RU2385476C1 - Projection high-aperture telecentric lens - Google Patents
Projection high-aperture telecentric lens Download PDFInfo
- Publication number
- RU2385476C1 RU2385476C1 RU2008130245/28A RU2008130245A RU2385476C1 RU 2385476 C1 RU2385476 C1 RU 2385476C1 RU 2008130245/28 A RU2008130245/28 A RU 2008130245/28A RU 2008130245 A RU2008130245 A RU 2008130245A RU 2385476 C1 RU2385476 C1 RU 2385476C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- component
- lens
- components
- image
- positive
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам приборов ночного видения (ПНВ), и может быть использовано в качестве объектива переноса изображения с экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОП) на ПЗС-матрицу.The invention relates to the field of optical instrumentation, and in particular to optical systems for night vision devices (NVD), and can be used as a lens for transferring an image from the screen of an electron-optical converter (EOC) to a CCD matrix.
Известны проекционные объективы, предназначенные для переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу или в переднюю фокальную плоскость окуляра, например [Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - с.105, рис.45а]. Объектив состоит из 9 компонентов, содержащих 12 линз, имеет числовую апертуру 0,4, линейное увеличение -1х, линейное поле в пространстве предметов 13 мм, коэффициент пропускания 0,75. Данные о качестве изображения, даваемом объективом, не приводятся. Основным недостатком этого объектива является сложность конструкции и большая длина вдоль оптической оси между плоскостью экрана ЭОП и плоскостью светочувствительной площадки приемника излучения, а также малое линейное поле в пространстве предметов.Known projection lenses designed to transfer images from the screen of the image intensifier tube to the CCD or to the front focal plane of the eyepiece, for example [Geykhman I., Volkov V. G. The basics of improving visibility in difficult conditions. - M .: Nedra-Business Center LLC. 1999. - p.105, fig. 45a]. The lens consists of 9 components containing 12 lenses, has a numerical aperture of 0.4, a linear magnification of -1 x , a linear field in the space of objects 13 mm, a transmittance of 0.75. The image quality data provided by the lens is not provided. The main disadvantage of this lens is the complexity of the design and the large length along the optical axis between the plane of the screen of the image intensifier tube and the plane of the photosensitive area of the radiation receiver, as well as a small linear field in the space of objects.
Известен также проекционный объектив [Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - с.107, табл.12, система Л46-83-189СКБ ТНВ], обеспечивающий линейное увеличение -0,5х, линейное поле в пространстве предметов 23 мм, коэффициент пропускания 0,72, длину вдоль оптической оси 111 мм. Объектив обеспечивает на частоте 50 мм-1 коэффициент передачи модуляции для осевой точки изображения, равный 0,48. Данные о частотно-контрастной характеристике (ЧКХ) для внеосевых точек не приводятся. Основным недостатком этого объектива является недостаточная величина коэффициента передачи модуляции на рабочих частотах современных приемников изображения, а также большая длина вдоль оптической оси между плоскостью экрана ЭОП и плоскостью светочувствительной площадки приемника излучения.A projection lens is also known [Geikhman I.L., Volkov V.G. The basics of improving visibility in difficult conditions. - M .: Nedra-Business Center LLC. 1999. - p.107, Table 12, system L46-83-189SKB TNV], providing a linear magnification of -0.5 x , a linear field in the space of objects 23 mm, transmittance 0.72, length along the optical axis 111 mm. The lens provides at a frequency of 50 mm -1 the modulation transfer coefficient for the axial point of the image, equal to 0.48. Data on the frequency-contrast characteristic (FM) for off-axis points are not given. The main disadvantage of this lens is the insufficient modulation transmission coefficient at the operating frequencies of modern image receivers, as well as the large length along the optical axis between the plane of the image intensifier tube and the plane of the photosensitive area of the radiation receiver.
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является проекционный светосильный телецентрический объектив [Патент РФ 2233462, публ. 2004 г., МКИ G02B 9/64], включающий первый и второй компоненты, выполненные в виде положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, третий компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, пятый компонент, выполненный в виде двояковыпуклой положительной линзы, шестой компонент, выполненный в виде одиночной положительной линзы, седьмой компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами. Относительные оптические силы φ компонентов 1-7 составляют соответственно φ1=0,58; φ2=0,73; φ3=-0,86; φ4=-0,76; φ5=1,17; φ6=1,03; φ7=-0,35.The closest in technical essence adopted for the prototype is a projection aperture telecentric lens [RF Patent 2233462, publ. 2004, MKI G02B 9/64], including the first and second components made in the form of positive menisci facing convex surfaces to each other, the third component made in the form of a negative meniscus facing a concave surface to the image space, the fourth component, made in the form of a negative meniscus glued from a biconcave and biconvex lens, facing a concave surface to the space of objects, the fifth component, made in the form of a biconvex positive lens, the sixth component, you filled in the form of a single positive lens, the seventh component, made in the form of a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, an aperture diaphragm located between the third and fourth components. The relative optical forces φ of components 1-7 are respectively φ 1 = 0.58; φ 2 = 0.73; φ 3 = -0.86; φ 4 = -0.76; φ 5 = 1.17; φ 6 = 1.03; φ 7 = -0.35.
