RU2618590C1 - Атермализованный объектив для ИК-области спектра - Google Patents

Атермализованный объектив для ИК-области спектра Download PDF

Info

Publication number
RU2618590C1
RU2618590C1 RU2016116106A RU2016116106A RU2618590C1 RU 2618590 C1 RU2618590 C1 RU 2618590C1 RU 2016116106 A RU2016116106 A RU 2016116106A RU 2016116106 A RU2016116106 A RU 2016116106A RU 2618590 C1 RU2618590 C1 RU 2618590C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
meniscus
components
positive
image plane
Prior art date
Application number
RU2016116106A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Иванович Белоусов
Original Assignee
Акционерное общество "Швабе - Приборы"
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 Акционерное общество "Швабе - Приборы" filed Critical Акционерное общество "Швабе - Приборы"
Priority to RU2016116106A priority Critical patent/RU2618590C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2618590C1 publication Critical patent/RU2618590C1/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
    • 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

  • Lenses (AREA)

Abstract

Объектив может быть использован в тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами, не требующими охлаждения до криогенных температур и чувствительными в спектральном диапазоне 8-12 мкм. Объектив содержит четыре компонента: три мениска и двояковыпуклую линзу. Первый мениск - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, его вторая поверхность выполнена асферической с коэффициентом асферичности K=0,2÷0,4. Второй мениск - положительный, обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Третий мениск - отрицательный, выполнен из селенида цинка и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Второй мениск и линза выполнены из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26. Выполняются соотношения: ϕ1234=(0,005÷0,06):(1,2÷2,0):-(1,2÷2,2):(0,9÷1,7), где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов. Технический результат - увеличение поля зрения, повышение пропускания, упрощение конструкции, расширение температурного диапазона работы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 табл.

