RU2413261C1 - Large-aperture lens - Google Patents

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: lens comprises four-series arranged components. The first and fourth components are positive menisci. The second component is a negative meniscus. The third component is a plane-concave lens whose concave side faces the object, and its optical power is minus (0.1-0.5) times the optical power of the large-aperture lens. The fourth component can move along the optical axis and its optical power is (1-2) times the optical power of the large-aperture lens. The following conditions are satisfied: N1=N4, N2=N3, à1=à4, à2=à3, where N and à is the refraction index and the dispersion of the components, respectively. ^ EFFECT: high aperture ratio of the lens, easy assembling with optical workpieces and simple design of the lens, while preserving good optical properties. ^ 1 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к тепловизионным приборам в самых разнообразных условиях эксплуатации.The present invention relates to the field of optoelectronic technology and can be used as a lens for thermal imaging devices in a wide variety of operating conditions.

Известен четырехлинзовый светосильный объектив для работы в тепловизионных приборах в спектральном диапазоне от 8,0 до 14,0 мкм (В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков «Инфракрасные системы «смотрящего» типа». - М.: Логос, 2004 год, стр.121, рис.6.10а), содержащий четыре компонента, последовательно расположенные по ходу луча - положительный мениск, выполненный из Ge, отрицательный мениск, выполненный из материала AMTIR-1, положительный мениск, выполненный из Ge, и положительный мениск, выполненный из ZnSe. Отрицательный мениск служит также для механической атермализации, осуществляемой путем перемещения его вдоль оптической оси.A well-known four-lens fast lens for operating in thermal imaging devices in the spectral range from 8.0 to 14.0 μm (V.V. Tarasov, Yu.G. Yakushenkov "Infrared systems of the" looking "type." - M .: Logos, 2004 , p. 121, Fig. 6.10a) containing four components sequentially located along the beam — a positive meniscus made of Ge, a negative meniscus made of AMTIR-1 material, a positive meniscus made of Ge, and a positive meniscus made from ZnSe. The negative meniscus also serves for mechanical athermalization, carried out by moving it along the optical axis.

Недостатком этого объектива является необходимость применения трех разных оптических материалов для изготовления линз, невысокая светосила, равная 1:1,2, а также наличие асферической формы второй поверхности первой линзы, что увеличивает трудоемкость изготовления объектива.The disadvantage of this lens is the need to use three different optical materials for the manufacture of lenses, a low aperture ratio of 1: 1.2, and the presence of an aspherical shape of the second surface of the first lens, which increases the complexity of manufacturing the lens.

Кроме того, обеспечение атермализации механическим перемещением внутреннего (второго) компонента объектива усложняет конструкцию объектива и повышает трудоемкость сборочных операций.In addition, ensuring athermalization by mechanical movement of the internal (second) component of the lens complicates the design of the lens and increases the complexity of assembly operations.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива, упрощение комплектования производства оптическими заготовками и упрощение конструкции объектива с сохранением высоких оптических характеристик.The objective of the present invention is to increase the aperture ratio of the lens, simplifying the acquisition of optical blanks and simplifying the design of the lens while maintaining high optical characteristics.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем четыре компонента, первый и четвертый из которых положительные мениски, а второй - отрицательный мениск, в отличие от известного третий компонент - отрицательная плосковогнутая линза, обращенная вогнутостью к предмету, а ее оптическая сила составляет минус (0,1÷0,5) оптической силы объектива, при этом первый и четвертый компоненты выполнены из одной марки материала, второй и третий - из другой марки, а четвертый компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для обеспечения атермализации, и его оптическая сила составляет (1÷2) оптической силы объектива.The technical result due to the task is achieved by the fact that in a fast lens containing four components, the first and fourth of which are positive menisci, and the second is a negative meniscus, in contrast to the known third component is a negative plane-concave lens facing concavity to the object, and its optical power is minus (0.1 ÷ 0.5) of the optical power of the lens, while the first and fourth components are made of one brand of material, the second and third are from another brand, and the fourth component of the mouth updated with the ability to move along the optical axis to ensure athermalization, and its optical power is (1 ÷ 2) the optical power of the lens.

Расположение компонента для механической атермализации последним по ходу лучей облегчает его крепление и упрощает конструкцию объектива, а выполнение линз из двух марок материала вместо трех упрощает конструкцию объектива. Одновременно с этим оптические характеристики объектива обеспечивают высокое качество изображения без применения асферических поверхностей с использованием только поверхностей плоской и сферической формы.The location of the component for mechanical athermalization in the last direction along the rays facilitates its fastening and simplifies the design of the lens, and the implementation of lenses from two grades of material instead of three simplifies the design of the lens. At the same time, the optical characteristics of the lens provide high image quality without the use of aspherical surfaces using only surfaces of a flat and spherical shape.