Объектив предназначен для переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу 2/3'', линейный размер которой по горизонту 6,4 мм, объектив имеет фокусное расстояние 21,3 мм, увеличение -0,48х, числовую апертуру в пространстве предметов 0,13, длину вдоль оптической оси между плоскостью экрана ЭОП и плоскостью ПЗС-матрицы 66 мм. Числовая апертура объектива в пространстве равна 0,13/0,48=0,27. Для линз объектива использованы три марки стекла. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции для пространственной частоты 60 мм-1 составляют 0,84 и 0,6 соответственно на оси и для точки, расположенной на расстоянии 3,2 мм от оптической оси изображения. Значение функции концентрации энергии (ФКЭ) в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселю ПЗС-матрицы размером 0,0085×0,0085 мм, не менее 90% в точке на оси и не менее 74% в точке, расположенной на расстоянии 3,2 мм от оптической оси изображения. В пространстве изображений обеспечивается телецентрический ход главных лучей.The lens is designed to transfer the image from the screen of the image intensifier tube to the 2/3 '' CCD, the linear size of which is 6.4 mm along the horizon, the lens has a focal length of 21.3 mm, an increase of -0.48 x , a numerical aperture in the space of
Основными недостатками прототипа является неравномерное по полю качество изображения, нетехнологичность оптической системы из-за использования трех марок стекол. Имеет место снижение расчетного качества изображения при изменении линейного увеличения проекционного объектива в небольших пределах (например, ±(5÷10)% от номинального), необходимость которого возникает при юстировке масштаба изображения для достижения оптимального согласования работы всех элементов ПНВ. Кроме того, при указанном увеличении реализуется неполное использование размера изображения на экране ЭОП, что влечет за собой снижение поля зрения ПНВ.The main disadvantages of the prototype is the uneven image quality across the field, the low-tech optical system due to the use of three brands of glasses. There is a decrease in the calculated image quality when the linear increase in the projection lens is varied within small limits (for example, ± (5 ÷ 10)% of the nominal), the need for which arises when adjusting the image scale to achieve optimal coordination of the operation of all NVD elements. In addition, with this increase, incomplete use of the image size on the image intensifier screen is realized, which entails a decrease in the field of view of the NVD.
Расчеты показывают, что при числовой апертуре в пространстве предметов, равной 0,13, светосильный проекционный телецентрический объектив обеспечивает значения коэффициентов передачи модуляции для частоты 60 мм-1 для точки на оси 0,84, для точки изображения, имеющей координату 3,2 мм, 0,6, но для крайних точек поля с координатой 4 мм, соответствующей половине диаметра ПЗС-матрицы 2/3'', коэффициенты передачи модуляции падают до значений 0,3, что более, чем вдвое ниже, чем для точки на оси.Calculations show that with a numerical aperture in the space of objects equal to 0.13, a fast projection telecentric lens provides values of modulation transmission coefficients for a frequency of 60 mm -1 for a point on the axis 0.84, for an image point having a coordinate of 3.2 mm, 0.6, but for the extreme points of the field with a coordinate of 4 mm, corresponding to half the diameter of the
В соответствии с указанными в прототипе значениями параметров объектив оптически сопрягает с ПЗС-матрицей 2/3'' по горизонту линейный размер на экране, равный 13,3 мм (6,4/0,48=13,3 мм), по диагонали - 16,8 мм (8,1/0,48=16,8 мм, здесь 8,1 мм - величина диагонали ПЗС-матрицы 2/3''), оставляя вне ПЗС-матрицы часть изображения на экране ЭОП, имеющего диаметр 18 мм, что приводит к некоторому снижению поля зрения ПНВ, особенно по горизонтали. Для оптического сопряжения диаметра экрана с диагональю ПЗС-матрицы увеличение проекционного объектива должно составлять несколько меньшее по абсолютной величине значение, а именно: 8,1/18=0,45х, а предельный случай - для сохранения максимального поля зрения по горизонтали соответственно 6,4/18=0,36х.In accordance with the parameter values indicated in the prototype, the lens optically matches a 2/3 '' CCD matrix horizontally with a linear screen size of 13.3 mm (6.4 / 0.48 = 13.3 mm), diagonally - 16.8 mm (8.1 / 0.48 = 16.8 mm, here 8.1 mm is the diagonal of the
При изменении линейного увеличения на ±10% от номинальной величины значения коэффициентов передачи контраста падают для точки на оси до 0,4-0,6, а для внеосевых точек - до 0,1, что свидетельствует об ухудшении качества изображения.When the linear increase is changed by ± 10% of the nominal value, the values of the contrast transfer coefficients drop for a point on the axis to 0.4-0.6, and for off-axis points - to 0.1, which indicates a deterioration in image quality.
Анализируя параметры проекционного светосильного телецентрического объектива, можно отметить, что имеется некоторое несоответствие между такими заявленными характеристиками, как числовая апертура в пространстве предметов и относительное отверстие. Для приведенных значений конструктивных параметров и положения апертурной диафрагмы между третьим и четвертым компонентами входной зрачок располагается примерно на расстоянии 30-32 мм от первой поверхности. При этом диаметр входного зрачка получается равным 2·0,13·(18+32)=13 мм, а относительное отверстие получается 13:21,3=1:1,6, а не 1:1,2, как заявлено.Analyzing the parameters of the projection aperture telecentric lens, it can be noted that there is some discrepancy between such declared characteristics as a numerical aperture in the space of objects and a relative aperture. For the given values of the design parameters and the position of the aperture diaphragm between the third and fourth components, the entrance pupil is located at a distance of about 30-32 mm from the first surface. At the same time, the diameter of the entrance pupil is 2 · 0.13 · (18 + 32) = 13 mm, and the relative aperture is 13: 21.3 = 1: 1.6, and not 1: 1.2, as stated.
