RU2410733C1 - Двухспектральный инфракрасный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой - Google Patents

Abstract

Объектив может быть использован в тепловизорах на основе охлаждаемых матричных приемников, чувствительных в диапазонах от 3 до 5 мкм и от 8 до 12 мкм. Первый положительный компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы, двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Положительный второй компонент - пятилинзовый. Между первым и вторым компонентами введен третий - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы и расположенный на расстоянии не более 0,15 фокусного расстояния первого компонента перед плоскостью промежуточного изображения, формируемого первым и третьим компонентами. Оптические силы компонентов и оптические свойства их материалов соответствуют соотношениям, приведенным в формуле изобретения. Технический результат - уменьшение расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображений, уменьшение диаметров линз первого компонента до диаметра входного зрачка объектива, уменьшение массы, исключение асферических поверхностей при высоком качества изображения как в среднем, так и в дальнем ИК-диапазонах при фиксированном положении плоскости изображений. 6 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения, чувствительных в пределах спектральных диапазонов от 3 до 5 мкм и от 8 до 12 мкм.

Известен компактный зеркально-линзовый объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой [Патент US 5793538, 1998. Solid catodioptric lens], предназначенный для работы с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), имеющими спектральный диапазон работы в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра. Для работы в среднем ИК диапазоне спектра зеркально-линзовая система выполняется из кремния или арсенида галлия, а для работы в дальнем ИК диапазоне спектра - из германия или арсенида галлия. Иными словами, конкретный объектив имеет один спектральный диапазон работы, но по аналогичной схеме из другого материала может быть рассчитан и изготовлен объектив, работающий в другом ИК диапазоне спектра. В этом заключается его недостаток: в невозможности работы одновременно в двух ИК диапазонах спектра. Кроме того, объектив имеет большую величину p' (расстояние вдоль оптической оси между плоскостью апертурной диафрагмы и плоскостью изображений), что ограничивает возможности его сопряжения с современными охлаждаемыми МФПУ.

Известна зеркально-линзовая оптическая система, состоящая из двухзеркального первого компонента и линзовых компонентов [Патент US 6174061 B1, 2001. Compact electro-optical sensor assembly having single aperture for multiple detectors], имеющая вынесенную в пространство изображений апертурную диафрагму, предназначенная для совместной работы с охлаждаемыми МФПУ в среднем ИК, дальнем ИК и видимом диапазонах спектра. Для работы в каждом из диапазонах линзовые компоненты выполняются из материалов, прозрачных в соответствующих диапазонах, но ни один из вариантов не обеспечивает возможность формирования качественного изображения одновременно в двух спектральных диапазонах.

Известен инфракрасный линзовый объектив, состоящий из шести линз, имеющий вынесенную в пространство изображений апертурную диафрагму [Патент WO 2008/071580 A1, 2008. Compact dual-field IR2-IR3 infrared imaging system], обеспечивающий спектральный диапазон работы одновременно в пределах среднего и дальнего ИК диапазонов спектра. Объектив имеет относительное отверстие 1:2,7, два значения фокусного расстояния 180 и 60 мм. Объектив содержит дифракционные оптические элементы, асферические поверхности, линзы выполнены из двух материалов. Основной недостаток аналога - нетехнологичность и высокая стоимость оптической системы (прежде всего из-за наличия дифракционных оптических элементов). Кроме того, при переходе от одного спектрального диапазона ко второму плоскость изображений в упомянутом аналоге смещается, и для получения качественного изображения требуется подфокусировка. Подфокусировка осуществляется подвижками пятой по ходу лучей линзы [Olivier Cocle, Christophe Rannou, Bertrand Forestier, Paul Jougla, Philippe F.Bois, Eric M.Costard, A.Manissadjian, D.Gohier. QWIP COMPACT THERMAL IMAGER: CATHERINE-XP AND ITS EVOLUTIONS // SPIE, 2007, v.127, р.6542]. При использовании объектива-аналога с двумя различными МФПУ использование перефокусировки является вполне приемлемым и, поскольку это упрощает оптическую схему, обоснованным решением. Но при использовании объектива-аналога совместно с двухспектальным МФПУ, чувствительным одновременно и в среднем, и в дальнем ИК диапазоне спектра, необходимость осуществления подфокусировки с высокой скоростью усложняет конструкцию тепловизионного прибора и является недостатком объектива-аналога.

