RU2645446C1 - Three-linear americanized camera lens for the ir-region of the spectrum - Google Patents
Three-linear americanized camera lens for the ir-region of the spectrum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2645446C1 RU2645446C1 RU2016143228A RU2016143228A RU2645446C1 RU 2645446 C1 RU2645446 C1 RU 2645446C1 RU 2016143228 A RU2016143228 A RU 2016143228A RU 2016143228 A RU2016143228 A RU 2016143228A RU 2645446 C1 RU2645446 C1 RU 2645446C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- meniscus
- lens
- image plane
- camera lens
- menisci
- Prior art date
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims description 6
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 claims abstract description 43
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000005387 chalcogenide glass Substances 0.000 claims abstract description 4
- PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N (fluoren-9-ylideneamino) n-naphthalen-1-ylcarbamate Chemical compound C12=CC=CC=C2C2=CC=CC=C2C1=NOC(=O)NC1=CC=CC2=CC=CC=C12 PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 abstract description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 2
- 150000004771 selenides Chemical class 0.000 abstract description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 4
- 210000000887 face Anatomy 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 description 1
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000003017 thermal stabilizer Substances 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
- G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
- G02B9/12—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having three components only
- G02B9/14—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having three components only arranged + - +
- G02B9/16—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having three components only arranged + - + all the components being simple
Landscapes
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области инфракрасной (ИК) оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы (МБМ) чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур. Спектральная область работы объектива 8-12 мкм.The invention relates to the field of infrared (IR) optics and can be used in thermal imagers with photodetectors made in the form of a microbolometric matrix (MBM) of sensitive elements that do not require cooling to cryogenic temperatures. The spectral range of the lens is 8-12 microns.
Объективы для ИК-области спектра изготавливают в основном из монокристаллического германия или кремния, а также из других материалов, прозрачных в требуемой области спектра. Эти материалы, особенно германий, имеют значительное изменение показателя преломления от температуры, что вызывает дефокусировку изображения объектива. Это приводит к существенному снижению качества изображения, особенно в температурном диапазоне от -40°С до +50°С.IR lenses are made mainly from single-crystal germanium or silicon, as well as from other materials that are transparent in the desired spectral region. These materials, especially germanium, have a significant change in the refractive index from temperature, which causes the lens image to defocus. This leads to a significant decrease in image quality, especially in the temperature range from -40 ° C to + 50 ° C.
Размер пикселя современных МБМ составляет от 17 до 25 мкм, т.е. сравним с рабочей длиной волны (10 мкм), поэтому небольшие перепады температуры приводят к существенному падению качества изображения, особенно для объективов с высоким относительным отверстием, имеющим очень малую глубину резкости. При расчете таких объективов использование графиков геометрических аберраций или топологии кружков рассеяния не дает объективной картины качества изображения. Необходимо учитывать дифракцию излучения на входном зрачке оптической системы.The pixel size of modern MBM is from 17 to 25 microns, i.e. is comparable with the working wavelength (10 μm), therefore, small temperature differences lead to a significant drop in image quality, especially for lenses with a high relative aperture, having a very small depth of field. When calculating such lenses, the use of graphs of geometric aberrations or the topology of scattering circles does not give an objective picture of image quality. It is necessary to take into account the diffraction of radiation at the entrance pupil of the optical system.
На практике дифракционный кружок рассеяния реального объектива с учетом геометрических аберраций определяется расчетом функции концентрации энергии, т.е. оптическая система считается удовлетворяющей всем требованиям, когда на пиксель МБМ приходится 80% энергии, что соответствует критерию Релея. Другим критерием качества изображения может служить частотно-контрастная характеристика. Для МБМ с малым размером пикселя контраст изображения объектива должен находиться в пределах 0,55÷0,65 на пространственной частоте 20÷30 мм-1 (критерий Найквиста).In practice, the scattering diffraction circle of a real lens, taking into account geometric aberrations, is determined by calculating the function of energy concentration, i.e. an optical system is considered to satisfy all requirements when an MBM pixel accounts for 80% of the energy, which meets the Rayleigh criterion. Another criterion for image quality is the frequency-contrast characteristic. For MBM with a small pixel size, the contrast of the lens image should be within 0.55–0.65 at a spatial frequency of 20–30 mm -1 (Nyquist criterion).
