Светосильный объектив для инфракрасной области спектра

Изобретение может быть использовано в тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами, чувствительными в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит два одиночных положительных мениска, обращенных выпуклостью к плоскости предметов. Вторая поверхность первого мениска выполнена асферической. Мениски выполнены из германия. Выполняются соотношения: R₁=(1,04÷1,26)F; R₂=(1,03÷1,62)F; R₃=(0,5÷0,79)F; R₄=(0,59÷0,98)F, где R₁, R₂ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска, R₃, R₄ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска, F - фокусное расстояние объектива. Для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне температур от минус 40°С до 50°С второй мениск либо весь объектив выполняют подвижными вдоль оптической оси. Технический результат - увеличение поля зрения объектива при сохранении высокого качества изображения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств с линейным полем зрения 6,528×4,896 мм (диагональ 8,16 мм), чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.

К объективам, предназначенным для работы в составе наблюдательных тепловизионных приборов, предъявляются повышенные требования к полю зрения, а к объективам, предназначенным, например, для прицелов, повышенные требования к качеству изображения в центре поля зрения.

Известен светосильный объектив по патенту РФ №126479 от 07.11.2012 г., МПК G02B 13/14. Объектив состоит из двух последовательно установленных по ходу лучей одиночных положительных менисков, выполненных из германия, обращенных выпуклостью к предмету. Все оптические поверхности выполнены сферическими и выполняются условия: 0<d_в<0,2f'; 2<R₁/'f<4,5; 0,5<R₃/f'<1; 4<R₂/f'<8; 0,7<R₄/f'<2; где: R₁, R₂, R₃, R₄ - - радиусы кривизны первой, второй, третьей и четвертой оптических поверхностей; d_в - воздушный промежуток между двумя линзами; f - фокусное расстояние всего объектива.

Недостатком объектива является узкое поле зрения: 2,8 градуса.

Известен объектив по патенту США №3992078 от 06.05.1975 г., опубл. 16.11.1976 г., МПК G02B 3/00, состоящий из двух простых положительных линз, причем, каждая линза может быть выполнена либо в виде выпуклоплоской линзы, обращенной выпуклостью к плоскости предметов, либо в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости предметов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению - прототипом - является вариант объектива по вышеуказанному патенту США №3992078, содержащий два одиночных положительных мениска, обращенных выпуклостью к плоскости предметов, выполненных из германия, в котором вторая поверхность первого мениска выполнена асферической. Мениски отстоят друг от друга по оси на расстоянии от 0,8F до 1,2F, где F - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива. Радиус кривизны первой по ходу лучей поверхности первого мениска R₁ составляет более 5F и менее 15F. Радиус кривизны R₃ первой по ходу лучей поверхности второго мениска составляет более 2F и менее 5F. Радиусы кривизны вторых поверхностей менисков R₂ и R₄ - более 50F. Толщины по оси менисков могут быть менее 0,05F, заднее фокусное расстояние объектива более 0,5F и менее 2F.

Недостатком указанного объектива также является узкое поле зрения. Поле зрения объектива с относительным отверстием 1:1 составляет 4 градуса, а с относительным отверстием 1:1,5 - 8 градусов.

Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: увеличение поля зрения объектива при сохранении высокого качества изображения.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Объектив для инфракрасной области спектра, как и прототип, содержит два оптически связанных одиночных положительных мениска, выполненных из германия, обращенных выпуклыми поверхностями к плоскости предметов. Вторая поверхность первого мениска выполнена асферической. В отличие от прототипа радиусы кривизны поверхностей менисков удовлетворяют следующим соотношениям: R₁=(1,04÷1,26)F; R₂=(1,03÷1,62)F; R₃=(0,5÷0,79)F; R₄=(0,59÷0,98)F, где R₁, R₂ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска, R₃, R₄ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска, F - фокусное расстояние объектива.

В частных случаях реализации - при выполнении второго мениска или всего объектива подвижным вдоль оптической оси - достигаются дополнительные технические результаты: фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С.

Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.

