RU156006U1

RU156006U1 - Атермализованный объектив для ик области спектра

Info

Publication number: RU156006U1
Application number: RU2015115332/28U
Authority: RU
Inventors: Михаил Наумович Сокольский; Лина Михайловна Лапо; Валерия Анатольевна Павлова; Владимир Алексеевич Тупиков; Владимир Владимирович Иванов
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное предприятие "Авиационная и Морская Электроника"
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2015-10-27

Abstract

Атермализованный объектив для ИК области спектра, содержащий последовательно расположенные первый положительный мениск, обращённый вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25 и второй - отрицательный мениск, обращённый вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из селенида цинка, а также третий -положительный мениск, обращённый вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, отличающийся тем, что между оптическими силами,,первого, второго и третьего менисков соответственно имеют место следующие соотношения:::=(0,60-0,80):(0,25-0,45):(1,20-1,40),второй и третий мениски разделены воздушным промежутком, составляющим 0,9-1,1 эквивалентного фокусного расстояния объектива.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной (ИК) области спектра, в частности, в диапазоне спектра λ=8-14 мкм.

Системы, работающие в области спектра 8-14 мкм, позволяют наблюдать объекты, температура излучения которых составляет -50÷+50°C, что соответствует излучению в диапазоне λ,=8-14 мкм.

К объективам, работающим в диапазоне спектра λ=8-14 мкм, предъявляются следующие требования:

1. Сверхвысокое относительное отверстие, составляющее D:F=1:1÷1:1.3

Это требование обусловлено тем, что яркость далеких излучающих объектов низка, а чувствительность современных приемников (болометрических матриц) - мала.

2. Высокое, близкое к дифракционному, качество изображения. Размер элемента матрицы составляет Q=0.017×0.017-0.035×0.035 мм. Для ИК приборов необходимо чтобы в размере пикселя значение концентрации энергии η составляло бы не менее 75%, при том, что безаберрационная идеальная система дает η=89÷90%.

Для тепловизоров, формирующих изображение объектов конечных размеров, необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста υ=1/2Q=30-15 лин/мм было не менее 0.4-0,6.

Характеристики качества изображения должны быть постоянны по всему полю изображения объектива. Особенно это требование важно для приборов обнаружения и слежения за удаленными объектами малых размеров.

3. Минимальное количество линзовых элементов.

Линзы ИК объективов изготавливаются, в основном, из ик оптических материалов: ИКС-25, ZnSe, германия, имеющего большой показатель преломления (n=4), большой удельный вес (γ=5.33 г/см³) и высокую стоимость.

Минимизация количества линзовых элементов позволяет снизить вес объектива и его стоимость.

4. Габаритные параметры включают в себя требование, определяемое конструкцией приемника - задний фокальный отрезок

, должен удовлетворять условию

. Кроме того, желательно, чтобы длина объектива была минимальна. Важно иметь в виду, что в конструкции ряда ИК приемников болометрическая матрица «утоплена», т.е. расположена в глубине корпуса приемника, отверстие в котором ограничивает диаметр световых пучков, попадающих на матрицу.

5. Важной проблемой создания ИК объективов с использованием, например, германия является значительное изменение его показателя преломления при изменении температуры, что приводит к расфокусировке, и, соответственно, к ухудшению качества изображения. Конструкция оптической схемы, а также выбор оптических сил линзовых компонентов должны минимизировать влияние изменения температуры на качество изображения.

Создание оптической системы атермализованного объектива для ИК области спектра является актуальной задачей.

1. Известны конструкции оптических схем ИК объективов, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям. Многие из них состоят из двух-трех линз при значительной светосиле (диафрагменное число, близкое к 1, часто содержащих асферические поверхности (см. 1. патент США №6292293, МПК: G02B 1/00, опубл. 18.09.2001 г.,

2.патент США №623501, МГЖ: G02B 1/00, опубл. 22.05.2002 г.).

В объективах, не имеющих асферических поверхностей, в целях обеспечения требуемого высокого качества изображения, приходится уменьшать относительное отверстие.

Известен атермализованный объектив для ИК области спектра 8-12 мкм (см. 3. патент США №4679891, МПК G02F 1/02, G02B 9/12, 9/34, опубл. 03.07.1985), содержащий четыре линзы, из которых первая - двояковыпуклая, выполненная из селенида цинка, вторая - двояковогнутая, выполненная из сульфата цинка, третья - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, и четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия.

Объектив атермализован в области температур -50°C - +50°C.

Однако данный объектив имеет сложную конструкцию (наличие 4-х линз), низкое относительное отверстие 1:1,6 и пониженное качество изображения по полю изображения объектива (в 2 раза по сравнению с центром поля).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является светосильный объектив для ИК области спектра (см. 4. патент РФ на изобретение №2538423, МПК G02B 9/38, G02B 11/22, G02B 13/14, опубл. 10.01.2015), содержащий четыре компонента, выполненных в виде менисков, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, из которых первый мениск - положительный, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный, выполненный из селенида цинка, третий и четвертый - положительные, выполненные из германия. Оптические силы линз удовлетворяют условиям: φ₁:φ₂:φ₃:φ₄=(0,72-0,85):(1,28-1,76):(3,0- 6,0):(0,79-0,92), где φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.

