RU2403598C1 - Large aperture lens for thermal imaging device - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: objective lens consists of two lenses. The first lens is a positive meniscus whose concave surface faces the image, the second is a biconcave lens, the third is a positive meniscus whose convex surface faces the image and the fourth is a positive meniscus whose concave surface faces the image. Total optical power of all lenses is not greater than 0.15 of the optical power of the entire objective lens. Total optical power of the first two lenses is negative and its absolute value is not less than 0.8 of the optical power of the entire objective lens.

EFFECT: design of a large aperture and high-resolution lens for the far infrared spectrum of 8-14 mcm, with diffraction-limited quality of the image, which enables operation with matrix pixels of up to 20 mcm, reduced thermal defocusing and improved manufacturability.

4 dwg, 3 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к линзовым светосильным объективам для тепловизионных приборов, работающих в дальней инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах с матричными приемниками, регистрирующими излучение, например, от 8 до 9 мкм.The present invention relates to optical instrumentation, and in particular to aperture lenses for thermal imaging devices operating in the far infrared (IR) region of the spectrum, and can be used in thermal imagers with matrix receivers that record radiation, for example, from 8 to 9 μm.

Известен линзовый светосильный объектив для ИК-области спектра [авторское свидетельство СССР № 436610, G02B 13/14, 1972]. Объектив содержит три компонента, первый и третий из которых положительные, выполненные в виде одиночных менисков, обращенных вогнутостью к изображению, а второй - отрицательный, выполненный в виде одиночной плосковогнутой линзы, при этом первый и второй компоненты расположены близко друг к другу, а третий компонент отстоит от второго на расстоянии 0.78 фокусного расстояния объектива. Такое построение компонентов в сочетании с выбранными материалами (германий, кремний) позволяет получить объектив с относительным отверстием до 1:0.7, угловым полем 6°, при фокусном расстоянии 50 мм. Объектив работает в области спектра от 2 до 14 мкм. Недостатком объектива является малое угловое поле, что не позволяет использовать его в современных ИК-приборах, работающих с современными матричными приемниками излучения.Known lens fast lens for the infrared region of the spectrum [USSR copyright certificate No. 436610, G02B 13/14, 1972]. The lens contains three components, the first and third of which are positive, made in the form of single menisci facing concavity to the image, and the second is negative, made in the form of a single plane-concave lens, while the first and second components are located close to each other, and the third component distant from the second at a distance of 0.78 focal length of the lens. Such a construction of components in combination with the selected materials (germanium, silicon) allows you to get a lens with a relative aperture of up to 1: 0.7, an angular field of 6 °, and a focal length of 50 mm. The lens operates in the spectral range from 2 to 14 microns. The disadvantage of the lens is a small angular field, which does not allow its use in modern infrared devices that work with modern matrix radiation detectors.

Известен также линзовый ИК-объектив [авторское свидетельство СССР № 1529961, G02B 13/14, 1988]. Объектив содержит два положительных компонента, первый из которых выполнен из трех одиночных линз, соответственно из положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью друг к другу, за которыми установлена апертурная диафрагма и третья линза, выполненная в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к объекту с оптической силой порядка 0.001-0.0015 оптической силы объектива, а второй компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Все линзы выполнены из германия. Такое построение позволило получить объектив с относительным отверстием до 1:0.7, угловым полем до 21° при фокусном расстоянии 50 мм. Недостатком объектива является недостаточное угловое поле.Also known lens IR lens [USSR copyright certificate No. 1529961, G02B 13/14, 1988]. The lens contains two positive components, the first of which is made of three single lenses, respectively, of the positive and negative menisci facing concavity to each other, behind which there is an aperture diaphragm and a third lens made in the form of a positive meniscus facing concavity to the object with optical power of the order of 0.001-0.0015 of the optical power of the lens, and the second component is made in the form of a meniscus facing concavity to the image. All lenses are made from Germany. Such a construction made it possible to obtain a lens with a relative aperture of up to 1: 0.7, an angular field of up to 21 ° at a focal length of 50 mm. The disadvantage of the lens is the insufficient angular field.

Наиболее близким по технической сущности и выбранный авторами за прототип является линзовый объектив для инфракрасной области спектра [патент РФ № 2050566, G02B 13/14, 1995]. Объектив содержит четыре линзы, первая из которых положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая линза - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третья линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, а четвертая линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. При этом второй и четвертый компоненты выполнены из материала с показателем преломления не менее 4.0, а третий не более 3.4 и с оптической силой, составляющей 0.69-0.7 оптической силы объектива.The closest in technical essence and selected by the authors for the prototype is a lens for the infrared region of the spectrum [RF patent No. 2050566, G02B 13/14, 1995]. The lens contains four lenses, the first of which is the positive meniscus facing concavity to the image, the second lens is the negative meniscus facing concavity to the object, the third lens is the positive meniscus facing concavity to the subject, and the fourth lens is the positive meniscus facing concavity to the image. In this case, the second and fourth components are made of material with a refractive index of at least 4.0, and the third is not more than 3.4 and with an optical power of 0.69-0.7 of the optical power of the lens.

