RU2678957C1 - Wide-angle high-power infrared lens - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: lens can be used in thermal imagers sensitive in spectral range from 8 to 12 mcm. Lens contains four components, of which the first and second along the beam are positive menisci, facing the concave surfaces to the image plane, and the third is a negative meniscus facing a concave surface to the image plane. Fourth is a positive meniscus, facing a concave surface toward the plane of the images, or a convex-flat lens. First and fourth components are made of germanium, the second is made of chalcogenide glass IRG-26, the third is made of chalcogenide glass IRG-25. Second surfaces of the first and second components along the beam are made aspherical, the conical constants of which lie within: C2=4.2÷15.0; C4=2.6÷4.8, where: C2, C4 – conic constants of aspherical surfaces, respectively, of the first and second components. Following ratios are met: 3.57f'<f'<5f', 0.6f'<f'<0.64f', -0.52f'<f'<-0.45f', 0.75f'<f'<0.81f', where: f', f', f', f'– focal lengths of the first, second, third, and fourth components, respectively; f'– focal length of the lens.EFFECT: increasing the field of view, providing high quality images throughout the field of view and increasing the relative aperture.1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе микроболометрических матричных фотоприемников, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used in thermal imagers built on the basis of microbolometric matrix photodetectors sensitive in the spectral range from 8 to 12 microns.

Микроболометрические матрицы с форматом 640×480 чувствительных элементов (пикселей) имеют пиксель равный 17×17 мкм, что сравнимо с рабочей длиной волны, и линейные размеры 10,88×8,16 мм с диагональю 13,6 мм. Микроболометрические матрицы форматом 800×600 пикселей (линейные размеры 13,6×10,2 мм с диагональю 17 мм) имеют пиксель 17×17 мкм, при этом диагональ пикселя составляет 24 мкм. Объектив для указанных матриц должен иметь большое поле зрения. Если кружок рассеяния объектива будет превышать размеры пикселя, это приведет к уменьшению освещенности пикселя, что равнозначно уменьшению относительного отверстия объектива. Таким образом, эффективность высокого относительного отверстия объектива возможна только при одновременном достижении высокого качества изображения.Microbolometric matrices with a format of 640 × 480 sensitive elements (pixels) have a pixel equal to 17 × 17 μm, which is comparable to the working wavelength, and linear dimensions of 10.88 × 8.16 mm with a diagonal of 13.6 mm. Microbolometric matrices with a format of 800 × 600 pixels (linear dimensions 13.6 × 10.2 mm with a diagonal of 17 mm) have a pixel of 17 × 17 μm, while the pixel diagonal is 24 μm. The lens for these matrices should have a large field of view. If the lens diffusion circle exceeds the pixel size, this will lead to a decrease in the pixel illumination, which is equivalent to a decrease in the relative aperture of the lens. Thus, the efficiency of the high relative aperture of the lens is only possible while achieving high image quality.

Для оценки качества изображения объектива необходимо учитывать волновые свойства света, то есть дифракцию. На практике это достигается расчетом функции концентрации энергии и контраста изображения объектива.To assess the image quality of the lens, it is necessary to take into account the wave properties of light, that is, diffraction. In practice, this is achieved by calculating the function of the energy concentration and the contrast of the image of the lens.

В настоящее время, с учетом остаточных аберраций объектива, кружок рассеяния реального объектива определяется при 80% концентрации энергии, что соответствует критерию Релея. Другим критерием качества изображения может служить частотно-контрастная характеристика. Для матриц с малым размером пикселя контраст изображения объектива должен находиться в пределах 0,55÷0,65 на пространственной частоте 20÷30 мм^-1 (критерий Найквиста).Currently, taking into account the residual aberrations of the lens, the scattering circle of the real lens is determined at 80% energy concentration, which meets the Rayleigh criterion. Another criterion for image quality is the frequency-contrast characteristic. For matrices 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 test).

Известен светосильный объектив по патенту РФ №2586273, работающий в инфракрасной области спектра (8-12,5 мкм), имеющий по второму варианту фокусное расстояние 130,03 мм, поле зрения 6° и относительное отверстие 1:1,08.Known fast lens according to the patent of the Russian Federation No. 2586273, operating in the infrared region of the spectrum (8-12.5 microns), having a focal length of 130.03 mm in the second embodiment, a field of view of 6 ° and a relative aperture of 1: 1.08.

