RU2762997C1 - Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком - Google Patents

Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком Download PDF

Info

Publication number
RU2762997C1
RU2762997C1 RU2021122199A RU2021122199A RU2762997C1 RU 2762997 C1 RU2762997 C1 RU 2762997C1 RU 2021122199 A RU2021122199 A RU 2021122199A RU 2021122199 A RU2021122199 A RU 2021122199A RU 2762997 C1 RU2762997 C1 RU 2762997C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
field
components
iks
view
Prior art date
Application number
RU2021122199A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Иванович Белоусов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Главное управление специальных программ Президента Российской Федерации (ГУСП)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Главное управление специальных программ Президента Российской Федерации (ГУСП) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Главное управление специальных программ Президента Российской Федерации (ГУСП)
Priority to RU2021122199A priority Critical patent/RU2762997C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2762997C1 publication Critical patent/RU2762997C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/34Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

Объектив может быть использован в тепловизорах с микроболометрическими матрицами, не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне 8-12 мкм. Объектив содержит четыре компонента. Первый - отрицательный мениск из германия, второй - положительный мениск из бескислородного стекла ИКС-25, третий - отрицательный мениск из селенида цинка, а четвертый - двояковыпуклая линза из стекла ИКС-25. Первый компонент установлен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а второй и третий обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Первая поверхность первого компонента выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,22 до 0,26. Выполняются соотношения: ϕ1234=-(0,014÷0,073):(0,69÷0,82):-(0,97÷1,15):(1,2÷1,25), где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов. Технический результат - увеличение поля зрения, увеличение заднего отрезка и повышение технологичности объектива при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю зрения. 3 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относится к области инфракрасной 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.
Наиболее часто используемые матрицы имеют формат 640×480 пикселей размером 17×17 мкм. Таким образом, размер матрицы составляет 10,88×8,16 мм, а диагональ - 13,6 мм.
К современным инфракрасным объективам предъявляются требования по увеличению поля зрения, что достижимо при уменьшении фокусного расстояния объектива. Увеличение поля зрения приводит к увеличению случайных нежелательных засветок матрицы от наблюдаемой картины, а также бликов от оптических поверхностей самого объектива и его оправ, поэтому в некоторых матрицах перед его защитным окном устанавливают непрозрачную шторку. Использование шторки предполагает наличие дополнительного места, т.е. достаточного заднего отрезка объектива L=13÷14 мм. Поэтому в объективе с полем зрения 40° (в асимметричных оптических системах обычно рассматривается половина поля зрения, т.е. ±20°) фокусное расстояние объектива f' должно составлять f'=6,8мм/tg20°≤18,7 мм, где 6,8 мм - половина диагонали матрицы, т.е. L/f'≈0,75. Для обычных объективов величина L/f'=0,2÷0,3, что обусловлено необходимостью хорошего исправления полевых аберраций.
Кроме того, к объективам предъявляются требования независимости от температуры окружающей среды. При изменении температуры изменяются величины воздушных промежутков, толщина линз и их прогибы, а также показатель преломления, в результате чего происходит дефокусировка изображения, поэтому требуется атермализация объектива.
Известен светосильный объектив для тепловизора по патенту РФ №2403598 от 25.02.2009 г., G02B 13/14, состоящий из четырех линз. Первая линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - двояковогнутый отрицательный мениск, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, а четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Суммарная оптическая сила всех линз не превышает 0,15 оптической силы всего объектива. Сумма оптических сил первых двух линз отрицательная и составляет по абсолютной величине не менее 0,8 оптической силы всего объектива. Объектив имеет относительное отверстие 1:1, поле зрения 25° и высокое качество изображения при работе в нормальных климатических условиях. Кроме того, при фокусном расстоянии f=38 мм он имеет большой задний отрезок, равный 54,6 мм, что позволяет установить матрицу со шторкой.