Такое построение линз в сочетании с показателями преломления оптических материалов позволило получить объектив с относительным отверстием 1:1 и угловым полем 32°45'.This construction of the lenses in combination with the refractive indices of optical materials made it possible to obtain a lens with a relative aperture of 1: 1 and an angular field of 32 ° 45 '.

Недостатком объектива является то, что он не может работать в области спектра за пределом, превышающим 5 мкм.The disadvantage of the lens is that it cannot work in the spectral region beyond a limit exceeding 5 microns.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания светосильного (с относительным отверстием порядка 1:1) и высокоразрешающего перспективного объектива для тепловизионных приборов, регистрирующих тепловое излучение в дальней ИК-области спектра 8-14 мкм, с угловым полем порядка 25° и дифракционно-ограниченным качеством изображения, позволяющим работать с пикселями матриц, достигающими 20 мкм, уменьшенной терморасфокусировкой и высокой технологичностью.The present invention solves the problem of creating a fast (with a relative aperture of the order of 1: 1) and high-resolution perspective lens for thermal imaging devices that detect thermal radiation in the far infrared region of the spectrum of 8-14 μm, with an angular field of the order of 25 ° and diffraction-limited image quality, allowing working with matrix pixels up to 20 microns, reduced thermal defocusing and high adaptability.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в объективе, состоящем из четырех линз, первая из которых представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третья - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, а четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая линза выполнена двояковогнутой, сумма оптических сил всех линз не превышает 0.15 оптической силы объектива, а сумма оптических сил первых двух линз отрицательная и составляет по абсолютной величине не менее 0.8 оптической силы объектива.The technical result due to the task is achieved by the fact that in a lens consisting of four lenses, the first of which is a positive meniscus facing concavity to the image, the second is a negative meniscus facing concavity to the object, and the third is a positive meniscus facing concavity to subject, and the fourth is a positive meniscus facing concavity to the image, the second lens is biconcave, the sum of the optical powers of all lenses does not exceed 0.15 of the optical power of the lens, and the sums and the optical power of the first two lenses is negative and amounts to at least 0.8 of the optical power of the lens in absolute value.

Из распределения оптических сил между группами линз следует, что объектив выполнен по схеме «инвертированный телеобъектив».From the distribution of optical forces between groups of lenses it follows that the lens is made according to the "inverted telephoto lens" scheme.

На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема объектива, на фиг.2 представлены графики монохроматических аберраций, а на фиг.3 - графики хроматических аберраций, на фиг.4 - графики ЧКХ.Figure 1 presents a schematic optical diagram of the lens, figure 2 shows graphs of monochromatic aberrations, and figure 3 - graphs of chromatic aberrations, figure 4 - graphs of frequency response.

В табл.1 представлены оптические характеристики, в табл.2 приведены в качестве примера конструктивные параметры объектива, в табл.3 приведены относительные оптические силы линз.Table 1 shows the optical characteristics, table 2 shows as an example the design parameters of the lens, and table 3 shows the relative optical powers of the lenses.

Таблица 1Table 1 Фокусное расстояние в ммFocal length in mm 38.000838.0008 Диафрагменное числоF-number 1.000021.00002 Угловое поле (2 омега)Corner Field (2 Omega) 25°00'25 ° 00 ' Положение предмета относительно первой поверхности The position of the subject relative to the first surface бесконечностьinfinity Положение изображения относительно последней поверхностиImage position relative to last surface 00 Диаметр входного зрачкаEntrance pupil diameter 38.000038.0000 Положение входного зрачка относительно первой поверхностиThe position of the entrance pupil relative to the first surface 00 Положение выходного зрачка относительно последней поверхностиThe position of the exit pupil relative to the last surface 113.872113.872 Основная длина волны в нмThe main wavelength in nm 8500.008500.00 Диапазон ахроматизацииAchromatization Range 8000.00 9000.008000.00 9000.00