Объектив состоит из четырех одиночных менисков, обращенных вогнутостью к изображению. Первый мениск - положительный, второй и третий - отрицательные, четвертый - положительный. Первый, второй и четвертый мениски выполнены из германия, третий - из селенида цинка. Радиус второй оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу шестой оптической поверхности. Радиус третьей оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу пятой оптической поверхности.The lens consists of four single menisci facing concavity to the image. The first meniscus is positive, the second and third are negative, the fourth is positive. The first, second and fourth menisci are made of germanium, the third - of zinc selenide. The radius of the second optical surface along the rays modulo may be equal to the radius of the sixth optical surface. The radius of the third optical surface along the rays modulo can be equal to the radius of the fifth optical surface.

Для анализа качества изображения данный объектив пересчитан на фокусное расстояние 32 мм, как у заявляемого объектива.For analysis of image quality, this lens is counted at a focal length of 32 mm, as in the inventive lens.

Анализ качества изображения полученного объектива с учетом дифракции показал, что для относительного отверстия 1:1,08 контраст изображения составляет 0,72 на пространственной частоте 20 мм^-1 для осевой точки поля зрения, при диагональном поле зрения 10° контраст равен 0,62, а при 20° - нулю. Таким образом, основной недостаток объектива - малое поле зрения.An analysis of the image quality of the obtained lens taking into account diffraction showed that for a relative aperture of 1: 1.08, the image contrast is 0.72 at a spatial frequency of 20 mm ^-1 for the axial point of the field of view, with a diagonal field of view of 10 °, the contrast is 0.62, and at 20 ° - zero. Thus, the main disadvantage of the lens is a small field of view.

Наиболее близким к заявляемому изобретению - прототипом - является светосильный объектив по патенту РФ №2611100 от 23.10.2015 г., работающий в дальней инфракрасной области спектра. Объектив имеет фокусное расстояние 89,8 мм, относительное отверстие - не ниже 1:0,998.Closest to the claimed invention - the prototype - is a fast lens according to the patent of the Russian Federation No. 2611100 from 10.23.2015, working in the far infrared region of the spectrum. The lens has a focal length of 89.8 mm, the relative aperture is not lower than 1: 0.998.

Указанный светосильный объектив состоит из четырех расположенных по ходу лучей одиночных линз: первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и четвертая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Первая и четвертая линзы выполнены из германия, а вторая и третья линзы - из селенида цинка. Радиусы кривизны второй и шестой оптических поверхностей по ходу лучей равны:

.The specified high-aperture lens consists of four single lenses located along the rays: the first of which is the positive meniscus facing concavity to the image, the second is the positive meniscus facing concavity to the image, the third is the negative meniscus facing concavity to the image, and the fourth is the positive meniscus facing concavity to the image. The first and fourth lenses are made of germanium, and the second and third lenses are made of zinc selenide. The radii of curvature of the second and sixth optical surfaces along the rays are equal to:

.

Из приведенного примера конкретного исполнения объектива следует, что соотношения между фокусными расстояниями линз составляют:From the given example of a specific design of the lens, it follows that the ratio between the focal lengths of the lenses is:

f'₁=1,36 f'_Σ, f'₂=8 f'_Σ, f'₃=2,66 f'_Σ, f'₄=0,82 f'_Σ,f ' ₁ = 1.36 f' _Σ , f ' ₂ = 8 f' _Σ , f ' ₃ = 2.66 f' _Σ , f ' ₄ = 0.82 f' _Σ ,

где: f'₁, f'₂, f'₃, f'₄ - фокусные расстояния соответственно первой, второй, третьей и четвертой линз;where: f ' ₁ , f' ₂ , f ' ₃ , f' ₄ are the focal lengths of the first, second, third and fourth lenses, respectively;

f'_Σ - фокусное расстояние объектива.f ' _Σ is the focal length of the lens.

При относительном отверстии 1:0,998 объектив обладает высоким качеством изображения. Значение полихроматической частотно-контрастной характеристики объектива при 30 лин/мм для осевой точки - 0,55, по полю 8,4° - не менее 0,5.With a relative aperture of 1: 0.998, the lens has high image quality. The value of the polychromatic frequency-contrast characteristic of the lens at 30 lines / mm for the center point is 0.55, along the field of 8.4 ° - not less than 0.5.

Пересчет указанного объектива на фокусное расстояние 32 мм показал, что увеличение поля зрения до 19,3°×14,5°, что соответствует матрице форматом 640×480 пикселей, сопряжено с падением качества изображения по всему полю зрения. Значение полихроматической частотно-контрастной характеристики объектива при 30 лин/мм для осевой точки - 0,4, а на краю поля зрения - 0.Recalculation of this lens at a focal length of 32 mm showed that an increase in the field of view to 19.3 ° × 14.5 °, which corresponds to a matrix format of 640 × 480 pixels, is associated with a decrease in image quality over the entire field of view. The value of the polychromatic frequency-contrast characteristic of the lens at 30 lines / mm for the axial point is 0.4, and at the edge of the field of view it is 0.

