RU2358300C1 - High-speed lens - Google Patents

Abstract

FIELD: physics; optics.

SUBSTANCE: present invention pertains to lenses working in the middle and far infrared range and can be used in thermal imaging devices. The lens consists of four separate lenses placed in series on a beam path: a positive meniscus, the concave surface of which faces the image, a negative meniscus, the concave surface of which faces the object, a meniscus, the convex surface of which faces the image, and a positive meniscus, the convex surface of which faces the object. The first, third and fourth lenses are made from germanium, and the ratio of the value of the third air gap to the focal length of the whole lens ranges from 0 to 0.05. The index of refraction of the material of the second lens is greater than 1.25 and less than 3.9. The following ratios are satisfied: R₇=R₈; 0.8<R₅/R₆<0.96; where R₅, R₆, R₇, R₈ are radii of curvature of the fifth, sixth, seventh and eighth optical surfaces.

EFFECT: increased technological effectiveness and longer focal distance and aperture ratio with high image quality.

4 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в среднем и дальнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.The present invention relates to optical instrumentation, namely, to special lenses operating in the middle and far infrared wavelength range, and can be used in thermal imaging devices.

Известен светосильный объектив по патенту России №2183340; G02B 13/14, 9/34; публ. 2002 г., который содержит четыре компонента по ходу лучей, первый из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - вогнутоплоская линза, обращенная плоскостью к изображению, третий - положительная плосковыпуклая линза, обращенная плоскостью к предмету, и четвертый - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Объектив рассчитан для фокусного расстояния 51,14 мм, относительного отверстия 1:1,65, угла поля зрения 18 град., заднего фокального отрезка 45,23 мм и работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм, все линзы у него выполнены из германия с показателем преломления более 4. По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малые фокусное расстояние и относительное отверстие.Known fast lens according to the patent of Russia No. 2183340; G02B 13/14, 9/34; publ. 2002, which contains four components along the rays, the first of which is the positive meniscus facing the concavity to the image, the second is the concave plane lens facing the image, the third is the positive convex lens facing the object, and the fourth is the positive meniscus convex to the subject. The lens is designed for a focal length of 51.14 mm, a relative aperture of 1: 1.65, a field of view angle of 18 degrees, a rear focal segment of 45.23 mm and works in the wavelength range from 8 to 12.5 μm, all lenses have made of Germany with a refractive index of more than 4. By design, the lens is close to the claimed, but has a small focal length and relative aperture.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является светосильный объектив (Россия, свидетельство на полезную модель №26664; G02B 13/14, 9/34, 9/56, 3/02, публ. 2002 г.), содержащий четыре компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третий и четвертый - положительные мениски, обращенные выпуклостью к предмету. Вторая, вогнутая, поверхность первого мениска выполнена асферической, и имеют место соотношения:The closest analogue to the claimed technical solution is a fast lens (Russia, utility model certificate No. 26664; G02B 13/14, 9/34, 9/56, 3/02, publ. 2002) containing four components, the first of which (along the rays) is the positive meniscus facing the concavity to the image, the second is the negative meniscus facing the concavity to the object, the third and fourth are the positive menisci facing the convex to the subject. The second, concave, surface of the first meniscus is made aspherical, and the relations are:

|R₅|<|R₆|,| R ₅ | <| R ₆ |,

d₃≤0,01R₅,d ₃ ≤0.01R ₅ ,

где: R₅, R₆ - радиусы кривизны пятой и шестой оптических поверхностей соответственно;where: R ₅ , R ₆ are the radii of curvature of the fifth and sixth optical surfaces, respectively;

d₃ - толщина третьего компонента.d ₃ is the thickness of the third component.

Кроме того, отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,00323, и имеет место равенство:In addition, the ratio of the size of the third air gap to the focal length of the entire lens is equal to 0.00323, and there is equality:

R₅/R₆=0,1192.R ₅ / R ₆ = 0.1192.

Объектив работает в диапазоне длин волн от 8 до 12,5 мкм, все линзы выполнены из германия с показателем преломления более 4, и рассчитан для фокусного расстояния объектива - 62 мм, относительного отверстия - 1:2, угла поля зрения - 16 град., заднего фокального отрезка - 52,78 мм.The lens operates in the wavelength range from 8 to 12.5 μm, all lenses are made of germanium with a refractive index of more than 4, and is designed for the focal length of the lens - 62 mm, relative aperture - 1: 2, field of view - 16 degrees., posterior focal segment - 52.78 mm.