Description

Изобретение относится к области инфракрасной (ИК) 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.
В отечественной промышленности для этой спектральной области существует очень ограниченный ассортимент материалов, которые не растворяются в воде, а именно германий, селенид цинка и бескислородные стекла, в частности стекло ИКС-25, аналогом которого является стекло зарубежного производства - халькогенидное стекло IRG-26 фирмы SCHOTT.
Особой популярностью пользуется германий, обладающий очень высоким показателем преломления (n=4), низкой дисперсией и нетоксичностью. Однако, этот материал обладает сильной зависимостью показателя преломления от температуры (dn/dt), на порядок выше, чем у других материалов.
Несмотря на это, за счет подвижек вдоль оси всего объектива или его отдельных элементов можно осуществить атермализацию (термокомпенсацию) для предотвращения деградации контраста изображения при изменении температуры. Требуемым диапазоном изменения температуры окружающей среды является диапазон от минус 50°С до 55°С.
Известен объектив для ИК-области спектра, содержащий четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями. Установлены соотношения между оптическими силами менисков. Третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси [патент РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14].
Первый мениск выполнен из германия, который обладает максимальной зависимостью показателя преломления от температуры. Этот мениск имеет наибольшую оптическую силу и максимальное влияние на температурную дефокусировку изображения. Последующие элементы объектива не способны компенсировать дефокусировку, вносимую первым мениском. При работе в температурном диапазоне от минус 50°С до 55°С необходимо перемещать мениски вдоль оптической оси. Это усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу, что очень важно в случае применения тепловизора с таким объективом в носимом варианте или на беспилотных летательных аппаратах, где дополнительно необходим электродвигатель и источник энергии для перемещения элементов объектива.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является атермализованный объектив для ИК-области спектра 8-12 мкм по патенту РФ №2538423 от 08.10.2013 г., МПК G02B 9/38, G02B 11/22, G02B 13/14. Объектив содержит размещенные в корпусе четыре мениска, первый из которых - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй - отрицательный, выполнен из селенида цинка и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий - отрицательный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, четвертый - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Между относительными оптическими силами менисков 1, 2, 3, 4 имеются следующие соотношения:
ϕ1234 = (0,72÷0,85):-(1,28÷1,76):-(3,00÷6,00):(0,79÷0,92),
где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков.
При фокусном расстоянии 75 мм и относительном отверстии 1:1,25 объектив обладает высоким качеством изображения в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С по всему полю зрения.
Объектив имеет следующие недостатки.
1. Небольшое поле зрения - (4,75×6,33) градусов.
2. Первая линза объектива выполнена из бескислородного стекла ИКС-25, поэтому на ее первой (внешней) поверхности невозможно нанести алмазоподобное просветляющее покрытие, обладающее высокой механической и влагопрочностью. Перед объективом необходимо устанавливать дополнительный оптический элемент - защитное стекло, выполненное из германия, что приводит к усложнению оптической схемы объектива и снижению его пропускания.
3. Недостаточный температурный диапазон работы: от минус 40°С до 50°С.
Задачей изобретения является создание атермализованного объектива, качество изображения которого не зависит от изменения температуры окружающей среды, с обеспечением следующих технических результатов: увеличение поля зрения, повышение пропускания объектива с одновременным упрощением его конструкции, расширение температурного диапазона работы от минус 50°С до 55°С.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом.
Атермализованный объектив для РЖ-области спектра, как и прототип, содержит закрепленные в корпусе четыре последовательно расположенные по ходу лучей компонента, из которых первый, второй и третий компоненты - мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем первый мениск - положительный, а третий - отрицательный.
В отличие от прототипа в предлагаемом объективе первый мениск имеет асферическую вогнутую поверхность с коэффициентом асферичности в пределах от 0,2 до 0,4 и выполнен из германия, второй мениск - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26, третий мениск выполнен из селенида цинка, а четвертый компонент - положительная двояковыпуклая линза, выполненная из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26, при этом между относительными оптическими силами компонентов имеют место следующие соотношения: ϕ1234=(0,005÷0,06):(1,2÷2,0):-(1,2÷2,2):(0,9÷1,7),
где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.
В качестве материала корпуса объектива могут быть использованы алюминиевый сплав, сталь.
Пример конкретной реализации атермализованного объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива, на фиг. 2 приведена функция рассеяния точки по трем конфигурациям: 20°С, -50°С и +55°С, на фиг. 3 приведена функция концентраций энергии и контраст изображения по трем конфигурациям: 20°С, -50°С и +55°С.
Атермализованный объектив для ИК-области спектра содержит закрепленные в корпусе четыре последовательно установленные оптически связанные компонента: мениски 1, 2, 3 и линзу 4. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений 5, причем его вторая поверхность выполнена асферической с коэффициентом асферичности K=0,2÷0,4. Мениск 2 - положительный, выполнен из халькогенидного стекла IRG-26 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений 5. Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений 5. Линза 4 - положительная двояковыпуклая линза, выполненная из халькогенидного стекла IRG-26. Между относительными оптическими силами ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 соответственно компонентов 1, 2, 3, 4 имеются следующие соотношения: ϕ1234=(0,005÷0,06):(1,2÷2,0):-(1,2÷2,2):(0,9÷1,7).
