RU2570055C1 - Infrared catadioptric lens - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: lens consists of, arranged on a beam path, a first component comprising two aspherical mirrors, the first of which has a centre hole and is concave and the second is convex, and a second component comprising a first negative, a second positive and a third negative convex-concave lens, wherein the optical power of the second component is positive overall. An intermediate image is formed between the first and second components. The exit pupil is situated between the second component and the image plane.

EFFECT: high image quality owing to high resolution due to a greater aperture ratio, and improved image contrast and illumination due to optimum interfacing of the lens with a cooled radiation detector array.

1 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в тепловизионных приборах на основе охлаждаемых матричных приемников излучения.The invention relates to optical instrumentation and can be used in thermal imaging devices based on cooled matrix radiation detectors.

Известен инфракрасный зеркально-линзовый объектив (см. патент РФ на изобретение №2288493 C1, МПК⁷ G02B 17/08, опубл. 27.11.2006, Бюл. №33), который состоит из первой положительной менисковой линзы, второй отрицательной менисковой линзы, выполняющей функцию главного зеркала (отражающее покрытие нанесено на вторую поверхность линзы), контрзеркала, расположенного между первой и второй линзами, и положительного мениска, расположенного в сходящемся пучке лучей между контрзеркалом и плоскостью изображения объектива. Фокусное расстояние объектива f′=180,2 мм; относительное отверстие 1:2; все поверхности выполнены сферическими.Known infrared mirror lens (see RF patent for the invention No. 2288493 C1, IPC ⁷ G02B 17/08, publ. 11/27/2006, Bull. No. 33), which consists of the first positive meniscus lens, the second negative meniscus lens, performing the function of the main mirror (a reflective coating is applied to the second surface of the lens), a counter-mirror located between the first and second lenses, and a positive meniscus located in a converging beam between the counter-mirror and the image plane of the lens. The focal length of the lens f ′ = 180.2 mm; relative aperture 1: 2; all surfaces are spherical.

Также известен компактный зеркально-линзовый объектив (см. заявку US 2006/0066941 A1, МПК⁷ G02B 1/00, 17/00, опубл. 30.03.2006 г., схема на фиг. 1), который содержит первую положительную линзу (корректор), вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу с нанесенным на выпуклую поверхность отражающим покрытием (первое зеркало), третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзу с нанесенным на вогнутую поверхность отражающим покрытием (второе зеркало), четвертую отрицательную вогнуто-выпуклую и пятую положительную выпукло-плоскую линзы. Объектив работает в спектральном диапазоне 8…12 мкм; фокусное расстояние f′=100,2 мм; относительное отверстие 1:1,67. Вогнутая поверхность третьей линзы выполнена асферической.Also known is a compact mirror-lens lens (see application US 2006/0066941 A1, IPC ⁷ G02B 1/00, 17/00, published March 30, 2006, the circuit in Fig. 1), which contains the first positive lens (corrector ), the second negative concave-convex lens with a reflective coating deposited on the convex surface (first mirror), the third negative concave-convex lens with a reflective coating deposited on the concave surface (second mirror), the fourth negative concave-convex and the fifth positive convex-flat lens . The lens operates in the spectral range of 8 ... 12 microns; focal length f ′ = 100.2 mm; relative aperture 1: 1.67. The concave surface of the third lens is aspherical.

Недостатком указанных зеркально-линзовых объективов является то, что их конструкция не обеспечивает оптимального сопряжения с матричными приемниками излучения, имеющими внутри охлаждаемую диафрагму.The disadvantage of these mirror lenses is that their design does not provide optimal pairing with matrix radiation detectors having a cooled diaphragm inside.

Наиболее близкой к заявляемому объективу по технической сущности и количеству совпадающих признаков является катадиоптрическая система (см. патент РФ на изобретение №2446420, МПК⁷ G02B 17/08, опубл. 27.03.2012, Бюл. №9), представляющая собой зеркально-линзовый объектив, содержащий первый компонент, состоящий из двух расположенных по ходу лучей гиперболических зеркал, и второй компонент, выполненный в виде отрицательной выпукло-вогнутой линзы и расположенный вблизи фокальной плоскости первого компонента. Первое зеркало имеет центральное отверстие и обращено вогнутой стороной к пространству предметов, второе - выпуклой стороной к первому. Система предназначена для работы в инфракрасном диапазоне спектра, фокусное расстояние f′=1800 мм, относительное отверстие 1:3.The closest to the claimed lens according to the technical nature and the number of matching features is a catadioptric system (see RF patent for the invention No. 2446420, IPC ⁷ G02B 17/08, published. 03/27/2012, Bull. No. 9), which is a mirror lens containing the first component, consisting of two hyperbolic mirrors located along the rays, and the second component, made in the form of a negative convex-concave lens and located near the focal plane of the first component. The first mirror has a central hole and its concave side faces the space of objects, the second with the convex side facing the first. The system is designed to operate in the infrared range of the spectrum, focal length f ′ = 1800 mm, relative aperture 1: 3.

