RU2674303C1 - High-aperture lens - Google Patents

Abstract

FIELD: optics.SUBSTANCE: lens can be used in digital aiming-observation devices with CCD or CMOS matrices. Objective lens has four components. First component contains a biconvex lens and a negative concave-convex lens, convex to the image space. Second component is a single positive meniscus, facing its concavity to the image space. Third component contains a negative meniscus and a positive meniscus, facing its concavity to the space of images. Fourth component is the negative meniscus, which is concave towards the image space. Aperture diaphragm is located in front of the first component. Air gap between the first and second components satisfies the condition set forth in the claims.EFFECT: increase in luminosity to a value of 1:0,85 with the expansion of the spectral operating range to values Δλ=(600…1,000) nm and image quality improvement.1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС или КМОП матрицах в дневных и ночных условиях эксплуатации.The present invention relates to the field of optoelectronic technology and can be used as a lens in digital sighting and observational devices with image formation on CCD or CMOS sensors in day and night operating conditions.

Известен светосильный объектив (патент RU 2386988 С1, опубл. 20.04.2010), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной перед первым компонентом, а первый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, второй компонент выполнен в виде двусклеенного мениска, состоящего из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(600…900) нм и имеет относительное отверстие 1:2 и поле зрения 4°.Known fast lens (patent RU 2386988 C1, publ. 04/20/2010) containing six lenses formed in four components with an aperture diaphragm located in front of the first component, and the first component is made in the form of a double-glued lens, consisting of a biconvex and biconcave lenses, the second the component is made in the form of a double-glued meniscus, consisting of a biconcave and biconvex lens. The lens operates in the spectral range Δλ = (600 ... 900) nm and has a relative aperture of 1: 2 and a field of view of 4 °.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:2, небольшое поле зрения, равное 4°, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(600…900) нм, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.The disadvantage of this aperture lens is a low aperture ratio of 1: 2, a small field of view of 4 °, a relatively narrow spectral working range Δλ = (600 ... 900) nm, and the presence of two bonded lenses in it, which complicates the technology of its manufacture.

Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив (патент RU 241 1556 C1, опубл. 10.02.2011), содержащий шесть линз, сформированных в четыре компонента с апертурной диафрагмой, расположенной на поверхности второго компонента, обращенной к пространству изображений, а первый компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы, второй компонент выполнен в виде склейки из положительной несимметричной двояковыпуклой линзы, обращенной к первому компоненту поверхностью с меньшим радиусом кривизны, и отрицательной несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной поверхностью с меньшим радиусом кривизны к пространству изображения, третий компонент выполнен в виде склейки из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны, а четвертый - в виде несимметричной двояковогнутой линзы, обращенной к пространству изображения поверхностью с большим радиусом кривизны. Объектив работает в спектральном диапазоне Δλ=(486,1…656,3) нм и имеет относительное отверстие 1:1 и угловое поле зрения 10°.The closest in technical essence is a fast lens (patent RU 241 1556 C1, publ. 02/10/2011) containing six lenses formed into four components with an aperture diaphragm located on the surface of the second component facing the image space, and the first component is made in in the form of a single positive lens, the second component is made in the form of gluing from a positive asymmetric biconvex lens facing the first component with a surface with a smaller radius of curvature, and a negative asymmetric a biconcave lens facing a surface with a smaller radius of curvature to the image space, the third component is made in the form of gluing from the negative meniscus and a biconvex lens facing the image space with a surface with a large radius of curvature, and the fourth in the form of an asymmetric biconcave lens facing the image space surface with a large radius of curvature. The lens operates in the spectral range Δλ = (486.1 ... 656.3) nm and has a relative aperture of 1: 1 and an angular field of view of 10 °.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:1, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486,1…656,3) нм, невысокое качество изображения на пространственных частотах 90…100 штр/мм с полихроматическими коэффициентами передачи модуляции на уровне ~ 0,2, а также наличие в нем двух склеенных линз, что усложняет технологию его изготовления.The disadvantage of this aperture lens is a low aperture ratio of 1: 1, a relatively narrow spectral working range Δλ = (486.1 ... 656.3) nm, low image quality at spatial frequencies of 90 ... 100 lines / mm with polychromatic modulation transmission coefficients at a level ~ 0.2, as well as the presence of two glued lenses in it, which complicates the technology of its manufacture.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:0,85 с расширением спектрального рабочего диапазона до значений Δλ=(600…1000) нм и улучшение качества изображения на пространственных частотах 90…100 штр/мм с полихроматическими коэффициентами передачи модуляции на уровне не менее 0,4 в центре поля зрения и не менее 0,3 на краю поля зрения.The objective of the present invention is to increase the lens aperture to a value of 1: 0.85 with the expansion of the spectral operating range to Δλ = (600 ... 1000) nm and to improve image quality at spatial frequencies of 90 ... 100 lines / mm with polychromatic modulation transmission coefficients at a level not less than 0.4 in the center of the field of view and not less than 0.3 at the edge of the field of view.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых состоит из положительной линзы, второй компонент - из положительной линзы, третий компонент - из отрицательного мениска, а четвертый - из отрицательной линзы, в отличие от известного, первый компонент состоит из двух линз, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза - в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй компонент содержит одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, третий компонент содержит две линзы, вторая из которых выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:The technical result due to the task is achieved by the fact that in a fast lens containing four components sequentially located on the optical axis, the first of which consists of a positive lens, the second component of a positive lens, the third component of a negative meniscus, and the fourth of a negative lens, in contrast to the known one, the first component consists of two lenses, the first of which is made in the form of a positive biconvex lens, and the second lens is in the form of a negative concave convex lens facing the space of images, the second component contains a single positive meniscus facing the concavity of the image space, the third component contains two lenses, the second of which is made in the form of a positive meniscus facing the concavity of the image space, the fourth component is made in the form of a negative meniscus facing the concavity to the image space, and the aperture diaphragm is located in front of the first surface of the first component, while I have the following relationships:

