RU221999U1 - HIGH LENS FOR THE INFRARED SPECTRUM - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использована в тепловизионных приборах, построенных на основе болометрических матричных фотоприемных устройств, не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 мкм до 14 мкм. Задача: увеличение углового поля зрения и уменьшение стоимости за счет минимального использования количества асферических поверхностей при сохранении высокого относительного отверстия и качества изображения и минимальных габаритах. Сущность: в светосильном объективе для инфракрасной области спектра, состоящем из трех линз, первая из которых мениск с положительной оптической силой ϕ1, обращенный выпуклой поверхностью к пространству объекта, вторая - мениск с оптической силой ϕ2 и третья положительная линза с оптической силой ϕ3, второй мениск с оптической силой ϕ2 выполнен положительным и обращен выпуклой поверхностью в пространство объекта, а третья положительная линза с оптической силой ϕ3 выполнена двояковыпуклой, при этом выполняются следующие соотношения: 0.2<ϕ1/ϕ<0.5, 0.1<ϕ2/ϕ<0.3, 0.85<ϕ3/ϕ<1.2, где ϕ1, ϕ2, ϕ3, - оптические силы первой, второй и третьей линз, ϕ - оптическая сила объектива. 4 ил.

The utility model relates to the field of optical instrumentation, namely to lenses for the infrared (IR) region of the spectrum, and can be used in thermal imaging devices built on the basis of bolometric matrix photodetector devices that do not require cooling to cryogenic temperatures, sensitive in the spectral range from 8 microns up to 14 microns. Objective: increasing the angular field of view and reducing cost through minimal use of the number of aspherical surfaces while maintaining high relative aperture and image quality and minimal dimensions. Essence: in a high-aperture lens for the infrared region of the spectrum, consisting of three lenses, the first of which is a meniscus with positive optical power ϕ1, facing the convex surface to the object space, the second is a meniscus with optical power ϕ2 and the third positive lens with optical power ϕ3, the second meniscus with optical power ϕ2 is made positive and faces the convex surface into the space of the object, and the third positive lens with optical power ϕ3 is made biconvex, and the following relationships are satisfied: 0.2<ϕ1/ϕ<0.5, 0.1<ϕ2/ϕ<0.3, 0.85<ϕ3 /ϕ<1.2, where ϕ1, ϕ2, ϕ3 are the optical powers of the first, second and third lenses, ϕ is the optical power of the lens. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использована в тепловизионных приборах, построенных на основе болометрических матричных фотоприемных устройств, не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 мкм до 14 мкм.The utility model relates to the field of optical instrumentation, namely to lenses for the infrared (IR) region of the spectrum, and can be used in thermal imaging devices built on the basis of bolometric matrix photodetector devices that do not require cooling to cryogenic temperatures, sensitive in the spectral range from 8 microns up to 14 microns.

Создание новых и совершенствование известных схемных решений инфракрасных объективов идет по совокупности характеристик, к числу которых относятся повышение диаметров входных зрачков, относительных отверстий, качества изображения на оси и по полю, уменьшение массы и габаритных размеров и др.The creation of new and improvement of known circuit solutions for infrared lenses is based on a combination of characteristics, which include increasing the diameters of the entrance pupils, relative apertures, image quality on the axis and along the field, reducing weight and overall dimensions, etc.

Поскольку приемники излучения, используемые в тепловизионных приборах, имеют вполне определенные линейные размеры, то, при использовании с одним и тем же приемником, величины фокусного расстояния объектива и углового поля связаны обратно пропорциональной зависимостью.Since radiation detectors used in thermal imaging devices have well-defined linear dimensions, then, when used with the same receiver, the values of the focal length of the lens and the angular field are inversely proportional.

