RU82875U1

RU82875U1 - Светосильный объектив для инфракрасной области спектра

Info

Publication number: RU82875U1
Application number: RU2008135968/22U
Authority: RU
Inventors: Михаил Наумович Сокольский; Ирина Евгеньевна Совз
Original assignee: Открытое акционерное общество "ЛОМО"
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2009-05-10

Abstract

Использование: в оптическом приборостроении, а именно в специальных объективах, работающих в дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне волн, а также в тепловизионных приборах. Задача: является увеличение относительного отверстия и обеспечение высокого качества изображения по всему полю. Сущность: в светосильном объективе для инфракрасной области спектра, содержащем три компонента, выполненные в виде менисков из одинакового оптического материала, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой φ₁, второй - с отрицательной оптической силой φ₂, третий - с положительной оптической силой φ₃, оптические силы компонентов удовлетворяют условию:

где φ - оптическая сила объектива, а расстояние d между вторым и третьим компонентами удовлетворяет условию: 0,65<dφ<0,8 1 с.п. ф-лы, 1 илл.

Description

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

К объективам, работающим в ИК диапазоне спектра 8-14 мкм, с матричными болометрическими приемниками, предъявляются следующие требования:

1. Сверхвысокое относительное отверстие 1:1÷1:0,75. Это требование обусловлено низкой энергетической яркостью наблюдаемых объектов и малой чувствительностью болометрических матриц.

2. Высокое, близкое к дифракционному качество изображения. Необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста было не менее 0,5-0,6, где а - размер элемента приемника (пиксель).

3. Качество изображения должно быть постоянно по всему полю изображения. При этом необходимо отсутствие виньетирования для полевых лучей и близкий к телецентрическому ход главных лучей в пространстве приемника.

Выполнение перечисленных требований обеспечивает постоянство энергетических характеристик объектива по всему полю изображения.

4. Минимальное количество линзовых элементов. Материал, применяемый обычно в ИК объективах - оптический германий - имеет большой удельный вес, равный 5,33 г/см³. Кроме того, германий

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

Создание оптической системы светосильного объектива для тепловизоров становится актуальной задачей.

Известен объектив [1], работающий в (ИК) диапазоне спектра 8-12 мкм, состоящий из трех линз, выполненных из материала одной марки.

Недостатком такого объектива является низкая светосила - относительное отверстие равно 1:2.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светосильный объектив [2], состоящий из трех компонентов, выполненных в виде менисков из оптического материала одной марки, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой φ₁, второй - с отрицательной оптической силой φ₂, и третий - с положительной оптической силой φ₃.

Компоненты разделены между собой большими воздушными промежутками, равными более 0,3 фокусного расстояния объектива.

Основным недостатком указанного объектива является низкое относительное отверстие, доходящее до 1:1,65 и низкое качество изображения по полю.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение относительного отверстия при обеспечении высокого качества изображения по всему полю.

Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, содержит три компонента, выполненные в виде менисков из одинакового оптического материала, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой φ₁, второй - с отрицательной оптической силой φ₂, и третий - с положительной оптической силой φ₃.

В отличие от прототипа оптические силы компонентов удовлетворяют условию:

где φ - оптическая сила объектива, а расстояние d между вторым и третьим компонентами удовлетворяет условию:

0,65<dφ<0,8;

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что полученные соотношения оптических сил компонентов позволили обеспечить коррекцию осевых и полевых аберраций. Это дало возможность увеличить относительное отверстие до 1:0,75 при достаточно большом угловом поле 10° и высоком качестве изображения: на частоте 20 л/мм контраст более 0,40 по всему полю.

Апертурная диафрагма совмещена с первой поверхностью первого компонента.

Соотношение оптических сил первого и второго компонентов φ₁ и φ₂, позволили скомпенсировать сферическую аберрацию, включая ее высшие порядки.

Соотношение оптических сил первого и второго компонентов φ_1,2 и третьего компонента φ₃ позволили скомпенсировать кривизну, хроматизм положения и сферохроматизм. Полученное значение оптической силы третьего компонента вместе с выбранным воздушным промежутком - расстоянием между вторым и третьим компонентами позволили скомпенсировать полевые аберрации - кому и астигматизм.

Другим достоинством предлагаемого объектива является то, что входной зрачок расположен вблизи переднего фокуса, что обеспечивает близкий телецентрическому ход главных лучей в пространстве

изображений и тем самым равномерную освещенность в изображении объекта по всему полю при отсутствии виньетирования.