Известен инфракрасный линзовый объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой, предназначенный для работы в среднем ИК и дальнем ИК диапазонах спектра, содержащий два компонента, каждый из которых состоит из двух одиночных линз [Патент US 7218444 B2, 2007. Dual-band, dual-focal-length, relayed refractive imager]. Каждая из линз имеет асферическую поверхность второго порядка. Число используемых материалов в линзах компонентов - два. Для смены фокусного расстояния между компонентами вводится двухлинзовая вставка, линзы которой выполнены из различных материалов, отличных от материалов линз компонентов. Величина p' превышает фокусное расстояние объектива в 1,13 раза. Наибольшая величина относительного отверстия объектива 1:5,33. Недостаток аналога - нетехнологичность конструкции, малое относительное отверстие, большая величина расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображений.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является двухспектральный ИК объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой [Патент US 6423969 В1, 2002. Dual infrared band objective lens], включающий оптически связанные, расположенные по ходу лучей первый положительный компонент, состоящий из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы, двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и положительный второй компонент, при этом линзы объектива выполнены из материалов, пропускающих излучение среднего и дальнего ИК диапазонов спектра. Первая преломляющая поверхность двояковыпуклой линзы первого компонента и первая преломляющая поверхность положительной линзы второго компонента имеют асферическую форму. Объектив построен по принципиальной схеме объектива Петцваля, между компонентами отсутствует промежуточное изображение. Оптические силы первого и второго компонентов относятся как 1:1,73. Диаметр линз объектива первого компонента в 1,4 раза превышает диаметр входного зрачка объектива. Объектив имеет фокусное расстояние f'=188 мм, относительное отверстие 1:2, расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображений 50 мм, что составляет 0,266 от величины фокусного расстояния объектива. Линзы объектива выполнены из трех различных материалов. В качестве материалов линз использованы материалы, имеющие показатели преломления 3,3; 2,4; 2,2, для которых отношение v_3-5/v_8-12 составляет соответственно 1,4; 3,1; 4,8; а отношение p_3-5/p_8-12 - соответственно 1,4; 1,2; 1,1 (здесь v_3-5, v_8-12 - коэффициент средней дисперсии материала соответственно в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра; p_3-5, p_8-12 - коэффициент частной дисперсии материала соответственно в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра).

Недостатками наиболее близкого аналога являются большая величина расстояния между апертурной диафрагмой и плоскостью изображений, большой диаметр первого компонента, превышающий диаметр входного зрачка системы, что приводит к увеличению габаритов и массы оптической системы; нетехнологичность конструкции из-за наличия асферических поверхностей.

Уменьшение расстояния между апертурной диафрагмой и плоскостью изображений до расстояний, соответствующим современным охлаждаемым МФПУ, в которых указанные расстояния достигают 20 и 10 мм, в наиболее близком аналоге приведет к возрастанию несимметричности оптической системы объектива относительно апертурной диафрагмы, и как результат, к возрастанию аберраций широких наклонных пучков и снижению качества изображения. Уменьшение диаметра первого компонента до диаметра входного зрачка в наиболее близком аналоге не возможно из-за того, что входной зрачок системы не совмещен с первым компонентом. Совмещение входного зрачка с первым компонентом при расположении апертурной диафрагмы между последним компонентом и плоскостью изображений в оптической системе объектива, состоящей из двух положительных компонентов с указанным распределением оптических сил и без отсутствия промежуточного изображения между последними, оптически не реализуемо. Отказ от асферических поверхностей в наиболее близком аналоге либо приведет к снижению качества изображения из-за возрастания аберраций широких пучков лучей, либо потребует увеличения числа линз для сохранения заявленного качества изображения. Итак, устранение указанных недостатков в наиболее близком аналоге невозможно без существенного изменения устройства оптической системы и требует поиска новых схемных решений, не поддающихся аналитическим методам решения, но позволяющих обеспечить высокую степень коррекции аберраций при соблюдении указанных дополнительных требований, связанных с необходимостью сопряжения с современными охлаждаемыми МФПУ, спектральный диапазон работы которых соответствует ближней и дальней ИК диапазонам спектра.

