Атермализованный светосильный объектив ик-диапазона



Атермализованный светосильный объектив ик-диапазона
Атермализованный светосильный объектив ик-диапазона
Атермализованный светосильный объектив ик-диапазона
Атермализованный светосильный объектив ик-диапазона
Атермализованный светосильный объектив ик-диапазона
Атермализованный светосильный объектив ик-диапазона
Атермализованный светосильный объектив ик-диапазона

 


Владельцы патента RU 2583338:

Акционерное общество "Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова" (RU)

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах. Объектив содержит четыре одиночных мениска, обращенных вогнутостью к изображению. Первый мениск - положительный, второй - положительный, выполненный из материала с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, третий - отрицательный, выполненный из материала с положительным температурным коэффициентом показателя преломления и малым значением показателя дисперсии, четвертый - положительный. Между фокусными расстояниями линз выполняются соотношения: F1/F0=1,7÷2,2; F0/F2=0,15÷0,55; |F3|/F0=1,6÷3,0; F4/F0=0,6÷1,0; где F1, F2, F3, F4, F0 - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно. Технический результат - повышение качества изображения объектива в широком диапазоне температур при большом относительном отверстии и угле поля зрения. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.

Известен атермализованный светосильный объектив ИК-диапазона (Патент ЕС EP 2687889 А1, G02B 13/14), содержащий три компонента по ходу лучей, которые являются положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению.

Данный объектив работает в ИК-диапазоне длин волн, при этом первый элемент выполнен из бескислородного халькогенидного стекла марки Vitron IG6, второй элемент - из германия, третий - из селенида цинка.

Характеристики объектива:

- фокусное расстояние 90 мм;

- относительное отверстие 1:1;

- угловое поле зрения ±2,7 град;

- задний фокальный отрезок 6,5 мм.

Указанный объектив является атермализованным за счет применения бескислородного халькогенидного стекла и киноформного элемента, выполненного на второй поверхности первого элемента, а также асферической поверхности 12-ого порядка на второй поверхности третьего элемента. К недостаткам атермализации данным способом можно отнести энергетические потери излучения на дифракционных элементах, высокую стоимость изготовления киноформного элемента. Кроме того, применение дифракционных элементов требует высокой точности установки в оптической системе из-за большой зависимости характеристик от смещения элемента относительно оптической оси системы, что также повышает стоимость изготовления объектива.

Известен атермализованный четырехкомпонентный объектив ИК-диапазона (Патент Украины № UA 88915 U, МПК (2014.01) G02B 13/00), содержащий четыре компонента по ходу лучей, первый из которых является отрицательным мениском, а второй, третий и четвертый компоненты - положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению. Первый, второй и четвертый компоненты объектива выполнены из германия, а третий - из КРС-5 (бромистый таллий - йодистый таллий, TlBr - ТlI).

Характеристики объектива:

- фокусное расстояние 50,8 мм;

- относительное отверстие 1:1;

- угловое поле зрения ±12,5 град;

- задний фокальный отрезок 4,05 мм.

Представленный объектив согласно описанию обладает стабильностью характеристик в диапазоне температур от 0°C до ±60°C. Указанный диапазон рабочих температур недостаточен. Помимо этого линзы обладают значительной толщиной, что увеличивает массу объектива и уменьшает коэффициент пропускания. Кроме того, этот объектив обладает большими габаритами (отношение длины оптической системы к фокусному расстоянию составляет 3,2).

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является атермализованный объектив для инфракрасной области спектра (Патент Украины № UA 81919 U, МПК (2013.01) G02B 13/00), состоящий из четырех компонентов по ходу лучей, которые являются положительными менисками, обращенными вогнутостью к изображению, причем первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты выполнены из КРС-5.

Характеристики объектива:

- фокусное расстояние 60 мм;

- относительное отверстие 1:1,3;

- угловое поле зрения ±10 град;

- задний фокальный отрезок 6,9 мм.

