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

 


Владельцы патента RU 2613483:

Акционерное общество "Швабе-Приборы" (RU)

Объектив может быть использован в тепловизорах для области спектра 8-12 мкм. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный мениск из селенида цинка, третий - отрицательный мениск из германия. Мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Вогнутая поверхность третьего мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,32 до 0,46. Четвертый компонент - положительная линза из германия с выпуклой первой поверхностью, обращенной к плоскости предметов, и плоской или вогнутой второй поверхностью. Выполняются соотношения: ϕ1234=(1,44÷1,80):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,00):(1,38÷1,56), D4/f'=0,16÷0,31, D6/f'=0,22÷0.40, где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов, D4, D6 - воздушные промежутки соответственно между вторым и третьим и между третьим и четвертым компонентами; f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива. Технический результат - увеличение поля зрения и относительного отверстия, уменьшение длины объектива. 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 3 ил.

 

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

В отечественной промышленности для спектральной области 8-12 мкм существует очень ограниченный ассортимент материалов, которые не растворяются в воде, а именно: германий, селенид цинка и бескислородные стекла, в частности ИКС-25.

Особой популярностью пользуется германий, обладающий очень высоким показателем преломления (n=4), низкой дисперсией и нетоксичностью. Однако, этот материал обладает сильной зависимостью показателя преломления от температуры (dn/dt), на порядок выше, чем у других материалов.

Несмотря на это, за счет подвижек вдоль оси всего объектива или его отдельных элементов можно осуществить атермализацию (термокомпенсацию) для предотвращения деградации контраста изображения при изменении температуры в диапазоне от -50°C до +50°C.

Известен объектив для ИК-области спектра, в котором атермализация осуществляется перемещением двух менисков вдоль оптической оси. Объектив содержит четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений 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№115514от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14].

Первый мениск выполнен из германия, обладающего 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 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 редуктор и источник энергии (батарейки) для перемещения элементов объектива.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является атермализованный объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2538423 от 08.10.2013 г., МПК G02B 9/38, G02B 11/22, G02B 13/14. Объектив содержит размещенные в корпусе четыре мениска, первый из которых - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный, выполнен из селенида цинка, третий - отрицательный, выполнен из германия, четвертый - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Между относительными оптическими силами менисков имеются следующие соотношения:

ϕ1234=(0,72÷0,85):-(1,28÷1,76):-(3,00÷00):(0,79÷0,92),

где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.

При фокусном расстоянии 75 мм и относительном отверстии 1:1,25 объектив обладает высоким качеством изображения в температурном диапазоне от -40°C до +50°C по всему полю зрения.

Недостаток объектива заключается в том, что он имеет небольшие поле зрения и относительное отверстие, а также большую длину. Относительная длина объектива составляет 1,38.

Задачей изобретения является создание атермализованного объектива с обеспечением следующих технических результатов: увеличение поля зрения и относительного отверстия, а также уменьшение длины объектива.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Атермализованный объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит размещенные в корпусе четыре оптически связанных мениска, первый из которых - 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 мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, а четвертый компонент - положительная линза с выпуклой первой поверхностью, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, выполненная из германия. В отличие от прототипа вогнутая поверхность третьего мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,32 до 0,46, а вторая поверхность четвертого компонента выполнена плоской или вогнутой, при этом выполняются следующие соотношения:

ϕ1234=(1,44-1,80):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,00):(1,38÷1,56),

где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.

D4/f'=0,16÷0,31,

D6/f'=0,22÷0.40,

где D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;

D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым компонентами;

f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.

Четвертый компонент в виде выпукло-плоской линзы более технологичен по сравнению с выпукло-вогнутым мениском, поэтому предпочтителен.

В качестве материала корпуса объектива могут быть использованы алюминиевый сплав, сталь, инвар.

На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива.