Очевидно, что, с одной стороны, уменьшение величины p', уменьшение длины L вдоль оптической оси между первой поверхностью объектива и плоскостью изображений, уменьшение наибольшего диаметра D_max линз объектива в сравнении с диаметром входного зрачка D_p, а с другой стороны, увеличение величина числовой апертуры A' и размера линейного поля 2y' в пространстве изображений усложняют задачу поиска оптической схемы двухспектрального ИК объектива с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой, обеспечивающего при этом и качество изображения, близкое к дифракционному. Поэтому сравнение различных схемных решений объективов указанного типа может быть осуществлено на основе использования комплексного коэффициента

Чем этот коэффициент меньше, тем более сложным и противоречивым с оптической точки зрения требованиям удовлетворяет конкретная схема. Для наиболее близкого аналога расчет коэффициента k по приведенным [Патент US 6423969 В1, 2002. Dual infrared band objective lens] значениям параметров дает величину 35.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание технологичной конструкции двухспектрального ИК объектива с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой с высокими техническими характеристиками, который может сопрягаться с современными матричными охлаждаемыми МФПУ, работающими в среднем и (или) дальнем ИК диапазонах спектра. Это позволяет упростить разработку и модернизацию тепловизионных приборов на основе различных МФПУ.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображений, в уменьшении диаметров линз первого компонента до диаметра входного зрачка объектива, в уменьшении массы оптических деталей, в исключении асферических поверхностей при сохранении высокого качества изображения одновременно как в среднем, так и в дальнем ИК диапазонах спектра при фиксированном положении плоскости изображений.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога второй компонент выполнен пятилинзовым, между первым и вторым компонентами введен третий компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы и расположенный на расстоянии не более 0,15 фокусного расстояния первого компонента перед плоскостью промежуточного изображения объектов, формируемого первым и третьим компонентами, при этом преломляющие поверхности всех линз объектива выполнены сферическими, линзы выполнены из двух материалов, и в объективе соблюдаются следующие соотношения:

где φ₁, φ₂, φ₃, φ - оптические силы первого, второго, третьего компонентов и всего объектива соответственно;

f'₂ - фокусное расстояние второго компонента;

p' - расстояние вдоль оптической оси между плоскостью апертурной диафрагмы и плоскостью изображений;

v_3-5, v_8-12 - коэффициент средней дисперсии материала соответственно в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра;

p_3-5, p_8-12 - коэффициент частной дисперсии материала соответственно в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра.

Выполнение второго компонента из пяти линз при соблюдении соотношений (1) и (2) позволяет уменьшить расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображений до величин, соответствующих современным охлаждаемым МФПУ, при сохранении высокого качества изображения. Одновременно этим достигается фиксированное положение плоскости изображений при переходе от среднего ИК диапазона спектра к дальнему ИК диапазону спектра. Одновременно достигается уменьшение сферохроматической аберрации и дисторсии в зрачках, что позволяет обеспечить высокие значения частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) для внеосевых точек изображения.

Введение между первым и вторым компонентами третьего компонента, выполненного в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы и расположенного на расстоянии не более 0,15 фокусного расстояния первого компонента перед плоскостью действительного промежуточного изображения объектов, формируемого первым и третьим компонентами, позволяет уменьшить диаметры линз первого компонента до диаметра входного зрачка объектива, обеспечив проецирование апертурной диафрагмы в обратном ходе лучей в такое положение вблизи первого компонента, которое определяется реальными размерами входного зрачка с учетом аберраций в зрачках объектива. В результате это позволяет уменьшить массу оптических деталей. Наличие действительного промежуточного изображения внутри объектива является дополнительным преимуществом, упрощающим юстировку и также способствующим повышению технологичности объектива в целом.