Схема объектива показана на чертеже.A diagram of the lens is shown in the drawing.

Объектив содержит первый компонент 1 - положительную менисковую линзу, второй компонент 2 - отрицательную менисковую линзу, третий компонент 3 - отрицательную плосковогнутую линзу, обращенную вогнутостью к предмету, и четвертый компонент 4 - положительный мениск.The lens contains the first component 1 — the positive meniscus lens, the second component 2 — the negative meniscus lens, the third component 3 — the negative plano-concave lens facing concavity to the object, and the fourth component 4 — the positive meniscus.

Конструктивные параметры варианта исполнения объектива приведены в таблице.The design parameters of the lens embodiment are shown in the table.

Конструктивные параметры объективаLens design РадиусыRadii ТолщиныThickness Марка стеклаGlass mark Световые диаметрыLight diameters R1=269,8R1 = 269.8 d1=8d1 = 8 GeGe 136136 R2=438,5R2 = 438.5 136136   d2=42,5d2 = 42.5     R3=87,54R3 = 87.54 d3=9d3 = 9 ZnSeZnse 107107 R4=83,95R4 = 83.95 9999   d4=18d4 = 18     R5=-843,3R5 = -843.3 d5=9d5 = 9 ZnSeZnse 9999 R6=плоскостьR6 = plane 9999   d6=89,4d6 = 89.4     R7=109,4R7 = 109.4 d7=4d7 = 4 GeGe 5858 R8=166,34R8 = 166.34 5858   d8=37,505d8 = 37.505     R9=плоскостьR9 = plane d9=0,8d9 = 0.8 Ge (стекло фотоприемника)Ge (photodetector glass) 18eighteen R10=плоскостьR10 = plane 18eighteen   d10=1,3d10 = 1.3     R11=плоскостьR11 = plane   Чувствительные элементы фотоприемникаSensors of the photodetector 1616

Параметры такого варианта исполнения объектива:The parameters of this lens embodiment:

- расчетная длина волны- estimated wavelength 11 мкм;11 microns; - рабочий спектральный диапазон- working spectral range (8÷14) мкм;(8 ÷ 14) microns; - фокусное расстояние- focal length 149,95 мм;149.95 mm; - задний фокальный отрезок- back focal segment 39,09 мм;39.09 mm; - линейное поле зрения- linear field of view 16,0 мм;16.0 mm; - относительное отверстие- relative hole 1:1,1.1: 1.1.

Принцип действия объектива заключается в следующем.The principle of the lens is as follows.

Первый компонент 1, выполненный в виде положительного мениска, в сочетании со вторым компонентом 2. выполненным в виде отрицательного мениска и с третьим компонентом 3, являющимся отрицательной линзой, имеющей оптическую силу, равную минус (0,1÷0,5) оптической силы объектива, компенсирует хроматические аберрации и астигматизм в заданном спектральном диапазоне.The first component 1, made in the form of a positive meniscus, in combination with the second component 2. made in the form of a negative meniscus and with the third component 3, which is a negative lens having an optical power equal to minus (0.1 ÷ 0.5) of the optical power of the lens , compensates for chromatic aberration and astigmatism in a given spectral range.

Четвертый компонент 4, выполненный в виде положительного мениска и имеющий оптическую силу, равную (1÷2) оптической силы объектива, компенсирует кривизну поверхности изображения и обеспечивает механическую атермализацию подвижкой вдоль оптической оси объектива.The fourth component 4, made in the form of a positive meniscus and having an optical power equal to (1 ÷ 2) the optical power of the lens, compensates for the curvature of the image surface and provides mechanical athermalization by moving along the optical axis of the lens.

Первый и четвертый компоненты и второй и третий компоненты попарно выполнены из одной марки материала, т.е.:The first and fourth components and the second and third components are made in pairs of the same material grade, i.e.:

N₁=N₄ N ₁ = N ₄

N₂=N₃ N ₂ = N ₃

υ₁=υ₄ υ ₁ = υ ₄

υ₂=υ₃ υ ₂ = υ ₃

где N и ν - показатели преломления и коэффициенты дисперсии компонентов соответственно.where N and ν are the refractive indices and the dispersion coefficients of the components, respectively.

Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:Setting the quality criterion - the value of the polychromatic contrast transfer coefficient (CPC) and taking into account:

- толщину защитного стекла 5 фотоприемника 6, равную 0,8 мм;- the thickness of the protective glass 5 of the photodetector 6, equal to 0.8 mm;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длине волны 8 мкм, 1,0 на 11 мкм и 1,0 на 14 мкм;- spectral efficiency at wavelengths taking into account the sensitivity of the photodetector and the light transmission of the lens - 1.0 at a wavelength of 8 μm, 1.0 at 11 μm and 1.0 at 14 μm;

- пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента 7, равным 25 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик объектива при температуре среды, равной +20°С:- spatial frequency of 20 lines / mm (the Nyquist frequency for a photodetector with a sensor element size 7 equal to 25 μm), we obtain the following calculated values of the qualitative characteristics of the lens at a medium temperature of + 20 ° C:

- для точки на оси- for a point on the axis КПК=51%PDA = 51% - для точки поля 5,0 мм от центра- for the field point 5.0 mm from the center изображенияImages КПК_М=30%PDA _M = 30%   КПК_С=56%PDA _C = 56% - для точки поля 8,0 мм от центра- for the field point 8.0 mm from the center изображенияImages КПК_М=48%PDA _M = 48%   КПК_С=51%PDA _C = 51%

При понижении температуры окружающей среды до минус 50°С величина подвижки четвертого компонента составит минус 1,665 мм, а расчетные значения величины полихроматического КПК будут следующими:When the ambient temperature drops to minus 50 ° C, the amount of movement of the fourth component will be minus 1.665 mm, and the calculated values of the polychromatic CPC will be as follows:

- для точки на оси- for a point on the axis КПК=41%PDA = 41% - для точки поля 5,0 мм от центра- for the field point 5.0 mm from the center изображенияImages КПК_М=41%PDA _M = 41%   КПК_С=46%PDA _C = 46% - для точки поля 8,0 мм от центра- for the field point 8.0 mm from the center изображенияImages КПК_М=42%PDA _M = 42%   КПК_С=45%PDA _C = 45%

При повышении температуры окружающей среды до +50°С величина подвижки четвертого компонента составит +0,72 мм, а расчетные значения величины полихроматического КПК будут следующими:When the ambient temperature rises to + 50 ° С, the amount of movement of the fourth component will be +0.72 mm, and the calculated values of the polychromatic CPC will be as follows:

- для точки на оси- for a point on the axis КПК=52%PDA = 52% - для точки поля 5,0 мм от центра- for the field point 5.0 mm from the center изображенияImages КПК_М=51%PDA _M = 51%   КПК_с=57%PDA _with = 57% - для точки поля 8,0 мм от центра- for the field point 8.0 mm from the center изображенияImages КПК_М=46%PDA _M = 46%   КПК_С=49%PDA _C = 49%

Изменение фокусного расстояния при компенсирующей подвижке четвертого компонента до максимальной величины (1,665 мм при температуре минус 50°С) не превышает 1%.The change in focal length during the compensating movement of the fourth component to a maximum value (1.665 mm at a temperature of minus 50 ° C) does not exceed 1%.

Как видно из расчетов, объектив при простоте его конструкции обеспечивает приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемника микроболометрическую матрицу с размером пикселя 25 мкм в широком температурном интервале от минус 50 до +50°С.As can be seen from the calculations, with the simplicity of its design, the lens provides acceptable image quality for optoelectronic devices that use a microbolometric matrix with a pixel size of 25 μm as a photodetector in a wide temperature range from minus 50 to + 50 ° С.

Claims (1)

Светосильный объектив, содержащий четыре компонента, первый и четвертый из которых - положительные мениски, второй - отрицательный мениск, отличающийся тем, что третий компонент выполнен в виде отрицательной плосковогнутой линзы, обращенной вогнутостью к предмету, и ее оптическая сила составляет минус (0,1÷0,5) оптической силы объектива, при этом четвертый компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и его оптическая сила составляет (1÷2) оптической силы объектива, а
N₁=N₄,
N₂=N₃,
υ₁=υ₄,
υ₂=υ₃. A fast lens containing four components, the first and fourth of which are positive menisci, the second is a negative meniscus, characterized in that the third component is made in the form of a negative plane-concave lens facing concavity to the object, and its optical power is minus (0.1 ÷ 0.5) of the optical power of the lens, while the fourth component is mounted to move along the optical axis, and its optical power is (1 ÷ 2) of the optical power of the lens, and
N ₁ = N ₄ ,
N ₂ = N ₃ ,
υ ₁ = υ ₄ ,
υ ₂ = υ ₃ .