Известен светосильный трехлинзовый объектив для ИК-области спектра по патенту США №3363962, содержащий три мениска, из которых первый и третий мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а второй - отрицательный, обращен вогнутой поверхностью к плоскости предмета. Первый и третий мениски выполнены из германия, а второй - из сульфида цинка. Все поверхности менисков имеют сферический профиль. Второй и третий мениски имеют значительную толщину по оси, поскольку она позволяет лучшим образом скорректировать геометрические аберрации. Относительная длина объектива 1,75. Контраст изображения по всему полю зрения составляет не более 0,32 при пространственной частоте 20 мм-1, а кружки рассеяния - 55 мкм.Known fast three-lens lens for the infrared region of the spectrum according to US patent No. 3363962, containing three menisci, of which the first and third menisci are positive, facing concave surfaces to the image plane, and the second negative, facing a concave surface to the subject plane. The first and third menisci are made of germanium, and the second of zinc sulfide. All meniscus surfaces have a spherical profile. The second and third menisci have a significant thickness along the axis, since it allows you to better correct geometric aberrations. The relative length of the lens is 1.75. The contrast of the image over the entire field of view is not more than 0.32 at a spatial frequency of 20 mm -1 , and the scattering circles are 55 μm.
Данный объектив имеет низкое качество изображения в нормальных климатических условиях, а при работе в температурном диапазоне - еще хуже, что не позволяет его применить в современных тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами.This lens has poor image quality in normal climatic conditions, and when working in the temperature range it is even worse, which does not allow it to be used in modern thermal imagers with matrix photodetectors.
Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2403598, состоящий 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. Все линзы выполнены из кремния.A known infrared lens according to RF patent No. 2403598, 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 subject, the third is the positive meniscus facing concavity to the 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 sum of the optical powers of the first two lines h negative and in absolute value is not less than 0.8 of the optical power of the lens. All lenses are made of silicon.
Недостатком объектива является большая терморасфокусировка изображения, т.к. линзы выполнены из кремния, имеющего значительное изменение показателя преломления от температуры. Расчет этого объектива по приведенным в изобретении параметрам показал приемлемое качество изображения в диапазоне температур 20±5°С. В температурном диапазоне ±40°С происходит полная деградация изображения. При продольном перемещении объектива в диапазоне 0,4 мм можно получить приемлемое качество изображения со снижением контраста на 10%. Другим недостатком объектива является его узкая спектральная область: 8-9 мкм.The disadvantage of the lens is the large thermal focusing of the image, because the lenses are made of silicon, having a significant change in the refractive index from temperature. The calculation of this lens according to the parameters shown in the invention showed acceptable image quality in the temperature range of 20 ± 5 ° C. In the temperature range of ± 40 ° C, the image is completely degraded. With a longitudinal movement of the lens in the range of 0.4 mm, an acceptable image quality can be obtained with a contrast reduction of 10%. Another disadvantage of the lens is its narrow spectral region: 8-9 microns.
Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №115514, содержащий четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями. Установлены соотношения между оптическими силами менисков. Третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси.A known infrared lens according to RF patent No. 115514, containing four menisci, of which the second is negative, the rest are positive, the first and fourth menisci are made of germanium and face the image plane with their concave surfaces, the second and third menisci are made of selenide zinc and face the image plane with their convex surfaces. Relations between the optical forces of menisci are established. The third and fourth menisci are installed with the possibility of simultaneous movement along the optical axis.
Первый мениск выполнен из германия, который обладает максимальной зависимостью показателя преломления от температуры. Этот мениск имеет наибольшую оптическую силу и максимальное влияние на температурную дефокусировку изображения. Последующие элементы объектива не способны компенсировать дефокусировку, вносимую первым мениском. При работе в широком температурном диапазоне необходимо перемещать мениски вдоль оптической оси. Это усложняет конструкцию объектива и увеличивает его массу.The first meniscus is made of germanium, which has a maximum temperature dependence of the refractive index. This meniscus has the greatest optical power and maximum effect on the temperature defocusing of the image. Subsequent lens elements are not able to compensate for the defocusing introduced by the first meniscus. When working in a wide temperature range, it is necessary to move the meniscus along the optical axis. This complicates the design of the lens and increases its mass.