Выполнение первого, третьего и второго компонентов таким образом, что величины их оптических сил и фокусных расстояний удовлетворяют соотношению (1), использование для линз объектива двух материалов, оптические параметры которых удовлетворяют соотношению (2), позволяет обеспечить высокую степень коррекции хроматических аберраций одновременно в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра и обеспечить высокое качество изображения в объективе.

Выполнение преломляющих поверхностей всех линз объектива сферическими (в совокупности с ранее указанными признаками) позволяет исключить асферические поверхности, повысить технологичность и снизить стоимость изготовления при сохранении высокого качества изображения одновременно как в среднем, так и в дальнем ИК диапазонах спектра при фиксированном положении плоскости изображений.

Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров, позволяющих создать технологичную конструкцию двухспектрального ИК объектива с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой с высокими техническими характеристиками, который может сопрягаться с современными матричными охлаждаемыми ФПУ, работающими в среднем и (или) дальнем ИК диапазонах спектра, обеспечив в нем уменьшение расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображений, уменьшение диаметров линз первого компонента до диаметра входного зрачка объектива, уменьшение массы оптических деталей, исключение асферических поверхностей при сохранении высокого качества изображения одновременно как в среднем, так и в дальнем ИК диапазонах спектра при фиксированном положении плоскости изображений.

Совокупность предлагаемых признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации двухспектрального ИК объектива с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой с заявленным техническим результатом.

Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны оптические системы двухспектральных ИК объективов с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг.1 - оптическая схема двухспектрального ИК объектива с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой;

фиг.2 - график продольной хроматической аберрации для диапазона спектра от 3 до 12 мкм;

фиг.3а - ЧКХ для среднего ИК диапазона спектра;

фиг.3б - ЧКХ для дальнего ИК диапазона спектра;

фиг.4а - функция концентрации энергии (ФКЭ) в пятне для среднего ИК диапазона спектра;

фиг.4б - ФКЭ для дальнего ИК диапазона спектра.

Двухспектральный ИК объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой (фиг.1) содержит оптически связанные расположенные по ходу лучей компоненты 1, 3, 2 и апертурную диафрагму 4, расположенную между последним компонентом 2 и плоскостью изображений объектива. Плоскость промежуточного изображения расположена между компонентами 3 и 2. Компонент 1 состоит из трех линз: отрицательного мениска 5, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы; двояковыпуклой линзы 6 и двояковогнутой линзы 7. Оптическая сила компонента 1 лежит в диапазоне от 0,5 до 0,65 от абсолютной величины оптической силы объектива. Компонент 3 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы и расположен на расстоянии не более 0,15 фокусного расстояния компонента 1 перед плоскостью действительного промежуточного изображения объектов, формируемого компонентами 1 и 3. Оптическая сила компонента 3 лежит в диапазоне от 2,5 до 3,0 от абсолютной величины оптической силы объектива. Компонент 2 выполнен из линз 8, 9, 10, 11, 12. Преломляющие поверхности линз 5, 6, 7, 3, 8, 9, 10, 11, 12 выполнены сферическими. Фокусное расстояние компонента 2 лежит в диапазоне от 0,65 до 0,8 от расстояния вдоль оптической оси между плоскостью апертурной диафрагмы и плоскостью изображений. Линзы 5, 6, 7, 3, 8, 9, 10, 11, 12 выполнены из двух материалов. При этом отношения коэффициентов средней дисперсии для среднего и дальнего ИК диапазонов спектра для каждого из материалов лежат в пределах от 1,3 до 1,5, а отношения коэффициентов частной дисперсии для тех же диапазонов спектра для каждого из материалов лежат в пределах от 1,3 до 1,4.

