Результат интеллектуальной деятельности: ОБЪЕКТИВ С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ ДЛЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Изобретение относится к классу варио-объективов, предназначенных для работы с матрицами охлаждаемого типа, использование которых необходимо во всех тех промышленных и исследовательских вариантах, где требуется повысить температурную чувствительность системы, а следовательно, и температурное разрешение, и где тепловой фон должен как можно меньше влиять на температурные характеристики объектива, ведущие к ухудшению качества изображения. В настоящее время диапазон применения таких систем достаточно велик: он охватывает и тепловидение, и медицину, и охранные конструкции и те многие рабочие режимы, при которых приходится сталкиваться с существованием повышенных температур и их влиянием на температурную зависимость устройства. В объективах, работающих с такими матрицами, выходной зрачок всегда находится на конечном расстоянии от последней поверхности объектива и является апертурной диафрагмой (АД) объектива. В свою очередь, ее расстояние до плоскости изображения, т.е. до чувствительного слоя приемника, зависит от типа используемой матрицы. Такое расположение АД вносит совершенно закономерную специфику в схемы разрабатываемых для этих целей объективов, поскольку ход лучей для разных фокусных расстояний (f′) кардинально отличается от тех систем, где АД расположена, как правило, внутри системы. В случае вынесенной АД появляются трудности, связанные с увеличением длины объектива и диаметра головного компонента, который может достигать больших и неприемлемых для создаваемой конструкции размеров, и необходимость избежать этого является одной из наиболее трудных задач, с которыми неизбежно приходится сталкиваться при разработке такого объектива, поскольку все приемлемые решения по габаритам должны быть связаны с достижением достаточно высокого качества изображения в довольно широких областях спектра. Конструкции таких объективов предполагают создание либо одного, либо нескольких промежуточных изображений внутри системы, и правильное габаритное решение этой задачи является трудоемким процессом, поскольку одновременно необходимо исследовать все возможности создания в процессе расчета достойного качества изображения.

Если проанализировать содержание патентной базы в области варио-объективов, некоторые упоминания в статьях и каталогах, то заметно, что таких конструкций достаточно мало по сравнению с классическими схемами варио-объективов. Например, объектив (патент US 6.424.460 от 23 июля 2002 г.) состоит из 6 линз. Апертурная диафрагма расположена за последней линзой объектива, ее ⌀ 19 мм и расстояние до приемной площадки матрицы равно 47 мм. Объектив рассчитан только на 2 фокуса, т.е. это фактически система с дискретным изменением f′.

Параметры объектива следующие:

λ=3-5 мкм

f₁=53 мм

f₂=160 мм

перепад фокусов (кратность) m=3^Х

длина от первой поверхности до плоскости изображения l=180 мм

поле зрения в пространстве предметов: 2σ₁=10°, 2σ₂=3°

светосила: 1:2,4 → для f′=53 мм, 1:3 → для f′=160 мм

введены 3 асферики (2 на вогнутых поверхностях, 1 на выпуклой)

использованные материалы: Ge, Si, ZnSe

отношение диаметра головной линзы к длине объектива ~0,58

Изменения f′ осуществляются двумя подвижными линзами.

Анализируя схему этого объектива и учитывая значение входных параметров, можно отметить, что длина объектива достаточно большая = > f′ max и ее все равно не хватает для осуществления 3^Х кратного перепада фокусов, т.к. две подвижные линзы занимают соответственно фокусам две позиции и для f′ max происходит их максимальное сближение, которое не обеспечивает полное заполнение АД для (·) на оси, т.е. уменьшается светосила, поле зрения 2σ₂=3° - небольшое, но качество изображения в целом довольно низкое, большая дисторсия и даже наличие 3^Х асферик не помогло получить более качественный вариант.

Как один из вариантов использования вынесенных АД можно рассмотреть патент US 8101918 от 24 января 2012 г. В патенте не представлен варио-объектив, его заменяют несколько объективов с постоянными f′, построенными по схеме, соответствующей специфическим схемам для систем с вынесенной АД.

Все представленные объективы имеют f′=95 мм, 150 мм, 200 мм, светосила не > 1:4, поле зрения не > 2σ=16°, количество линз от 6 до 7, количество асферик от 2^Х до 4^Х. Все системы с промежуточным изображением. Исследуя эту серию объективов, можно отметить, что даже для систем с одиночными f′ наличие АД за пределами линзовой части системы требует определенного конструктивного усложнения системы, применения асферик и это при том, что входные параметры не являются завышенными и трудоемкими.

Известно также упоминание о расчете подобных объективов в лаборатории RP Optical LaB Dekel (Израиль). В частности приводится схема объектива с f'=25-145 мм АД, расположенной перед матрицей.

Параметры объектива следующие:

λ=8-12 мкм

f'=25-145 мм

m=5,8^Х

длина l=166 мм

поле зрения 2σ₁=3°-17,6°

Объектив состоит из 6 линз, из них три подвижные. Применены как минимум 3 асферики. Механизм фокусировки - моторизированный, т.е. происходит плавное изменение f′ от min до max.