Наиболее близким к заявляемому изобретению - прототипом - является атермализованный объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2538423 от 08.10.2013 г. Объектив содержит размещенные в корпусе четыре мениска, первый из которых - положительный мениск, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй мениск - отрицательный, выполнен из селенида цинка и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск - отрицательный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, а четвертый мениск - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Между относительными оптическими силами менисков имеются следующие соотношения: ϕ1:ϕ2:ϕ3:ϕ4=(0,72-0,85):-(1,28-1,76):-(3,00-6,0):(0,79-0,92), где ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков. Корпус объектива выполняют из алюминиевого сплава, стали или инвара.Closest to the claimed invention - the prototype - is an athermalized lens for the infrared region of the spectrum according to the patent of the Russian Federation No. 2538423 of 08/10/2013. The lens contains four menisci located in the housing, the first of which is a positive meniscus, made of oxygen-free glass IKS-25 and facing the concave surface to the image plane, the second meniscus is negative, made of zinc selenide and facing the concave surface to the images, the third meniscus is negative, made of germanium and facing the concave to the image plane, and the fourth meniscus is positive, made of germanium and faces with a concave surface to the image plane. Between the relative optical forces of the menisci there are the following relationships: ϕ 1 : ϕ 2 : ϕ 3 : ϕ 4 = (0.72-0.85) :-( 1.28-1.76) :-( 3.00-6, 0) :( 0.79-0.92), where ϕ 1 , ϕ 2 , ϕ 3 , ϕ 4 are the relative optical forces of the first, second, third, and fourth menisci, respectively. The lens body is made of aluminum alloy, steel or Invar.
Недостатком объектива является сложность оптической схемы объектива (четыре мениска) и, соответственно, небольшой коэффициент пропускания.The disadvantage of the lens is the complexity of the optical circuit of the lens (four meniscus) and, accordingly, a small transmittance.
Техническая проблема заключается в создании атермализованного объектива, качество изображения которого не зависит от изменения температуры окружающей среды, с обеспечением следующего технического результата: упрощение оптической схемы объектива и повышение коэффициента пропускания.The technical problem is to create an athermalized lens, the image quality of which does not depend on changes in the ambient temperature, providing the following technical result: simplification of the optical design of the lens and increase in transmittance.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Трехлинзовый атермализованный объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит закрепленные в корпусе мениски, первый из которых - положительный, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй мениск - отрицательный, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, выполненный из селенида цинка, и третий мениск, выполненный из германия. В отличие от прототипа корпус объектива выполнен из нержавеющей стали, первый мениск выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 или из халькогенидного стекла IRG-26, третий мениск выполнен положительным, обращенным вогнутой поверхностью к плоскости изображений, а оптические силы менисков удовлетворяют следующим соотношениям: ϕ1=(1,1÷1,3)ϕ; ϕ2=-(0,46÷0,84)ϕ; ϕ3=(0,93÷1,27)ϕ, где: ϕ1, ϕ2, ϕ3 - оптические силы соответственно первого, второго и третьего менисков; ϕ - оптическая сила объектива.The specified technical result is achieved as follows. The three-lens athermalized lens for the IR region of the spectrum, like the prototype, contains menisci fixed in the body, the first of which is positive, facing the concave surface to the image plane, the second meniscus is negative, facing the concave surface to the image plane, made of zinc selenide, and the third meniscus made from Germany. Unlike the prototype, the lens body is made of stainless steel, the first meniscus is made of oxygen-free glass IKS-25 or chalcogenide glass IRG-26, the third meniscus is made with a positive, concave surface facing the image plane, and the meniscus optical forces satisfy the following relationships: ϕ 1 = (1,1 ÷ 1,3) ϕ; ϕ 2 = - (0.46 ÷ 0.84) ϕ; ϕ 3 = (0.93 ÷ 1.27) ϕ, where: ϕ 1 , ϕ 2 , ϕ 3 are the optical forces of the first, second and third menisci, respectively; ϕ is the optical power of the lens.
Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.An example of a specific implementation of the lens is shown in the drawings.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива.In FIG. 1 shows the optical layout of the lens.