Действие объектива осуществляется следующим образом. Линзы 5, 6, 7 компонента 1 и компонент 3 фокусируют излучение среднего и дальнего ИК диапазонов спектра, идущее от каждой точки удаленных объектов, расположенных в пределах углового поля, определяемого размерами чувствительной площадки охлаждаемого МФПУ и эквивалентным фокусным расстоянием компонентов 1, 3 и 2, и создают действительное промежуточное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения, которое затем линзами 8-12, образующими компонент 2, оптически переносится в плоскость изображений объектива, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией, при этом положение плоскости изображений остается неизменным как для среднего, так и для дальнего ИК диапазонов спектра. Плоскость чувствительных элементов охлаждаемого МФПУ (на фиг.1 не показан) совмещается с плоскостью изображений объектива, а его охлаждаемая диафрагма - с апертурной диафрагмой 4. Последняя определяет относительное отверстие объектива, обеспечивает отсутствие виньетирования для наклонных пучков лучей и минимизирует поступление на МФПУ фонового ИК излучения. В качестве МФПУ могут быть установлены: охлаждаемое МФПУ, спектральный диапазон работы которого лежит в пределах среднего (от 3 до 5 мкм) ИК диапазона спектра; охлаждаемое МФПУ, спектральный диапазон работы которого лежит в пределах дальнего (от 8 до 12 мкм) ИК диапазона спектра; двухспектральное охлаждаемое МФПУ, спектральный диапазон работы которого соответствует и среднему, и дальнему ИК диапазонам спектра.

Осуществление изобретения подтверждается примерами конкретных исполнений двухспектрального ИК объектива с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой для двух значений расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображений: 20 и 10 мм. Параметры примеров конкретного исполнения приведены в таблице 1.

Таблица 1
Параметры примеров конкретного исполнения
Параметр	Номер примера конкретного исполнения
	1	2
p', мм	20	10
-f', мм	179,9	171,2
Dp:f'	1:2,9	1:3
Dp, мм	62,6	56,3
2y', мм	13,4	13,4
f'1, мм	289,22/62,6	333,38/60,0
f'3, мм	61,54/30,0	66,95/26,0
f'2, мм	13,54/17,7	7,62/14,2
φ1/|φ|	0,62	0,51
φ3/|φ|	2,92	2,56
φ2/|φ|	13,29	22,47
f'2/p'	0,68	0,76
d, мм	27,9	38,45
d/f'1	0,10	0,12
L, мм	319,4	300,9
Поз.5, 6, 7	GaAs, KRS5, GaAs	GaAs, KRS5, GaAs
Поз.3	GaAs	GaAs
Поз.8, 9, 10, 11, 12	KRS5, KRS5, GaAs, KRS5, KRS5	KRS5, KRS5, GaAs, KRS5, KRS5
Масса, г	363	344
k	30,7	16,8

Для каждого примера конкретного исполнения, реализованного с использованием только сферических преломляющих поверхностей, приведены параметры оптической схемы: фокусные расстояния компонентов f'₁, f'₃, f'₂ и их относительные оптические силы φ₁/|φ|, φ₃/|φ|, φ₂/|φ|; D_p - диаметр входного зрачка; относительное отверстие Dp:f'; линейный размер изображения 2y', d - расстояние вдоль оптической оси между компонентом 3 (см. фиг.1) и плоскостью промежуточного изображения объектов; L - длина объектива - расстояние вдоль оптической оси между первой преломляющей поверхностью мениска поз.5 и плоскостью изображений; материалы линз компонентов; масса линз объектива; коэффициент k, введенный выше для проведения сравнительной оценки предлагаемой оптической схемы с аналогами. При указании оптических сил компонентов через знак «/» указаны наибольшие диаметры линз компонентов.

Как следует из таблицы 1 и фиг.1, знаки оптических сил компонентов и входящих в них линз, форма линз компонентов 1 и 3, количество линз в компоненте 2 соответствуют заявляемым. Оптическая сила компонента 1 в первом и втором примерах конкретного исполнения составляет соответственно φ₁=0,62|φ| и φ₁=0,51|φ|; оптическая сила компонента 3 в первом и втором примерах конкретного исполнения составляет соответственно φ₃=2,92|φ| и φ₃=2,56|φ|; фокусное расстояние компонента 2 в первом и втором примерах конкретного исполнения составляет соответственно f'₂=0,68p' и f'₂=0,76p', что обосновывает заявленные соотношения (1) между параметрами предлагаемого объектива.

Использованные для линз в конкретных примерах выполнения объектива два материала имеют характеристики, приведенные в таблице 2.