На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива. На фиг. 2 приведены графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива для различных точек поля зрения. На фиг. 3 приведен график дисторсии в процентах по полю зрения (ордината Y). На фиг. 4 приведены графики концентрации энергии в кружке рассеяния.

Светосильный объектив для инфракрасной области спектра (фиг. 1) содержит два оптически связанных одиночных положительных мениска 1, 2, обращенных выпуклостью к плоскости предмета. Вторая по ходу луча поверхность мениска 1 выполнена асферической. Мениски 1, 2 выполнены из германия.

Инфракрасное излучение от удаленного объекта попадает в объектив, где проходит через мениски 1, 2, и образует действительное изображение предмета в плоскости наилучшей установки фотоприемного устройства (не показано), положение которой обусловлено расстоянием до объекта (для бесконечно удаленного объекта практически совпадает с фокальной плоскостью объектива).

В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный объектив, оптические характеристики которого приведены в таблице 1.

В таблице 2 приведены величины относительных оптических сил, расстояний по оси между менисками, материалы и диаметры менисков объектива.

Предлагаемый объектив по сравнению с прототипом имеет более широкое поле зрения: 12,4×9,4 град, (крайние точки поля зрения: ±6,2°×±4,7°).

Радиусы кривизны поверхностей менисков рассчитанного объектива, приведенные в таблице 2, удовлетворяют заявленным диапазонам: R₁=(1,04÷1,26)F; R₂=(1,03÷1,62)F; R₃=(0,5÷0,79)F; R₄=(0,59÷0,98)F.

Качество изображения объектива демонстрируется графиками, приведенными на фиг. 2, 3, 4. Указанные графики приведены для объектива с фокусным расстоянием 30 мм, диаметром входного зрачка 27 мм, относительным отверстием 1:1,11 и полем зрения 12,4×9,4 град.

На фиг. 2 и фиг. 4 графики построены для осевой точки (0° на графиках), для зоны на уровне 0,7 от крайней точки поля зрения (4,4°×3,3° на графиках) и для крайней точки поля зрения (6,2°×4,7° на графиках). Штриховой линией обозначен дифракционный предел.

На фиг. 2 приведены графики ЧКХ объектива на частоте 40 штрихов/мм. По оси абсцисс отложены значения пространственных частот, отнесенные к плоскости изображений объектива, по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста. Графики ЧКХ приведены для меридионального (Т) и сагиттального (S) сечений. Из приведенных графиков видно, что в предлагаемом объективе сохранено высокое, дифракционно-ограниченное качество изображения.

Высокое качество изображения объектива подтверждается графиками дисторсии (фиг. 3) и концентрации энергии в кружке рассеяния для различных точек поля зрения (фиг. 4). На фиг. 3 видно, что дисторсия составляет (-13%).

На фиг. 4 по оси абсцисс отложены значения радиуса кружка рассеяния, по оси ординат - значения соответствующих ему уровней концентрации энергии. Указанный график также демонстрирует высокое качество изображения предложенного объектива, имеющего по сравнению с прототипом большее поле зрения.

При выполнении второго мениска или всего объектива подвижными вдоль оптической оси осуществляется фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40 до 50°С.

Расчеты объектива показали, что заявленный технический результат обеспечивается при значениях радиусов кривизны поверхностей менисков 1, 2 в пределах всех заявленных диапазонов: R₁=(1,04÷1,26)F; R₂=(1,03÷1,62)F; R₃=(0,5÷0,79)F; R₄=(0,59÷0,98)F.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение обеспечивает увеличение поля зрения объектива при сохранении высокого качества изображения.

1. Светосильный объектив для инфракрасной области спектра, содержащий два оптически связанных одиночных положительных мениска, выполненных из германия, обращенных выпуклыми поверхностями к плоскости предметов, причем вторая поверхность первого мениска выполнена асферической, отличающийся тем, что радиусы кривизны поверхностей менисков удовлетворяют следующим соотношениям:

R₁=(1,04÷1,26)F;

R₂=(1,03÷1,62)F;

R₃=(0,5÷0,79)F;

R₄=(0,59÷0,98)F,

где R₁, R₂ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска,

R₃, R₄ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска,

F - фокусное расстояние объектива.

2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

3. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.