Атермализованный объектив для ик-области спектра



Атермализованный объектив для ик-области спектра
Атермализованный объектив для ик-области спектра
Атермализованный объектив для ик-области спектра
Атермализованный объектив для ик-области спектра
Атермализованный объектив для ик-области спектра

 


Владельцы патента RU 2538423:

Открытое акционерное общество "Швабе-Приборы" (RU)

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: φ1234=(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 области инфракрасной (ИК) оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы (МБМ) чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур. Спектральная область работы объектива 8-12 мкм.

В настоящее время большая часть существующих наблюдательных ИК-оптических приборов проектируется для работы в диапазонах 3-5 мкм и 8-12 мкм, соответствующих «окнам» прозрачности атмосферы.

Объективы для ИК-области спектра изготавливают в основном из монокристаллического германия или кремния, а также других материалов, прозрачных в указанных областях спектра. Эти материалы, особенно германий, имеют значительное изменение показателя преломления от температуры, что вызывает дефокусировку изображения объектива. Это приводит к существенному снижению качества изображения, особенно в температурном диапазоне от -40°C до +50°C.

Для уменьшения температурной дефокусировки изображения используются дорогостоящие материалы оправ такие, например, как инвар и титан. Традиционным решением задачи сохранения качества изображения в широком температурном диапазоне является подвижка всего объектива или его отдельных элементов.

Известен объектив для ИК-области спектра, состоящий из четырех линз, первая из которых представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третья - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, а четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая линза выполнена двояковогнутой, сумма оптических сил всех линз не превышает 0.15 оптической силы объектива, а сумма оптических сил первых двух линз отрицательная и составляет по абсолютной величине не менее 0.8 оптической силы объектива. Все линзы выполнены из кремния [Патент РФ №2403598, МПК G02B/34, G02B 13/14].

Недостатком объектива является большая терморасфокусировка изображения, т.к. линзы выполнены из кремния, имеющего значительное изменение показателя преломления от температуры. Расчет этого объектива по приведенным в изобретении параметрам показал, что можно получить приемлемое качество изображения в диапазоне температур 20±5°C. В температурном диапазоне ±40°C происходит полная деградация изображения. При продольном перемещении указанного объектива в диапазоне 0.4 мм можно получить приемлемое качество изображения со снижением контраста на 10%.

Другим недостатком объектива является то, что он работает в монохроматической области спектра 8-9 мкм, а энергия в области 9-12 мкм теряется.

Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2365952 от 13.02.2008 г., МПК G02B 13/14, G02B 9/34. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Мениски выполнены из германия, отрицательная и положительная линзы - из бескислородного стекла. Указаны относительные оптические силы элементов объектива.

В данном объективе с целью термокомпенсации смещения плоскости установки для получения высокого качества изображения объектива при изменении температурного режима отрицательная линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Для перемещения линз необходимо применение двигателя и редуктора, что усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу.

Известен ИК-объектив телескопа по патенту США №4479695, МПК G02B 15/02, в котором термокомпенсацию в температурном диапазоне от -10°C до +50°C также осуществляют перемещением компонента объектива, что также усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу.

Известен объектив для ИК-области спектра, содержащий четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями. Установлены соотношения между оптическими силами менисков. Третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси [Патент РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14].

Первый мениск выполнен из германия, который обладает максимальной зависимостью показателя преломления от температуры. Этот мениск имеет наибольшую оптическую силу и максимальное влияние на температурную дефокусировку изображения. Последующие элементы объектива не способны компенсировать дефокусировку, вносимую первым мениском. При работе в температурном диапазоне ±50°C необходимо перемещать мениски вдоль оптической оси. Это также усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу. Последнее обстоятельство очень важно в случае применения тепловизора с таким объективом в носимом варианте или на беспилотных летательных аппаратах, где дополнительно необходим источник энергии (батарейки) для перемещения элементов объектива.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является объектив для ИК-области спектра 8-12 мкм по патенту США №4679891 от 03.07.1985 г., МПК G02F 1/02, G02B 9/12, 9/34. Объектив содержит четыре компонента, из которых первый - двояковыпуклая линза, выполненная из селенида цинка (ZnSe), второй - двояковогнутая линза, выполненная из сульфата цинка, третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия.