Недостатком объектива является небольшое поле зрения 25° и узкий спектральный диапазон 8÷9 мкм, что существенно снижает его энергетические возможности. Кроме того, поверочный расчет объектива по приведенном в патенте конструктивным элементам показал, что при работе в температурном диапазоне от минус 40°С до плюс 50°С для получения высокого качества изображения его необходимо перемещать вдоль оси в диапазоне 0,5 мм, что приводит к необходимости применения двигателя с редуктором и источника питания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2642173 от 16.12.2016 г., G02B 13/14, 9/38. Объектив содержит размещенные в корпусе из алюминиевого сплава четыре компонента, первый из которых - отрицательный мениск, второй - положительный мениск, третий - отрицательный мениск, причем упомянутые мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, а четвертый компонент выполнен в виде положительной линзы. При этом первый мениск выполнен из германия, второй мениск и четвертая положительная линза выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, а третий мениск из селенида цинка. Вторые поверхности первого и второго менисков по ходу лучей выполнены коническими (асферическими) с коэффициентами асферичности соответственно от 0,42 до 1,56 и от минус 0,86 до 2,6. Выполняются соотношения: ϕ1234=-(0,07÷0,001):(1,4÷1,83):-(2,06÷2,55):(1,5÷1,9), где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов; D4/f'=0,13÷0,19; D6/f'=0,12÷0,43, где D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим компонентами; D6 - воздушный промежуток между третьим и четвертым компонентами, f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
Указанный объектив имеет фокусное расстояние 42 мм, задний отрезок 13 мм, относительное отверстие 1:1,25 и поле зрения 23° по диагонали. При этом качество изображения приближается к дифракционному.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Объектив имеет недостаточное поле зрения: 23° по диагонали. Для получения поля зрения порядка 40° при существующих габаритах матрицы необходимо уменьшать фокусное расстояние объектива примерно в два раза. Таким образом, задний отрезок объектива составит примерно 6 мм, что явно недостаточно даже для матрицы без шторки.
2. В объективе имеются две асферические поверхности: на мениске из германия и на мениске из бескислородного стекла ИКС-25. Если на мениске из германия достигнутая технология (алмазное точение на станках с ЧПУ) позволяет изготавливать асферические поверхности с точностью порядка 0,2÷0,3 мкм, то в случае с материалом ИКС-25 такая технология не работает в связи с токсичностью материала и применяются более сложные технологии.
Техническая проблема заключается в создании атермализованного объектива с получением следующего технического результата: увеличение поля зрения и заднего отрезка, а также повышение технологичности объектива при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю зрения.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком, как и прототип, содержит размещенные в корпусе из алюминиевого сплава четыре компонента, первый по ходу луча из которых - отрицательный мениск, выполненный из германия, второй - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из селенида цинка, а четвертый - положительная двояковыпуклая линза, выполненная из стекла ИКС-25. В отличие от прототипа первый компонент обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а его первая поверхность выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,22 до 0,26, при этом выполняются следующие соотношения: ϕ1234=-(0,014÷0,073):(0,69÷0,82):-(0,97÷1,15):(1,2÷1,25), где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.
В качестве примера конкретной реализации рассчитан объектив со следующими оптическими характеристиками:
Фокусное расстояние 18,4 мм
Относительное отверстие 1:1,25
Поле зрения 33°×26,4°
Спектральный диапазон 8-12 мкм
Длина объектива 46,4 мм
Задний отрезок (без защитного стекла 5) 13,5 мм
Масса оптических компонентов объектива составляет 54 г.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с ходом осевого и крайнего лучей поля зрения.
На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки (ФРТ) по трем температурным конфигурациям: 20°С, минус 40°С и плюс 50°С.
На фиг. 3 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ) и контраст изображения (ЧКХ) по тем же конфигурациям.
Объектив содержит четыре оптически связанные компонента, размещенные в корпусе из алюминиевого сплава. Первый компонент представляет собой отрицательный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, выполненный из германия. Вогнутая поверхность мениска 1 выполнена асферической с нанесенным на ней алмазоподобным защитным просветляющим покрытием. Второй компонент - положительный мениск 2, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25. Третий компонент - отрицательный мениск 3, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из селенида цинка (ZnSe). Четвертый компонент - двояковыпуклая линза 4, выполненная из бескислородного стекла ИКС-25. Все компоненты установлены на минимальном технологически удобном расстоянии вдоль оптической оси, не усложняющем конструирование и сборку объектива. В заднем отрезке объектива за линзой 4 расположено защитное стекло 5 матрицы 6. Чувствительные элементы матрицы 6 расположены в плоскости изображения объектива. Защитное стекло 5 имеет толщину 1 мм и выполнено из кремния.