где F_OБ - фокусное расстояние объектива;where F _OB - the focal length of the lens;

d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;d _1-2 is the air gap between the first and second components;

n_3-1 - показатель преломления первой линзы третьего компонента;n _3-1 is the refractive index of the first lens of the third component;

n₄ - показатель преломления линзы четвертого компонента.n ₄ is the refractive index of the lens of the fourth component.

Такой светосильный объектив обеспечивает более высокую светосилу объектива до значения 1:0,85 и расширенный спектральный рабочий диапазон до значений Δλ=(600…1000) нм с улучшением оптических характеристик.Such a fast aperture lens provides a higher aperture ratio of the lens to a value of 1: 0.85 and an expanded spectral working range to Δλ = (600 ... 1000) nm with improved optical characteristics.

Оптической схема светосильного объектива показана на фигуре 1.The optical scheme of the fast lens is shown in figure 1.

Светосильный объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента. Перед первым компонентом расположена апертурная диафрагма 1, первый компонент выполнен в виде положительной линзы 2 и отрицательной линзы 3, второй компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы 4, третий компонент выполнен в виде отрицательной линзы 5 и положительной линзы 6, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска 7, после которого расположены защитное стекло 8 и фотоприемник 9.A fast lens contains four components sequentially located on the optical axis. Aperture diaphragm 1 is located in front of the first component, the first component is made in the form of a positive lens 2 and a negative lens 3, the second component is made in the form of a single positive lens 4, the third component is made in the form of a negative lens 5 and positive lens 6, the fourth component is made in the form of a negative meniscus 7, after which there is a protective glass 8 and a photodetector 9.

Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 1.The design parameters of the embodiment of the fast lens are shown in table 1.

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

- расчетная длина волны- estimated wavelength 0,8 мкм;0.8 microns; - рабочий спектральный диапазон- working spectral range (0,6÷1,0) мкм;(0.6 ÷ 1.0) μm; - фокусное расстояние- focal length 25,0 мм;25.0 mm; - линейное поле зрения- linear field of view 4,5 мм;4.5 mm; - угловое поле зрения- angular field of view ~10,2°;~ 10.2 °; - относительное отверстие- relative hole 1:0,851: 0.85

Принцип действия оптической системы заключается в следующем.The principle of operation of the optical system is as follows.

Первый компонент I, выполненный в виде положительной линзы 2 и отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 3, обращенной выпуклостью к пространству изображений, в сочетании со вторым компонентом II, выполненным в виде одиночного положительного мениска 4, являются силовыми элементами, формирующими оптическую силу, близкую к оптической силе объектива, для чего необходимо выполнить следующее соотношение:The first component I, made in the form of a positive lens 2 and a negative concave-convex lens 3, convex to the image space, in combination with the second component II, made in the form of a single positive meniscus 4, are power elements that form an optical power close to optical the strength of the lens, for which it is necessary to perform the following ratio:

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;where F _AB is the focal length of the lens;

d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами.d _1-2 is the air gap between the first and second components.