Указанный объектив имеет недостаточное поле зрения и не может использоваться с матрицей 640×480 пикселей и тем более с матрицей 800×600 пикселей, для которой необходимо поле зрения 24°×18° (при фокусном расстоянии 32 мм). Кроме того, объектив обладает недостаточными относительным отверстием и качеством изображения по краям поля зрения.The specified lens has an insufficient field of view and cannot be used with a matrix of 640 × 480 pixels, and even more so with a matrix of 800 × 600 pixels, which requires a field of view of 24 ° × 18 ° (with a focal length of 32 mm). In addition, the lens has insufficient relative aperture and image quality at the edges of the field of view.

Техническая проблема заключается в достижении следующего технического результата: увеличение поля зрения, обеспечение высокого качества изображения объектива по всему полю зрения и увеличение относительного отверстия.The technical problem is to achieve the following technical result: increasing the field of view, ensuring high quality image of the lens over the entire field of view and increasing the relative aperture.

Указанный технический результат достигается следующим образом.The specified technical result is achieved as follows.

Широкоугольный светосильный инфракрасный объектив, как и прототип, содержит четыре компонента, из которых первый и второй по ходу луча компоненты - положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, причем первый и четвертый компоненты выполнены из германия.The wide-angle fast infrared lens, like the prototype, contains four components, of which the first and second along the beam components are positive menisci facing concave surfaces to the image plane, and the third component is the negative meniscus facing concave surfaces to the image plane, the first and The fourth components are made of Germany.

В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее. Второй компонент выполнен из халькогенидного стекла IRG-26, третий - из халькогенидного стекла IRG-25, а четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, или в виде выпукло- плоской линзы, причем вторые по ходу луча поверхности первого и второго компонентов выполнены асферическими, конические постоянные которых лежат в пределах:In contrast to the prototype, the following is performed in the lens. The second component is made of IRG-26 chalcogenide glass, the third is made of IRG-25 chalcogenide glass, and the fourth component is made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image plane, or in the form of a convex-flat lens, the second on the surface of the first and the second components are made aspherical, whose conical constants lie within:

К2=4,2÷15,0; К4=2,6÷4,8,K2 = 4.2 ÷ 15.0; K4 = 2.6 ÷ 4.8,

где: К2, К4 - конические постоянные асферических поверхностей соответственно первого и второго компонентов,where: K2, K4 - conical constants of aspherical surfaces, respectively, of the first and second components,

при этом выполняются следующие соотношения:the following relationships are true:

3,57f'_Σ<f'₁<5f'_Σ,3,57f ' _Σ <f' ₁ <5f ' _Σ ,

0,6f'_Σ<f'₂<0,64f'_Σ,0.6f ' _Σ <f' ₂ <0.64f ' _Σ ,

-0,52f'_Σ<f'₃<-0,45f'_Σ,-0.52f ' _Σ <f' ₃ <-0.45f ' _Σ ,

0,75f'_Σ<f'₄<0,81f'_Σ,0.75f ' _Σ <f' ₄ <0.81f ' _Σ ,

где: f'₁, f'₂, f'₃, f'₄ - фокусные расстояния соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов;where: f ' ₁ , f' ₂ , f ' ₃ , f' ₄ are the focal lengths of the first, second, third and fourth components, respectively;

f'_Σ - фокусное расстояние объектива.f ' _Σ is the focal length 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, показан ход широкого наклонного пучка лучей в меридиональной плоскости.In FIG. 1 shows the optical scheme of the lens, shows the progress of a wide inclined beam of rays in the meridional plane.

На фиг. 2 представлена частотно-контрастная характеристика (ЧКХ).In FIG. Figure 2 shows the frequency-contrast characteristic (CCK).

На фиг. 3 приведены графики функции концентрации энергии (ФКЭ).In FIG. 3 shows graphs of the function of energy concentration (FFE).