Таблица 2table 2 КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫCONSTRUCTION PARAMETERS # ПОВ#POV РАДИУСЫRADIUS DD МАРКИ СТЕКОЛGLASS BRANDS ПОКАЗАТ. ПРЕЛОМЛ.
1.000000SHOW. BREAKDOWN.
1.000000 СВЕТОВЫЕ ДИАМЕТРЫLIGHT DIAMETERS СТРЕЛКИARROWS 1one 88.25388.253 6.006.00 КРЕМНИЙSILICON 3.4181843.418184 41.7341.73 2.502.50 22 266.444266.444 5.005.00   1.0000001.000000 40.7940.79 .78.78 33 -90.292-90.292 3.003.00 КРЕМНИЙSILICON 3.4181843.418184 40.0340.03 -2.25-2.25 4four 157.182157.182 35.0835.08   1.0000001.000000 41.4441.44 1.371.37 55 -154.339-154.339 11.0011.00 КРЕМНИЙSILICON 3.4181843.418184 95.8395.83 -7.63-7.63 66 -79.000-79.000 .10.10   1.0000001.000000 97.5797.57 -16.86-16.86 77 57.74657.746 7.507.50 КРЕМНИЙSILICON 3.4181843.418184 87.5287.52 20. 0720.07 88 70.35670.356 54.6754.67   1.0000001.000000 84.8884.88 14.2414.24 99 .000.000     1.0000001.000000 32.8432.84 .00.00

Таблица 3Table 3 №№ ЛИНЗ№№ LENS 1one 22 33 4four ВЕСЬ ОБЪЕКТИВALL LENS Оптич. силаOpt. force 0.7130.713 -1.616-1.616 0.6260.626 0.4050.405 1one

Светосильный объектив содержит расположенные по ходу луча положительный мениск 1, первая поверхность которого служит апертурной диафрагмой, двояковогнутую линзу 2, положительные мениски 3 и 4.The fast lens contains a positive meniscus 1 located along the beam, the first surface of which serves as an aperture diaphragm, a biconcave lens 2, and positive menisci 3 and 4.

Представленные графики аберраций свидетельствуют о незначительности последних, что подтверждается графиками ЧКХ. Из последних нетрудно видеть, что при пространственной частоте 25 мм^-1, что является частотой Найт-квиста для матрицы с пикселами 20×20 мкм, коэффициент передачи контраста k составляет в центре поля k₀>0.65, на зоне поля k₃>0.6 и на краю поля k₁>0.5.The presented graphs of aberrations indicate the insignificance of the latter, which is confirmed by the graphs of the frequency response. From the latter it is easy to see that at a spatial frequency of 25 mm ⁻¹ , which is the Knight frequency for a matrix with pixels of 20 × 20 μm, the contrast transfer coefficient k is in the center of the field k ₀ > 0.65, in the field zone k ₃ > 0.6 and at the edge of the field k ₁ > 0.5.

В табл.3 приведены относительные оптические силы линз, откуда видно, что суммарная относительная оптическая сила всех четырех линз составляет 0.128, а сумма оптических сил первых двух линз равна -0.903.Table 3 shows the relative optical powers of the lenses, which shows that the total relative optical power of all four lenses is 0.128, and the sum of the optical powers of the first two lenses is -0.903.

Все линзы выполнены из кремния, что по сравнению с германием позволяет уменьшить терморасфокусировку примерно в полтора раза. Объектив не содержит асферических поверхностей и в высокой степени технологичен. Высокое качество изображения в пределах всего поля достигнуто благодаря тому, что сумма оптических сил всех линз не превышает 0.15 оптической силы всего объектива, а сумма оптических сил первых двух линз отрицательная и составляет по абсолютному значению не менее 0.8 оптической силы всего объектива, а вторая линза выполнена двояковогнутой.All lenses are made of silicon, which, compared with germanium, can reduce thermal defocusing by about one and a half times. The lens does not contain aspherical surfaces and is highly technological. High image quality within the entire field was achieved due to the fact that the sum of the optical powers of all lenses does not exceed 0.15 of the optical power of the entire lens, and the sum of the optical powers of the first two lenses is negative and amounts to at least 0.8 of the optical power of the entire lens in absolute value, and the second lens is made biconcave.

Источники информацииInformation sources

1. Авторское свидетельство СССР № 436610, МПК G02B 13/14, 1972.1. USSR Copyright Certificate No. 436610, IPC G02B 13/14, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР № 1529961, МПК G2B 13/14 1988.2. USSR author's certificate No. 1529961, IPC G2B 13/14 1988.

3. Патент РФ № 2050566, МПК G02B 13/14, 1995.3. RF patent No. 2050566, IPC G02B 13/14, 1995.

Claims (1)

Светосильный объектив для тепловизора, состоящий из четырех линз, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательная, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, а четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, отличающийся тем, что вторая линза выполнена двояковогнутой, суммарная оптическая сила всех линз не превышает 0,15 оптической силы всего объектива, а сумма оптических сил первых двух линз отрицательная и составляет по абсолютной величине не менее 0,8 оптической силы всего объектива. A high-speed lens for the thermal imager, consisting of four lenses, the first of which is the positive meniscus facing the concavity to the image, the second is negative, the third is the positive meniscus convex to the image, and the fourth is the positive meniscus facing concavity to the image, characterized in that the second lens is biconcave, the total optical power of all lenses does not exceed 0.15 of the optical power of the entire lens, and the sum of the optical powers of the first two lenses is negative and is absolute Ichin least 0.8 optical power of the entire lens.

Images