Пучки лучей от предмета последовательно проходят через компоненты 1, 2, 3, 4 и строят изображение в плоскости изображения 5.
Характеристики объектива приведены в таблицах 1, 2. Входной зрачок объектива расположен на его первой поверхности.
Figure 00000001
Figure 00000002
При расчете объектива учитывались следующие факторы: температурный коэффициент расширения (ТСЕ) оптических материалов, влияющий на толщину линзовых элементов; температурный коэффициент расширения (ТСЕ) корпуса объектива, влияющий на воздушные промежутки между компонентами; изменение показателей преломления материала линзовых элементов; изменение прогибов линзовых элементов (кривизны их поверхностей) под воздействием температуры.
Основные оптические характеристики применяемых оптических материалов, а именно показатели преломления в области 8-12 мкм при давлении в одну атмосферу и температуре 20°С, -50°С и 55°С, даны в таблице 3. В этой же таблице приведен температурный коэффициент расширения для оптических материалов и корпуса объектива (ТСЕ=22⋅10-6). Девятая поверхность - плоскость изображения.
Figure 00000003
В таблице 4 дано изменение кривизны (CRVT) поверхностей менисков, их толщины и воздушных промежутков (THIC) в зависимости от температуры (TEMP) при давлении (PRES) одна атмосфера. На это указывает литера Т (Thermal Pick Up) для конфигураций -50°С и 55°С (Config 2, Config 3).
Figure 00000004
Расчет производится автоматически программой ZEMAX за счет встроенной подпрограммы термооптического анализа с последующей оптимизацией параметров объектива методом мультиконфигураций.
В рассчитанном объективе коэффициент асферичности К вогнутой поверхности мениска 1 равен 0,225, а соотношения между относительными оптическими силами компонентов равны: ϕ1234 = 0,01:1,51:-1,36:1,156, где: ϕ1=f'/f'1, ϕ2=f'/f'2, ϕ3=f'/f'3, ϕ4=f'/f'4;
f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива;
f'1, f'2, f'3, f'4 - фокусные расстояния соответственно компонентов 1, 2, 3, 4. При расчете использовались косые пучки лучей от предмета, т.е. одновременно в меридиональной и сагиттальных плоскостях. В качестве материала корпуса взят традиционно используемый алюминиевый сплав с температурным коэффициентом расширения ТСЕ=22x10-6.
При изменении температуры полная длина объектива (от первой поверхности до плоскости изображения) изменяется от 44,44 до 44,55 мм, а фокусное расстояние - в пределах 60 мкм, т.е. практически постоянно.
Для расчета предлагаемого объектива в температурном диапазоне от минус 50°С до 55°С использован метод мультиконфигураций, предусмотренный в программе ZEMAX с использованием опции "Thermal Pick Up". С учетом этой опции проведена одновременная оптимизация новых (по отношению к номинальной конфигурации) значений параметров схемы объектива для значений температуры от минус 50°С до 55°С. При оптимизации использованы коэффициенты линейного расширения материалов для ИК-области спектра (ТСЕ) и коэффициенты изменения показателя преломления с температурой (dn/dt) материалов линз, представленные в таблице 5.
Figure 00000005
Рассмотрим характеристики качества изображения объектива: функцию рассеяния точки, которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения и функцию концентрации энергии, позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 3).
На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°С, во второй колонке - для минус 50°С, а в третьей - для 55°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 13,36х17,7 градусов. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния 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 указан его размер в микрометрах (26,6; 30,5 и др.), соответствующий 80% концентрации энергии.
На фиг. 3 справа дан контраст изображения на частоте 20 мм-1, а слева - функция концентрации энергии при радиусе пятна рассеяния 30 мкм для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. Как видно из фиг. 3, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента (пикселя) матрицы Q составляет: Q=17x17 мкм, а по диагонали соответственно 24 мкм. Для инфракрасных объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии составляло не менее 80%. Для тепловизоров, формирующих изображение, необходимо, чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста ν=1/2Q=20 мм-1 было не менее 0,6. Из фиг. 3 видно, что контраст изображения для осевой точки поля зрения равен 0,65, а для края поля зрения 0,63.
Графики фиг. 3 подтверждают, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения во всем диапазоне температур: от минус 50°С до 55°С.
При этом в объективе увеличено более чем в 2,8 раза поле зрения (в объективе 13,36x17,7 градусов, в прототипе - 4,75x6,33 градусов), а также повышено пропускание и упрощена конструкция за счет выполнения мениска 1 из германия, исключающего необходимость устанавливать перед объективом защитное стекло.
В настоящее время максимальный размер матрицы (UL 04 272 ULIS, Франция) с форматом 480×640 с размером элемента 17×17 мкм составляет порядка 12 мм по диагонали. Если фокусное расстояние предлагаемого объектива пересчитать на фокус 75 мм, как у прототипа, то требуемая диагональ матрицы составит 25 мм, что при современном уровне развития технологии недостижимо. Но даже в этом случае предлагаемый объектив будет обладать хорошим качеством изображения с небольшим падением контраста по краю диагонали поля зрения.
Проведенные расчеты показали, что заявленные технические результаты достигаются во всех диапазонах соотношений ϕ1234=(0,005÷0,06):(1,2÷2,0):-(1,2÷2,2):(0,9÷1,7) и значений коэффициента асферичности K=0,2÷0,4. Аналогичные технические результаты достигаются при использовании в объективе бескислородного стекла ИКС-25.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обеспечивает увеличение поля зрения, повышение пропускания и упрощение конструкции, а также расширение температурного диапазона работы объектива.