По конструкции объектив близок к заявляемому, однако имеет малые фокусное расстояние и относительное отверстие, а также недостаточную технологичность, так как содержит асферическую оптическую поверхность, а изготовление асферической поверхности более трудоемко, чем сферической; кроме того, все радиусы кривизны линз различны, что не позволяет производить унификацию эталонных пробных стекол при изготовлении объектива.By design, the lens is close to the claimed one, however, it has a small focal length and relative aperture, as well as insufficient manufacturability, as it contains an aspherical optical surface, and the manufacture of an aspherical surface is more time-consuming than spherical; in addition, all the radii of curvature of the lenses are different, which does not allow the unification of standard test glasses in the manufacture of the lens.

Задачей заявляемого изобретения является создание светосильного объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками.The task of the invention is the creation of a fast lens with improved performance.

Технический результат - повышение технологичности, увеличение фокусного расстояния и относительного отверстия при высоком качестве изображения.The technical result is an increase in manufacturability, an increase in focal length and relative aperture with high image quality.

Это достигается тем, что в светосильном объективе, состоящем из последовательно расположенных по ходу лучей одиночных линз, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третья - мениск и четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, при этом первая, третья и четвертая линзы выполнены из германия, и отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива составляет от 0 до 0,05 в отличие от известного, третья линза - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, оптические поверхности всех линз выполнены сферическими, показатель преломления материала второй линзы более 1,25 и менее 3,9, кроме того, имеет место условие:This is achieved by the fact that in a fast lens consisting of single lenses sequentially located along the rays, the first one is the positive meniscus facing the concavity to the image, the second is the negative meniscus facing the concavity to the object, the third is the meniscus and the fourth is the positive meniscus, convex to the subject, while the first, third and fourth lenses are made of germanium, and the ratio of the size of the third air gap to the focal length of the entire lens is from 0 to 0.05, in contrast from the known, the third lens is the meniscus, convex to the image, the optical surfaces of all the lenses are made spherical, the refractive index of the material of the second lens is more than 1.25 and less than 3.9, in addition, the condition:

R₇=R₈ R ₇ = R ₈

0,8<R₅/R₆<0,96,0.8 <R ₅ / R ₆ <0.96,

где R₅, R₆, R₇, R₈ - радиусы кривизны пятой, шестой, седьмой и восьмой оптических поверхностей.where R ₅ , R ₆ , R ₇ , R ₈ are the radii of curvature of the fifth, sixth, seventh and eighth optical surfaces.

Кроме того, может иметь место равенство:In addition, equality may occur:

|R₅|=R₈;| R ₅ | = R ₈ ;

и третья линза может быть выполнена в виде отрицательного или положительного мениска.and the third lens may be in the form of a negative or positive meniscus.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.The drawing shows an optical diagram of the proposed lens.

Светосильный объектив состоит из четырех одиночных линз по ходу лучей: первая из которых - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск 2, обращенный вогнутостью к предмету, третья - мениск 3, обращенный выпуклостью к изображению, и четвертая - положительный мениск 4, обращенный выпуклостью к предмету. За мениском 4 может быть расположена одна или несколько плоскопараллельных пластин. Линза 3 может быть как положительной, так и отрицательной.A fast lens consists of four single lenses along the rays: the first one is the positive meniscus 1 facing the concavity to the image, the second is the negative meniscus 2 facing the concavity to the object, the third is the meniscus 3 facing the convex to the image, and the fourth is the positive meniscus 4, convex to the subject. Behind the meniscus 4, one or more plane-parallel plates can be located. Lens 3 can be both positive and negative.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив. Световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3, 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).The proposed optical system works like a lens collecting from infinity. The luminous flux from an object located at infinity enters the lens, where it passes through lenses 1, 2, 3, 4 and forms an image of the object in the plane of the best setup in which the optical radiation receiver (not shown) is installed.

В соответствии с предложенным решением рассчитаны три конкретных варианта выполнения светосильного объектива, исправленные в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм. В первом и во втором вариантах выполнения светосильного объектива третья линза - мениск выполнена отрицательной, а в третьем - положительной.In accordance with the proposed solution, three specific embodiments of the fast lens are calculated, corrected in the spectral range from 8 to 12.5 μm. In the first and second embodiments of the fast lens, the third lens, the meniscus, is negative, and in the third, positive.

Конструктивные параметры объектива по первому варианту выполнения приведены в табл.1.The design parameters of the lens according to the first embodiment are given in table 1.