На фиг. 2 приведены основные характеристики объектива при температуре 20°С: слева вверху - функция концентрации энергии (ФКЭ); справа вверху - кружки рассеяния и кружок Эйри диаметром 32,3 мкм; слева внизу - контраст изображения; справа внизу - астигматизм и дисторсия.In FIG. 2 shows the main characteristics of the lens at a temperature of 20 ° C: top left - the function of energy concentration (FFE); top right - scattering circles and Airy circles with a diameter of 32.3 microns; bottom left - image contrast; bottom right - astigmatism and distortion.
На фиг. 3 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ) и контраст изображения (ЧКХ) по трем конфигурациям: при температуре 20°С, -40°С, 50°С.In FIG. Figure 3 shows the function of energy concentration (PCE) and image contrast (CCF) in three configurations: at a temperature of 20 ° C, -40 ° C, 50 ° C.
Трехлинзовый атермализованный объектив для ИК-области спектра содержит размещенные в корпусе три мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe) и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 3 - положительный, выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений.The three-lens athermalized lens for the infrared region of the spectrum contains three menisci located in the housing. The
Пучки лучей от удаленного источника последовательно проходят мениски 1, 2, 3 и формируют изображение в плоскости изображения 4, где расположена микроболометрическая матрица.Beams of rays from a distant source sequentially pass
Расчет объектива проведен по программе ZEMAX. Расчет проведен без учета защитного окна матрицы, т.к. оно не влияет на качество изображения объектива. При расчете учитывались следующие факторы: зависимость показателя преломления от температуры; расширение и сжатие материала менисков при изменении температуры, что, в свою очередь, приводит к изменению радиусов и толщин линз; изменение расстояния между элементами в результате расширения и сжатия материала оправ и корпуса объектива.The lens calculation was carried out according to the ZEMAX program. The calculation was performed without taking into account the protective window of the matrix, because it does not affect the image quality of the lens. When calculating the following factors were taken into account: the dependence of the refractive index on temperature; expansion and contraction of the meniscus material with a change in temperature, which, in turn, leads to a change in the radii and thicknesses of the lenses; change in the distance between the elements as a result of expansion and contraction of the material of the frames and the lens body.
В качестве материала корпуса использована нержавеющая сталь с коэффициентом расширения (ТСЕ), равным 11×10-6. Показатели преломления материалов, коэффициенты линейного расширения и зависимость показателя преломления от температуры (dn/dt) выбирались из отечественных стандартов. В связи с этим в программе ZEMAX создан дополнительный каталог стекол, т.к. стекло ИКС-25 в нем отсутствует.As the body material used stainless steel with an expansion coefficient (TCE) of 11 × 10 -6 . The refractive indices of materials, linear expansion coefficients, and the temperature dependence of the refractive index (dn / dt) were selected from domestic standards. In this regard, an additional catalog of glasses was created in the ZEMAX program, because IKS-25 glass is absent in it.
Характеристики материалов менисков представлены в таблице 1.The characteristics of the meniscus materials are presented in table 1.
Конструктивные элементы объектива приведены в таблице 2.The design elements of the lens are shown in table 2.
Оптические характеристики объектива представлены в таблице 3.The optical characteristics of the lens are presented in table 3.
Оптические силы менисков имеют следующие значения:The meniscus optical power has the following meanings:
ϕ1=1,16ϕ; ϕ2=-0,52ϕ; ϕ3=0,97ϕ.ϕ 1 = 1.16ϕ; ϕ 2 = -0.52ϕ; ϕ 3 = 0.97ϕ.
В предлагаемом объективе мениски 1 и 2 исправляют сферохроматическую аберрацию, мениск 2 одновременно служит термостабилизатором положения изображения в температурном диапазоне. Т.к. мениск 2 выполнен из селенида цинка и имеет отрицательную оптическую силу при небольшой величине dn/dt, то для корпуса объектива необходимо применять нержавеющую сталь, имеющую меньший ТСЕ. Мениск 3 выполняет роль корректора астигматизма и дисторсии, а при телецентрическом ходе главного луча - еще и комы.In the proposed lens,
На фиг. 2 представлены характеристики качества изображения объектива в нормальных климатических условиях (НКУ). Как видно из фиг. 2, качество изображения объектива высокое, близкое к дифракционному. Размер элемента матрицы Q составляет: Q=0,025×0,025 мм. Для ИК-объективов необходимо, чтобы в размере пикселя матрицы значение концентрации энергии составляло не менее 80% или чтобы значение контраста изображения синусоидальной миры на частоте Найквиста ν=1/2Q=20 мм-1 было не менее 0,6. На фиг. 2 кружки рассеяния для НКУ составляют 0,023; 0,026 и 0,027 мм соответственно для осевой точки поля зрения, зональной точки поля зрения и для края поля зрения (по диагонали). Контраст изображения приближается к значению 0,65.In FIG. 2 presents the characteristics of the image quality of the lens in normal climatic conditions (NKU). As can be seen from FIG. 2, the lens image quality is high, close to diffraction. The size of the matrix element Q is: Q = 0.025 × 0.025 mm. For IR lenses, it is necessary that in the matrix pixel size the energy concentration is at least 80% or that the contrast value of the image of the sinusoidal world at the Nyquist frequency ν = 1/2 Q = 20 mm -1 is at least 0.6. In FIG. 2 scattering circles for NKU are 0,023; 0.026 and 0.027 mm, respectively, for the axial point of the field of view, the zonal point of the field of view and for the edge of the field of view (diagonal). The contrast of the image approaches 0.65.
