Трилінзовий атермальний світлосильний об’єктив для інфрачервоного діапазону спектра

Реферат: Винахід належить до оптичного приладобудування, зокрема до спеціальних об'єктивів з пасивною атермалізацією і може бути використаним в оптико-електронних приладах. Об'єктив містить три компоненти у вигляді менісків, які звернені ввігнутістю до зображення, перший з яких виконано з додатною оптичною силою 1 , другий - з від'ємною оптичною силою  2 , третій - з додатною оптичною силою  3 . Коефіцієнти дисперсії термооптичні сталі, оптичні сили компонентів та відстань d між другим та третім компонентами вибрані таким чином, щоб виправити аберації в усьому полі зору при відносному отворі об'єктива 1:1 та отримати фіксоване положення площини зображення при зміні температури від -40° до +60°. UA 108282 C2 (12) UA 108282 C2 UA 108282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до оптичного приладобудування, зокрема до спеціальних об'єктивів з пасивною атермалізацією і може бути використаним в оптико-електронних приладах, що працюють в далекому інфрачервоному діапазоні спектра 8-14 мкм, та також у тепловізійних приладах, які працюють з болометричними матрицями для спостереження та розпізнавання об'єктів за тепловим випромінюванням. Відомий об'єктив для інфрачервоного діапазону спектра (патент RU 2365952), містить чотири компоненти, перший з яких - позитивний меніск, обернений опуклістю до предмету, другий - негативна лінза, третій - позитивна лінза, четвертий - позитивний меніск, обернений угнутістю до зображення, причому меніски виконані з германію, а негативна і позитивна лінзи виконані з безкисневого скла. Як матеріал негативної і позитивної лінз може бути використане безкисневе скло ІКС-25, ІКС-28, ІКС-31, ІКС-32 (ОСТ3-3441-83). У окремих випадках реалізації, наприклад, для фокусування об'єктива на кінцеву відстань, для термокомпенсації зсуву площини зображення при зміні температурного режиму, для юстування об'єктива при нерухомому фотоприймальному пристрої, негативна лінза може бути встановлена з можливістю переміщення уздовж оптичної осі об'єктива. Об'єктив має наступні недоліки: велика кількість компонентів і необхідність механічного переміщення лінзи для термокомпенсації зміщення фокальної площини при зміні температур. Відомий об'єктив для ІЧ-області спектра (патент US 4505535), містить два компоненти, перший з яких складається з позитивного і негативного менісків, а другий - з позитивної і негативної лінзи. Позитивний меніск і позитивна лінза виконані з матеріалу BSA англійської фірми Barr&stroud (аналог російського скла ІКС-25), негативний меніск - з селеніду цинку. (ZnSe), а негативна лінза - з германію. Такий вибір матеріалів обумовлений необхідністю компенсації розфокусування зображення при зміні температури довкілля, але одночасно приводить до великого хроматизму збільшення навіть для невеликих кутів поля зору. Об'єктив має кут поля зору 5°, відносний отвір 1:1,5. Цей об'єктив має достатній задній відрізок (27,5 мм) і невелику довжину (144 мм). Об'єктив поряд із задовільною якістю (діаметр кружка розсіяння 0,003 мм для осьової точки і 0,015 мм для краю поля зору) і зміною заднього відрізка для -80 °C і +40 °C близько 0,004 мм, що свідчить про наявність в об'єктиві пасивної термокомпенсації, має наступні недоліки: малий відносний отвір (1:1,5) та малий кут поля зору. Найбільш близьким по технічній суті і вибраний за прототип трилінзовий об'єктив (патент RU 82875), який працює в інфрачервоному діапазоні спектра 8-12 мкм та складений із матеріалу однієї марки - германій (Ge). Германій застосовують для створення об'єктивів, які працюють у інфрачервоному діапазоні спектра завдяки прозорості в цьому діапазоні, високому показнику заломлення та низькій середній дисперсії, що забезпечує низькі рівні хроматичної аберації. Германій також хімічно та механічно стійкий. Але його термооптичний коефіцієнт показника заломлення досить великий, що викликає зміни положення площини зображення та погіршення якості зображення при зміні температури навколишнього середовища. Всі три компоненти об'єктива виконані у вигляді менісків, звернених угнутістю до зображення, перший з яких виконано з додатною оптичною силою 1, другий - з від'ємною оптичною силою 2, третій - з додатною оптичною силою 3. Недоліком цього об'єктива є відсутність термокомпенсації, що приводить до значних зміщень площини зображення відносно площини пікселів болометричної матриці при зміні температури навколишнього середовища. Спільні з заявленим винаходом ознаки: кількість компонентів та їх форма. Задачею винаходу є створення компактного атермального світлосильного об'єктива з високою роздільною здатністю для далекої ІЧ-області спектра з кутовим полем зору не менше ніж 8°, що дозволяє працювати з болометричною матрицею з розміром пікселів 0,017 мм або 0,025 мм в широкому діапазоні температур без зміщення площини зображення відносно площини пікселів болометричної матриці. Для вирішення цієї задачі запропоновано трилінзовий атермальний світлосильний об'єктив для інфрачервоного діапазону спектра, що містить три компоненти у вигляді менісків, які звернені увігнутістю до зображення, перший з яких виконано з додатною оптичною силою 1, другий - з від'ємною оптичною силою 2, третій - з додатною оптичною силою 3, а лінзи виготовлені з різних матеріалів, які задовольняють умовам: 74  v1  95 ; v 2  34 ; v 3  v 2 , 6,4  10 6  V1  9,4  10 6 ; 29,7  10 6  V2  36,5  10 6 , 1 UA 108282 C2 де v 1 , v 2 , v 3 - коефіцієнти дисперсії трьох компонентів, V1 , V2 - термооптичні сталі першого та другого компонентів, оптичні сили компонентів задовольняють умовам: 0,72  10 15 20 25 