Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты)
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 |
| φ2/φ3 | 1,27 | 1,33 | 1,25 |
| φ1+φ2+φ3+φ4 | 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 |
| φ1+φ2+φ3+φ4 | 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.