Третий компонент III, выполненный в виде двух линз - отрицательного мениска 5 и положительного мениска 6, обращенного вогнутостью к пространству изображений, в сочетании с четвертым компонентом IV, выполненным в виде отрицательного мениска 7, обращенным вогнутостью к пространству изображений, являются коррекционными элементами, позволяющими обеспечить высокую степень коррекции сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра, а также исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких наклонных пучков, для чего необходимо выполнить следующее соотношение:The third component III, made in the form of two lenses - a negative meniscus 5 and a positive meniscus 6, facing concavity to the image space, in combination with the fourth component IV, made in the form of a negative meniscus 7, facing concavity to the image space, are correction elements that allow to provide a high degree of correction of spherochromatic aberration, coma and secondary spectrum, as well as correct image curvature, astigmatism and aberration of wide inclined beams, for which it is necessary imo fulfill the following relationship:

где n_3-1 - показатель преломления первой линзы третьего компонента;where n _3-1 - refractive index of the first lens of the third component;

n₄ - показатель преломления линзы четвертого компонента.n ₄ is the refractive index of the lens of the fourth component.

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 8 фотоприемника, равную 0,75 мм;- the thickness of the protective glass 8 of the photodetector, equal to 0.75 mm;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 0,8 на длине волны 0,6 мкм, 0,9 на длине волны 0,7 мкм, 1,0 на длине волны 0,8 мкм, 0,8 на длине волны 0,9 мкм и 0,4 на длине волны 1,0 мкм;- spectral efficiency at wavelengths taking into account the sensitivity of the photodetector and the light transmission of the lens - 0.8 at a wavelength of 0.6 μm, 0.9 at a wavelength of 0.7 μm, 1.0 at a wavelength of 0.8 μm, 0.8 at a wavelength of 0.9 μm and 0.4 at a wavelength of 1.0 μm;

- пространственную частоту ~ 90 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 5,625 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик светосильного объектива:- spatial frequency ~ 90 lin / mm (Nyquist frequency for a photodetector with a sensor element size equal to 5.625 μm), we obtain the following calculated values of the qualitative characteristics of a fast lens:

- дифракционное качество- diffraction quality КПК = 92,3%PDA = 92.3% - для точки на оси- for a point on the axis КПК = 45,1%PDA = 45.1% - для точки поля 1,5 мм от центра- for a field point of 1.5 mm from the center изображенияImages КПК_М = 46,0%CPC _M = 46.0% КПК_С = 43,4%CPC _C = 43.4% - для точки поля 2,2 мм от центра- for the field point 2.2 mm from the center изображенияImages КПК_М = 31,4%CPC _M = 31.4% КПК_С = 42,5%PDA _C = 42.5%

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает хорошее качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу спектрального диапазона (0,6÷4,0) мкм с размером пикселя 5,625 мкм. Высокое значение относительного отверстия - 1:0,85 (у прототипа - 1:1), существенно расширяет диапазон возможного применения объектива, в частности позволяет использовать его для ночного видения в условиях низкой освещенности (сумерки и темное время суток).As can be seen from the calculations, the optical system, with the simplicity of its design, provides good image quality for optoelectronic devices using a television matrix of the spectral range (0.6 ÷ 4.0) μm with a pixel size of 5.625 μm. The high value of the relative aperture is 1: 0.85 (the prototype has 1: 1), significantly expanding the range of possible applications of the lens, in particular, it can be used for night vision in low light conditions (twilight and dark).

Claims (7)

Светосильный объектив, содержащий последовательно расположенные на оптической оси четыре компонента, первый из которых состоит из положительной линзы, второй компонент - из положительной линзы, третий компонент - из отрицательного мениска, а четвертый - из отрицательной линзы, отличающийся тем, что первый компонент состоит из двух линз, первая из которых выполнена в виде положительной двояковыпуклой линзы, а вторая линза - в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, второй компонент содержит одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, третий компонент содержит две линзы, вторая из которых выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:A fast lens containing four components sequentially located on the optical axis, the first of which consists of a positive lens, the second component of a positive lens, the third component of a negative meniscus, and the fourth of a negative lens, characterized in that the first component consists of two lenses, the first of which is made in the form of a positive biconvex lens, and the second lens is in the form of a negative concave-convex lens, convex to the image space, the second component with holds a single positive meniscus facing concavity to the image space, the third component contains two lenses, the second of which is made in the form of a positive meniscus facing concavity to the image space, the fourth component is made in the form of a negative meniscus facing concavity to the image space, and the aperture diaphragm is located in front of the first surface of the first component, with the following relationships: d_1-2=(0,8÷2,0)⋅F_0Б,d _1-2 = (0.8 ÷ 2.0) ⋅F _0Б , n_3-1=n₄≥2,0,n _3-1 = n ₄ ≥2.0, где F_0Б - фокусное расстояние объектива;where F _0B is the focal length of the lens; d_1-2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами;d _1-2 is the air gap between the first and second components; n_3-1 - показатель преломления первой линзы третьего компонента;n _3-1 is the refractive index of the first lens of the third component; n₄ - показатель преломления линзы четвертого компонента.n ₄ - refractive index of the fourth lens component.

Images