Объектив работает следующим образом. Лучи последовательно проходят через входной зрачок, компоненты 1, 2, 3, 4, защитное стекло 5 и строят изображение на матрице 6. При расчете объектива использовались косые (диагональные) пучки лучей, т.е. одновременно в меридиональной и сагиттальных плоскостях, поэтому на фиг.1 краевой пучок лучей идет не в край матрицы 6, а повернут на некоторый угол вдоль оптической оси, определяемый соотношением углов поля зрения объектива ±(16,5°×13,2°). Для того чтобы луч шел в край матрицы 6, необходимо задать диагональное поле зрения ±21,2° в меридиональной плоскости.
Конструктивные характеристики рассчитанного объектива приведены в таблице 1. Входной зрачок объектива (апертурная диафрагма) расположен в 5 мм от его первой поверхности.
Figure 00000001
В объективе выполняются следующие соотношения: ϕ1234=0,039:0,748:-1,056: 1,224.
При расчете объектива учитывались следующие факторы: температурный коэффициент расширения (ТСЕ) оптических материалов, влияющий на толщину компонентов 1-4; температурный коэффициент расширения материала корпуса объектива, влияющий на воздушные промежутки между компонентами 1-4 и между компонентом 4 и защитным стеклом 5; изменение показателей преломления (dn/dt) материалов компонентов 1-4; изменение прогибов компонентов 1-4 (кривизны их поверхностей) под воздействием температуры. Характеристики материалов компонентов 1-4 представлены в таблице 2.
Figure 00000002
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до плюс 50°С использован метод мультиконфигураций, предусмотренный в программе ZEMAX с использованием опции «Thermal Pick Up». Проведена одновременная оптимизация новых (по отношению к номинальной конфигурации) значений параметров схемы объектива для значений температуры от минус 40°С до плюс 50°С. При оптимизации использованы значения ТСЕ и dn/dt, представленные в таблице 2.
В таблице 3 представлены результаты воздействия указанных факторов на конструктивные элементы оптической схемы с учетом того, что корпус объектива выполнен из алюминиевого сплава, у которого ТСЕ=22,0⋅10-6. В таблице представлены результаты оптимизации оптической системы для трех конфигураций температурного режима: первая конфигурация (Config 1*) - в нормальных климатических условиях 20°С, вторая конфигурация (Config2) - при минус 40°С, третья (Config3) - при плюс 50°С.
Таблица 3 скопирована из программы ZEMAX, в которой приняты следующие обозначения: CRVT - кривизна оптической поверхности, равная обратной величине радиуса поверхности; THIC - толщина оптической детали или воздушного промежутка. Буква Т означает, что использована опция «Thermal Pick Up». Величины CRVT и THIC для первой поверхности не используются, т.к. относятся к входному зрачку.
Figure 00000003
Функция рассеяния точки (ФРТ), приведенная на фиг. 2, наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении. В первой колонке дана топология кружков рассеяния для температуры 20°С, во второй колонке - для минус 40°С, а в третьей - для плюс 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 42,4°. Размер квадрата составляет 200 мкм. На каждое пятно рассеяния автоматически впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 32 мкм для относительного отверстия 1:1,25. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Над каждым пятном рассеяния впечатан размер кружка рассеяния объектива в микрометрах, соответствующий 80% концентрации энергии: в первой колонке - 26, 34, 32, во второй - 32, 31, 35, в третьей - 25, 34, 30.
Все кружки рассеяния по всему полю зрения и во всем температурном диапазоне вписываются в кружок Эйри, что говорит о дифракционном качестве изображения предлагаемого объектива.
На фиг. 3 справа дан контраст изображения (ЧКХ) на пространственной частоте 20 мм-1, а слева - функция концентрации энергии (ФКЭ) при радиусе пятна рассеяния 20 мкм для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. Полученные графики приближаются к дифракционному пределу, определяемому самым верхним графиком. Предлагаемый объектив с увеличенным задним отрезком имеет дифракционное качество изображения в диапазоне температур от минус 40°С до плюс 50°С.
Проведенные расчеты показывают, что заявленные технические результаты достигаются в пределах всех заявляемых диапазонах значений конической постоянной и относительных оптических сил компонентов: K=0,22÷0,26; ϕ1234=-(0,014÷0,073):(0,69÷0,82):-(0,97÷1,15):(1,2÷1,25).
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемый объектив имеет увеличенный задний отрезок (13,5 мм), увеличенное поле зрения по диагонали (42,4°) и является более технологичным (содержит одну асферическую поверхность), обеспечивая при этом высокое качество изображения в широком температурном диапазоне.