Задача изобретения - обеспечение равномерно высокого качества изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3'', повышение технологичности за счет сокращения числа марок стекол до двух и обеспечения возможности согласования масштаба изображения без потери качества изображения для достижения оптимального согласования работы всех элементов ПНВ.The objective of the invention is the provision of uniformly high image quality within the rectangular image field, determined by the size of the 2/3 '' CCD matrix, increasing manufacturability by reducing the number of glass brands to two and providing the possibility of matching the image scale without loss of image quality to achieve optimal coordination of work all elements of NVD.
Предложен проекционный светосильный телецентрический объектив, включающий первый и второй компоненты, выполненные в виде положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, третий компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, пятый компонент, выполненный в виде двояковыпуклой положительной линзы, шестой компонент, выполненный в виде одиночной положительной линзы, седьмой компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами. Относительные оптические силы φ3, φ5, φ6 и φ7 третьего, пятого, шестого и седьмого компонентов составляют соответственно φ3=-(0,82÷0,90); φ5=(1,10÷1,30); φ6=(0,88÷1,05); |φ7|<0,35. Отрицательный мениск третьего компонента выполнен склеенным из положительной и отрицательной линз, шестой компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Седьмой компонент размещен по ходу лучей перед первым компонентом. Шестой и седьмой компоненты имеют малые подвижки вдоль оптической оси. Относительные оптические силы φ1, φ2, φ4 первого, второго, четвертого компонентов составляют соответственно φ1=0,60÷0,75; φ2=0,80÷1,0; φ4=-(0,65÷0,74), оптические силы положительной и отрицательной линз третьего компонента по абсолютной величине составляют соответственно (1,9÷2,4)|φ3| и (3,7÷4,3)|φ3|, расстояние вдоль оптической оси между седьмым и первым компонентом не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива. Первый, второй, пятый, шестой, седьмой компоненты, а также положительная линза третьего компонента и двояковыпуклая линза четвертого компонента выполнены из стекла одной марки, а отрицательные мениски третьего и четвертого компонентов выполнены из стекла другой марки, при этом показатели преломления ne стекол менее 1,77, а отношение их коэффициентов основных средних дисперсий νe превышает 1,7.A projection fast telecentric lens is proposed, including the first and second components made in the form of positive menisci facing convex surfaces to each other, the third component made in the form of a negative meniscus facing a concave surface to the image space, the fourth component made in the form of a negative meniscus, glued from a biconcave and biconvex lens, facing a concave surface to the space of objects, the fifth component, made in the form of two convex positive lens, the sixth component, made in the form of a single positive lens, the seventh component, made in the form of a negative meniscus, facing a concave surface to the space of objects, an aperture diaphragm located between the third and fourth components. The relative optical forces φ 3 , φ 5 , φ 6 and φ 7 of the third, fifth, sixth and seventh components are respectively φ 3 = - (0.82 ÷ 0.90); φ 5 = (1.10 ÷ 1.30); φ 6 = (0.88 ÷ 1.05); | φ 7 | <0.35. The negative meniscus of the third component is made of glued from the positive and negative lenses, the sixth component is made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image space. The seventh component is placed along the rays in front of the first component. The sixth and seventh components have small movements along the optical axis. The relative optical forces φ 1 , φ 2 , φ 4 of the first, second, fourth components are respectively φ 1 = 0.60 ÷ 0.75; φ 2 = 0.80 ÷ 1.0; φ 4 = - (0.65 ÷ 0.74), the optical powers of the positive and negative lenses of the third component in absolute value are respectively (1.9 ÷ 2.4) | φ 3 | and (3.7 ÷ 4.3) | φ 3 |, the distance along the optical axis between the seventh and first component does not exceed 0.15 of the focal length of the lens. The first, second, fifth, sixth, seventh components, as well as the positive lens of the third component and the biconvex lens of the fourth component are made of glass of one brand, and the negative menisci of the third and fourth components are made of glass of another brand, while the refractive indices of n e glasses are less than 1 , 77, and the ratio of their coefficients of the main average dispersions ν e exceeds 1.7.
Предлагаемый проекционный светосильный телецентрический объектив позволяет обеспечить более высокие технические характеристики: повысить качество изображения внеосевых точек и обеспечить равномерно высокое качества изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3'', повысить технологичность за счет сокращения числа марок стекол до двух и обеспечения возможности согласования масштаба изображения без потери качества изображения.The proposed projection fast telecentric lens allows to provide higher technical characteristics: to improve the image quality of off-axis points and to ensure uniformly high image quality within the rectangular image field, determined by the size of the 2/3 '' CCD matrix, to increase manufacturability by reducing the number of glass grades to two and providing the ability to match the image scale without losing image quality.
