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям: F1/F0=1,2±1,5; F0/F2=0÷0,05; |F3|/F0=1,6÷1,9; F4/F0=0,4÷0,6; где F1, F2, F3, F4, F0 - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно. Технический результат - повышение качества изображения объектива при большом относительном отверстии и поле зрения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение может быть использовано в тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами, не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне 8-12 мкм. Объектив содержит первый положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, второй отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из селенида цинка, третий отрицательный и четвертый положительный мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений и выполнены из германия. Выполняются следующие соотношения: φ1:φ2:φ3:φ4=(0.72÷0.85):-(1.28÷1.76):-(3.00÷6.00):(0.79÷0.92), где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков. Технический результат - повышение контраста изображения по всему полю зрения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах

Объектив может использоваться в тепловизионных приборах с матричными приемниками, регистрирующими изображение в фиксированной плоскости. Объектив содержит четыре компонента. Первый и четвертый - в виде положительных менисков из одинакового материала, обращенных вогнутостями к плоскости изображений. Относительная оптическая сила первого компонента - от 0,6 до 0,8. Второй компонент - в виде двояковогнутой линзы. Третий компонент - в виде двух положительных менисков, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Второй компонент и второй мениск третьего компонента выполнены из материалов, отличных от материала первого и четвертого компонентов, и имеют в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм коэффициенты средней дисперсии, отличающиеся более чем в 5 раз, при квазиравных величинах коэффициентов частных дисперсий. Относительные оптические силы компонентов в объективе в соответствии с их расположением по ходу лучей составляют соответственно: (0,6÷0,8); -(0,5÷0,6); (0,6÷0,7); -(0,2÷0,3); (0,9÷1,0). Технический результат - возможность регистрации теплового изображения в диапазонах 3-5 мкм и 8-12 мкм при неизменном положении плоскости изображения и уменьшение диаметров компонентов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Объектив может быть использован для работы в ИК-диапазоне длин волн в тепловизионных приборах. Объектив содержит четыре компонента: первый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, третий - одиночный мениск, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты - из селенида цинка. Второй компонент выполнен положительным, третий - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям: F1/F0=1,2±1,5; F0/F2=0÷0,05; |F3|/F0=1,6÷1,9; F4/F0=0,4÷0,6; где F1, F2, F3, F4, F0 - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно. Технический результат - повышение качества изображения объектива при большом относительном отверстии и поле зрения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Инфракрасный объектив содержит вынесенную апертурную диафрагму, размещенную между последним компонентом объектива и плоскостью изображений, и четыре компонента. Первый компонент неподвижный и выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, второй подвижный компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, третий компонент неподвижный и в нем первые два мениска положительные, обращенные выпуклостями друг к другу, а третья линза - вогнутоплоская, обращенная плоскостью к плоскости изображений, четвертый неподвижный положительный компонент включает три мениска, обращенные вогнутостью к плоскости изображений, первый и третий из которых положительные, а второй - отрицательный. Вторая поверхность линзы первого компонента, первая поверхность линзы второго компонента и вогнутая поверхность первого положительного мениска четвертого компонента выполнены асферическими. Технический результат - повышение коэффициента пропускания оптической системы и технологичности при сохранении высокого относительного отверстия, перепада увеличений и качества изображения. 8 ил., 1 табл.

Объектив может быть использован в оптико-электронных приборах, в частности, с целью формирования изображения участка звездного неба на ПЗС-матрице, расположенной в фокальной плоскости объектива. Объектив содержит два компонента, разделенные апертурной диафрагмой. Первый компонент состоит из положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и склеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, между которыми дополнительно размещен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения. Склеенный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения, выполнен положительным, состоящим из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Второй компонент содержит двояковогнутую и две двояковыпуклые линзы. Двояковогнутая и первая двояковыпуклая линзы выполнены склеенными. За второй двояковыпуклой линзой дополнительно помещен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству объекта. Технический результат - увеличение углового и линейного полей зрения и получение дифракционного качества изображения в центре и по полю зрения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 прилож.

Использование: относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в тепловизионных устройствах с матричными фотоприемными устройсвами. Цель: повышение разрешающей способности оптической системы тепловизионного прибора при сохранении ее компактности. Сущность изобретения: оптическая система тепловизионного прибора содержит последовательно расположенные по ходу лучей входной объектив, строящий действительное промежуточное изображение и содержащий отрицательный и положительный мениски, и проекционный объектив, установленный перед фотоприемным устройством и содержащий последовательно установленные по ходу лучей первый мениск, второй отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к фотоприемному устройству, третий положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и четвертый положительный мениск, обращенный выпуклостью к фотоприемному устройству. Во входном объективе первым по ходу лучей расположен отрицательный мениск, а за положительным мениском введен дополнительный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости действительного промежуточного изображения, в проекционном объективе первый мениск выполнен положительным и выпуклой стороной направлен к фотоприемному устройству, а четвертый мениск расположен между третьим мениском проекционного объектива и фотоприемным устройством. 1табл., 1 ил.
Наверх