Этот объектив близок по конструкции к заявляемому, однако он обеспечивает недостаточно высокое качество изображения при изменении температуры (функция концентрации энергии и частотно-контрастная характеристика представлены на фиг. 1, фиг. 2 (а - при минус 50°C, б - при +50°C). Кроме того, этот первый элемент объектива имеет несферическую поверхность, что повышает стоимость изготовления объектива.

В современных тепловизионных приборах используются микроболометрические матрицы чувствительных элементов ИК-диапазона, которые имеют в основном размер пикселя 25 мкм и 17 мкм. Для таких микроболометрических матриц относительное отверстие объектива должно быть, по крайней мере, не ниже 1:1.

Качество изображения объективов тепловизионных приборов принято оценивать по диаметру кружка рассеяния, в котором сосредоточено 80% энергии, или по значению частотно-контрастной характеристики на критической пространственной частоте. Для размера пикселя 17 мкм критическая пространственная частота равна 30 мм-1.

Как показывает расчет, объектив имеет диаметр кружка рассеяния по уровню концентрации энергии 80% при минус 50°C - 72 мкм, а при +50°C - 40 мкм, что далеко от максимально возможного дифракционного предела (дифракционный диаметр кружка рассеяния Эри равен 32 мкм).

Как видно из графика ЧКХ, на пространственной частоте 30 мм-1 значение частотно-контрастной характеристики в центре и на краю поля зрения равно 0,13 и 0,17 при минус 50°C, и 0,34 и 0,18 при +50°C соответственно (значение дифракционной частотно-контрастной характеристики 0,52).

Кроме того, объектив обладает большой длиной и значительной массой элементов.

Указанные значения относительного отверстия, ЧКХ и диаметра кружка рассеяния, а также стабильность характеристик при изменении температуры недостаточны в тех случаях, когда от объектива требуется предельно высокие значения светосилы и разрешающей способности при работе в широком диапазоне температур.

Задача изобретения - увеличение относительного отверстия и повышение качества изображения объектива при работе в широком диапазоне температур окружающей среды.

Поставленная задача решается тем, что в атермализованном светосильном объективе ИК-диапазона, содержащем четыре компонента, первый из которых - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, выполненный из материала с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, третий - одиночный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, новым является то, что третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска из материала с положительным температурным коэффициентом показателя преломления и малым значением показателя дисперсии, при этом выполняются следующие условия для фокусных расстояний:

F1/F0=1,7÷2,2;

F0/F2=0,15÷0,55;

|F3|/F0=1,6÷3,0;

F4/F0=0,6÷1,0;

где F1, F2, F3, F4, F0 - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно.

Представленная конструкция объектива с указанными условиями на фокусные расстояния компонентов позволяет одновременно увеличить относительное отверстие и повысить качество изображения при изменении температуры в широком диапазоне. При этом отношение длины оптической системы к фокусному расстоянию лежит в пределах от 0,50 до 0,80.

В частном случае материалы оптических элементов подобраны с соблюдением следующих соотношений:

n1, n4≥3; n2, n3≤3;

υ1, υ4≥100; υ3≤100;

где n1, n2, n3, n4 - показатели преломления материала первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, а υ1, υ3, υ4, - коэффициенты дисперсии материалов в диапазоне 8-12 мкм для первого, третьего и четвертого компонентов соответственно.

В частных случаях первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из селенида цинка; или первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из сульфида цинка; или первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из бромида цезия, третий компонент - из сульфида цинка.

В частном случае в объективе может быть выполнено следующее соотношение:

R2=R4=R6;

где R2, R4, R6 - радиусы второй, четвертой и шестой поверхностей соответственно. В частном случае соотношения на радиусы поверхностей позволяют сделать конструкцию объектива более технологичной и сократить номенклатуру используемых при изготовлении пробных стекол.