Объектив рассчитан для фокусного расстояния объектива - 102,14 мм, относительного отверстия - 1:1,46, угла поля зрения - 11 град. 12 мин, заднего фокального отрезка - 14,16 мм, при этом апертурная диафрагма расположена за линзой 2 на расстоянии 28,6 мм.The lens is designed for the focal length of the lens is 102.14 mm, the relative aperture is 1: 1.46, and the field of view angle is 11 degrees. 12 min, the back focal segment is 14.16 mm, while the aperture diaphragm is located behind the lens 2 at a distance of 28.6 mm.

В первом предлагаемом варианте выполнения изобретения имеют место равенства:In the first proposed embodiment of the invention, there are equalities:

R₇=R₈ R ₇ = R ₈

R₅/R₆=0,9355R ₅ / R ₆ = 0.9355

|R₅|=R₈ | R ₅ | = R ₈

f'₃=-2710,14 мм,f ' ₃ = -2710.14 mm,

где: R₅, R₆, R₇, R₈ - радиусы кривизны соответственно пятой, шестой, седьмой и восьмой оптических поверхностей;where: R ₅ , R ₆ , R ₇ , R ₈ are the radii of curvature of the fifth, sixth, seventh and eighth optical surfaces, respectively;

f'₃ - фокусное расстояние третьего компонента объектива для длины волны 10 мкм.f ' ₃ is the focal length of the third component of the lens for a wavelength of 10 μm.

Кроме того, показатель преломления материала второго компонента для длины волны 10 мкм равен 2,4067, и отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,00245.In addition, the refractive index of the material of the second component for a wavelength of 10 μm is 2.4067, and the ratio of the size of the third air gap to the focal length of the entire lens is 0.00245.

Таблица 1Table 1 Радиусы, ммRadii, mm Толщины, ммThickness mm МатериалMaterial Показатель преломления для λ=10 мкмRefractive index for λ = 10 μm Световой диаметр, ммLight diameter mm R₁=102,57R ₁ = 102.57       7070   d₁=5,8d ₁ = 5.8 GeGe 4,00244,0024   R₂=139,96R ₂ = 139.96       6868   d₂=12d ₂ = 12   1one   R₅=-438,5R ₅ = -438.5       63,663.6   d₃=5,4d ₃ = 5,4 ZnSeZnse 2,40672,4067   R₄=-523,6R ₄ = -523.6       62,762.7   d₄=83d ₄ = 83   1one   R₅=-27,54R ₅ = -27.54       2828   d₅=2,4d ₅ = 2.4 GeGe 4,00244,0024   R₆=-29,44R ₆ = -29.44       29,729.7   d₆=0,25d ₆ = 0.25   1one   R₇=27,54R ₇ = 27.54       2828   d₇=3,1d ₇ = 3.1 GeGe 4,00244,0024   R₈=27,54R ₈ = 27.54       25,825.8

Конструктивные параметры объектива по второму варианту выполнения приведены в табл. 2.The design parameters of the lens according to the second embodiment are given in table. 2.

Объектив рассчитан для фокусного расстояния объектива - 129,78 мм, относительного отверстия - 1:1,44, угла поля зрения - 8 град. 51 мин, заднего фокального отрезка - 18,29 мм, при этом апертурная диафрагма расположена за линзой 2 на расстоянии 36,8 мм.The lens is designed for the focal length of the lens - 129.78 mm, relative aperture - 1: 1.44, field of view angle - 8 degrees. 51 min, the back focal segment is 18.29 mm, while the aperture diaphragm is located behind lens 2 at a distance of 36.8 mm.

Таблица 2table 2 Радиусы, ммRadii, mm Толщины, ммThickness mm МатериалMaterial Показатель преломления для λ=10 мкмRefractive index for λ = 10 μm Световой диаметр, ммLight diameter mm R₁=131,83R ₁ = 131.83       9090   d₁=7,5d ₁ = 7.5 GeGe 4,00244,0024   R₂=180,3R ₂ = 180.3       87,487.4   d₂=14d ₂ = 14   1one   R₃=-564,9R ₃ = -564.9       82,782.7   d₃=7d ₃ = 7 ZnSeZnse 2,40672,4067   R₄=-669,9R ₄ = -669.9       81,481.4   d₄=106,8d ₄ = 106.8       R₅=-35,48R ₅ = -35.48       33,233,2   d₅=3d ₅ = 3 GeGe 4,00244,0024   R₆=-37,84R ₆ = -37.84       35,235,2   d₆=0,3d ₆ = 0.3   1one   R₇=35,48R ₇ = 35.48       32,332,3   d₇=4d ₇ = 4 GeGe 4,00244,0024   R₈=35,48R ₈ = 35.48       29,529.5

Во втором варианте выполнения изобретения имеют место равенства:In the second embodiment of the invention, there are equalities:

R₇=R₈ R ₇ = R ₈

R₅/R₆=0,9376R ₅ / R ₆ = 0.9376

|R₅|=R₈ | R ₅ | = R ₈

f'₃=-4081,87 мм.f ' ₃ = -4081.87 mm.