Конструктивные параметры объектива (вариант III): фокусное расстояние 100 мм, относительное отверстие 1:1.6, поле зрения ±4,5°. Объектив атермализован, т.е. имеет неизменное качество изображения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C. Все компоненты и сам объектив неподвижны.

Проведенный нами расчет данного объектива для указанных параметров объектива и для параметров, приведенных к параметрам заявляемого объектива (фокусное расстояние 75 мм; относительное отверстие 1:1,25; поле зрения 6°×80°), показал, что указанный объектив имеет следующий недостаток: низкое качество изображения по полю зрения. Кроме того, контраст изображения на краю поля зрения снижается на 50% по отношению к осевой точке поля зрения. Контраст изображения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C в центре поля зрения при частоте 20 мм-1 равен 0.6, а по краю поля зрения - 0.3.

Задачей изобретения является создание атермализованного объектива, качество изображения которого не зависит от изменения температуры окружающей среды, обеспечивающего следующий технический результат: повышение контраста изображения по всему полю зрения.

Указанный технический результат достигается следующим образом. В атермализованном объективе для ИК-области спектра, как и в прототипе, содержащем четыре компонента, третий из которых - отрицательный мениск, а четвертый - положительный мениск, причем, упомянутые мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений и выполнены из германия, в отличие от прототипа выполнено следующее: первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненного из бескислородного стекла, второй - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненного из селенида цинка, при этом между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения:

φ1234=(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.

В качестве материала первого компонента использовано бескислородное стекло марки ИКС-25 по ОСТ3-3441-83. В качестве материала корпуса объектива могут быть использованы алюминиевый сплав, сталь, инвар.

Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.

На фиг.1 приведена оптическая схема объектива для ИК-области спектра.

На фиг.2 приведены основные характеристики объектива при температуре 20°C: слева вверху - функция концентрации энергии (ФКЭ); справа вверху - кружки рассеяния и кружок Эйри диаметром 32,3 мкм; слева внизу - контраст изображения; справа внизу - астигматизм и дисторсия.

На фиг.3 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ) и контраст изображения (ЧКХ) по трем конфигурациям.

Атермализованный объектив для ИК-области спектра (фиг.1) содержит размещенные в корпусе четыре мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 3 - отрицательный, выполнен из германия (Ge) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 4 - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Между относительными оптическими силами менисков 1, 2, 3, 4 имеются следующие соотношения:

φ1234=(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.

Объектив имеет следующие характеристики:

1. Фокусное расстояние 75 мм
2. Диаметр входного зрачка 60 мм
3. Относительное отверстие 1:1.25
4. Поле зрения 6×8°
5. Длина объектива 106 мм
6. Задний фокальный отрезок 15.4 мм
7. Температурный диапазон работы -40°C ÷ +50°C

Для приведенных оптических характеристик объектива получены конструктивные элементы (радиусы кривизны и толщины менисков 1-4, воздушные промежутки между менисками 1-4).

При этом относительные силы менисков имеют следующие значения: φ1234=0.8:-1.67:-5.58:0.88.

Расчет объектива проведен по программе ZEMAX.

Как видно из фиг.2, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента матрицы Q составляет: Q=0.025×0.025 мм. Для ИК-объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии (ФКЭ) составляло не менее 80%. Для тепловизоров, формирующих изображение, необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста ν=1/2Q=20 мм-1 было не менее 0.6.

Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от -40°C до +50°C использован метод мультиконфигураций, предусмотренный в программе ZEMAX с использованием опции “Thermal Pick Up”. С учетом этой опции проведена одновременная оптимизация новых (по отношению к номинальной конфигурации) значений параметров схемы объектива для значений температуры -40°C ÷ +50°C. При оптимизации использованы коэффициенты линейного расширения ИК-материалов (ТСЕ) и коэффициент изменения показателя преломления с температурой D0=dn/dt.

