RU2843624C1 - Атермализованный сверхширокоугольный объектив для ИК-области спектра - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области инфракрасной оптики и может быть использовано в тепловизорах. Атермализованный сверхширокоугольный объектив содержит размещенные в корпусе из стали четыре компонента, первый из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, второй компонент - отрицательный мениск, третий компонент - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения. Первый компонент выполнен из германия и имеет асферическую выпуклую поверхность, второй компонент выполнен из германия, имеет асферическую вогнутую поверхность и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображения, третий компонент выполнен из бескислородного стекла ИКС-25, а четвертый компонент - двояковыпуклая линза, выполненная из германия, вторая поверхность которой асферическая. Устройство обеспечивает повышение технологичности объектива при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю зрения и уменьшение массогабаритных характеристик. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области инфракрасной оптики и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе микроболометрических матричных фотоприемников, чувствительных в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

Используемые в фотоприемниках микроболометрические матрицы форматом 640×480 пикселей имеют пиксель размером 17×7 мкм, что позволяет получать тепловизионные сверхширокоугольные каналы с сохранением высокого геометрического разрешения. В случае если кружок рассеяния превышает размеры пикселя, это приводит к уменьшению освещенности пикселя, что, в свою очередь, сопоставимо с уменьшением относительного отверстия объектива. Эффективность высокого относительного отверстия объектива возможна только при одновременном достижении высокого качества изображения.

Известен широкоугольный объектив для ИК-области спектра по патенту №2385475. Объектив по п. 1 формулы содержит последовательно расположенные по ходу луча пять компонентов. Первый и второй компоненты - отрицательный и положительный мениски соответственно, расположенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Третий компонент - отрицательный мениск, обращенный к плоскости изображения выпуклой поверхностью. Четвертый компонент - двояковыпуклая линза. Пятый компонент - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения. Все компоненты выполнены из германия. Между пятым компонентом и плоскостью изображений, в воздушном промежутке, расположена апертурная диафрагма.

Конструктивные параметры данного объектива: угловое поле зрения ±75°, длина объектива 197,5 мм, фокусное расстояние 8,2 мм, относительное отверстие 1:1,1.

Недостатком объектива является большая масса и габаритные размеры.

Известен широкоугольный объектив для ИК-области спектра по патенту US №5502592 от 26.03.1996 г., МПК G02B. 13/06. 9/62. Объектив состоит из четырех компонентов, выполненных из германия. Первый компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, второй и третий компоненты - отрицательный и положительный мениски соответственно, выпуклой поверхностью, обращенные к плоскости изображения. Четвертый - положительный мениск вогнутой поверхностью обращен к плоскости изображения.

Конструктивные параметры данного объектива (вариант I): поле зрения ±135°, длина объектива 110 мм, масса объектива 80 г.

Недостатками объектива являются:

1. Сложность изготовления первого компонента, обладающего крутыми радиусами кривизны, что вынуждает изготавливать линзу только одиночным способом, при этом компонент обладает малой толщиной по центру, что может привести к деформации на заготовке линзы и, следовательно, к возникновению больших местных ошибок на поверхностях линзы;

2. Большая величина дисторсии (более 50%), что является значительным фактором в ухудшении качества изображения;

3. Большие габаритные размеры и масса объектива.

Техническая проблема заключается в создании атермализованного сверхширокоугольного объектива с получением следующего технического результата: повышение технологичности объектива при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю зрения и уменьшение массогабаритных характеристик.

Такой технический результат достигается следующим образом.

Атермализованный сверхширокоугольный объектив для ИК-области спектра содержит четыре компонента, размещенные в стальном корпусе. Первый и второй компоненты - отрицательные мениски, выполненные из германия, вогнутыми поверхностями обращены к плоскости изображения. Третий компонент - положительный мениск, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25 и обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения. Четвертый компонент - двояковыпуклая линза, выполненная из германия. Первая поверхность первого компонента, вторая поверхность второго компонента и вторая поверхность четвертого компонента являются асферическими. Все асферические поверхности объектива представляют собой кривые высших порядков. При этом выполняются следующие соотношения:

где - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно;

- эквивалентное фокусное расстояние всего объектива;

- фокусные расстояния компонентов 1, 2, 3 и 4 соответственно.