Для фокусного расстояния системы f′ и фокусных расстояний зеркал первого компонента $$f_1^{\text{'}}$$

, $$f_2^{\text{'}}$$

и линзы второго компонента $$f_3^{\text{'}}$$

выполнены соотношения: $$f\text{'}/f_1^{\text{'}}=-\mathrm{3,103}$$

; $$f\text{'}/f_2^{\text{'}}=-\mathrm{7,42}$$

; $$f\text{'}/f_3^{\text{'}}=-\mathrm{3,103}$$

. Расстояние d_1-2 между зеркалами первого компонента составляет -0,233f′; расстояние d_2-3 между вторым зеркалом первого компонента и линзой второго компонента составляет 0,217f′.For the focal length of the system f ′ and the focal lengths of the mirrors of the first component $$f_{\mathrm{one}}^{\text{'}\text{'}}$$

, $$f_2^{\text{'}\text{'}}$$

and lenses of the second component $$f_3^{\text{'}\text{'}}$$

the relations are satisfied: $$f\text{'}\text{'}/f_{\mathrm{one}}^{\text{'}\text{'}}=-\mathrm{3,103}$$

; $$f\text{'}\text{'}/f_2^{\text{'}\text{'}}=-7.42$$

; $$f\text{'}\text{'}/f_3^{\text{'}\text{'}}=-\mathrm{3,103}$$

. The distance d _1-2 between the mirrors of the first component is -0.233f ′; the distance d _2-3 between the second mirror of the first component and the lens of the second component is 0.217f ′.

Недостатками описанной системы являются отсутствие возможности работы с охлаждаемым матричным приемником инфракрасного излучения, а также невысокое, для работы в дальнем инфракрасном диапазоне спектра, относительное отверстие, влияющее на разрешающую способность.The disadvantages of the described system are the inability to work with a cooled matrix receiver of infrared radiation, as well as the low relative aperture for working in the far infrared range of the spectrum, which affects the resolution.

Для оптимального сопряжения необходимо, чтобы в объективе формировалось действительное промежуточное изображение, а выходной зрачок был вынесен в пространство между последним компонентом объектива и плоскостью изображения, что позволяет совместить его с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения. Несовпадение выходного зрачка объектива с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения приводит к виньетированию наклонных пучков лучей и возрастанию рассеянного излучения от оптических деталей и других элементов конструкции, что снижает освещенность и контраст изображения и приводит к ухудшению его качества.For optimal conjugation, it is necessary that a real intermediate image is formed in the lens, and the exit pupil is placed in the space between the last component of the lens and the image plane, which allows it to be combined with the cooled diaphragm of the radiation receiver. Mismatch of the exit pupil of the lens with the cooled diaphragm of the radiation receiver leads to vignetting of the inclined beams of rays and an increase in the scattered radiation from optical parts and other structural elements, which reduces the illumination and contrast of the image and leads to a deterioration in its quality.

Задачей, на решение которой направлено изобретение является повышение качества изображения путем повышения разрешающей способности за счет увеличения относительного отверстия зеркально-линзового объектива, а также путем улучшения освещенности и контраста изображения за счет оптимального сопряжения объектива с охлаждаемым матричным приемником инфракрасного излучения.The problem to which the invention is directed is to improve image quality by increasing the resolution by increasing the relative aperture of the mirror lens, as well as by improving the illumination and contrast of the image by optimally pairing the lens with a cooled matrix infrared detector.

Поставленная задача решается за счет того, что в инфракрасном зеркально-линзовом объективе, состоящем из расположенных по ходу лучей первого компонента, содержащего два асферических зеркала, из которых первое имеет центральное отверстие и выполнено вогнутым, а второе - выпуклым, и второго компонента, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую линзу, во втором компоненте дополнительно введены отрицательная и положительная выпукло-вогнутые линзы, при этом оптическая сила второго компонента в целом - положительная, между первым и вторым компонентами формируется промежуточное изображение, а выходной зрачок вынесен в пространство между последней линзой второго компонента и плоскостью изображения объектива.The problem is solved due to the fact that in the infrared mirror lens, consisting of the first component located along the rays of the component containing two aspherical mirrors, of which the first has a central hole and is made concave, and the second is convex, and the second component contains a negative convex-concave lens, the negative and positive convex-concave lenses are additionally introduced in the second component, while the optical power of the second component as a whole is positive, between the first and second an intermediate image is formed by the components, and the exit pupil is placed in the space between the last lens of the second component and the image plane of the lens.

На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного зеркально-линзового объектива.The drawing shows an optical diagram of an infrared mirror lens.