Более высокие технические характеристики предлагаемого проекционного светосильного телецентрического объектива обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:Higher technical characteristics of the proposed projection aperture telecentric lens are provided by a new set of distinctive features:
- отрицательный мениск третьего компонента выполнен склеенным из положительной и отрицательной линз, при этом оптические силы положительной и отрицательной линз третьего компонента по абсолютной величине составляют соответственно (1,9÷2,4)|φ3| и (3,7÷4,3)|φ3|,- the negative meniscus of the third component is made of glued from the positive and negative lenses, while the optical powers of the positive and negative lenses of the third component in absolute value are respectively (1.9 ÷ 2.4) | φ 3 | and (3.7 ÷ 4.3) | φ 3 |,
- шестой компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений,- the sixth component is made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image space,
- седьмой компонент размещен по ходу лучей перед первым компонентом, при этом расстояние вдоль оптической оси между седьмым и первым компонентом не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива,- the seventh component is placed along the rays in front of the first component, while the distance along the optical axis between the seventh and the first component does not exceed 0.15 of the focal length of the lens,
- шестой и седьмой компоненты имеют незначительные подвижки вдоль оптической оси;- the sixth and seventh components have slight movements along the optical axis;
- относительные оптические силы φ1, φ2, φ4 первого, второго, четвертого компонентов составляют соответственно- relative optical forces φ 1 , φ 2 , φ 4 of the first, second, fourth components are respectively
φ1=0,60÷0,75; φ2=0,80÷1,0; φ4=-(0,65÷0,74);φ 1 = 0.60 ÷ 0.75; φ 2 = 0.80 ÷ 1.0; φ 4 = - (0.65 ÷ 0.74);
- первый, второй, пятый, шестой, седьмой компоненты, а также положительная линза третьего компонента и двояковыпуклая линза четвертого компонента выполнены из стекла одной марки, а отрицательные мениски третьего и четвертого компонентов выполнены из стекла другой марки, при этом показатели преломления ne стекол менее 1,77, а отношение их коэффициентов основных средних дисперсий νe превышает 1,7.- the first, second, fifth, sixth, seventh components, as well as the positive lens of the third component and the biconvex lens of the fourth component are made of glass of the same brand, and the negative menisci of the third and fourth components are made of glass of another brand, while the refractive indices of n e glasses are less than 1.77, and the ratio of their coefficients of the main average dispersions ν e exceeds 1.7.
Выполнение отрицательного мениска третьего компонента склеенным из положительной и отрицательной линз с указанным выше соотношением оптических сил позволяет улучшить в проекционном светосильном телецентрическом объективе ахроматическую коррекцию в спектральном диапазоне, соответствующем спектральной характеристике излучения люминофора экрана ЭОП, уменьшить величину хроматизма увеличения и повысить качество изображения внеосевых точек.Performing the negative meniscus of the third component glued from the positive and negative lenses with the above optical power ratio makes it possible to improve achromatic correction in the projection fast telecentric lens in the spectral range corresponding to the spectral characteristic of the phosphor radiation of the image intensifier tube, reduce the magnitude of the increase in chromaticity, and improve the image quality of off-axis points.
Выполнение шестого компонента в виде положительного мениска, ориентированного вогнутой поверхностью к пространству изображений, позволяет уменьшить углы падения лучей внеосевых пучков на преломляющих поверхностях одного из силовых компонентов оптической системы проекционного светосильного телецентрического объектива и улучшить коррекцию аберраций широких наклонных пучков лучей.The implementation of the sixth component in the form of a positive meniscus oriented by a concave surface to the image space allows one to reduce the angles of incidence of off-axis beams on the refractive surfaces of one of the power components of the optical system of a projection fast telecentric lens and to improve the correction of aberrations of wide inclined beams of rays.
Размещение седьмого компонента по ходу лучей перед первым компонентом на расстоянии вдоль оптической оси между ними не более 0,15 фокусного расстояния объектива, а также незначительные подвижки вдоль оптической оси шестого и седьмого компонентов позволяют обеспечить возможность согласования масштаба изображения при сохранении высокого качества изображения в пределах всего поля.The placement of the seventh component along the rays in front of the first component at a distance along the optical axis between them of not more than 0.15 of the focal length of the lens, as well as slight movements along the optical axis of the sixth and seventh components, make it possible to coordinate the image scale while maintaining high image quality throughout fields.
Выполнение компонентов в соответствии с предложенными соотношениями оптических сил, взаимным расположением, формами выполнения линз и ориентацией последних одновременно с использованием двух марок стекол с указанными значениями показателей преломления и коэффициентов дисперсий, соответствующими широко используемым в практике оптического приборостроения оптическим материалам, - в совокупности позволяют достичь следующий технический результат: повысить качество изображения внеосевых точек и обеспечить равномерно высокое качества изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3'', повысить технологичность за счет сокращения числа марок стекол до двух и обеспечения возможности согласования масштаба изображения при сохранении высокого качества изображения и светосилы.The implementation of the components in accordance with the proposed ratios of optical forces, relative positioning, forms of lenses and the orientation of the latter simultaneously using two grades of glass with the indicated values of refractive indices and dispersion coefficients corresponding to the optical materials widely used in the practice of optical instrument engineering, together allow the following technical result: to improve the image quality of off-axis points and to ensure uniformly high quality image within a rectangular image field size defined by the
Авторам не известны проекционные светосильные телецентрические объективы, предназначенные для переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому предлагаемый светосильный телецентрический объектив обладает существенными отличиями.The authors are not aware of projection aperture telecentric lenses designed to transfer an image from an image intensifier tube screen to a CCD matrix, having features similar to those distinguishing the proposed system from the prototype, therefore, the proposed high telecentric lens has significant differences.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The proposed invention is illustrated by the following drawings:
Фиг.1 - Оптическая схема проекционного светосильного телецентрического объектива;Figure 1 - An optical diagram of a projection aperture telecentric lens;
Фиг.2 - Графики хроматизма положения;Figure 2 - Graphs of the chromatism of the position;
Фиг.3 - ЧКХ проекционного светосильного телецентрического объектива для различных точек изображения;Figure 3 - the frequency response of the projection aperture telecentric lens for various image points;
Фиг.4 - ФКЭ проекционного светосильного телецентрического объектива для различных точек изображения.Figure 4 - FKE projection aperture telecentric lens for various points of the image.