Пример реализации атермализованного сверширокоугольного объектива показан на чертежах.

На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива, показан ход лучей. На фиг. 2 показан контраст изображения (ЧКХ) по трем конфигурациям: 20, -40, 50°С и функция концентрации энергии. На фиг. 3 показана функция рассеяния точки по трем конфигурациям: 20, -40, 50°С.

Сверхширокоугольный атермализованный инфракрасный объектив (фиг. 1) содержит четыре установленные по ходу луча компонента. Защитное стекло 5 установлено перед матрицей фотоприемника 6, установленного в плоскости изображения. Компонент 1 - отрицательный мениск, выполненный из германия, первая поверхность которого асферическая. Компонент 2 - отрицательный мениск, выполненный из германия, вторая поверхность по ходу луча асферическая. Компонент 3 - выполненный из бескислородного стекла ИКС-25. Компонент 4 - двояковыпуклая линза, выполненная из германия, вторая его поверхность асферическая.

Отрицательные мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Положительный мениск обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображения. Апертурная диафрагма установлена на первой поверхности компонента 3. Конструктивные характеристики объектива приведены в таблице 1.

Стрелка прогиба асферической поверхности определяется по формуле:

где с=1/г0 - кривизна поверхности;

Данные параметров формулы, определяющей стрелку прогиба асферических поверхностей, представлены в таблице 2.

Оптические характеристики объектива:

1. Фокусное расстояние 5,01 мм

2. Относительное отверстие 1:1,36

3. Поле зрения 97,5° × 84,0°

4. Спектральный диапазон 8-12 мкм

5. Длина объектива 45,76 мм

6. Задний отрезок 7,25 мм

7. Масса объектива 40 г

При расчете объектива учитывались следующие факторы: температурный коэффициент линейного расширения оптических материалов, температурный коэффициент расширения материала корпуса объектива, изменение показателей преломления оптических материалов компонентов, изменение кривизны поверхностей компонентов в зависимости от изменения температуры среды.

Конструктивные параметры объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения:

Объектив работает следующим образом. Пучки лучей последовательно проходят через компоненты 1-4 так, что главный луч в пространстве изображений идет параллельно оптической оси, т.е. является телецентрическим.

Ниже представлены характеристики качества изображения объектива по графикам частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и функции концентрации энергии (ФКЭ).

График ЧКХ соответствует (фиг. 3) дифракционно ограниченному объективу. Контраст изображения составляет 0,6 для пространственной частоты 20 мм^-1.

На фиг. 2 дана топология кружков рассеяния для 20°С, -40°С и +50°С. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны (на уровне 0,7 от края поля зрения), в третьей - для края поля зрения. Размер квадрата составляет 100 мкм. Над каждым кружком написан его размер в микрометрах, соответствующий 80% концентрации энергии.

Рассмотрение этих графиков говорит о том, что данный объектив имеет высокое качество изображения в диапазоне температур от -40°С до +50°С.

Таким образом, предлагаемый объектив обладает широким полем зрения 97,5° × 84,0°, большим относительным отверстием 1:1,36, при этом сохраняя высокое качество изображение по всему полю зрения. Также, предлагаемый объектив является более технологичным и обладает лучшими массогабаритными характеристиками по сравнению с приведенным прототипом.

Claims (6)

1. Атермализованный сверхширокоугольный объектив для ИК-области спектра, содержащий, размещенные в корпусе из стали четыре компонента, первый из которых отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, второй компонент - отрицательный мениск, третий компонент - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения, отличающийся тем, что первый компонент выполнен из германия и имеет асферическую выпуклую поверхность, второй компонент выполнен из германия, имеет асферическую вогнутую поверхность и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображения, третий компонент выполнен из бескислородного стекла ИКС-25, а четвертый компонент - двояковыпуклая линза, выполненная из германия, вторая поверхность которой асферическая, при этом все асферические поверхности представляют собой кривые высших порядков и выполняются следующие соотношения:
3. где - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно;
5. - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива;
6. - фокусные расстояния компонентов 1, 2, 3 и 4 соответственно.