В качестве прототипа для предлагаемого объектива представлена система, которая является наиболее близкой по назначению, принципу действия и совокупности признаков конструктивного исполнения. Эта система описана в патенте US 7961382 В2 от 14 июня 2011 г. Входные параметры системы:

f'=13-360 мм

m=28^Х

λ=3-5 мкм

2σ₁=1,25°-38°

светосила: (1:4)-(1:8)

⌀ АД=3,4 мм

АД расположена на расстоянии от последней поверхности объектива l=23,2 мм и до приемной площадки матрицы = 14,3 мм.

Длина объектива = 334 мм.

Объектив состоит из 11 линз, из которых подвижными являются 5 линз, и их перемещение обеспечивает изменение f'. В качестве материалов использованы: Ge, Si, ZnSe, Amtir 1, Cleartran и IG2. В системе введены 8 асферик (4 на выпуклой поверхности, 4 на вогнутой). Все асферики высшего порядка. Кроме того, в целях коррекции хроматических аберраций помимо довольно обширного выбора материалов на 2-й поверхности введен дифракционный элемент (ДОЭ) и расположен он на асферической поверхности.

Система выглядит достаточно сложной, с нерациональным использованием подвижных компонентов. Линзовая часть после промежуточного изображения включает 5 линз, на которых расположены 4 асферических поверхности. Кроме того, в представленном варианте длина системы для f′=13 мм и f′=360 мм неодинакова, Δl=0,18 мм. Следовательно, необходима дополнительная фокусировка в целях совмещения плоскости наилучшего изображения с приемной площадкой матрицы.

Если говорить о качестве изображения, то MTF для N=10 л/мм не < 0,3 для (·) на оси и примерно до 1/3 поля зрения по мере увеличения поля зрения и ближе к краю MTF падает до 0,1.

В предлагаемом объективе устранены многие недостатки конструктивного и качественного характера, присущие прототипу.

Для достижения поставленной цели объектив выполнен из шести линз, при этом головной компонент - одиночная положительная линза, а два подвижных компонента: отрицательный второй и положительный третий выполнены таким образом, чтобы при сближении их на больших фокусах вторая вогнутая поверхность второго компонента и первая выпуклая поверхность третьего компонента были обращены в разные стороны, при этом величина подвижки второго компонента не превышала а расстояние между третьим и четвертым подвижными компонентами не превышало и при этом апертурная диафрагма расположена за пятым компонентом на расстоянии

Предлагаемый объектив имеет следующие параметры:

f'=15-300 мм

m=20^Х

λ=3,7-4,8 мкм

Длина объектива постоянна l=139 мм, что значительно ниже, чем в аналоге, хотя f'max у них примерно одинаковы.

Поле зрения 2σ=2,4°-49°

Линейная величина изображения 2у'=12,3 мм

Диаметр АД=5,04 мм

Отношение светового диаметра головного компонента к длине объектива ~0,52

Светосила для всего диапазона f'=1:4

Использованные материалы: Ge, Si

Для достижения равномерного и хорошего качества изображения для всего диапазона фокусов введены 5 асферик: 4 на выпуклой поверхности, 1 на вогнутой поверхности. Все асферики 2-го порядка, коэффициенты для которых соответствуют формуле:

у²+z²-2rx+Ах²=0,

где r - радиус поверхности при вершине;

А = коэффициент асферики.

Кроме того, для коррекции хроматических аберраций, что особенно актуально для больших фокусов, введены 2 ДОЭ: на 1 поверхности совместно с асферикой и на 10 поверхности. Критерием качества объектива является значение MTF в диапазонах фокусов:

MTF не ≤ 0,28 для f'=15 мм до f'=150 мм

MTF не ≤ 0,38 для f'=150 мм до f'=175 мм

MTF не ≤ 0,4 для f'=175 до f'=300,

при этом низкие значения MTF имеют место только на краю поля зрения.

Объектив может быть использован для конечных дистанций от 5 м до 50 м и в случае перепада температур от -40° до +65°, при этом возникающее ухудшение качества изображения компенсируется сдвигом объектива относительно матрицы на величины от (-1,6 мм) до (+2,3 мм).

Приведены схемы и таблицы, иллюстрирующие параметры предлагаемого объектива:

Фиг. 1. Объектив с ходом лучей для 3^Х f':1-f'=15 мм, 2-f'=175 мм, 3-f'=300 мм.

Фиг. 2. Конструктивные параметры объектива.

Фиг. 3. Таблица переменных воздушных промежутков для 3^х фокусов.

Фиг. 4. Коэффициенты асферических поверхностей.

Фиг. 5. Коэффициенты ДОЭ.

Фиг. 6. Графики MTF, астигматизма и дисторсии для f'=15 мм.

Фиг. 7. Графики MTF, астигматизма и дисторсии для f'=175 мм.

Фиг. 8. Графики MTF, астигматизма и дисторсии для f'=300 мм.

Таким образом, технический и качественный результат предлагаемого объектива - это уменьшение количества линз, а значит - снижение веса оптики, уменьшение габаритов по длине, уменьшение количества введенных асферик, что снижает сложность изготовления и при этом заметное увеличение качества изображения во всем диапазоне изменения фокусных расстояний, а также возможность использования объектива на разных дистанциях с введением небольшой фокусировки для сохранения качества изображения.