Совершенствование известных схемных решений направлено на создание оптической системы малогабаритного светосильного объектива с относительным отверстием не менее 1:1 для ИК области спектра для тепловизионного прибора с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего возможность сопряжения с современными матричными приемниками ИК излучения в диапазоне 8-14 мкм, форматом 640×480 пикселей при раз мере пикселя 17×17 мкм.The improvement of known circuit solutions is aimed at creating an optical system of a small-sized high-aperture lens with a relative aperture of at least 1:1 for the IR region of the spectrum for a thermal imaging device with high technical and operational characteristics, providing the ability to interface with modern matrix receivers of IR radiation in the range of 8-14 microns, format 640x480 pixels with a pixel size of 17x17 microns.

Известен светосильный объектив для инфракрасной области спектра [1], содержащий два положительных мениска, обращенных выпуклостью в пространство объекта, выполненные из германия. Объектив имеет фокусное расстояние 34 мм, высокие относительное отверстие 1:0.9 и качество изображения, малое количество линз (2), диаметр изображения 2Y'=13.6 мм, угловое поле зрения 2W=22.9°. Радиусы кривизны поверхностей удовлетворяют следующим соотношениям:A high-aperture lens for the infrared region of the spectrum [1] is known, containing two positive menisci, convexly facing into the space of the object, made of germanium. The lens has a focal length of 34 mm, high relative aperture of 1:0.9 and image quality, a small number of lenses (2), image diameter 2Y'=13.6 mm, angular field of view 2W=22.9°. The radii of curvature of surfaces satisfy the following relations:

где R₁, R₂ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей первого мениска, R₃, R₄ - радиусы кривизны соответственно первой и второй поверхностей второго мениска, ƒ' - фокусное расстояние объектива, и первая поверхность первого мениска и обе преломляющие поверхности второго мениска выполнены асферическими.where R ₁ , R ₂ are the radii of curvature, respectively, of the first and second surfaces of the first meniscus, R ₃ , R ₄ are the radii of curvature, respectively, of the first and second surfaces of the second meniscus, ƒ' is the focal length of the lens, and the first surface of the first meniscus and both refractive surfaces of the second The meniscus is made aspherical.

К недостаткам следует отнести то, что все четыре поверхности линз выполнены асферическими, что приводит к удорожанию прибора.The disadvantages include the fact that all four lens surfaces are aspherical, which makes the device more expensive.

Наиболее близким техническим решением является светосильный объектив для инфракрасной области спектра [2]The closest technical solution is a high-aperture lens for the infrared region of the spectrum [2]

Оптическая система светосильного объектива содержит положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к пространству объекта, отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству объекта, и третий положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству объекта. Он имеет высокое относительное отверстие 1:1, величину изображения 2Y'=13.6 мм и угловое поле зрения 2W=17.6° при фокусе 35 мм. Отношения фокусов менисков удовлетворяют следующим трем условиям:The optical system of a high-aperture lens contains a positive meniscus with its convex surface facing the object space, a negative meniscus with its convex surface facing the object space, and a third positive meniscus with its convex surface facing the object space. It has a high aperture ratio of 1:1, an image size of 2Y'=13.6mm and an angular field of view of 2W=17.6° at a focal length of 35mm. The relationships between the meniscus foci satisfy the following three conditions:

f1/f>1;f1/f>1;

1<|f1/f3| <5;1<|f1/f3| <5;

0<f3/f<10;0<f3/f<10;

При этом f1 - фокусное расстояние первого мениска,In this case, f1 is the focal length of the first meniscus,

f - фокусное расстояние объектива,f - focal length of the lens,

f3 - фокусное расстояние третьего мениска.f3 is the focal length of the third meniscus.

Недостатком известного технического решения является наличие двух асферических поверхностей, нанесенных на двух вогнутых поверхностях отрицательного мениска и третьего положительного мениска и недостаточное угловое поле зрения (2W=17.6°).The disadvantage of the known technical solution is the presence of two aspherical surfaces deposited on two concave surfaces of a negative meniscus and a third positive meniscus and an insufficient angular field of view (2W=17.6°).

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение углового поля зрения и уменьшение стоимости за счет минимального использования количества асферических поверхностей при сохранении высокого относительного отверстия и качества изображения и минимальных габаритах.The main task to which the utility model is aimed is to increase the angular field of view and reduce the cost due to the minimal use of the number of aspherical surfaces while maintaining a high relative aperture and image quality and minimal dimensions.