Атермализованный объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит четыре компонента. Мениск 1 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 3 - отрицательный, выполнен из германия (Ge). Линза 4 - положительная, выпукло-плоская, выполненная из германия. Мениски 1, 2, 3 обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения 5, а линза 4 обращена плоской стороной к плоскости изображения 5. Вторая (вогнутая) поверхность мениска 3 выполнена асферической. Между менисками 2 и 3 имеется воздушный промежуток D4, между мениском 3 и линзой 4 воздушный промежуток D6.

Атермализованный объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через компоненты 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5.

При расчете объектива учитывались следующие факторы:

1. Температурный коэффициент расширения оптических материалов, влияющий на толщину менисков;

2. Температурный коэффициент расширения корпуса объектива, влияющий на воздушные промежутки между менисками;

3. Изменение показателей преломления материала менисков;

4. Изменение прогибов менисков (кривизны их поверхностей) под воздействием температуры.

При расчете объектива использовались косые пучки лучей, т.е. одновременно в меридиональной и сагиттальных плоскостях.

В качестве материала корпуса взят традиционно используемый алюминиевый сплав с температурным коэффициентом расширения (ТСЕ), равным 22×10-6. Показатели преломления выбранных материалов, коэффициенты линейного расширения и зависимость показателя преломления от температуры (dn/dt) выбирались из отечественных стандартов, поэтому в программе ZEMAX был создан дополнительный каталог стекол, т.к. стекло ИКС-25 в ней отсутствует.

Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне ±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 от -50°C до +50°C. При оптимизации использованы коэффициенты линейного расширения материалов для ИК-области спектра (ТСЕ) и коэффициент изменения показателя преломления с температурой (dn/dt), представленные в таблице 1.

Основные оптические характеристики применяемых оптических материалов, т.е. показатели преломления в области 8-12 мкм при давлении в одну атмосферу и температурном диапазоне от -50°C до +50°C даны в таблице 2. В этой же таблице приведен температурный показатель расширения ТСЕ для оптических материалов и корпуса объектива (ТСЕ=22⋅10-6). Девятая поверхность - плоскость изображения.

В таблице 3 дано изменение кривизны (CR*) поверхностей менисков их толщины и воздушных промежутков (Т*) в зависимости от температуры (ТЕ*) при давлении (PR*) одна атмосфера. На это указывает литера Т (Thermal Pick Up) во всех графах системы для конфигураций (Config) 2 и 3, т.е. минус 50°С и +50°C. Это производится автоматически программой ZEMAX за счет встроенной подпрограммы термооптического анализа с последующей оптимизацией параметров объектива методом мультиконфигураций.

В таблице 4 приведены оптические характеристики объектива.

Конструктивные элементы (радиусы кривизны поверхностей и толщины компонентов 1-4, воздушные промежутки между компонентами 1-4) объектива с приведенными в таблице 4 оптическими характеристиками, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 компонентов 1-4: ϕ1234=1,613:-0,988:-0,777:1,516, где ϕ1=f'/f'1, ϕ2=f'/f'2, ϕ3=f'/f'3, ϕ4=f'/f'4; f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива; f'1, f'2, f'3, f'4 - фокусные расстояния соответственно компонентов 1, 2, 3, 4. При этом относительные воздушные промежутки между компонентами 2 и 3, 3 и 4 равны: D4/f'=0,222; D6/f'=0,322. Коническая постоянная К асферической поверхности мениска 3 равна 0,41.

При изменении температуры полная длина объектива L (от первой поверхности до плоскости изображения) изменяется от 43,74 до 43,82 мм, а фокусное расстояние изменяется на 50 мкм, т.е. фокусное расстояние практически постоянно.

В прототипе относительная длина объектива (L/f') составляет 1,38, а в предлагаемом изобретении относительная длина объектива равна 1,22. В прототипе поле зрения составляет 4,75×6,33°, а в предлагаемом изобретении 11,42×15,2°, т.е. в два раза больше. Относительное отверстие в прототипе составляет 1,25, а в предлагаемом изобретении - 1,20.

Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки, которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения и функцию концентрации энергии, позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 3).

На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°С, во второй колонке - для -50°С, а в третьей - для +50°С. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, в третьей - для края поля зрения, т.е. по диагонали размером 11,42×15,2°. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 31 мкм для относительного отверстия 1:1,2. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Кроме того, над каждым пятном рассеяния впечатан его размер, соответствующий 80% концентрации энергии.

На фиг. 3 справа дан контраст изображения на частоте 20 мм-1, а слева - функция концентрации энергии при радиусе пятна рассеяния 20 мкм для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков, в первом ряду - для 20°С, во втором - для -50°С, а в третьем - для +50°С.

Как видно из фиг. 3, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента матрицы Q составляет: Q=0,017×0,017 мм, а по диагонали соответственно 24 мкм. Для инфракрасных объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии 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. Из фиг. 3 видно, что контраст изображения для осевой точки поля зрения равен 0,7, а для края поля зрения 0,6.

Представленные графики свидетельствуют о том, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения в диапазоне температур от -50°С до +50°С (в прототипе диапазон температур от -40°С до +50°С).

Проведенные расчеты показывают, что технические результаты (увеличение поля зрения и относительного отверстия, уменьшение длины объектива) достигаются в пределах всех заявляемых диапазонов:

ϕ1234=(1,44÷1,80):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,00):(1,38÷1,56);

D4/f'=0,16÷0,31; D6/f'=0,22÷0,40; K=0,32÷0,46.

Технические результаты достигаются в пределах всех указанных диапазонов также и при выполнении четвертого компонента в виде выпукло-вогнутого мениска. Расчеты объектива с выпукло-вогнутым мениском, вторая поверхность которого имеет небольшую кривизну, показали, что объектив также имеет дифракционное качество изображения в указанном диапазоне температур.

В настоящее время максимальный размер матрицы (UL 04 272 ULIS, Франция) с форматом 480×640 с размером элемента 17×17 мкм составляет порядка 12 мм по диагонали. Если фокусное расстояние предлагаемого объектива пересчитать на фокус 75 мм, как у прототипа, то требуемая диагональ матрицы составит 25 мм, что нереально. Но даже в этом случае предлагаемый объектив будет обладать хорошим качеством изображения с небольшим падением контраста по краю диагонали поля зрения.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение обеспечивает при высоком качестве изображения в температурном диапазоне ±50°С увеличение в два раза поля зрения, увеличение относительного отверстия и уменьшение длины объектива.

1. Атермализованный объектив для ИК-области спектра, содержащий закрепленные в корпусе четыре оптически связанных компонента, первый из которых - 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 мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, а четвертый компонент - положительная линза с выпуклой первой поверхностью, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, выполненная из германия, отличающийся тем, что вогнутая поверхность третьего мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,32 до 0,46, а вторая поверхность четвертого компонента выполнена плоской или вогнутой, при этом выполняются следующие соотношения:

ϕ1234=(1,44÷1,80):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,00):(1,38÷1,56),

где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов,

D4/f'=0,16÷0,31,

D6/f'=0,22÷0.40,

где D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами;

D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым компонентами;

f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.

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



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к линзовым монохроматическим объективам с вынесенным зрачком и линейным законом построения изображения, и может быть использовано для развертки изображений, например в лазерных устройствах записи информации, в полиграфии, факсимильной технике, в устройствах вывода информации из ЭВМ.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах. Объектив состоит из четырех одиночных менисков, обращенных вогнутостью к изображению.

Изобретение может быть использовано в тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами, не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

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 может быть использовано в тепловизионных приборах. Светосильный объектив состоит из четырех расположенных по ходу лучей линз: первая и вторая линзы - одиночные положительные мениски, обращенные вогнутостью к изображению.

Изобретение может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную, вторую отрицательную и третью положительную выпукло-вогнутые линзы, второго компонента, содержащего первую отрицательную вогнуто-выпуклую, вторую двояковыпуклую и третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзы, третьего компонента, содержащего первую двояковыпуклую, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую и третью положительную выпукло-вогнутую линзы, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой.