Для расчета объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С использован метод мультиконфигураций, предусмотренный в программе ZEMAX с использованием опции "Thermal Pick Up". С учетом этой опции проведена одновременная оптимизация новых (по отношению к номинальной конфигурации в НКУ) значений параметров схемы объектива для значений температуры от минус 40°С до 50°С. При оптимизации учитывались факторы, изложенные выше, т.е. коэффициенты линейного расширения ИК-материалов (ТСЕ) и корпуса объектива, коэффициент изменения показателя преломления с температурой dn/dt.To calculate the lens in the temperature range from minus 40 ° С to 50 ° С, the multi-configuration method provided in the ZEMAX program using the "Thermal Pick Up" option was used. With this option in mind, we simultaneously optimized new (relative to the nominal configuration in NKU) values of the lens circuit parameters for temperature values from minus 40 ° С to 50 ° С. During optimization, the factors described above were taken into account, i.e. linear expansion coefficients of IR materials (TCE) and the lens body, coefficient of change of refractive index with temperature dn / dt.
Величины dn/dt и ТСЕ оптических деталей извлекаются программой из каталога оптического стекла, а величины ТСЕ корпуса объектива введены непосредственно в таблицу конструктивных элементов основного окна программы ZEMAX.The dn / dt and TCE values of the optical parts are extracted by the program from the optical glass catalog, and the TEC values of the lens body are entered directly into the structural elements table of the ZEMAX main window.
В таблице 4 приведены значения кривизны и толщины менисков в зависимости от температуры по трем конфигурациям температуры при давлении, равном одной атмосфере.Table 4 shows the values of the meniscus curvature and thickness as a function of temperature for three temperature configurations at a pressure equal to one atmosphere.
Таким образом, при расчете объектива учтены изменения радиусов и толщин менисков 1-3 при изменении температуры, а также воздушных промежутков между ними. Кроме того, в расчетах учтено ТСЕ материала корпуса объектива.Thus, when calculating the lens, the changes in the radii and thicknesses of menisci 1-3 are taken into account with a change in temperature, as well as air gaps between them. In addition, the calculations took into account the TSE of the lens body material.
Поскольку при значениях температур -40°С и 50°С в редакторе мультиконфигураций задана опция Т (в таблице 4 в правой узкой колонке), т.е. "Thermal Pick Up", по программе ZEMAX вычислены измененные значения кривизны и толщины менисков в соответствии с заданными ТСЕ.Since at temperatures of -40 ° С and 50 ° С the option Т is set in the multi-configuration editor (in table 4 in the right narrow column), i.e. "Thermal Pick Up", according to the ZEMAX program, the changed values of the meniscus curvature and thickness are calculated in accordance with the specified TSE.
В результате проведенной оптимизации получено, что задний отрезок объектива практически постоянен для всех конфигураций. Это означает, что в заданном температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С обеспечивается постоянный (в пределах 2%) высокий контраст изображения при неподвижном объективе и его элементах, что подтверждается графиками на фиг. 3.As a result of the optimization, it was found that the rear segment of the lens is almost constant for all configurations. This means that in a given temperature range from minus 40 ° С to 50 ° С a constant (within 2%) high contrast of the image is ensured with a stationary lens and its elements, which is confirmed by the graphs in FIG. 3.