Для решения поставленной задачи предлагается светосильный объектив для инфракрасной области спектра, который, как и прототип, состоит из трех линз, первая из которых мениск с положительной оптической силой ϕ1, обращенный выпуклой поверхностью к пространству объекта, вторая - мениск с оптической силой ϕ2 и третья положительная линза с оптической силой ϕ3.To solve the problem, a high-aperture lens for the infrared region of the spectrum is proposed, which, like the prototype, consists of three lenses, the first of which is a meniscus with a positive optical power ϕ1, facing the convex surface to the object space, the second is a meniscus with an optical power ϕ2 and the third is positive lens with optical power ϕ3.

В отличие от прототипа в предлагаемом светосильном объективе для инфракрасной области спектра второй мениск с оптической силой ϕ2 выполнен положительным и обращен выпуклой поверхностью в пространство объекта, третья положительная линза с оптической силой ϕ3 выполнена двояковыпуклой, при этом выполняются следующие соотношения:In contrast to the prototype, in the proposed high-aperture lens for the infrared region of the spectrum, the second meniscus with optical power ϕ2 is made positive and faces the convex surface into the space of the object, the third positive lens with optical power ϕ3 is made biconvex, and the following relationships are satisfied:

0.2<ϕ1/ϕ<0.5,0.2<ϕ1/ϕ<0.5,

0.1<ϕ2/ϕ<0.3,0.1<ϕ2/ϕ<0.3,

0.85<ϕ3/ϕ<1.2,0.85<ϕ3/ϕ<1.2,

где ϕ1, ϕ2, ϕ3, - оптические силы первой, второй и третьей линз;where ϕ1, ϕ2, ϕ3, are the optical powers of the first, second and third lenses;

ϕ - оптическая сила объектива.ϕ is the optical power of the lens.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что полученное соотношение оптических сил линз позволяет обеспечить коррекцию осевых и полевых аберраций.The essence of the proposed invention lies in the fact that the resulting ratio of the optical powers of the lenses allows for correction of axial and field aberrations.

Второй положительный мениск переисправляет сферическую аберрацию, кому и астигматизм, вносимые первым положительным мениском, третья положительная двояковыпуклая линза компенсирует оставшиеся отрицательную сферическую аберрацию и положительную кому, астигматизм, кривизну поля первой и второй менисковых линз.The second positive meniscus re-corrects the spherical aberration, coma and astigmatism introduced by the first positive meniscus, the third positive biconvex lens compensates for the remaining negative spherical aberration and positive coma, astigmatism, field curvature of the first and second meniscus lenses.

Таким образом, предлагаемая схема ИК объектива с относительным отверстием d:f'=1:1, фокусным расстоянием f'=30.9 мм и угловым полем 2ω=25° обеспечивает высокое качество изображения по всему полю.Thus, the proposed IR lens design with a relative aperture d:f'=1:1, focal length f'=30.9 mm and an angular field of 2ω=25° provides high image quality throughout the entire field.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где:The proposed utility model is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 представлена оптическая схема объектива,in fig. Figure 1 shows the optical design of the lens,

на фиг. 2 приведены графики ЧКХ для различных точек поля,in fig. 2 shows MTF graphs for various points of the field,

на фиг. 3 приведены графики аберраций главных лучей,in fig. 3 shows graphs of aberrations of the main rays,

на фиг. 4 представлен график концентрации энергии в пикселе 0.017×0.017 мм, а также Приложением, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики конкретного образца.in fig. Figure 4 shows a graph of the energy concentration in a 0.017×0.017 mm pixel, as well as an Appendix that shows the design parameters and optical characteristics of a particular sample.