Таким образом, при расчете объектива учтены изменение радиусов и толщин менисков 1-4 при изменении температуры, а также воздушных промежутков между ними. Кроме того, в расчетах учтен ТСЕ материала корпуса объектива. В качестве такого материала выбран дешевый и легкий алюминиевый сплав (дюралюминий), у которого ТСЕ=22×10-6.

Поскольку при значениях температур -40°C и +50°C в редакторе мультиконфигураций задана опция T, т.е 'Thermal Pick Up”, по программе ZEMAX вычислены измененные значения кривизны и толщины в соответствии с заданными ТСЕ.

В результате проведенной оптимизации получено, что задний отрезок объектива постоянен для всех конфигураций. Это означает, что в заданном температурном диапазоне от -40°C до +50°C обеспечивается постоянный (в пределах 2%) высокий контраст изображения при неподвижном объективе и его элементах, что подтверждается графиками на фиг.3.

Рассмотрим воздействие температуры на показатель преломления использованных в объективе материалов. В таблице 1 приведены коэффициенты преломления и ТСЕ при температуре 20°C, в таблице 2 - коэффициенты преломления при температуре -40°C, в таблице 3 - коэффициенты преломления при температуре +50°C. В таблице 1 коэффициент теплового расширения ТСЕ приведен для справки.

В таблице 1 кроме показателей преломления при температуре 20°C даны ТСЕ использованных в предлагаемом объективе ИК-материалов (ИКС-25, ZnSe, Ge) и корпуса объектива. ТСЕ дюралюминия и ИКС-25 одинаковы. Из таблиц 1-3 наглядно видно, как изменяются показатели преломления материалов в зависимости от температуры.

На фиг.3 даны функция концентрации энергии ФКЭ (в редакции ZE-MAX-FFT) и контраст изображения ЧКХ (в редакции ZEMAX-MTF) по трем конфигурациям температурного диапазона. ФКЭ расположена слева, а ЧКХ справа. Мультиконфигурации (температура окружающей среды 20°C, -40°C, +50°C) расположены сверху вниз соответственно. Как видно из фиг.3, контраст изображения во всем температурном диапазоне на частоте Найквиста составляет не менее 0.6. Это означает, что во всем температурном диапазоне 80% энергии вписывается в пиксель размером 0.025×0.025 по всему полю зрения.

В результате оптимизации, которая проводилась одновременно по всем конфигурациям с учетом данных таблиц 1-3, получены конструктивные параметры атермализованного объектива.

Расчеты по вышеприведенной методике показали, что оптические силы менисков 1-4 могут изменяться без ухудшения качества изображения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C в следующих пределах:

φ1234=(0.72÷0.85):-(1.28÷1.76):-(3.00÷6.00):(0.79÷0.92).

При этом незначительно изменяются прогибы менисков 1-4 и воздушные промежутки между ними, что не влияет на результирующее качество изображения.

Дополнительные расчеты показали обеспечение температурной компенсации объективом с мениском 1 из бескислородного стекла ИКС-25 в корпусе из стали, инвара и других материалов.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет обеспечить повышение контраста изображения по всему полю зрения объектива в температурном диапазоне от -40°C до +50°C.

1. Атермализованный объектив для ИК-области спектра, содержащий закрепленные в корпусе четыре компонента, третий из которых - отрицательный мениск, а четвертый - положительный мениск, причем упомянутые мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений и выполнены из германия, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненного из бескислородного стекла ИКС-25, а второй - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненного из селенида цинка, при этом между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения:
φ1234=(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.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из алюминиевого сплава.



 

Похожие патенты:

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.

Объектив может быть использован в тепловизорах в спектральном диапазоне 8-12 мкм. Объектив по обоим вариантам содержит четыре компонента, второй и четвертый из которых подвижные и имеют по два фиксированных положения.

Изобретение относится к области обнаружения инфракрасного излучения низколетящих объектов. Комплекс аппаратуры для воздушного наблюдения включает размещение тепловизионной камеры на привязном аэростате с возможностью кругового вращения камеры вокруг вертикальной оси и изменения угла наклона камеры к вертикальной оси за счет размещения ее на горизонтальном валу.