На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая схема проекционного светосильного телецентрического объектива. Оптическая система объектива содержит линзовые компоненты 1-7 и апертурную диафрагму 8. Первый по ходу лучей компонент 7 имеет форму отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй и третий по ходу лучей компоненты 1 и 2 имеют форму положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, четвертый по ходу лучей компонент 3 выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и склеен из положительной линзы 9 и отрицательной линзы 10, пятый по ходу лучей компонент 4 выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и склеен из двояковогнутой линзы 11 и двояковыпуклой линзы 12, шестой по ходу лучей компонент 5 выполнен в виде двояковыпуклой положительной линзы, седьмой по ходу лучей компонент 6 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Апертурная диафрагма размещена между компонентами 3 и 4. Дополнительно на фиг.1 показано защитное стекло ПЗС-матрицы в виде плоскопараллельной пластинки 13. Значения относительных оптических сил компонентов 1-7 лежат в указанных ниже диапазонах:Figure 1 shows the proposed optical scheme of the projection aperture telecentric lens. The optical system of the lens contains lens components 1-7 and an aperture diaphragm 8. The first component 7 along the rays has the shape of a negative meniscus facing the concave surface to the space of objects, the second and third components along the beams, 1 and 2 have the shape of positive menisci facing the convex surfaces to each other, the fourth component 3 along the rays is made in the form of a negative meniscus facing a concave surface to the image space, and glued from a positive lens 9 and a
Оптические силы положительной линзы 9 и отрицательной линзы 10 в компоненте 3 удовлетворяют следующим соотношениям:The optical powers of the positive lens 9 and the
Расстояние вдоль оптической оси между компонентом 7 компонентом 1 не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива. Компоненты 1, 2, 5, 6, 7, а также линзы 9 и 12 выполнены из стекла одной марки, а линзы 10 и 11 выполнены из стекла другой марки, при этом показатели преломления ne стекол меньше 1,77, а отношение их коэффициентов основных средних дисперсий νe превышает 1,7.The distance along the optical axis between component 7 of
Излучение, идущее от каждой точки экрана ЭОП, размещенного в плоскости предметов проекционного светосильного объектива, проходя последовательно компоненты 7, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и защитное стекло 13, фокусируется в соответствующей точке плоскости изображения, с которой совмещается светочувствительная плоскость ПЗС-матрицы. Размещение апертурной диафрагмы 8 между компонентами 3 и 4 в сочетании с указанными выше оптическими силами компонентов 4, 5 и 6 обеспечивают телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений, что создает одинаковые условия освещения всех пикселей ПЗС-матрицы. Размер пятен рассеяния в любой точке изображения согласован с размерами пикселя ПЗС-матрицы, обеспечивая высокий коэффициент передачи контраста и высокие значения функции концентрации энергии. Для обеспечения возможности согласования масштаба изображения в процессе юстировки при сохранении высокого качества изображения и светосилы предусмотрена небольшая подвижка компонента 7 вдоль оптической оси.The radiation coming from each point of the screen of the image intensifier tube located in the plane of objects of the projection aperture lens, passing sequentially the
Пример конкретного исполнения проекционного светосильного телецентрического объектива приведен в таблице 1 при нормировке f'=1 и линейном увеличении -0,45х, соответствующем отношению диагонали ПЗС-матрицы к диаметру экрана ЭОП.An example of a specific design of a projection aperture telecentric lens is shown in table 1 with normalization f '= 1 and a linear magnification of -0.45 x , corresponding to the ratio of the diagonal of the CCD to the screen diameter of the image intensifier tube.
Позиции компонентов и диафрагмы указаны в соответствие с фиг.1; № пов. - номер преломляющей поверхности по ходу луча; R - радиус сферических преломляющих поверхностей; d - толщины линз и воздушных промежутков; ne - показатель преломления; νe - коэффициент основной средней дисперсии материала линз.The positions of the components and the diaphragm are indicated in accordance with FIG. 1; No. - number of the refracting surface along the beam; R is the radius of the spherical refracting surfaces; d is the thickness of the lenses and air gaps; n e is the refractive index; ν e is the coefficient of the main average dispersion of the lens material.
В качестве марок стекол в приведенном конкретном примере использованы стекла по каталогу Schott марок N-LAK8 (ne=1,72; νe=54) и N-SF4 (ne=1,76; νe=27). Показатели преломления использованных марок стекол не превышают 1,77, а отношение коэффициентов основной средней дисперсии составляет 2. Защитное стекло поз.13 задано из стекла марки К8. Оптическая система легко пересчитывается на аналогичные марки стекол, например, на СТК19 и ТФ4 российского каталога стекол, заданные с точностью 4-6 значащих цифр после запятой, с сохранением всех упомянутых выше соотношений и качества изображения стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ для оптических расчетов.As brands of glasses in the given specific example, glasses according to the Schott catalog of grades N-LAK8 (n e = 1.72; ν e = 54) and N-SF4 (n e = 1.76; ν e = 27) were used. The refractive indices of the used glass grades do not exceed 1.77, and the ratio of the coefficients of the main average dispersion is 2. The protective glass pos.13 is set from K8 glass. The optical system can be easily converted to similar glass brands, for example, on STK19 and TF4 of the Russian glass catalog, specified with an accuracy of 4-6 significant digits after the decimal point, while preserving all the above ratios and image quality by standard least squares optimization, which is part of all modern programs for optical calculations.