Таблица 2
Параметры материалов
Матери- ал	n4	n10	v3-5	p3-5	v8-12	p8-12
GaAs	3,306	3,278	146,3	0,624	106,2	0,449	1,38	1,39
KRS5	2,382	2,370	232,2	0,621	165,0	0,461	1,41	1,34

Как следует из таблицы 2, отношение коэффициентов средней дисперсии материалов в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра составляет 1,38 и 1,41; отношение коэффициентов частной дисперсии материалов в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра составляет 1,39 и 1,34, что соответствует заявленным характеристикам материалов в предлагаемом двухспектральном ИК объективе в соответствии с соотношением (2).

Во всех примерах конкретного исполнения наибольший диаметр линз практически равен диаметру входного зрачка, при этом разница не превышает 7%. Это обеспечивается тем, что компоненты 3 и 1 проецируют апертурную диафрагму в обратном ходе лучей в такое положение, при котором наибольшие диаметры линз равны диаметру входного зрачка. Вышесказанное демонстрируется ходом лучей, приведенном на фиг.1. Масса линз в примерах конкретных исполнений составляет 363 и 344 г. Расчет массы линз объектива по параметрам, приведенным в наиболее близком аналоге [Патент US 6423969 В1, 2002. Dual infrared band objective lens] показывает, что при относительном отверстии 1:3 она составляет более 1500 г. Снижение массы в предлагаемом объективе достигнуто уменьшением диаметров линз компонентов.

В примерах конкретного исполнения расстояние от плоскости апертурной диафрагмы до плоскости изображений значительно меньше, чем в наиболее близком аналоге и соответствует современным охлаждаемым МФПУ.

На основании найденных соотношений (1) и (2) между параметрами объектива авторами проведены расчеты различных примеров конкретных исполнений, которые показали, что высокое качество изображения может быть достигнуто при различной последовательности материалов в линзах 8-12 компонента 2 и соответственно при различной форме исполнения линз 8-12, но количество линз в нем (пять линз) остается неизменным. Уменьшение числа линз в компоненте 2 при соблюдении совокупности остальных отличительных признаков не позволяет уменьшить расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображений до величин, соответствующих современным охлаждаемым МФПУ, при сохранении высокого качества изображения, фиксированного положения плоскости изображений при переходе от среднего ИК диапазона спектра к дальнему ИК диапазону спектра, уменьшение сферохроматической аберрации и дисторсии в зрачках, обеспечение высоких значения ЧКХ для внеосевых точек изображения и в целом получить двухспектральный ИК объектив с вынесенной в пространство предметов апертурной диафрагмой, характеристики которого в совокупности существенно превосходят аналоги. Конкретные значения конструктивных параметров легко обеспечиваются стандартной оптимизацией, входящей в состав любой современной оптической программы по расчету оптических систем, при использовании указанного числа линз и тех же материалов, что и для линз 5, 6, 7, 3.

Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого предлагаемой оптической системой двухспектрального ИК объектива с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения. Поскольку и в первом, и во втором примерах конкретного исполнения обеспечивается одинаковое качество изображения, то далее на фиг.2-4 приведены характеристики для примера 1.

На фиг.2 приведен график продольной хроматической аберрации для широкого спектрального интервала от 3 до 12 мкм, включающего как средний, так и дальний ИК диапазоны. Характер кривой продольной хроматической аберрации свидетельствует о том, что в предлагаемом объективе в указанном спектральном диапазоне обеспечивается апохроматическая коррекция, при этом остаточный продольный хроматизм в среднем ИК диапазоне спектра (от 3,6 до 4,9 мкм) составляет 0,07 мм, в дальнем ИК диапазоне спектра (от 7,7 до 10,3 мкм) - 0,025 мкм, а для всего диапазона в целом (от 3 до 12 мкм) - 0,23 мм. Границы спектральных диапазонов указаны в соответствии с рабочими спектральными диапазонами чувствительности реальных охлаждаемых МФПУ. Из приведенных значений следует, что в конкретном исполнении объектива в соответствии с заявленной совокупностью отличительных признаков достигается высокая степень коррекции хроматической аберрации, величина которой для широкого спектрального интервала от 3 до 12 мкм, включающего как средний, так и дальний ИК диапазоны, составляет менее 1/700, а для конкретных рабочих спектральных диапазонов - менее 1/2500 от величины фокусного расстояния объектива.