Кроме того, показатель преломления материала второго компонента для длины волны 10 мкм равен 2,4067, и отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,00231.In addition, the refractive index of the material of the second component for a wavelength of 10 μm is 2.4067, and the ratio of the size of the third air gap to the focal length of the entire lens is 0.00231.

Конструктивные параметры объектива по третьему варианту выполнения приведены в табл.3.The design parameters of the lens according to the third embodiment are given in table 3.

Объектив рассчитан для фокусного расстояния объектива - 175,12 мм, относительного отверстия - 1:1,46, угла поля зрения - 6 град. 41 мин, заднего фокального отрезка - 25,24 мм, при этом апертурная диафрагма расположена за линзой 2 на расстоянии 49 мм.The lens is designed for the focal length of the lens - 175.12 mm, relative aperture - 1: 1.46, field of view angle - 6 degrees. 41 min, the rear focal segment is 25.24 mm, while the aperture diaphragm is located behind the lens 2 at a distance of 49 mm.

Таблица 3Table 3 Радиусы, ммRadii, mm Толщины, ммThickness mm МатериалMaterial Показатель преломления для λ=10 мкмRefractive index for λ = 10 μm Световой диаметр, ммLight diameter mm R₁=190,99R ₁ = 190.99       120120   d₁=9d ₁ = 9 GeGe 4,00244,0024   R₂=266,7R ₂ = 266.7       117,3117.3   d₂=28,7d ₂ = 28.7   1one   R₃=-550,8R ₃ = -550.8       106,8106.8   d₃=9d ₃ = 9 ZnSeZnse 2,40672,4067   R₄=-620,9R ₄ = -620.9       105,9105.9   d₄=142,5d ₄ = 142.5   1one   R₅=-55,59R ₅ = -55.59       36,536.5   d₅=4,8d ₅ = 4.8 GeGe 4,00244,0024   R₆=-58,61R ₆ = -58.61       38,538.5   d₆=0,3d ₆ = 0.3   1one   R₇=43,25R ₇ = 43.25       3636   d₇=4,8d ₇ = 4.8 GeGe 4,00244,0024   R₈=43,25R ₈ = 43.25       32,932.9

В третьем варианте выполнения изобретения имеют место равенства:In the third embodiment of the invention, the following equalities hold:

R₇=R₈ R ₇ = R ₈

R₅/R₆=0,94R ₅ / R ₆ = 0.94

f'₃=1868,67 мм.f ' ₃ = 1868.67 mm.

Кроме того, показатель преломления материала второго компонента для длины волны 10 мкм равен 2,4067, отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива равно 0,0017.In addition, the refractive index of the material of the second component for a wavelength of 10 μm is 2.4067, the ratio of the size of the third air gap to the focal length of the entire lens is 0.0017.

В табл.4 приведены аберрации для длины волны 10 мкм предложенного светосильного объектива по трем рассчитанным вариантам.Table 4 shows the aberrations for a wavelength of 10 μm of the proposed aperture lens according to three calculated options.

В первом и втором вариантах выполнения объектива фокусное расстояние третьей линзы - отрицательное, а в третьем варианте - положительное. Известна формула для фокусного расстояния одиночной линзы конечной толщины, в которой фокусное расстояние является функцией от радиусов кривизны оптических поверхностей, показателя преломления и толщины линзы. В предлагаемом объективе третья линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, причем |R₅|<|R₆|. При этом при определенных значениях радиусов кривизны оптических поверхностей, показателя преломления и толщины линза может быть как отрицательной, так и положительной.In the first and second embodiments of the lens, the focal length of the third lens is negative, and in the third embodiment is positive. A known formula for the focal length of a single lens of finite thickness, in which the focal length is a function of the radii of curvature of the optical surfaces, the refractive index and the thickness of the lens. In the proposed lens, the third lens is made in the form of a meniscus, convex to the image, with | R ₅ | <| R ₆ |. Moreover, at certain values of the radii of curvature of the optical surfaces, the refractive index, and the thickness of the lens, it can be both negative and positive.