Таким образом, предлагаемый светосильный объектив для инфракрасной области спектра, состоящий из трех компонентов, выполненных из одного материала - германия, работает в диапазоне спектра 8-12,5 мкм и обеспечивает:

- относительное отверстие 1:0,75;

- угловое поле 2β=10°;

- телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений и отсутствие виньетирования полевых лучей;

дифракционно-ограниченное качество изображения:

среднеквадратическая деформация волнового фронта (RMS)no всему полю менее 0,2λ, контраст по частоте 20 л/мм - более 0,40 по всему полю изображения.

Таким образом, предлагаемый объектив при одинаковом с прототипом количестве линз обеспечивает существенно более высокое относительное отверстие 1:0,75 вместо 1:1,65 как в прототипе, при высоком качестве изображения.

Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - представлена оптическая схема объектива, и Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.

Светосильный объектив для инфракрасной области спектра состоит из трех компонентов, выполненных в виде менисков 1, 2 и 3, апертурной диафрагмы 4, защитного стекла 5 и приемника оптического излучения 6.

Все мениски обращены вогнутостью к изображению, и выполнены: первый мениск выполнен с положительной оптической силой φ₁, второй - с отрицательной оптической силой φ₂ и третий - с положительной оптической силой φ₃.

Третий мениск 3 установлен на расстоянии d от второго мениска 2, при этом выполняются следующие соотношения:

где φ - оптическая сила объектива

φ_I, φ₂, φ₃ - оптические силы менисков 1, 2 и 3,

φ_I,2 - оптическая сила первого и второго менисков;

d - расстояние между вторым и третьим менисками удовлетворяет условию:

Апертурная диафрагма 4 совмещена с первой поверхностью мениска 1, являясь одновременно входным зрачком, находится вблизи переднего фокуса объектива, обеспечивая тем самым близкий к телецентрическому ход главных лучей в пространстве изображений.

Работа объектива осуществляется следующим образом.

Излучение от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через мениски 1, 2 и 3, защитное стекло 5 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник излучения 6.

Сведения, подтверждающие полученные технические результаты при числовых значениях, допускаемых заявленным диапазоном, приведены в нижеследующей таблице.

Заявленные соотношения	Примеры объективов
Заявленные соотношения	1	2	3	4
0,95<(φ₁/φ)<l,05	0,978	0,948	1,048	0,95
	0,736	0,517	0,918	0,687
0,35<(φ_1,2/φ)<0,55	0,465	0,543	0,458	0,452
1,25<(φ₃/φ)<1,5	1,373	1,164	1,492	1,325
0,65<(dφ)<0,8	0,75	0,819	0,652	0,795

f' мм	57,55	57,52	57,56	45,25
D:f'	1:0.75	1:0.75	1:0.75	1:0.75
2β град	10	10	10	12,8
Контраст (мер/саг) при υ=20мм^-1 у'=0	60,4	52,1	55,8	52,5
у'=5 мм	43,3 45,3	46,0 30,0	56,1 32,0	42,0 43,3
RMS	0,20	0,26	0,25	0,195

В Приложениях 1÷4 приведены конструктивные параметры и характеристики качества изображения указанных примеров.

Таким образом, предлагаемый объектив, у которого оптические силы компонентов и расстояние между вторым и третьим компонентами удовлетворяют указанным выше условиям, обеспечивает увеличение относительного отверстия при высоком качестве изображения по всему полю.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, патент №2189063, МПК: G02В 13/34, 9/14, 2002 г.

2. США, патент №4537464, НКИ: 350/1.4, 1985 г. - прототип.

ИК_ОБЪЕКТИВ-1

Фокусное расстояние, F', мм:	57.5524
Диафрагменное число F'/D:	0.7494
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:	76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:	0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:	302.1049
Положение выходного зрачка, S'p, мм:	226.4474
Линейная величина изображения, 2у', мм:	10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:	10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:	8.0000°
Длина системы, L, мм:	90.0000

Спектральные характеристики
Длины волн, мкм	Отн-ные веса
8.0000	0.1000
9.0000	0.5000
10.0000	1.0000 главная
11.0000	0.5000
12.5000	0.1000

Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.	Радиусы кривизны	Расстоянния по оси	Световые высоты	Стрелки прогиба	Опт. среды
АД	65.3100	7.0000	38.4000	12.4816	Germanium
2	95.2600	10.0500	37.3500	7.6276
3	139.3200	4.5000	32.6000	3.8678	Germanium
4	85.3100	43.1500	30.4000	5.6003
5	30.3400	3.8000	18.9500	6.6458	Germanium
6	36.2200	6.0000	17.7500	4.6475
7	плоскость	3.0000	16.5000	0.0000	Germanium
8	плоскость	10.5000	16.0000	0.0000
9	плоскость	1.0000	6.1535	0.0000	Germanium
10	плоскость	1.0000	5.9803	0.0000
11	плоскость	-0.0770	5.1425	0.0000
Изобр.	плоскость	0.0000	5.1226	0.0000