Как следует из таблицы 1, в конкретном примере проекционного светосильного телецентрического объектива выполняется следующее распределение оптических сил: φ1=0,70; φ2=0,88; φ3=-0,86; φ4=-0,64; φ5=1,14; φ6=0,96; φ7=-0,26; φ9=2,0|φ3| и φ10=-3,8|φ3|, т.е. соблюдаются вышеприведенные соотношения (1) и (2). Расстояние вдоль оптической оси между седьмым и первым компонентом составляет 0,11, т.е. не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива.As follows from table 1, in a specific example of a projection aperture telecentric lens, the following distribution of optical forces is performed: φ 1 = 0.70; φ 2 = 0.88; φ 3 = -0.86; φ 4 = -0.64; φ 5 = 1.14; φ 6 = 0.96; φ 7 = -0.26; φ 9 = 2.0 | φ 3 | and φ 10 = -3.8 | φ 3 |, i.e. the above relations (1) and (2) are observed. The distance along the optical axis between the seventh and the first component is 0.11, i.e. does not exceed 0.15 of the focal length of the lens.
Анализ конкретного примера исполнения проведен для объектива со следующими характеристиками: фокусное расстояние 27,2 мм; линейное увеличение -0,45х; линейное поле в пространстве предметов 18 мм; линейное поле в пространстве изображений 8,1 мм; числовая апертура в пространстве предметов 0,14; числовая апертура в пространстве изображений 0,30; длина вдоль оптической оси между плоскостью предмета и изображения 85 мм.An analysis of a specific example of execution was carried out for a lens with the following characteristics: focal length 27.2 mm; linear magnification of -0.45 x ; linear field in the space of objects 18 mm; linear field in the space of images 8.1 mm; numerical aperture in the space of objects 0.14; numerical aperture in the image space 0.30; the length along the optical axis between the plane of the subject and the image is 85 mm.
Поскольку освещенность изображения, создаваемого проекционным объективом, пропорциональна яркости экрана, коэффициенту пропускания объектива и квадрату числовой апертуры в пространстве изображений, то сравнивая с объективом-прототипом, можно отметить, что светосила предлагаемого проекционного объектива не ниже, чем в объективе прототипе. Относительная длина объектива вдоль оптической оси, отнесенная к линейномуразмеру изображения, имеет близкое с объективом-прототипом значение, что свидетельствует о равенстве габаритных размеров.Since the illumination of the image created by the projection lens is proportional to the brightness of the screen, the transmittance of the lens and the square of the numerical aperture in the image space, comparing with the prototype lens, it can be noted that the aperture of the proposed projection lens is not lower than in the prototype lens. The relative length of the lens along the optical axis, related to the linear size of the image, is close to the prototype lens, which indicates the equality of overall dimensions.
Апертурная диафрагма расположена в эквивалентной фокальной плоскости компонентов 4, 5, 6, аберрации главных лучей в сопряженной с ней плоскостью выходного зрачка устранены и в результате обеспечивается телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений.The aperture diaphragm is located in the equivalent focal plane of
На фиг.2 приведен график хроматизма положения для длин волн от 0,48 до 0,66 мкм, соответствующих спектральному диапазону излучения экрана ЭОП, подтверждающий наличие ахроматической коррекции аберраций для указанных оптических сил компонентов и примененных марках стекол. Хроматизм положения для длин волн 0,51 и 0,59 мкм, соответствующих относительной спектральной излучательной способности экрана, равной 0,5, равен 0,005 мм.Figure 2 shows a graph of the position chromatism for wavelengths from 0.48 to 0.66 μm, corresponding to the spectral range of the radiation of the image intensifier screen, confirming the presence of achromatic correction of aberrations for the indicated optical forces of the components and the applied glass brands. The position chromaticity for wavelengths of 0.51 and 0.59 μm, corresponding to a relative spectral emissivity of the screen of 0.5, is 0.005 mm.
На фиг.3 приведены графики ЧКХ проекционного светосильного телецентрического объектива, в таблице 2 - результаты расчета коэффициента передачи контраста Т для пространственной частоты 60 мм-1, отнесенные к плоскости изображений (m - меридиональное сечение; s - сагиттальное сечение).Figure 3 shows the graphs of the frequency response of the projection aperture telecentric lens, table 2 shows the results of calculating the contrast transfer coefficient T for the spatial frequency of 60 mm -1 , referred to the image plane (m is the meridional section; s is the sagittal section).
На фиг.3 по оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 60 мм-1, отнесенные к плоскости изображений объектива. Верхняя кривая на фиг.3 соответствует дифракционной ЧКХ (обозначение «Дифр.»), остальные кривые - для точки на оси, для точек изображения с координатами y'=2 мм, y'=3,2 мм и y'=4 мм (соответственно обозначены числами 0; 2; 3,2 и 4). Полихроматические ЧКХ рассчитаны при следующих коэффициентах спектральной эффективности для длин волн λ, соответствующих спектральному диапазону излучательной способности экрана ЭОП:Figure 3 along the ordinate axis shows the transmission coefficients of contrast in relative units, along the abscissa axis - spatial frequencies in the range from 0 to 60 mm -1 , relative to the plane of the image of the lens. The upper curve in Fig. 3 corresponds to the diffraction frequency response (designation "Diff."), The remaining curves are for a point on the axis, for image points with coordinates y '= 2 mm, y' = 3.2 mm and y '= 4 mm ( respectively indicated by the
Из графиков фиг.3 и таблицы 2 следует, что для пространственной частоты 60 мм-1 коэффициенты передачи контраста составляют для точки на оси - не менее 0,82; для точек с координатами y'=2 мм, y'=3,2 мм и y'=4 мм не менее 0,80; 0,78 и 0,70 соответственно.From the graphs of figure 3 and table 2 it follows that for a spatial frequency of 60 mm -1 the transmission coefficients of contrast for a point on the axis is not less than 0.82; for points with coordinates y '= 2 mm, y' = 3.2 mm and y '= 4 mm not less than 0.80; 0.78 and 0.70, respectively.
