Інфрачервоний світлосильний трилінзовий об’єктив

Реферат: Інфрачервоний світлосильний трилінзовий об'єктив містить чотири компоненти, виготовлені з германію, три з яких - меніски, котрі розташовуються вздовж ходу оптичного променя у наступній послідовності: перший по порядку меніск позитивний, тобто обернений випуклою стороною в бік предметної площини, а другий - негативний, тобто обернений випуклою стороною до площини зображення, третій меніск також позитивний та четвертий компонент захисне скло приймача оптичного випромінювання, причому в оптичній системі змінено радіуси кривизни оптичних поверхонь, змінено відстані між оптичними елементами, які в об'єктиві мають такі співвідношення: Ф1=0,67Ф, Ф2=-0,16Ф, Ф3=1,52Ф, (r3-r4)/d3=0,73, r3/r4=0,86, d2=0,58f', де Ф1, Ф2, Ф3, Ф - оптичні сили відповідно першого, другого, третього менісків і об'єктива в цілому; r3, r4 - радіуси кривизни третьої і четвертої заломлюючих поверхонь вздовж ходу променів; d3 - товщина вздовж оптичної осі другого меніска; d2 - відстань оптичної осі між першим і другим менісками; f' - фокусна відстань об'єктива. UA 116386 U (12) UA 116386 U UA 116386 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонована корисна модель належить до області оптичного приладобудування, а саме до об'єктивів нескануючих тепловізійних приладів "спостерігаючого" типу, що використовують для реєстрації теплового зображення неохолоджувані матричні приймачі випромінювання, наприклад мікроболометри. Відомі інфрачервоні світлосильні об'єктиви, що працюють в далекій інфрачервоній області 8-14 мкм, що мають відносний отвір 1:1,5 і вище, що містять дві, три і більше лінзи. Якість -1 зображення об'єктивів вказується для просторової частоти 10 мм : коефіцієнт передачі контрасту становить 0,680,76 в центрі поля і 0,540,60 - по краю поля. Недоліком таких об'єктивів складність у виготовленні, тому що при відносному отворі 1:1 і більше, наприклад 1:0,7, об'єктиви містять асферичні поверхні [1]. Відомий також інфрачервоний світлосильний трилінзовий об'єктив, який містить послідовно розташовані по ходу променів перший і третій позитивні меніск, другий меніск - негативний, всі заломлюючі поверхні виконані сферичними. Показник заломлення для основної довжини хвилі (10 мкм) робочого спектрального діапазону матеріалу першого і третього позитивних менісків становить 4,004, а для другого - 2,5. Гранична частота для всіх точок поля зору не більше 33 -1 мм [2]. Недоліком цього об'єктиву є те, що якість зображення не відповідає вимогам для роботи разом з сучасними матричними тепловізійними приймачами випромінювання. Найбільш близьким до пропонованої корисної моделі є інфрачервоний світлосильний трилінзовий об'єктив конструктивні параметри об'єктива наведені для нормованої фокусної відстані, що дорівнює 1. Відношення оптичних сил компонентів до оптичної силі всього об'єктива становлять: 0,67; -0,16; 1,52. Відстань d2 вздовж оптичної осі між першим і другим менісками становить 0,55 від фокусної відстані всього об'єктива. Відношення радіусу кривизни r 3 третьої по ходу променів заломлюючої поверхні (перша поверхня другого меніска) до радіуса кривизни r4 четвертої заломлюючої поверхні (друга поверхня другого меніска) r 3/r4 дорівнює 0,79. Відношення (r3-r4)/d3 дорівнює 2,35 (тут d3 - товщина вздовж оптичної осі другого меніска). Об'єктив має відносний отвір до 1:0,75, кутове поле 12°, фокусну відстань 35,49 мм. Відношення радіусів кривизни заломлюючих поверхонь до радіусу кривизни останньої поверхні дорівнюють: 1,202; 2,047; -0,83; -1,052; 0,57; 1. Конструкція об'єктиву при фокусній відстані 35,49 мм показує, що концентрація енергії 70 % досягається тільки в плямі радіусом 0,015 мм, що є неприйнятним для роботи разом з сучасними матричними тепловізійними приймачами випромінювання [3]. Задачею пропонованої корисної моделі інфрачервоного світлосильного трилінзового об'єктиву є підвищення якості зображення в межах всього кутового поля зору при збереженні відносного отвору об'єктива, а саме: підвищення функції концентрації енергії (ФКЕ) в плямі, котра відповідає розмірам пікселів сучасних матричних тепловізійних приймачів випромінювання, робочий спектральний діапазон чутливості яких відповідає дальній інфрачервоній області спектра, покращення граничної частоти для всіх точок поля зору. Для вирішення поставленої задачі