Светосильный объектив для ИК области спектра состоит из трех линз, первая из которых мениск 1 выполнен положительным и обращен выпуклой поверхностью к пространству объекта, второй положительный мениск 2, обращен выпуклой поверхностью к объекту, и третья 3 - положительная двояковыпуклая линза, при этом выполняются следующие соотношения:A high-aperture lens for the IR region of the spectrum consists of three lenses, the first of which the meniscus 1 is made positive and faces the convex surface towards the object space, the second positive meniscus 2 faces the object with its convex surface, and the third 3 is a positive biconvex lens, and the following relations are satisfied :

0.2<ϕ1/ϕ <0.5,0.2<ϕ1/ϕ <0.5,

0.1<ϕ2/ϕ <0.3,0.1<ϕ2/ϕ <0.3,

0.85<ϕ3₃/ϕ <1.2,0.85<ϕ3 ₃ /ϕ <1.2,

где ϕ1, ϕ2, ϕ3, - оптические силы первой, второй и третьей линз;where ϕ1, ϕ2, ϕ3, are the optical powers of the first, second and third lenses;

ϕ - оптическая сила объектива.ϕ is the optical power of the lens.

Апертурная диафрагма находится на первой поверхности положительной менисковой линзы 1, обеспечивая ей малый световой диаметр.The aperture diaphragm is located on the first surface of the positive meniscus lens 1, providing it with a small light diameter.

За положительной двояковыпуклой линзой 3 расположен приемник с защитным стеклом 4.Behind the positive biconvex lens 3 there is a receiver with protective glass 4.

Работа объектива осуществляется следующим образом.The lens works as follows.

Параллельный пучок излучения от бесконечно удаленного объекта фокусируется в заднем фокусе менисковой линзы 1, образуя сходящийся пучок лучей. Положительный мениск 2 также создает сходящийся пучок с наименьшими углами к нормалям с поверхностями линзы 3, и формирует изображение в плоскости, совпадающей с задним фокусом f' всего объектива. За счет осуществления сходящихся пучков лучей положительными менисками и двояковыпуклой положительной линзой обеспечиваются минимальные световые размеры линз.A parallel beam of radiation from an infinitely distant object is focused at the rear focus of the meniscus lens 1, forming a converging beam of rays. The positive meniscus 2 also creates a converging beam with the smallest angles to the normals with the surfaces of the lens 3, and forms an image in a plane coinciding with the back focus f' of the entire lens. Due to the implementation of converging beams of rays by positive menisci and a biconvex positive lens, the minimum light dimensions of the lenses are ensured.

В Приложении приведен объектив со следующими оптическими силами линз:The Appendix shows a lens with the following optical lens powers:

ϕ₁=0.33,ϕ ₁ =0.33,

ϕ₂=0.18,ϕ ₂ =0.18,

ϕ₃=1.06.ϕ ₃ =1.06.

Параметры объектива:Lens parameters:

относительное отверстие D:F'=1:1,relative hole D:F'=1:1,

угол поля зрения 2ω=25°,field of view angle 2ω=25°,

фокусное расстояние объектива f'=30.9 мм,lens focal length f'=30.9 mm,

концентрация энергии в пятне, соответствующем размеру пикселя (0.014×0.014) мм более 66% по всему полю,the energy concentration in a spot corresponding to the pixel size (0.014×0.014) mm is more than 66% over the entire field,

коэффициент передачи модуляции для пространственной частоты N=30 мм^-1 более 47% по всему полю,modulation transfer coefficient for spatial frequency N=30 mm ^-1 more than 47% over the entire field,

при расчете учитывалось защитное стекло приемника 4.The calculation took into account the protective glass of the receiver 4.

Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом в заявляемом трехлинзовом светосильном объективе для ИК-области спектра сохранено высокое относительное отверстие d/f'=1:1, увеличено угловое поле в 25/17,6=1,42, линейное поле в пространстве изображений 13.6 мм, что позволило использовать современную матрицу форматом 640×480 пикселей с размером пикселя 17×17 мкм, при сохранении качества изображения не ниже чем в наиболее близком аналоге.Thus, in comparison with the closest analogue, the proposed three-lens high-aperture lens for the IR region of the spectrum maintains a high relative aperture d/f'=1:1, increases the angular field by 25/17.6=1.42, and the linear field in space 13.6 mm images, which made it possible to use a modern matrix with a format of 640x480 pixels with a pixel size of 17x17 microns, while maintaining image quality no lower than in the closest analogue.