Объектив содержит расположенные по ходу лучей первый компонент I, содержащий два асферических зеркала, из которых первое 1 имеет центральное отверстие и выполнено вогнутым, а второе 2 - выпуклым, и второй компонент II, содержащий первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу 3, вторую положительную выпукло-вогнутую линзу 4 и третью отрицательную выпукло-вогнутую линзу 5, при этом второй компонент II имеет положительную оптическую силу. Между первым I и вторым II компонентами формируется промежуточное изображение, а выходной зрачок 6 вынесен в пространство между последней линзой 5 второго компонента II и плоскостью изображения объектива. Дополнительно показано входное окно 7 приемника инфракрасного излучения 8, охлаждаемая диафрагма которого совмещена с выходным зрачком 6 объектива.The lens contains the first component I located along the rays, containing two aspherical mirrors, of which the first 1 has a central hole and is concave, and the second 2 is convex, and the second component II contains the first negative convex-concave lens 3, the second positive convex a concave lens 4 and a third negative convex-concave lens 5, while the second component II has a positive optical power. An intermediate image is formed between the first I and second II components, and the exit pupil 6 is placed in the space between the last lens 5 of the second component II and the image plane of the lens. Additionally shown is the input window 7 of the infrared receiver 8, the cooled diaphragm of which is aligned with the exit pupil 6 of the lens.

В таблице 1 приведены технические характеристики заявляемого зеркально-линзового объектива.Table 1 shows the technical characteristics of the inventive mirror lens.

В таблице 2 приведены конструктивные параметры примера конкретного исполнения заявляемого объектива.Table 2 shows the design parameters of an example of a specific implementation of the inventive lens.

В таблице 3 приведены соотношения, выполняемые в заявляемом объективе.Table 3 shows the ratios performed in the inventive lens.

Инфракрасный зеркально-линзовый объектив работает следующим образом: излучение от бесконечно удаленного объекта отражается последовательно от первого 1 и второго 2 зеркал первого компонента I и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, после чего линзами 3, 4, 5 второго компонента II переносится в плоскость изображения объектива. Диаметр пучка излучения определяется диаметром выходного зрачка 6, расположенного в пространстве между последней линзой 5 второго компонента II и плоскостью изображения объектива. Выбранное положение выходного зрачка 6 позволяет совместить его с охлаждаемой диафрагмой приемника инфракрасного излучения 8.An infrared mirror lens works as follows: radiation from an infinitely distant object is reflected sequentially from the first 1 and second 2 mirrors of the first component I and is focused in the plane of the intermediate image, after which lenses 3, 4, 5 of the second component II are transferred to the image plane of the lens. The diameter of the radiation beam is determined by the diameter of the exit pupil 6 located in the space between the last lens 5 of the second component II and the image plane of the lens. The selected position of the exit pupil 6 allows you to combine it with a cooled diaphragm of the infrared receiver 8.

В заявляемом зеркально-линзовом объективе за счет изменения конструкции второго компонента II и выполнения соотношений, приведенных в таблице 3, увеличено относительное отверстие, что позволяет улучшить качество изображения за счет повышения разрешающей способности объектива. Выбор конструктивного исполнения, при котором между первым I и вторым II компонентами объектива формируется промежуточное изображение, а выходной зрачок 6 совмещен с охлаждаемой диафрагмой приемника инфракрасного излучения 8, обеспечивает оптимальное сопряжение объектива и приемника излучения. Этим достигается минимальное виньетирование наклонных пучков лучей и снижается рассеянное излучение от оптических деталей и других элементов конструкции объектива, что повышает освещенность и контраст изображения и улучшает его качество.In the inventive mirror-lens lens due to changes in the design of the second component II and fulfillment of the ratios given in table 3, the relative aperture is increased, which allows to improve image quality by increasing the resolution of the lens. The choice of design, in which an intermediate image is formed between the first I and second II lens components, and the exit pupil 6 is combined with a cooled diaphragm of the infrared radiation receiver 8, ensures optimal coupling of the lens and the radiation receiver. This minimizes the vignetting of inclined beams of rays and reduces the scattered radiation from optical parts and other structural elements of the lens, which increases the illumination and contrast of the image and improves its quality.

Таким образом, выполнение инфракрасного зеркально-линзового объектива в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет повысить качество изображения путем повышения разрешающей способности и улучшения освещенности и контраста изображения за счет оптимального сопряжения с охлаждаемым приемником инфракрасного излучения.Thus, the implementation of the infrared mirror lens in accordance with the proposed technical solution allows to improve image quality by increasing resolution and improving illumination and image contrast due to optimal coupling with a cooled infrared receiver.

Claims (1)

Инфракрасный зеркально-линзовый объектив, состоящий из расположенных по ходу лучей первого компонента, содержащего два асферических зеркала, из которых первое имеет центральное отверстие и выполнено вогнутым, а второе - выпуклым, и второго компонента, содержащего отрицательную выпукло-вогнутую линзу, отличающийся тем, что во втором компоненте дополнительно введены отрицательная и положительная выпукло-вогнутые линзы, при этом оптическая сила второго компонента в целом - положительная, между первым и вторым компонентами формируется промежуточное изображение, а выходной зрачок вынесен в пространство между последней линзой второго компонента и плоскостью изображения объектива. An infrared mirror-lens lens, consisting of along the rays of the first component containing two aspherical mirrors, of which the first has a central hole and is made concave, and the second is convex, and the second component contains a negative convex-concave lens, characterized in that in the second component, negative and positive convex-concave lenses are additionally introduced, while the optical power of the second component as a whole is positive, between the first and second components Interstitial image, and the exit pupil passed in the space between the last lens and the plane of the second component of the lens image.