застосовується конструкція об'єктиву, що містить чотири компоненти, виготовлені з германію, три з яких - меніски, котрі розташовуються вздовж ходу оптичного променя у наступній послідовності: перший по порядку меніск позитивний, тобто обернений випуклою стороною в бік предметної площини, а другий - негативний, тобто обернений випуклою стороною до площини зображення, третій меніск також позитивний та четвертий елемент - захисне скло приймача оптичного випромінювання. Новим є те, що в оптичній системі застосовано нове співвідношення між радіусами кривизни, оптичними силами, відстанями між компонентами, що в сукупності дозволило підвищити якість зображення. Пропонований інфрачервоний світлосильний трилінзовий об'єктив містить послідовно розташовані вздовж ходу перший по порядку меніск позитивний, тобто обернений випуклою стороною в бік предметної площини, а другий - негативний, тобто обернений випуклою стороною до площини зображення, третій меніск також позитивний. Наглядна оптична схема зображена на Фіг. 1. Всі заломлюючі поверхні виконані сферичними. Довжина вздовж оптичної осі від першої заломлюючої поверхні до площини зображень не перевищує 1,66 фокусної відстані об'єктива. Показник заломлення матеріалу першого і третього позитивних менісків для основної довжини хвилі (10 мкм) робочого спектрального діапазону становить 4,004. В об'єктиві мають місце такі співвідношення: Ф1=0,67Ф, Ф2=-0,16Ф, Ф3=1,52Ф (r3-r4)/d3=0.73, r3/r4=0,86, d2=0,58f", (1) де Ф1, Ф2, Ф3, Ф - оптичні сили відповідно першого, другого, третього менісків і об'єктива в цілому; r3, r4 - радіуси кривизни третьої і четвертої вздовж ходу променів заломлюючих поверхонь; d3 - товщина вздовж оптичної осі другого меніска; 1 UA 116386 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 d2 - відстань вздовж оптичної осі між першим і другим менісками; f" - фокусна відстань об'єктива. Підвищення якості зображення в інфрачервоному світлосильному трилінзовому об'єктиві досягається новою сукупністю характерних ознак: - виконанням оптимізації об'єктиву; - дотриманням в об'єктиві співвідношень (1). Виконання в інфрачервоному світлосильному трилінзовому об'єктиві другого меніска з негативною оптичною силою дозволяє коригувати хроматизм положення, що є необхідною умовою досягнення високої якості зображення. Дотримання зазначених співвідношень (1) дозволяє здійснити розподіл оптичних сил менісків, форму менісків і їх взаємне розташування таким чином, що при збереженні відносного отвору об'єктива не гірше 1:1,24 і кутового поля зору не менше 12° залишкові аберації (сферична, кома, астигматизм, кривизна зображення, дисторсія, хроматичні) формують розмір плями розсіювання в площині приймача, який можна порівняти з величиною дифракційної плями розсіювання, що дозволяє ефективно використовувати сучасні тепловізійні матричні неохолоджувані приймачі випромінювання. Пропонована корисна модель ілюструється наступними графічними матеріалами: Фіг. 1 - Оптична схема інфрачервоного світлосильного трилінзового об'єктива; Фіг. 2 - Частотно-контрастна характеристика (ЧКХ) інфрачервоного світлосильного трилінзового об'єктива. По осі ординат вказані коефіцієнти передачі контрасту у відносних -1 одиницях, вздовж осі абсцис - просторові частоти в діапазоні від 0 до 104.5 мм , віднесені до площини зображень об'єктива. Крива відповідає дифракційній ЧКХ як для меридіонального (м), так і сагітального (s) перетинів. На графіку показано, що гранична частота для всіх точок поля -1 зору перевищує 97 мм , що свідчить про покращення якості зображення в порівнянні з прототипом. Фіг. 3 - Функція концентрації енергії (ФКЕ) інфрачервоного світлосильного трилінзового об'єктива. По осі ординат вказані значення ФКЕ у відносних одиницях, вздовж осі абсцис значення радіуса плями розсіювання, для якого розраховані ФКЕ. Так, інфрачервоний світлосильний трилінзовий об'єктив у плямі радіусом 0,015 мм концентрує не менше 99 % енергії, що йде від будь-якої точки простору предметів у межах кутового поля зору; у плямі радіусом 0,01 мм частка енергії, що концентрується, коливається від 92 до 94 % у залежності від точок поля зору. У пропонованому світлосильному трилінзовому об'єктиві аналогічна якість зображення зберігається при дотриманні співвідношень (1). Оптична система містить розташовані вздовж ходу променів 1, 2, 3 меніски. Позитивні меніски 