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.

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.

Инфракрасный объектив содержит вынесенную апертурную диафрагму, размещенную между последним компонентом объектива и плоскостью изображений, и четыре компонента.

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.

Объектив может использоваться в тепловизионных приборах с матричными приемниками, регистрирующими изображение в фиксированной плоскости. Объектив содержит четыре компонента.

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

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.

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.

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.

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.

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

Инфракрасный объектив может быть использован в тепловизорах. Объектив содержит три компонента. Первый неподвижный компонент содержит первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической. Второй компонент содержит отрицательную линзу, первая поверхность которой выполнена асферической, и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий неподвижный компонент содержит первую двояковыпуклую и вторую положительные линзы. Второй подвижный компонент расположен между первой и второй линзами неподвижного первого компонента. Технический результат - повышение энергетических характеристик и углового разрешения объектива за счет увеличения диаметра входного зрачка и фокусного расстояния. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается сверхширокоугольной солнечно-слепой фотоприемной головки. Фотоприемная головка содержит две группы линз и расположенную между ними апертурную диафрагму. Первая группа линз имеет отрицательную оптическую силу и состоит из двух отрицательных выпукло-вогнутых менисков и одиночной положительной линзы. Вторая группа линз имеет положительную оптическую силу и состоит из одиночной положительной линзы и двухлинзового склеенного положительного компонента. Линзы выполнены из материалов, хорошо пропускающих ультрафиолетовое излучение. Между отрицательным выпукло-вогнутом мениском и одиночной положительной линзой установлена первая группа фильтров, а между одиночной положительной линзой и апертурной диафрагмой установлена вторая группа фильтров. Технический результат заключается в увеличении углового поля зрения и увеличении дальности обнаружения объектов. 20 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение может быть использовано в оптико-электронных системах обнаружения и распознавания объектов, в охранных системах. Инфракрасная система состоит из первого канала, содержащего последовательно установленные афокальную насадку и фокусирующий объектив, второго канала, содержащего входной объектив, и общих для первого и второго каналов последовательно установленных проекционного объектива и фотоприемного устройства. Система также содержит устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство. В первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием. Во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием. Устройство переключения потоков излучения установлено перед проекционным объективом. Технический результат - увеличение дальности обнаружения и повышение пространственного разрешения системы за счет повышения кратности изменения фокусного расстояния путем расширения диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

Система содержит входной объектив, проекционный объектив, компенсационный элемент и расфокусирующий элемент. Входной объектив строит промежуточное действительное изображение и выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Проекционный объектив содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, двояковыпуклую линзу и положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов. Между входным объективом и плоскостью промежуточного действительного изображения введен с возможностью перемещения вдоль оптической оси компенсационный элемент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Расфокусирующий элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластины и установлен с возможностью ввода и вывода между компенсационным элементом и плоскостью промежуточного действительного изображения. Технический результат - уменьшение количества оптических элементов, компенсация термооптических и термобарических аберраций без изменения длины оптической системы при сохранении качества изображения за счет изменения формы линз и оптимизации аберраций. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к фокусирующей лазерный луч головке для лазерной резки, способу и установке лазерной резки металлической детали. Фокусирующая головка содержит коллимирующую линзу (13) и фокусирующую линзу (14). Коллимирующая линза (13) и фокусирующая линза (14) выполнены из ZnS и имеют толщину по краям по меньшей мере 5 мм. Отклоняющее зеркало (15), функционирующее под углом наклона (α) от 40° до 50°, расположено между коллиматором (13) и фокусирующей линзой (14) на пути лазерного луча. Установка для лазерной резки содержит твердотельное лазерное устройство (SL), излучающее луч лазера с длиной волны от 1,06 мкм до 1,10 мкм и мощностью от 0,1 кВт до 25 кВт, упомянутую фокусирующую головку и передающее волокно (CF), соединяющее твердотельное лазерное устройство (SL) и фокусирующую головку. Изобретение позволяет обеспечить стабильное положение фокусирования лазерного луча в процессе резки. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.,1 табл.
Наверх