Предложенный объектив содержит только сферические оптические поверхности, и имеется равенство по модулю радиусов сферических оптических поверхностей на две или три поверхности, что обеспечивает его более высокую технологичность. Кроме того, предложенный объектив имеет фокусное расстояние не менее 102 мм, относительное отверстие не менее 1:1,46 и высокое качество изображения, что следует из табл.4.The proposed lens contains only spherical optical surfaces, and there is equality modulo the radii of the spherical optical surfaces on two or three surfaces, which ensures its higher manufacturability. In addition, the proposed lens has a focal length of at least 102 mm, a relative aperture of at least 1: 1.46 and high image quality, which follows from table 4.

Таблица 4Table 4   Значение аберраций объективовThe value of lens aberrations Вид аберрацииType of aberration по первому варианту выполнения, не болееaccording to the first embodiment, no more по второму варианту выполнения, не болееaccording to the second embodiment, not more than по третьему варианту выполнения, не болееaccording to the third embodiment, no more Относительное отверстиеRelative hole 1:1,461: 1.46 1:1,441: 1.44 1:1,461: 1.46 Поле зрения 2W2W field of view 11 град. 12 мин11 deg. 12 min 8 град. 51 мин8 deg. 51 min 6 град. 41 мин6 deg. 41 min Поперечная сферическая аберрация для точки на осиTransverse spherical aberration for a point on the axis 0,0095 мм0.0095 mm 0,0146 мм0.0146 mm 0,015 мм0.015 mm Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сеченииTransverse aberration of a wide inclined beam in the meridional section 0,065 мм0.065 mm 0,0233 мм0.0233 mm 0,029 мм0.029 mm Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сеченииTransverse aberration of a wide inclined beam in a sagittal section 0,031 мм0.031 mm 0,012 мм0.012 mm 0,0175 мм0.0175 mm Меридиональный астигматический отрезок X'_м Meridional astigmatic segment X ' _m 0,148 мм0.148 mm 0,0096 мм0.0096 mm -0,0098 мм-0.0098 mm Сагиттальный астигматический отрезок X'_s Sagittal astigmatic segment X ' _s 0,0287 мм0.0287 mm -0,0075 мм-0.0075 mm -0,0193 мм-0.0193 mm ДисторсияDistortion -0,22%-0.22% -0,15%-0.15% - 0,2%- 0.2%

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан светосильный объектив для спектрального диапазона от 8 до 12,5 мкм с повышенной технологичностью и увеличенным фокусным расстоянием и относительным отверстием при высоком качестве изображения.Thus, as a result of the proposed solution, a technical result is obtained: a high-aperture lens is created for the spectral range from 8 to 12.5 microns with increased adaptability and increased focal length and relative aperture with high image quality.

Claims (4)

1. Светосильный объектив, состоящий из последовательно расположенных по ходу лучей одиночных линз, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третья - мениск и четвертая - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, при этом первая, третья и четвертая линзы выполнены из германия, и отношение величины третьего воздушного промежутка к фокусному расстоянию всего объектива составляет от 0 до 0,05, отличающийся тем, что третья линза - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, оптические поверхности всех линз выполнены сферическими, показатель преломления материала второй линзы более 1,25 и менее 3,9, кроме того, имеют место условия
R₇=R_8,
0,8<R₅/R₆<0,96,
где R₅, R₆, R₇, R₈ - радиусы кривизны пятой, шестой, седьмой и восьмой оптических поверхностей.1. Aperture lens, consisting of single lenses sequentially located along the rays, the first of which is the positive meniscus facing concavity to the image, the second is the negative meniscus facing concavity to the object, the third is the meniscus and the fourth is the positive meniscus convex to the subject wherein the first, third and fourth lenses are made of germanium, and the ratio of the size of the third air gap to the focal length of the entire lens is from 0 to 0.05, characterized in that the third lens - meniscus convex to the image, the optical surfaces of all lenses are made spherical, the refractive index of the material of the second lens is more than 1.25 and less than 3.9, in addition, conditions
R ₇ = R _8,
0.8 <R ₅ / R ₆ <0.96,
where R ₅ , R ₆ , R ₇ , R ₈ are the radii of curvature of the fifth, sixth, seventh and eighth optical surfaces. 2. Светосильный объектив по п.1, отличающийся тем, что имеет место равенство
|R₅|=R₈.2. Fast lens according to claim 1, characterized in that there is equality
| R ₅ | = R ₈ . 3. Светосильный объектив по п.1 или 2, отличающийся тем, что третья линза выполнена в виде отрицательного мениска.3. A fast lens according to claim 1 or 2, characterized in that the third lens is made in the form of a negative meniscus. 4. Светосильный объектив по п.1 или 2, отличающийся тем, что третья линза выполнена в виде положительного мениска. 4. A fast lens according to claim 1 or 2, characterized in that the third lens is made in the form of a positive meniscus.