Claims (4)

1. Атермализованный объектив для ИК-области спектра, содержащий закрепленные в корпусе четыре компонента, из которых первый, второй и третий компоненты - мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем первый мениск - положительный, а третий - отрицательный, отличающийся тем, что первый мениск имеет асферическую вогнутую поверхность с коэффициентом асферичности в пределах от 0,2 до 0,4 и выполнен из германия, второй мениск - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26, третий мениск выполнен из селенида цинка, а четвертый компонент - положительная двояковыпуклая линза, выполненная из бескислородного стекла ИКС-25 или халькогенидного стекла IRG-26, при этом между относительными оптическими силами компонентов имеют место следующие соотношения:
ϕ1234=(0,005÷0,06):(1,2÷2,0):-(1,2÷2,2):(0,9÷1,7),
где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов.
2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из алюминиевого сплава.
RU2016116106A 2016-04-25 2016-04-25 Атермализованный объектив для ИК-области спектра RU2618590C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016116106A RU2618590C1 (ru) 2016-04-25 2016-04-25 Атермализованный объектив для ИК-области спектра

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016116106A RU2618590C1 (ru) 2016-04-25 2016-04-25 Атермализованный объектив для ИК-области спектра

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2618590C1 true RU2618590C1 (ru) 2017-05-04

Family

ID=58697663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016116106A RU2618590C1 (ru) 2016-04-25 2016-04-25 Атермализованный объектив для ИК-области спектра

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2618590C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113589498A (zh) * 2021-08-04 2021-11-02 苏州东方克洛托光电技术有限公司 一种长波红外无热化光学***

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1352434A1 (ru) * 1986-03-06 1987-11-15 Центральное конструкторское бюро с опытным производством АН БССР Проекционный объектив
RU2153691C2 (ru) * 1997-12-23 2000-07-27 Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Светосильный объектив
US20110216398A1 (en) * 2010-03-05 2011-09-08 Minoru Ando Infrared zooming lens
RU140705U1 (ru) * 2013-12-11 2014-05-20 Открытое акционерное общество "Швабе - Приборы" Объектив для ик-области спектра
RU2538423C1 (ru) * 2013-10-08 2015-01-10 Открытое акционерное общество "Швабе-Приборы" Атермализованный объектив для ик-области спектра

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1352434A1 (ru) * 1986-03-06 1987-11-15 Центральное конструкторское бюро с опытным производством АН БССР Проекционный объектив
RU2153691C2 (ru) * 1997-12-23 2000-07-27 Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Светосильный объектив
US20110216398A1 (en) * 2010-03-05 2011-09-08 Minoru Ando Infrared zooming lens
RU2538423C1 (ru) * 2013-10-08 2015-01-10 Открытое акционерное общество "Швабе-Приборы" Атермализованный объектив для ик-области спектра
RU140705U1 (ru) * 2013-12-11 2014-05-20 Открытое акционерное общество "Швабе - Приборы" Объектив для ик-области спектра

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113589498A (zh) * 2021-08-04 2021-11-02 苏州东方克洛托光电技术有限公司 一种长波红外无热化光学***

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3669226B1 (en) Two-color very wide field of view refractive eyepiece-type optical form
RU2538423C1 (ru) Атермализованный объектив для ик-области спектра
CN112180572B (zh) 一种制冷型中波红外消热差光学镜头
CN104049343A (zh) 紧凑型双视场中波红外消热差镜头
RU2613483C1 (ru) Атермализованный объектив для ИК-области спектра
CN102033316B (zh) 长波长焦非制冷无热化红外光学***
RU2365952C1 (ru) Объектив для ик-области спектра
RU2642173C1 (ru) Атермализованный широкоугольный объектив для ИК-области спектра
RU2629890C1 (ru) Инфракрасный объектив с пассивной атермализацией
RU2604112C2 (ru) Объектив для ик-области спектра
CN109343201A (zh) 光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学***
RU2594957C1 (ru) Атермализованный объектив для ик-области спектра
RU2618590C1 (ru) Атермализованный объектив для ИК-области спектра
RU193226U1 (ru) Атермализованный объектив для инфракрасной области спектра
RU2594955C1 (ru) Телеобъектив для ик-области спектра
EP3015902A1 (en) Compact multispectral wide angle refractive optical system
CN103439786A (zh) 大视场中红外波段抗热冲击消热差光学***
RU2620202C1 (ru) Объектив для ИК-области спектра
RU2645446C1 (ru) Трёхлинзовый атермализованный объектив для ИК-области спектра
RU2629887C1 (ru) Светосильный трёхлинзовый объектив для ИК-области спектра
CN107883816A (zh) 一种成像导引头光学***
RU2586394C1 (ru) Объектив для ик-области спектра
RU2643707C1 (ru) Инфракрасный трёхлинзовый объектив
RU2650743C1 (ru) Широкоугольный инфракрасный объектив
Greĭsukh et al. Single-and multilayer kinoform elements for compact mid-infrared objectives

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20180220

PD4A Correction of name of patent owner