Рассмотрим воздействие температуры на показатель преломления использованных в объективе материалов. В таблице 5 приведены коэффициенты преломления материалов объектива и ТСЕ при температуре 20°С, для справки приведен термический коэффициент расширения ТСЕ корпуса объектива и оптических материалов.Consider the effect of temperature on the refractive index of the materials used in the lens. Table 5 shows the refractive indices of the lens and TCE materials at a temperature of 20 ° C; for reference, the thermal expansion coefficient of the TCE of the lens body and optical materials is given.
В таблице 6 приведены коэффициенты преломления материалов объектива при температуре -40°С.Table 6 shows the refractive indices of the lens materials at a temperature of -40 ° C.
В таблице 7 приведены коэффициенты преломления материалов объектива при температуре 50°С.Table 7 shows the refractive indices of the lens materials at a temperature of 50 ° C.
Из таблиц 5-7 наглядно видно, как изменяются показатели преломления материалов в зависимости от температуры для всего спектрального диапазона 8-12 мкм.From tables 5-7, one can clearly see how the refractive indices of materials vary with temperature for the entire spectral range of 8-12 microns.
На фиг. 3 даны: слева - функция концентрации энергии ФКЭ (в редакции ZEMAX-FFT), справа - контраст изображения ЧКХ (в редакции ZEMAX-MTF) по трем конфигурациям температурного диапазона, расположенным сверху вниз: 20°С, -40°С, 50°С. Как видно из фиг. 3, контраст изображения во всем температурном диапазоне на частоте Найквиста превышает значение 0,6. Это означает, что во всем температурном диапазоне 80% энергии вписывается в пиксель размером 0,025×0,025 мм по всему полю зрения.In FIG. 3 are given: on the left is the function of the energy concentration of the PCF (in the ZEMAX-FFT edition), on the right is the contrast of the FMC image (in the ZEMAX-MTF edition) in three temperature range configurations, located from top to bottom: 20 ° С, -40 ° С, 50 ° FROM. As can be seen from FIG. 3, the image contrast over the entire temperature range at the Nyquist frequency exceeds 0.6. This means that in the entire temperature range, 80% of the energy fits into a pixel measuring 0.025 × 0.025 mm over the entire field of view.
В результате оптимизации, которая проводилась одновременно по всем конфигурациям с учетом данных таблиц 4-7, получены конструктивные параметры трехлинзового атермализованного объектива. Расчеты по вышеприведенной методике показали, что оптические силы менисков 1-3 могут изменяться без ухудшения качества изображения в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С в следующих пределах:As a result of optimization, which was carried out simultaneously for all configurations, taking into account the data in Tables 4-7, the design parameters of a three-lens athermalized lens were obtained. Calculations by the above method showed that the optical strengths of menisci 1-3 can change without degrading the image quality in the temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C in the following ranges:
ϕ1=(1,1÷1,3)ϕ; ϕ2=-(0,46÷0,84)ϕ; ϕ3=(0,93÷1,27)ϕ.ϕ 1 = (1.1 ÷ 1.3) ϕ; ϕ 2 = - (0.46 ÷ 0.84) ϕ; ϕ 3 = (0.93 ÷ 1.27) ϕ.
При этом незначительно изменяются прогибы менисков 1-3 и воздушные промежутки между ними, что не влияет на результирующее качество изображения.At the same time, the deflections of menisci 1-3 and the air gaps between them slightly change, which does not affect the resulting image quality.