Изобретение может быть использовано в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча мениски - положительные, а третий - отрицательный.

Оптическая система тепловизионного прибора состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую отрицательную, вторую положительную и третью отрицательную выпукло-вогнутые линзы, подвижного второго компонента, содержащего первую отрицательную, вторую положительную и третью положительную вогнуто-выпуклые линзы, неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу, вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу и третью положительную двояковыпуклую линзу, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой.

Изобретение относится к технологии получения оптических изделий из германия путем выращивания монокристаллов германия из расплава в форме профильных изделий в виде выпукло-вогнутых заготовок, которые после обработки могут быть использованы для изготовления линз инфракрасного диапазона.

Двухканальный тепловизионно-ночной наблюдательный прибор содержит тепловизионный канал, состоящий из объектива тепловизионного канала, матричного приемника излучения, плоского дисплея, лупы тепловизионного канала, куб-призмы.

Изобретение относится к области ИК-оптики и может быть использовано в тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами, не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

Изобретение может быть использовано в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Телеобъектив содержит четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча мениски - положительные, а третий - отрицательный.

Объектив с переменным фокусным расстоянием для охлаждаемых детекторов, содержащий подвижные и неподвижные компоненты, отличается тем, что он выполнен из пяти компонентов, расположенных последовательно по ходу луча, и включает шесть линз, при этом головной компонент - неподвижная одиночная положительная линза, второй компонент выполнен отрицательным и подвижным, третий компонент выполнен положительным и подвижным, причем второй и третий компоненты выполнены таким образом, чтобы вторая поверхность второго компонента, которая является вогнутой, и первая поверхность третьего компонента, которая является выпуклой, были обращены в разные стороны, при этом величина подвижки второго компонента не превышала 0,1 f′ max, а расстояние между третьим и четвертым компонентами не превышало (0,13÷0,16) f′ max, и при этом апертурная диафрагма расположена за пятым компонентом на расстоянии 0,55 f′ min от последней поверхности объектива.

Изобретение может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система тепловизионного прибора состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси входного объектива, формирующего промежуточное изображение и содержащего первую отрицательную, вторую положительную и третью отрицательную выпукло-вогнутые линзы, проекционного объектива, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу, вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу и третью положительную двояковыпуклую линзу, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой.

Изобретение может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси входного объектива, формирующего промежуточное изображение и содержащего первую положительную, вторую отрицательную и третью положительную выпукло-вогнутые линзы, проекционного объектива, содержащего первую двояковыпуклую, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую и третью положительную выпукло-вогнутую линзы, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой. Технический результат - повышение качества изображения системы во всем поле зрения при сохранении габаритов и уменьшении массы. 2 ил., 2 табл.

Оптическая система формирования изображений содержит детектор формирования изображений, включающий первую область, чувствительную к свету в первом диапазоне волн приблизительно от 1,0 до 2,5 мкм, и вторую область, чувствительную к свету во втором диапазоне волн, который включает по меньшей мере одну из короктоволновой инфракрасной полосы спектра и средневолновой инфракрасной полосы спектра, несколько линз для фокусирования света на детектор формирования изображений, изготовленных из материала, прозрачного в диапазоне длин волн по меньшей мере от 1,0 мкм до 5,0 мкм; и светоделитель, расположенный между линзами и детектором формирования изображений и предназначенный для деления падающего света на первый и второй диапазоны волн и направления их на соответственно на первую и вторую области детектора формирования изображений. Детектор формирования изображений представляет собой двумерную решетку в фокальной плоскости. Зрачок оптической системы расположен между линзами и детектором формирования изображений. Технический результат – обеспечение многофункциональности оптической системы за счет охвата дополнительных полос спектра в диапазоне от 1,0 мкм до 5,0 мкм. 12 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Наверх