На фиг.4 приведены графики ФКЭ для различных точек изображения. По оси абсцисс указаны значения радиуса пятна рассеяния, по оси ординат - значения ФКЭ в относительных единицах. Верхняя кривая на фиг.4 соответствует дифракционной ФКЭ (обозначение «Дифр.»), остальные кривые - для точки на оси, для точек с координатами y'=3,2 мм и y'=4 мм (соответственно обозначены числами 0; 3,2 и 4). Из расчетных данных следует, что для различных точек поля изображения в пятне диаметром 8,5 мкм, соответствующем пикселю ПЗС-матрицы, ФКЭ имеет следующие значения:Figure 4 shows the graphs of the PCE for various points of the image. The abscissa axis indicates the radius of the scattering spot, and the ordinate axis shows the values of the FCE in relative units. The upper curve in Fig. 4 corresponds to the diffraction FCE (designation "Diphr."), The rest of the curves are for a point on the axis, for points with coordinates y '= 3.2 mm and y' = 4 mm (respectively indicated by
что свидетельствует о дифракционном качестве изображения, даваемом проекционным светосильным телецентрическим объективом в пределах всего поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3''.which indicates the diffraction quality of the image given by the projection aperture telecentric lens within the entire field of the image, determined by the size of the
Согласование масштаба увеличения в пределах 10% от номинального значения в процессе юстировки ПНВ с целью максимального сопряжения экрана ЭОП с ПЗС-матрицей производится смещением предметной плоскости. Дополнительные небольшие смещения (до 2 мм) первого компонента и (или) шестого компонента вдоль оптической оси позволяют сохранить для всех точек поля в процессе юстировки высокие коэффициенты передачи контраста, величина которых на краю изображения сохраняется не ниже 0,6÷0,7.Coordination of the scale of the increase within 10% of the nominal value during the adjustment of the NVD in order to maximize the coupling of the screen of the image intensifier tube with the CCD matrix is carried out by displacing the subject plane. Additional small displacements (up to 2 mm) of the first component and (or) the sixth component along the optical axis make it possible to preserve high contrast transmission coefficients for all points of the field during the adjustment process, the value of which at the image edge remains at least 0.6 ÷ 0.7.
Как видно из конкретного примера расчета, предложенная совокупность отличительных признаков в сравнении с прототипом позволяет обеспечить более высокие технические характеристики предлагаемого проекционного светосильного телецентрического объектива: равномерно высокое качества изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3'', повышение технологичности за счет сокращения числа марок стекол до двух и обеспечения возможности согласования масштаба изображения без потери качества изображения для достижения оптимального согласования работы всех элементов ПНВ.As can be seen from a specific calculation example, the proposed set of distinctive features in comparison with the prototype allows to provide higher technical characteristics of the proposed projection aperture telecentric lens: uniformly high image quality within the rectangular image field, determined by the size of the 2/3 '' CCD matrix, improving manufacturability by reducing the number of glass grades to two and providing the possibility of matching the image scale without loss of image quality CONTROL for optimum coordination of all elements of the PNV.
Предлагаемый проекционный светосильный телецентрический объектив может быть использован в оптическом приборостроении, конкретно в оптических системах ПНВ в качестве объектива переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу без потери качества изображения.The proposed projection fast telecentric lens can be used in optical instrumentation, specifically in NVD optical systems as an objective for transferring an image from the image intensifier screen to a CCD array without loss of image quality.
ЛитератураLiterature
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - 286 с.1. Geykhman I.L., Volkov V.G. The basics of improving visibility in difficult conditions. - M .: Nedra-Business Center LLC. 1999 .-- 286 p.
2. Патент РФ 2233462, публ. 2004 г., МКИ G02B 9/64 (прототип).2. RF patent 2233462, publ. 2004, MKI G02B 9/64 (prototype).