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ИК_ОБЪЕКТИВ-2

Фокусное расстояние, F', мм:	57.5219
Диафрагменное число F'/D:	0.7490
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:	76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:	0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:	2359.5503
Положение выходного зрачка, S'p, мм:	1767.3072
Линейная величина изображения, 2у', мм:	10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:	10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:	8.0000°
Длина системы, L, мм:	88.9550

Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.	Радиусы кривизны	Расстояния по оси	Световые высоты	Стрелки прогиба	Опт. среды
АД	69.1369	7.0000	38.4000	11.6447	Germanium
2	102.9747	5.0429	37.3150	6.9988
3	168.1250	4.5000	35.9432	3.8871	Germanium
4	109.6279	47.1122	33.9934	5.4035
5	34.8954	3.8000	18.9551	5.5970	Germanium
6	41.8993	6.0000	17.7562	3.9484
7	плоскость	3.0000	15.9400	0.0000	Germanium
8	плоскость	10.5000	15.4362	0.0000
9	плоскость	1.0000	6.1410	0.0000	Germanium
10	плоскость	1.0000	5.9731	0.0000
11	плоскость	-0.0145	5.1368	0.0000
Изобр.	плоскость	0.0000	5.1235	0.0000

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ИК_ОБЪЕКТИВ-3

Фокусное расстояние, F', мм:	57.5581
Диафрагменное число F'/D:	0.7495
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:	76.8000
Положение входного зрачка, Sp, мм:	0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:	215.5019
Положение выходного зрачка, S'p, мм:	161.5479
Линейная величина изображения, 2у', мм:	10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:	10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:	8.0000°
Длина системы, L, мм:	88.3843

Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.	Радиусы кривизны	Расстояния по оси	Световые высоты	Стрелки прогиба	Опт. среды
АД	76.0160	7.0000	38.4000	10.4121	Germanium
2	130.5955	14.0943	37.5490	5.5145
3	323.4261	4.5000	29.6354	1.3606	Germanium
4	118.6001	37.4900	28.1140	3.3804
5	43.9517	3.8000	20.2405	4.9379	Germanium
6	66.2193	6.0000	19.4646	2.9253
7	плоскость	3.0000	16.5502	0.0000	Germanium
8	плоскость	10.5000	16.0267	0.0000
9	плоскость	1.0000	6.0741	0.0000	Germanium
10	плоскость	1.0000	5.8996	0.0000
11	плоскость	-0.1267	5.2626	0.0000
Изобр.	плоскость	0.0000	5.1568	0.0000

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ИК_ОБЪЕКТИВ-4

Фокусное расстояние, F', мм:	45.2498
Диафрагменное число F'/D:	0.7542
Диаметр входного зрачка, Dp, мм:	60.0000
Положение входного зрачка, Sp, мм:	0.0000
Диаметр выходного зрачка, D'p, мм:	276.2385
Положение выходного зрачка, S'p, мм:	208.3617
Линейная величина изображения, 2у', мм:	10.0000
Угловое поле зрения по диагонали, 2σ:	10.0000°
Угловое поле зрения по горизонтали, 2σ:	8.0000°
Длина системы, L, мм:	72.7200

Конструктивные параметры оптической системы
№ пов.	Радиусы кривизны	Расстояния по оси	Световые высоты	Стрелки прогиба	Опт. среды
АД	50.4349	5.5000	30.0000	9.8926	Germanium
2	71.5093	6.6722	29.0970	6.1875
3	107.5092	3.5000	26.4560	3.3060	Germanium
4	67.9508	36.0038	24.7536	4.6691
5	23.7781	3.5000	16.0467	6.2310	Germanium
6	27.5317	4.5000	14.8825	4.3691
7	плоскость	2.5000	14.7583	0.0000	Germanium
8	плоскость	8.5000	14.3219	0.0000
9	плоскость	1.0000	6.2563	0.0000	Germanium
10	плоскость	1.0000	6.0817	0.0000
11	плоскость	0.0440	5.1329	0.0000
Изобр.	плоскость	0.0000	5.0911	0.0000

Claims

Светосильный объектив для инфракрасной области спектра, содержащий три компонента, выполненные в виде менисков из одинакового оптического материала, обращенных вогнутостью к изображению, первый из которых выполнен с положительной оптической силой φ₁, второй - с отрицательной оптической силой φ₂, третий - с положительной оптической силой φ₃, отличающийся тем, что оптические силы компонентов удовлетворяют условию:

;
;

;
,

где φ - оптическая сила объектива, а расстояние d между вторым и третьим компонентами удовлетворяет условию:

0,65<dφ<0,8.