Графики ЧКХ для указанных рабочих спектральных диапазонов представлены соответственно на фиг.3а и 3б, а графики ФКЭ - соответственно на фиг.4а и 4б для фиксированного положения плоскости изображений. На этих же графиках приведены и кривые, соответствующие дифракционному пределу. Из представленных графиков следует, что заявляемый двухспектральный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой обеспечивает высокое качество изображения, близкое к дифракционному пределу, в каждом из спектральных диапазонов при неизменном положении плоскости изображений. Так, для среднего ИК диапазона спектра при коэффициенте передачи контраста 0,1 пространственная частота в плоскости изображений для всех точек изображения в пределах поля зрения составляет 60 мм^-1, что при указанной величине фокусного расстояния соответствует частоте в пространстве предметов 10,8 мрад^-1. Аналогичные величины для дальнего ИК диапазона спектра составляют 28 мм^-1 и 4,8 мрад^-1. Таким образом, анализ качества изображения в примерах конкретных исполнений подтверждает высокое качество изображения, близкое к дифракционному.

Величина коэффициента k в конкретных исполнениях (см. таблицу 1) меньше в 1,1 и 2,1 раза, чем в наиболее близком аналоге, т.е. по совокупности достигнутых характеристик предлагаемый объектив превосходит наиболее близкий аналог.

Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого устройства, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать технологичную конструкцию двухспектрального ИК объектива с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой с высокими техническими характеристиками, который может сопрягаться с современными матричными охлаждаемыми МФПУ, работающими в среднем и (или) дальнем ИК диапазонах спектра, что позволяет более эффективно проводить разработку и модернизацию тепловизионных приборов.

Литература

1. Патент US 5793538, 1998. Solid catodioptric lens.

2. Патент US 6174061 B1, 2001. Compact electro-optical sensor assembly having single aperture for multiple detectors.

3. Патент WO 2008/071580 A1, 2008. Compact dual-field IR2-IR3 infrared imaging system.

4. Olivier Cocle, Christophe Rannou, Bertrand Forestier, Paul Jougla, Philippe F.Bois, Eric M.Costard, A.Manissadjian, D.Gohier. QWIP COMPACT THERMAL IMAGER: CATHERINE-XP AND ITS EVOLUTIONS //SPIE, 2007, v.127, p.6542.

5. Патент US 7218444 B2, 2007. Dual-band, dual-focal-length, relayed refractive imager.

6. Патент US 6423969 В1, 2002. Dual infrared band objective lens.

Claims (1)

1. Двухспектральный инфракрасный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой, включающий оптически связанные, расположенные по ходу лучей первый положительный компонент, состоящий из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы, двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и положительный второй компонент, при этом линзы объектива выполнены из материалов, пропускающих излучение среднего и дальнего ИК диапазонов спектра, отличающийся тем, что второй компонент выполнен пятилинзовым, между первым и вторым компонентами введен третий компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости апертурной диафрагмы, и расположенный на расстоянии не более 0,15 фокусного расстояния первого компонента перед плоскостью промежуточного изображения объектов, формируемого первым и третьим компонентами, при этом преломляющие поверхности всех линз объектива выполнены сферическими, линзы выполнены из двух материалов, и в объективе соблюдаются следующие соотношения:
   φ₁=(0,5÷0,65)|φ|; φ₃=(2,5÷3,0]|φ|; f'₂=(0,65÷0,80)p';
   v_3-5/v_8-12=1,3÷1,5; p_3-5/p_8-12=1,3÷1,4,
   где φ₁, φ₂, φ₃, φ - оптические силы первого, второго, третьего компонентов и всего объектива соответственно;
   p' - расстояние вдоль оптической оси между плоскостью апертурной диафрагмы и плоскостью изображений;
   v_3-5, v_8-12 - коэффициент средней дисперсии материала соответственно в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра;
   p_3-5, p_8-12 - коэффициент частной дисперсии материала соответственно в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра.

Images