Claims (1)
φ5=(0,10÷1,30); φ6=(0,88÷1,05); |φ7|<0,35, отличающийся тем, что отрицательный мениск третьего компонента выполнен склеенным из положительной и отрицательной линз, шестой компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, седьмой компонент размещен по ходу лучей перед первым компонентом, шестой и седьмой компоненты имеют малые подвижки вдоль оптической оси, при этом относительные оптические силы φ1, φ2, φ4 первого, второго, четвертого компонентов составляют соответственно φ1=0,60÷0,75;
φ2=0,80÷1,0; φ4=-(0,65÷0,74), оптические силы положительной и отрицательной линз третьего компонента по абсолютной величине составляют соответственно (1,9÷2,4)|φ3| и (3,7÷4,3)|φ3|, расстояние вдоль оптической оси между седьмым и первым компонентом не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива, при этом первый, второй, пятый, шестой, седьмой компоненты, а также положительная линза третьего компонента и двояковыпуклая линза четвертого компонента выполнены из стекла одной марки, а отрицательные мениски третьего и четвертого компонентов выполнены из стекла другой марки, при этом показатели преломления ne стекол менее 1,77, а отношение их коэффициентов основных средних дисперсий νe превышает 1,7. Projection aperture telecentric lens, including the first and second components made in the form of positive menisci facing convex surfaces to each other, the third component made in the form of a negative meniscus facing a concave surface to the image space, the fourth component made in the form of a negative meniscus glued together from a biconcave and biconvex lens, facing a concave surface to the space of objects, the fifth component, made in the form of a biconvex in a false lens, the sixth component, made in the form of a single positive lens, the seventh component, made in the form of a negative meniscus facing a concave surface to the space of objects, an aperture diaphragm located between the third and fourth components, while the relative optical forces φ 3 , φ 5 , φ 6 and φ 7 of the third, fifth, sixth and seventh components are respectively φ 3 = - (0.82 ÷ 0.90);
φ 5 = (0.10 ÷ 1.30); φ 6 = (0.88 ÷ 1.05); | φ 7 | <0.35, characterized in that the negative meniscus of the third component is glued from positive and negative lenses, the sixth component is made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image space, the seventh component is placed along the rays in front of the first component, the sixth and seventh components have small displacements along the optical axis, while the relative optical forces φ 1 , φ 2 , φ 4 of the first, second, fourth components are respectively φ 1 = 0.60 ÷ 0.75;
φ 2 = 0.80 ÷ 1.0; φ 4 = - (0.65 ÷ 0.74), the optical powers of the positive and negative lenses of the third component in absolute value are respectively (1.9 ÷ 2.4) | φ 3 | and (3.7 ÷ 4.3) | φ 3 |, the distance along the optical axis between the seventh and first component does not exceed 0.15 of the focal length of the lens, while the first, second, fifth, sixth, seventh components, as well as a positive lens the third component and the biconvex lens of the fourth component are made of glass of one brand, and the negative menisci of the third and fourth components are made of glass of another brand, while the refractive indices n e of the glasses are less than 1.77, and the ratio of their coefficients of the main average dispersions ν e exceeds 1, 7.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008130245/28A RU2385476C1 (en) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Projection high-aperture telecentric lens |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008130245/28A RU2385476C1 (en) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Projection high-aperture telecentric lens |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2385476C1 true RU2385476C1 (en) | 2010-03-27 |
Family
ID=42138464
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008130245/28A RU2385476C1 (en) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Projection high-aperture telecentric lens |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2385476C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2686581C1 (en) * | 2018-03-12 | 2019-04-29 | Акционерное общество "Опытно-конструкторское бюро "Электроавтоматика" имени П.А. Ефимова | Projection optical system with telocentric course of rays in spaces of objects and images |
| RU200847U1 (en) * | 2019-12-24 | 2020-11-13 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Mid-IR projection lens |
| CN113885178A (en) * | 2021-10-26 | 2022-01-04 | 长春精仪光电技术有限公司 | Wide-spectrum image space telecentric athermal optical system |
| RU216394U1 (en) * | 2022-11-09 | 2023-02-01 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") | EXTENDED TELECENTRIC LENS |
-
2008
- 2008-07-21 RU RU2008130245/28A patent/RU2385476C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2686581C1 (en) * | 2018-03-12 | 2019-04-29 | Акционерное общество "Опытно-конструкторское бюро "Электроавтоматика" имени П.А. Ефимова | Projection optical system with telocentric course of rays in spaces of objects and images |
| RU200847U1 (en) * | 2019-12-24 | 2020-11-13 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Mid-IR projection lens |
| CN113885178A (en) * | 2021-10-26 | 2022-01-04 | 长春精仪光电技术有限公司 | Wide-spectrum image space telecentric athermal optical system |
| CN113885178B (en) * | 2021-10-26 | 2024-04-30 | 长春精仪光电技术有限公司 | Wide-spectrum image space telecentric athermalization optical system |
| RU216394U1 (en) * | 2022-11-09 | 2023-02-01 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") | EXTENDED TELECENTRIC LENS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109656006B (en) | Wide-spectrum non-focusing all-day air bright imager | |
| RU2385476C1 (en) | Projection high-aperture telecentric lens | |
| US11048071B2 (en) | Microscope objective | |
| RU2443005C2 (en) | Catadioptric telescope | |
| US7154683B1 (en) | Five-element optical device | |
| RU2678957C1 (en) | Wide-angle high-power infrared lens | |
| RU2419113C1 (en) | Optical system with pinhole aperture for middle infrared range | |
| RU2348953C1 (en) | Infrared rapid three-lens objective | |
| US20050007676A1 (en) | Optical arrangement for high power microobjective | |
| RU2371744C1 (en) | High-aperture projection lens | |
| RU2410733C1 (en) | Double-spectrum infrared lens having aperture diaphragm in image space | |
| CN218675673U (en) | High axial resolution linear dispersion objective lens device | |
| US6914728B2 (en) | Optical arrangement for microscope objective | |
| RU2504808C1 (en) | Objective lens for night vision device | |
| CN214669833U (en) | Super large light ring sight lens subassembly and sight | |
| CN115113383B (en) | Long lens barrel vacuum microscopic imaging lens for observing observed object in ultrahigh vacuum | |
| CN219778024U (en) | Optical lens and light-emitting device | |
| KR101341820B1 (en) | Endoscope optical system | |
| WO2023095723A1 (en) | Microscope objective lens, microscope optical system, and microscope device | |
| US20230333364A1 (en) | Optical system | |
| RU2434256C1 (en) | High-aperture wide-angle objective lens for infrared spectrum | |
| RU2233462C2 (en) | Projection wide-aperture lens | |
| RU2675195C1 (en) | Lens for swir range spectrum | |
| RU2218585C1 (en) | Objective lens of night vision device | |
| RU2239855C2 (en) | Lens objective |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180722 |