1 та 3 звернені увігнутістю до площини зображень. Негативний меніск 2 звернений увігнутістю до площини предметів. Меніски виконано з германію (показник заломлення 4,004 на основній довжині хвилі 10 мкм). Заломлюючі поверхні всіх менісків є сферичними. Інфрачервоне випромінювання, що надходить від кожної точки віддаленого об'єкта, проходить послідовно меніски 1, 2, 3 об'єктива і захисне скло 4, після чого фокусується в площині приймача випромінювання. Далі сигнал надходить до блока обробки сигналів. Після обробки сигнал надходить до блоку керування, де він направляється або на відео-оглядовий пристрій (дисплей) або ж записується на пристрій збереження даних для подальшого відтворення за допомогою персонального комп'ютера. В таблиці 1 наведені конструктивні параметри оптичної схеми інфрачервоного світлосильного трилінзового об'єктива. Таблиця 1 Номер компоненту 1 2 3 4 Номер заломлюючої поверхні 1 2 3 4 5 6 7 8 Конструктивні параметри інфрачервоного світлосильного трилінзового об'єктиву R 56,4 85,0 -23,0 -26,658 23,0 27,0   d 5,0 21,55 5,0 18,87 4,0 3,766 1,0 2,366 2 св 15,0 15,0 12,0 12,0 8,0 8,0 6,0 6,0 Матеріал Ge Ge Ge Ge UA 116386 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 В таблиці 1: R - радіуси сферичних заломлюючих поверхонь; d - товщини лінз і повітряних проміжків: св - світлові діаметри. Фокусна відстань f" об'єктива дорівнює 36,98 мм, відносний отвір 1: 1,24, кутове поле зору в просторі предметів становить 12°, розмір зображення дорівнює 7,96 мм. Робочий спектральний діапазон 8-14 мкм, основна довжина хвилі 10 мкм. Довжина вздовж оптичної осі від першої заломлюючої поверхні до площини зображень дорівнює 61,55 мм, тобто становить 1,66 фокусної відстані об'єктива. В таблиці 1 - конкретний приклад інфрачервоного світлосильного трилінзового об'єктива виконується такий розподіл оптичних сил: Ф1=0,67Ф, Ф2=-0,16Ф, Ф3=1,52Ф. Одночасно в оптичній системі дотримуються такі співвідношення між параметрами: (r3-r4)/d3=0.73, r3/r4=0,86, d2=0,58f", тобто дотримуються вищенаведені співвідношення (1). Пропонований інфрачервоний світлосильний трилінзовий об'єктив підвищить якість зображення в межах всього кутового поля зору при збереженні відносного отвору об'єктива: підвищити значення ФКЕ в плямі, котра відповідає розмірам пікселів сучасних матричних тепловізійних приймачів випромінювання, робочий спектральний діапазон чутливості яких відповідає далекій інфрачервоній області спектра. Таким чином, пропонований інфрачервоний світлосильний трилінзовий об'єктив підвищить якість зображення в межах всього кутового поля зору та може бути використаний в нескануючих тепловізійних приладах "спостерігаючого" типу, що використовують для реєстрації теплового зображення неохолоджуваним матричним приймачем випромінювання. Джерела інформації: 1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. "Инфракрасные системы "смотрящего" типа" - М.: Логос, 2004. - 444 с. 2. Патент US № 3363962 "Infrared optical system comprising three lens elements", опублікований 16.01.1968. 3. Патент RU № 2348953 "Инфракрасный светосильный трёхлинзовый объектив", G02B 13/14, опублікований 10.03.2009. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Інфрачервоний світлосильний трилінзовий об'єктив, що містить чотири компоненти, виготовлені з германію, три з яких - меніски, котрі розташовуються вздовж ходу оптичного променю у наступній послідовності: перший по порядку меніск позитивний, тобто обернений випуклою стороною в бік предметної площини, а другий - негативний, тобто обернений випуклою стороною до площини зображення, третій меніск також позитивний та четвертий компонент захисне скло приймача оптичного випромінювання, який відрізняється тим, що в оптичній системі змінено радіуси кривизни оптичних поверхонь, змінено відстані між оптичними елементами, які в об'єктиві мають такі співвідношення: Ф1=0,67Ф, Ф2=-0,16Ф, Ф3 =1,52Ф, (r3-r4)/d3=0,73, r3/r4=0,86, d2=0,58f', де Ф1, Ф2, Ф3, Ф - оптичні сили відповідно першого, другого, третього менісків і об'єктива в цілому; r3, r4 - радіуси кривизни третьої і четвертої заломлюючих поверхонь вздовж ходу променів; d3 - товщина вздовж оптичної осі другого меніска; d2 - відстань оптичної осі між першим і другим менісками; f' - фокусна відстань об'єктива. 3 UA 116386 U 4 UA 116386 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5