Claims (3)

  1. Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком, содержащий размещенные в корпусе из алюминиевого сплава четыре компонента, первый из которых по ходу луча - отрицательный мениск, выполненный из германия, второй - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25, третий - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, выполненный из селенида цинка, а четвертый - двояковыпуклая линза, выполненная из стекла ИКС-25, отличающийся тем, что первый компонент обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а его первая поверхность выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,22 до 0,26, при этом выполняются следующие соотношения:
  2. Figure 00000004
  3. где: ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.
RU2021122199A 2021-07-20 2021-07-20 Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком RU2762997C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021122199A RU2762997C1 (ru) 2021-07-20 2021-07-20 Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021122199A RU2762997C1 (ru) 2021-07-20 2021-07-20 Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2762997C1 true RU2762997C1 (ru) 2021-12-24

Family

ID=80039003

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021122199A RU2762997C1 (ru) 2021-07-20 2021-07-20 Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2762997C1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU5426198A (en) * 1996-10-31 1998-05-22 Raytheon Ti Systems, Inc. Infrared lens assembly with athermalization element and method
US5909308A (en) * 1996-01-08 1999-06-01 Carl-Zeiss-Stiftung Achromatic and athermalized reimager
RU2385475C1 (ru) * 2008-08-07 2010-03-27 Институт физики полупроводников СО РАН Светосильный широкоугольный объектив для инфракрасной области спектра (варианты)
RU2642173C1 (ru) * 2016-12-16 2018-01-24 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" (АО "НПЗ") Атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра
RU2650743C1 (ru) * 2017-03-22 2018-04-17 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Широкоугольный инфракрасный объектив
US10294143B2 (en) * 2012-04-20 2019-05-21 Schott Corporation Glasses for the correction of chromatic and thermal optical aberations for lenses transmitting in the near, mid, and far-infrared spectrums
US10890736B2 (en) * 2016-08-29 2021-01-12 Rochester Precision Optics, Llc Athermalized and achromatized multispectral optical systems and methods of designing same

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5909308A (en) * 1996-01-08 1999-06-01 Carl-Zeiss-Stiftung Achromatic and athermalized reimager
AU5426198A (en) * 1996-10-31 1998-05-22 Raytheon Ti Systems, Inc. Infrared lens assembly with athermalization element and method
RU2385475C1 (ru) * 2008-08-07 2010-03-27 Институт физики полупроводников СО РАН Светосильный широкоугольный объектив для инфракрасной области спектра (варианты)
US10294143B2 (en) * 2012-04-20 2019-05-21 Schott Corporation Glasses for the correction of chromatic and thermal optical aberations for lenses transmitting in the near, mid, and far-infrared spectrums
US10890736B2 (en) * 2016-08-29 2021-01-12 Rochester Precision Optics, Llc Athermalized and achromatized multispectral optical systems and methods of designing same
RU2642173C1 (ru) * 2016-12-16 2018-01-24 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" (АО "НПЗ") Атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра
RU2650743C1 (ru) * 2017-03-22 2018-04-17 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Широкоугольный инфракрасный объектив

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2524612B2 (ja) 赤外アフォ―カルズ―ム式テレスコ―プ
US4679891A (en) Infra-red lenses
US6423969B1 (en) Dual infrared band objective lens
DE102005021506B4 (de) Optisches Einzelelement und seine Verwendung
US4432596A (en) Infra-red optical systems
RU2365952C1 (ru) Объектив для ик-области спектра
CN110658613A (zh) 一种小型化大变倍比中波制冷红外连续变焦光学系统
US4398786A (en) Collimation lens system
RU2642173C1 (ru) Атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра
RU2762997C1 (ru) Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком
CN110543001B (zh) 一种小型化大变倍比中波制冷红外连续变焦光学系统
RU2629890C1 (ru) Инфракрасный объектив с пассивной атермализацией
EP0457493A1 (en) Zoom lens
RU2594957C1 (ru) Атермализованный объектив для ик-области спектра
SE446132B (sv) "ogonlins"-system for infrarott ljus
US5734511A (en) Wide angle objective system
US5909307A (en) Optical system for infrared camera
CN113325578B (zh) 一种光电吊舱的光学系统
CN108366185A (zh) 一种可变焦距红外成像终端
CN106054360B (zh) 一种空间用像方远心镜头
GB2433608A (en) Ancillary optical system for imaging optics in the infrared spectral region
RU2594955C1 (ru) Телеобъектив для ик-области спектра
EP1178343B1 (en) Objective for infrared vision systems
US6856468B2 (en) Zoom lens
CN114252982A (zh) 焦距35mm的消热差红外镜头及其装配方法、成像方法