30 35 40 45 50 1,2 3  1,43 ,   де  - оптична сила об'єктива, 1,2 - еквівалентна оптична сила першого та другого компонентів, а відстань d між другим та третім компонентами задовольняє умові: 0,61  d  0,95 . Матеріал лінз, оптичну силу та відстань між лінзами вибирали таким чином, щоб виправити хроматичні аберації та отримати фіксоване положення площини зображення при зміні температури. Суть винаходу пояснює креслення. На фіг. 1 наведені показники заломлення, коефіцієнти дисперсії та термооптичні характеристики деяких інфрачервоних матеріалів, де:    n 1 ; абс  dn  ; V   абс   t  . v  n 1  n 2  n 3 dt    Виконання лінз об'єктива з матеріалів і оптичною силою відповідно до наведеної формули є істотними відмінностями запропонованого технічного рішення від прототипу і дозволяють отримати світлосильний об'єктив з якістю зображення, що наближена до дифракційної межі, який може працювати в широкому діапазоні температур без необхідності під фокусування, що дозволяє одержати нову якість і є важливим чинником для об'єктивів, призначених для систем спостереження, зокрема для систем дистанційного зондування. Відомості, що підтверджують отримані технічні результати при числових значеннях, які допускаються заявленим діапазоном, наведені в таблиці на фіг. 2. На фіг. 3. наведено приклад конкретного виконання об'єктива відповідно до запропонованої формули винаходу. Об'єктив працює в такий спосіб. Випромінювання від предмету, розташованого в нескінченності, потрапляє в об'єктив, де проходить через меніски 1, 2, 3 об'єктива, який утворює зображення предмету в площині найкращої установки, де встановлено приймач випромінювання 5. Апертурна діафрагма 4 поєднана з першою поверхнею меніска 1. На фіг. 4 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’оb=85,77 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 5 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 4 і зображеного на фіг. 3. На фіг. 6 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’ оb=85,37 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 7 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 6 і зображеного на фіг. 3. На фіг. 8 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’ оb=85,4 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 9 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 8 і зображеного на фіг. 3. На фіг. 10 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’ оb=86,45 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 11 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 10 і зображеного на фіг. 3. 0,55  5  1  1,6 ; 0,12  2  1,6 ,    0,70 ; 1,05  2 UA 108282 C2 5 10 15 20 25 30 На фіг. 12 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’ оb=84,92 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 13 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 12 і зображеного на фіг. 3. На фіг. 14 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’оb=85,74 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 15 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 14 і зображеного на фіг. 3. На фіг. 16 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’ оb=85,17 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 17 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг 16 і зображеного на фіг. 3. На фіг. 18 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’ оb=85,0 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 19 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 18, 4 і зображеного на фіг. 3. На фіг. 20 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива, відповідно до запропонованої формули винаходу, з наступними характеристиками: f’ оb=85,13 мм; відносний отвір 1:1; поле зору 2=8°. На фіг. 21 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ без абераційного об'єктива для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 20 і зображеного на фіг. 3. Форма поверхонь наведених на фіг. 4, фіг. 6, фіг. 8, фіг. 10, фіг. 12, фіг. 14, фіг. 16, фіг. 18 і фіг. 20 описується формулою z 35 40 cr 2 1  1  1  k c r 2 2  1r 2   2r 4   3r 6   4r 8 , де c  1 - кривизна поверхні, R r - радіальна координата поверхні, k  e 2 - конічна стала,  1 ,  2 ,  3 і  4 - коефіцієнти, які описують відхилення поверхні від сфери або асферики другого порядку, R - радіус кривизни поверхні. Об'єктиви задовольняють заявленим співвідношенням сил компонентів та відстані між другим та третім компонентами і забезпечують високу якість зображення при відносному отворі 1:1 в усьому полі зору при зміні температури від -40° до +60°. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 Трилінзовий атермальний світлосильний об'єктив для інфрачервоного діапазону спектра, що містить три компоненти у вигляді менісків, які звернені ввігнутістю до зображення, перший з яких виконано з додатною оптичною силою 1 , другий - з від'ємною оптичною силою  2 , третій 50 - з додатною оптичною силою  3 , який відрізняється тим, що лінзи виготовлені з різних матеріалів, які задовольняють умовам: 74  v1  95 ; v 2  34 ; v 3  v 2 ; 6,4  10 6  V1  9,4  10 6 ; 29,7  10 6  V2  36,5  10 6 , де v 1 , v 2 , v 3 - коефіцієнти дисперсії трьох компонентів, V1 , V2 - термооптичні сталі першого та другого компонентів, оптичні сили компонентів задовольняють умовам: 3 UA 108282 C2 0,72   1  1,6 ; 0,12  2  1,6 ,   1,2   0,70 ; 1,05  3  1,43 ,   де  - оптична сила об'єктива, 1,2 - еквівалентна оптична сила першого та другого 0,55  5 компонентів, а відстань d між другим та третім компонентами задовольняє умові: 0,61  d  0,95 . 4 UA 108282 C2 5 UA 108282 C2 6 UA 108282 C2 7 UA 108282 C2 8 UA 108282 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9