Эти преимущества приводят к тому, что в тепловизионном приборе, в котором применяется предлагаемый объектив, повышается дальность действия. Дальность действия (обнаружение, распознавание, идентификация объектов) является основным целевым показателем модернизации или совершенствования тепловизионных приборов.These advantages lead to the fact that the thermal imaging device, which uses the proposed lens, increases the range. Range (detection, recognition, identification of objects) is the main target indicator for modernizing or improving thermal imaging devices.

Анализ примера реализации объектива для ИК-области спектра проведен для фокусного расстояния ƒ'=30.9 мм, диаметра входного зрачка 30,92 мм, относительного отверстия 1:1, формата приемника 640×480, шаг пикселей 0,017 мм, (диагональ изображения 2у'=13,6 мм), углового поля по диагонали 25°.An analysis of an example implementation of a lens for the IR region of the spectrum was carried out for a focal length ƒ'=30.9 mm, entrance pupil diameter 30.92 mm, relative aperture 1:1, receiver format 640×480, pixel pitch 0.017 mm, (image diagonal 2у'= 13.6 mm), angular field diagonally 25°.

ПриложениеApplication

Фокусное расстояние, мм:Focal length, mm: 30.9130.91 Диафрагменное число F/D:Aperture number F/D: 1.001.00 Угловое поле, град.:Angular field, degrees: 25.0025.00 Диаметр входного зрачка, мм:Entrance pupil diameter, mm: 30.9130.91 Положение входного зрачка, мм:Entrance pupil position, mm: 0.00000.0000 Диаметр выходного зрачка, мм:Exit pupil diameter, mm: 85.985.9 Положение выходного зрачка, мм:Exit pupil position, mm: -85.66-85.66 Параксиальная высота изображения, мм:Paraxial image height, mm: 6.86.8 Длина системы, мм:System length, mm: 46.046.0 Спектральные характеристики: 8-14 мкм, главнаяSpectral characteristics: 8-14 µm, main 10.25 мкм10.25 µm

Уравнение поверхности №3 описывает четную кривую высших порядковSurface equation No. 3 describes an even curve of higher orders

а2=0 а4=-2.8566Е-006 а6=-3.472Е-008 а8=8.1734Е-010a2=0 a4=-2.8566E-006 a6=-3.472E-008 a8=8.1734E-010

а10=-1.262Е-011 а12=9.9144Е-014 а14=-3.9094Е-016 а16=6.0884Е-19.a10=-1.262E-011 a12=9.9144E-014 a14=-3.9094E-016 a16=6.0884E-19.

На фиг. 2 приведены графики ЧКХ для различных точек поля: по оси абсцисс отложены пространственная частота (штрихи/мм); по оси ординат - коэффициент передачи контраста (отн. ед.).In fig. Figure 2 shows MTF graphs for various points of the field: the abscissa axis shows the spatial frequency (dashes/mm); along the ordinate - contrast transfer coefficient (rel. units).

Обозначение «0.0000» соответствует ЧКХ для точки на оси; «4.08» - вертикальному краю, «5.44» - горизонтальному краю, «6.8» - крайней точке диагонали приемника.The designation “0.0000” corresponds to the MTF for a point on the axis; “4.08” - to the vertical edge, “5.44” - to the horizontal edge, “6.8” - to the extreme point of the receiver’s diagonal.