Однако данный объектив, как и вышерассмотренный аналог, имеет сложную конструкцию: объектив 4-х линзовый, а также содержит второй отрицательный мениск из германия, что ухудшает качество изображения.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции объектива путем уменьшения количества линз с четырех до трех при обеспечении высокого качества изображения по всему полю изображения объектива при относительных отверстиях до 1:1.

Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом атермализованном объективе для ИК области спектра, содержащем последовательно расположенные первый положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25 и второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из селенида цинка, а также третий - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, отличающемся тем, что между оптическими силами φ₁, φ₂, φ₃ первого, второго и третьего менисков соответственно имеют место следующие соотношения:

φ₁:φ₂:φ₃=(0,60-0,80):(0,25-0,45):(1,20-1,40),

второй и третий мениски разделены воздушным промежутком, составляющим; 0,9-1,1 эквивалентного фокусного расстояния объектива.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что полученное соотношение оптических сил линз и расстояние между вторым и третьим менисками позволяет упростить конструкцию. Соотношение оптических сил первой и второй линз, представляющих собой коррекционный силовой элемент, позволяет наряду с аберрациями III порядка скомпенсировать аберрации высших порядков. Соотношение сил для третьей линзы и воздушный промежуток между второй и третьей линзами обеспечивают компенсацию астигматизма по полю изображения объектива.

Применение оптических материалов ИКС-25, ZnSe и Ge при выбранных соотношениях оптических сил линз обеспечило атермальность объектива, т.е. постоянство положения плоскости изображений при перепадах температур ±50°C и высокое качество изображения.

Таким образом, предлагаемая схема атермализованного объектива для ИК области спектра, имеет упрощенную конструкцию, состоящую из трех линз, повышенное до 1:0,9 - 1:1,0 относительное отверстие и обеспечивает высокое качество изображения по всему полю изображения объектива при перепадах температур ±50°C.

Конструкция заявленной полезной модели поясняется чертежом, где представлена оптическая схема объектива, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.

Атермализованный объектив для ИК области спектра согласно чертежу состоит из трех линз, первая из которых 1 - положительный мениск, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, вторая 2 - отрицательный мениск, выполненный из селенида цинка, третья линза 3 - положительный мениск, выполненный из германия, причем первая, вторая и третья линзы установлены последовательно и обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения 4, при этом относительные оптические силы первого φ₁, второго φ₂ и третьего φ₃ менисков имеют следующие соотношения: φ₁:φ₂:φ₃=(0,60-0,80):(0,25-0,55):(1,20-1,40), а второй и третий мениски разделены воздушным промежутком, равным 0,9-1,1 эффективного фокусного расстояния объектива. На чертеже также показано защитное зеркало 5.

При использовании предлагаемого объектива в плоскости изображений 4 устанавливается приемник изображений.

Работа объектива осуществляется следующим образом. Параллельный пучок излучения от бесконечно удаленного предмета фокусируется в заднем фокусе первого 1 и второго 2 менисков примерно на расстоянии 2f', где f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива. Третий мениск 3 формирует изображение после менисков 1 и 2 в плоскости изображений с увеличением около 0,5.

В Приложении приведен объектив со следующими оптическими параметрами:

- фокусное расстояние, мм 44,85;

- относительное отверстие 1:1;

- угловое поле, град. 2ω=13,8;

- относительные оптические силы φ₁=0,72, φ₂=-0,34, φ₃=1,28

- расстояние (воздушный промежуток) между вторым и третьим менисками составляет 0,9f'.

Значения ЧКХ - T(ν) (%) на частоте ν=20 л/мм в фиксированной плоскости изображений составляют:

Приложение

1. Основные характеристики объектива.

Фокусное расстояние, мм	44,85
Диаметр входного зрачка, мм	36
Относительное отверстие	1:1.25
Поле зрения, град	диагональ 13.8
Длина объектива, мм	78
Задний фокальный отрезок, мм	16
Температурный диапазон работы, град	-40…+50

2. Относительные оптические силы линз и материалы

Линза 1 φ1=0.72 (ИКС25)

Линза 1 φ2=-0.34 (ZnSe)

Линза 1 φ3=1.28 (Ge)

φ1:φ2:φ3=0.72:-0.34:1.24

Линзы выполнены в виде менисков, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображения.

Расстояния между первой и второй линзами - 46,84 мм Или 1,04 значения эквивалентного фокусного расстояния.

3. На стр. 2-6 приложения приведены графики частотно-контрастных характеристик в фиксированной плоскости изображения при температурах -40°, -20°, -0°, +20°, +40°, +50°C.

Расчеты выполнены по программе ZEMAX для четырех точек поля. Крайняя частота равна 20 1/ мм, что соответствует частоте Найквиста для болометрической матрицы с размером пиксела 0,025×0,025 мм.

Claims

Атермализованный объектив для ИК области спектра, содержащий последовательно расположенные первый положительный мениск, обращённый вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25 и второй - отрицательный мениск, обращённый вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из селенида цинка, а также третий -положительный мениск, обращённый вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из германия, отличающийся тем, что между оптическими силами
,
,
первого, второго и третьего менисков соответственно имеют место следующие соотношения:

:
:
=(0,60-0,80):(0,25-0,45):(1,20-1,40),

второй и третий мениски разделены воздушным промежутком, составляющим 0,9-1,1 эквивалентного фокусного расстояния объектива.