Представленное изобретение поясняется графическими материалами фиг. 3 - фиг. 6. На фиг. 3 показан вариант оптической схемы объектива с реальным ходом лучей для трех точек поля зрения (0 град, 4 град, 5,35 град), а его характеристики, проиллюстрированные на фиг. 4 - функция концентрации энергии, на фиг. 5 - частотно-контрастная характеристика и на фиг. 6 - графики поперечных аберраций показаны для двух состояний объектива - при минус 50°C и при +50°C.

Объектив содержит четыре последовательно установленные оптически связанные компонента: первый - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к изображению, второй - положительный мениск 2, обращенный вогнутостью к изображению, третий - отрицательный мениск, обращенного вогнутостью к изображению, четвертый - положительный мениск 4, обращенный вогнутостью к изображению. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.

В представленном варианте реализации изобретения компоненты 1 и 4 выполнены из германия, компонент 2 - из КРС-5, компонент 3 - из селенида цинка.

В табл. 1 приведены конструктивные параметры представленного варианта объектива - радиусы поверхностей, толщины линз и воздушных промежутков между ними, световые и полные диаметры и материал линз.

Апертурная диафрагма размещена на первой поверхности объектива. Диаметр апертурной диафрагмы 60 мм.

Для приведенного объектива соотношение между фокусными расстояниями линзовых компонентов и отношение фокуса объектива к его длине составляет:

F1/F0=2,03;

F0/F2=0,46;

|F3|/F0=1,91;

F4/F0=0,76;

F0/L=0,68.

ИК-объектив имеет следующие характеристики:

- относительное отверстие 1:1;

- фокусное расстояние 60 мм;

- угол поля зрения 10,7 град;

- длина объектива 88,7 мм;

- задний фокальный отрезок 9,7 мм.

На фиг. 4 показана функция концентрации энергии в кружке рассеяния объектива. Как видно из графика, диаметр кружка рассеяния (по уровню 80%) составляет 18 мкм по центру поля зрения во всем диапазоне температур, для края поля зрения - 27 мкм во всем диапазоне температур (дифракционный диаметр кружка рассеяния Эри 25 мкм).

На фиг. 5 показана частотно-контрастная характеристика объектива. Как видно из графика, на пространственной частоте 30 мм-1 значение частотно-контрастной характеристики в центре и на краю поля зрения равно 0,59 и 0,43 при минус 50°C, и 0,58 и 0,38 при +50°C соответственно (значение дифракционной частотно-контрастной характеристики 0,61).

На фиг. 6 (а, б) показаны характерные графики поперечных аберраций объектива при минус 50°C и при +50°C соответственно. Как видно из графиков, геометрические аберрации не превышают 3 мкм и 7 мкм в центре и на краю поля зрения соответственно во всем диапазоне температур.

Разработанный объектив имеет высокие показатели качества изображения при большом относительном отверстии и необходимом поле зрения, при этом объектив имеет небольшую длину и достаточный задний фокальный отрезок. Объектив прост в изготовлении, не содержит асферических поверхностей и сохраняет стабильность характеристик в диапазоне температур от минус 50°C до +50°C.

Три вогнутые поверхности могут быть выполнены с одинаковыми радиусами кривизны, что позволяет сделать конструкцию объектива более технологичной и сократить номенклатуру используемых при изготовлении пробных стекол.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить качество изображения объектива при работе в широком диапазоне температур при большом относительном отверстии и угле поля зрения оптической системы.

1. Атермализованный светосильный объектив ИК-диапазона, содержащий четыре компонента, первый из которых - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, выполненный из материала с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, третий - одиночный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, отличающийся тем, что третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска из материала с положительным температурным коэффициентом показателя преломления и малым значением показателя дисперсии, при этом фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям:
F1/F0=1,7÷2,2;
F0/F2=0,15÷0,55;
|F3|/F0=1,6÷3,0;
F4/F0=0,6÷1,0;
где F1, F2, F3, F4, F0 - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно.

2. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что материалы оптических элементов подобраны с соблюдением следующих соотношений:
n1, n4≥3; n2, n3≤3;
υ1, υ4≥100; υ3≤100;
где n1, n2, n3, n4 - показатели преломления материала первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, а υ1, υ3, υ4 - коэффициенты дисперсии материалов в диапазоне 8-12 мкм для первого, третьего и четвертого компонентов соответственно.

3. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из селенида цинка.

4. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из КРС-5, третий компонент - из сульфида цинка.

5. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что первый и четвертый компоненты выполнены из арсенида галлия, второй компонент - из бромида цезия, третий компонент - из сульфида цинка.

6. Светосильный объектив по п. 1, отличающийся тем, что оптические поверхности выполнены с соблюдением следующих соотношений:
R2=R4=R6;
где R2, R4, R6 - радиусы второй, четвертой и шестой оптических поверхностей соответственно.



 

Похожие патенты:

Объектив может быть использован в телескопических системах, в микроскопах и других оптических приборах, в том числе в ИК-системах. Объектив с вынесенным входным зрачком состоит из трех компонентов.

Объектив // 2532560
Изобретение может быть использовано в качестве объектива телевизионной камеры с ПЗС-матрицей и фотоприемника дальномера. Объектив содержит по ходу луча первый компонент в виде положительной склеенной линзы из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, второй компонент в виде положительного мениска, склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третий компонент в виде мениска, склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, спектроделительный блок, разделяющий длину волны лазерного излучения и спектральный диапазон чувствительности ПЗС-матрицы, с которым оптически связан четвертый компонент, выполненный в виде отрицательной линзы.

Объектив выполнен из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой. Первый компонент с оптической силой φI содержит мениск с оптической силой φI,1, обращенный вогнутой стороной к изображению.

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 // 2451312
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив видеокамеры с формированием изображения на ПЗС-матрице.

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 оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических системах, например в визуальных и в ИК-системах. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться в качестве объектива в цифровых наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС-матрице, в том числе в современных приборах ночного видения, фото- и видеокамерах, проекционных приборах.

Объектив содержит пять компонентов. Первый компонент содержит выпукло-вогнутый мениск из кремния и двояковогнутую линзу из флюорита.

Изобретение может быть использовано в оптико-электронных приборах, работающих в спектральном диапазоне излучения 0,4-1 мкм и в широком диапазоне температур, например, в аэрофотоаппаратах с матричными приемниками излучения.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система состоит из расположенных вдоль оптической оси трех компонентов.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах с плавным изменением угловых размеров наблюдаемого пространства. Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижные второй компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй двояковогнутой линз, и третий компонент, содержащий двояковыпуклую линзу, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижные четвертый компонент, содержащий отрицательную вогнуто-выпуклую линзу и дополнительно введенную положительную выпукло-вогнутую линзу, и пятый компонент, состоящий из первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй двояковыпуклой линз.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах с плавным изменением угловых размеров наблюдаемого пространства. Устройство состоит из последовательно расположенных неподвижного первого компонента, подвижных второго и третьего компонентов, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси, неподвижных четвертого и пятого компонентов, между которыми формируется промежуточное изображение, и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой.

Оптическая тепловизионная система содержит расположенные по ходу лучей входной объектив, строящий действительное промежуточное изображение, и проекционный объектив, установленный перед фотоприемным устройством.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах с охлаждаемыми матричными приемниками излучения. Устройство состоит из объектива, матричного приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, блока обработки информации, блока позиционирования, блока стабилизации и блока калибровки.

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).

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.

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.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах. Объектив состоит из четырех одиночных менисков, обращенных вогнутостью к изображению. Первый мениск - положительный, второй и третий - отрицательные, четвертый - положительный. Первый, второй и четвертый мениски выполнены из германия, третий - из селенида цинка. Радиус второй оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу шестой оптической поверхности. Радиус третьей оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу пятой оптической поверхности. Технический результат - повышение качества изображения и уменьшение габаритов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.
Наверх