Как следует из фиг. 2 значение ЧКХ на частоте Найквиста, равной 30 штрихов/мм, для осевой точки в плоскости изображения не менее 0,47 отн. ед., для всех точек поля с радиальными координатами в плоскости изображения, равными или менее половины размера большей стороны чувствительной площадки приемной матрицы, - не менее 0,51 отн. ед.As can be seen from FIG. 2 the MTF value at the Nyquist frequency equal to 30 lines/mm for the axial point in the image plane is not less than 0.47 rel. units, for all field points with radial coordinates in the image plane equal to or less than half the size of the larger side of the sensitive area of the receiving matrix - not less than 0.51 rel. units

На фиг. 3 приведены графики аберраций главных лучей. Величина дисторсии для примера конкретного исполнения не превышает - 0,8% для края поля зрения.In fig. Figure 3 shows graphs of aberrations of the main rays. The amount of distortion for an example of a specific design does not exceed 0.8% for the edge of the field of view.

На фиг. 4 представлен график концентрации энергии в пикселе 0.017×0.017 мм. По всему полю концентрация энергии не менее 66%.In fig. Figure 4 shows a graph of energy concentration in a 0.017×0.017 mm pixel. Throughout the entire field, the energy concentration is at least 66%.

Таким образом, предлагаемая схема светосильного объектива для инфракрасной области спектра с относительным отверстием d:f=l:l, фокусным расстоянием f'=30.9 мм и угловым полем 2ω=25° обеспечивает высокое качество изображения по всему полю.Thus, the proposed design of a high-aperture lens for the infrared region of the spectrum with a relative aperture d:f=l:l, focal length f'=30.9 mm and an angular field of 2ω=25° provides high image quality throughout the entire field.

Кроме того, одним из преимуществ предлагаемой полезной модели является удешевление тепловизионного прибора, в котором применяется предлагаемый объектив, за счет выполнения в объективе только одной асферической поверхности, нанесенной на выпуклую поверхность второго мениска.In addition, one of the advantages of the proposed utility model is the reduction in cost of the thermal imaging device in which the proposed lens is used, due to the inclusion of only one aspherical surface in the lens, applied to the convex surface of the second meniscus.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Российская Федерация, патент на полезную модель №187832, МПК: G02B 13/14, G02B 13/18, G02B 9/06, опубл. 19.03.2019.1. Russian Federation, utility model patent No. 187832, IPC: G02B 13/14, G02B 13/18, G02B 9/06, publ. 03/19/2019.

2. CN, патент №110542960, МПК: G02B 13/00, G02B 13/14, G02B 3/18, опубл. 06.12.2019, - прототип.2. CN, patent No. 110542960, IPC: G02B 13/00, G02B 13/14, G02B 3/18, publ. 12/06/2019, - prototype.

Claims (6)

Светосильный объектив для инфракрасной области спектра, состоящий из трех линз, первая из которых мениск с положительной оптической силой ϕ1, обращенный выпуклой поверхностью к пространству объекта, вторая - мениск с оптической силой ϕ2 и третья положительная линза с оптической силой ϕ3, отличающийся тем, что второй мениск с оптической силой ϕ2 выполнен положительным и обращен выпуклой поверхностью в пространство объекта, а третья положительная линза с оптической силой ϕ3 выполнена двояковыпуклой, при этом выполняются следующие соотношенияA high-aperture lens for the infrared region of the spectrum, consisting of three lenses, the first of which is a meniscus with a positive optical power ϕ1, with its convex surface facing the object space, the second is a meniscus with an optical power ϕ2, and the third is a positive lens with an optical power ϕ3, characterized in that the second The meniscus with optical power ϕ2 is made positive and faces the convex surface into the space of the object, and the third positive lens with optical power ϕ3 is made biconvex, and the following relations are satisfied 0.2<ϕ1/ϕ<0.5,0.2<ϕ1/ϕ<0.5, 0.1<ϕ2/ϕ<0.3,0.1<ϕ2/ϕ<0.3, 0.85<ϕ3/ϕ<1.2,0.85<ϕ3/ϕ<1.2, где ϕ1, ϕ2, ϕ3, - оптические силы первой, второй и третьей линз;where ϕ1, ϕ2, ϕ3, are the optical powers of the first, second and third lenses; ϕ - оптическая сила объектива.ϕ is the optical power of the lens.

Images