Дополнительные расчеты показали обеспечение температурной компенсации объектива с мениском 1, выполненным из халькогенидного стекла IRG-26 фирмы SCHOTT.Additional calculations showed the provision of temperature compensation of the lens with a
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет упростить оптическую схему объектива и повысить его пропускание без ухудшения качества изображения по всему полю зрения объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С.Thus, in comparison with the prototype, the present invention allows to simplify the optical design of the lens and increase its transmission without compromising image quality over the entire field of view of the lens in the temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016143228A RU2645446C1 (en) | 2016-11-02 | 2016-11-02 | Three-linear americanized camera lens for the ir-region of the spectrum |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016143228A RU2645446C1 (en) | 2016-11-02 | 2016-11-02 | Three-linear americanized camera lens for the ir-region of the spectrum |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2645446C1 true RU2645446C1 (en) | 2018-02-21 |
Family
ID=61258898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016143228A RU2645446C1 (en) | 2016-11-02 | 2016-11-02 | Three-linear americanized camera lens for the ir-region of the spectrum |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2645446C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113484925A (en) * | 2021-07-19 | 2021-10-08 | 思文量子技术(浙江)有限公司 | Near-infrared quantum light field imaging detector |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU82875U1 (en) * | 2008-09-05 | 2009-05-10 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | LIGHT LIGHT FOR INFRARED SPECTRUM |
| RU2411555C1 (en) * | 2009-12-25 | 2011-02-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод имени С.А. Зверева" | Large-aperture lens |
| US20120212807A1 (en) * | 2011-02-22 | 2012-08-23 | Tamron Co., Ltd. | Infrared Lens |
| RU2538423C1 (en) * | 2013-10-08 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Швабе-Приборы" | Athermalised lens for infrared spectral region |
| RU156006U1 (en) * | 2015-04-23 | 2015-10-27 | Открытое акционерное общество Научно-производственное предприятие "Авиационная и Морская Электроника" | ATHERMALIZED LENS FOR IR SPECTRUM |
-
2016
- 2016-11-02 RU RU2016143228A patent/RU2645446C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU82875U1 (en) * | 2008-09-05 | 2009-05-10 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | LIGHT LIGHT FOR INFRARED SPECTRUM |
| RU2411555C1 (en) * | 2009-12-25 | 2011-02-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод имени С.А. Зверева" | Large-aperture lens |
| US20120212807A1 (en) * | 2011-02-22 | 2012-08-23 | Tamron Co., Ltd. | Infrared Lens |
| RU2538423C1 (en) * | 2013-10-08 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Швабе-Приборы" | Athermalised lens for infrared spectral region |
| RU156006U1 (en) * | 2015-04-23 | 2015-10-27 | Открытое акционерное общество Научно-производственное предприятие "Авиационная и Морская Электроника" | ATHERMALIZED LENS FOR IR SPECTRUM |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113484925A (en) * | 2021-07-19 | 2021-10-08 | 思文量子技术(浙江)有限公司 | Near-infrared quantum light field imaging detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9297987B2 (en) | Wide field athermalized orthoscopic lens system | |
| EP0171903B1 (en) | Improvements in or relating to infra-red lenses | |
| RU2538423C1 (en) | Athermalised lens for infrared spectral region | |
| CN107479171B (en) | Long-wave infrared zoom lens | |
| CN104049343B (en) | Compact double-view field medium-wave infrared disappear heat difference camera lens | |
| EP3669226B1 (en) | Two-color very wide field of view refractive eyepiece-type optical form | |
| CN103197408B (en) | Middle-infrared band athermal optical compensation continuous zooming optical system | |
| CN104820274B (en) | A kind of optics plating DLC film is without thermalization LONG WAVE INFRARED camera lens | |
| CN112180572B (en) | Refrigeration type medium wave infrared athermal optical lens | |
| CN109358423A (en) | A kind of non-brake method large area array sweeps optical system fastly | |
| RU2365952C1 (en) | Infrared objective | |
| KR101846021B1 (en) | Infrared Optical System Using Hybrid Lens | |
| RU2642173C1 (en) | Athermalised wideangle lens for ir spectral region | |
| RU2645446C1 (en) | Three-linear americanized camera lens for the ir-region of the spectrum | |
| KR101868098B1 (en) | Zoom Lens Optical System Using Hybrid Lens | |
| RU2578661C1 (en) | Infrared lens with smoothly varying focal distance | |
| RU2629890C1 (en) | Infrared lens with passive thermalization | |
| RU193226U1 (en) | ATHERMALIZED LENS FOR THE INFRARED SPECTRUM | |
| RU2594957C1 (en) | Athermalised lens for infrared spectrum | |
| CN103439786B (en) | Infrared band heat shock resistance athermal optical system in big visual field | |
| EP3015902A1 (en) | Compact multispectral wide angle refractive optical system | |
| Reshidko et al. | Optical design study and prototyping of a dual-field zoom lens imaging in the 1-5 micron infrared waveband | |
| RU2620202C1 (en) | Lens for infrared spectral area | |
| RU2577082C1 (en) | Apochromatic athermal lens (versions) | |
| RU2586394C1 (en) | Objective lens for infrared spectrum |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181103 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200909 |