Широкоугольный светосильный инфракрасный объектив (фиг. 1) содержит четыре установленные по ходу луча компонента 1, 2, 3, 4. Защитное стекло 5 установлено перед матрицей фотоприемника 6, установленного в плоскости изображений (фокальной плоскости объектива F'). Компонент 1 - положительный мениск, выполненный из германия, его вторая по ходу луча поверхность асферическая. Компонент 2 - положительный мениск, выполненный из халькогенидного стекла марки IRG-26 фирмы SCHOTT, его вторая по ходу луча поверхность асферическая. Компонент 3 - отрицательный мениск, выполненный из халькогенидного стекла IRG-25 фирмы SCHOTT. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Компонент 4 - выпукло-плоская линза, выполненная из германия, обращенная плоской стороной к плоскости изображений. Апертурная диафрагма АД установлена на второй поверхности компонента 2. Конструктивные характеристики объектива приведены в таблице 1.Wide-angle fast infrared lens (Fig. 1) contains four installed along the beam component 1, 2, 3, 4. A protective glass 5 is installed in front of the matrix of the photodetector 6 mounted in the image plane (focal plane of the lens F '). Component 1 is a positive meniscus made of germanium; its second surface along the beam is aspherical. Component 2 is a positive meniscus made of chalcogenide glass of the brand IRG-26 from SCHOTT, its second surface along the beam is aspherical. Component 3 - negative meniscus made of chalcogenide glass IRG-25 from SCHOTT. All menisci face with concave surfaces to the image plane. Component 4 is a convex-flat lens made of germanium, facing the flat side to the image plane. The aperture diaphragm HELL is installed on the second surface of component 2. The design characteristics of the lens are shown in table 1.

* - асферизованные поверхности.* - aspherized surfaces.

Оптические характеристики объектива:Optical characteristics of the lens:

1. Фокусное расстояние1. Focal length 32 мм32 mm 2. Относительное отверстие2. Relative bore 1:0,921: 0.92 3. Поле зрения3. Field of view 24°×18°24 ° × 18 ° 4. Спектральный диапазон4. Spectral range 8-12 мкм8-12 microns 5. Длина объектива5. Lens Length 48,8 мм48.8 mm 6. Масса оптических деталей6. The mass of optical parts 68 г.68 g

Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения: f'₁=3,85 f'_Σ, f'₂=0,62 f'_Σ, f'₃=-0,5 f'_Σ, f'₄=0,765 f'_Σ. Конические постоянные равны: K2=7,38; К4=3,3.The lens design elements shown in Table 1 provide the following relationships: f ' ₁ = 3.85 f' _Σ , f ' ₂ = 0.62 f' _Σ , f ' ₃ = -0.5 f' _Σ , f ' ₄ = 0.765 f ' _Σ . The conical constants are equal: K2 = 7.38; K4 = 3.3.

Объектив работает следующим образом. Пучки лучей проходят через компоненты 1-4 таким образом, что главный луч ABC сначала проходит через центр апертурной диафрагмы (точка А), а в пространстве изображений луч ВС идет параллельно оптической оси, т.е. является телецентрическим. Это позволяет компенсировать кому и дисторсию. Дисторсия в прототипе составляет примерно 4%, а в предлагаемом объективе дисторсия менее 0,1%.The lens works as follows. Beams of rays pass through components 1–4 in such a way that the main beam ABC first passes through the center of the aperture diaphragm (point A), and in the image space the beam BC goes parallel to the optical axis, is telecentric. This allows you to compensate for coma and distortion. The distortion in the prototype is approximately 4%, and in the proposed lens distortion is less than 0.1%.

Точка С соответствует полю зрения 18°. В действительности объектив рассчитывался для косых лучей, т.е. для поля зрения 24°×18°. Это соответствует положению главного луча в точке D.Point C corresponds to a field of view of 18 °. In fact, the lens was calculated for oblique rays, i.e. for a field of view of 24 ° × 18 °. This corresponds to the position of the main beam at point D.

Рассмотрим характеристики качества изображения объектива по графикам частотно - контрастной характеристики (ЧКХ) и функции концентрации энергии (ФКЭ).Let us consider the characteristics of the image quality of the lens according to the graphs of the frequency - contrast characteristic (FMF) and the function of energy concentration (FFE).

Верхний график ЧКХ (фиг. 2) соответствует дифракционно ограниченному (безаберрационному) объективу. Контраст изображения одинаков для всех точек поля зрения и составляет 0,53 для пространственной частоты 30 мм^-1.The upper graph of the frequency response (Fig. 2) corresponds to a diffraction limited (non-aberrational) lens. The image contrast is the same for all points of the field of view and is 0.53 for the spatial frequency of 30 mm ^-1 .

Графики ФКЭ (фиг. 3) показывают, что в окружности с диаметром 24 мкм (что соответствует описанной окружности вокруг пикселя со сторонами 17×17 мкм) сосредоточено 76% энергии для осевой точки поля зрения, 78% - для зональной и 77% - для края поля зрения.The FCE graphs (Fig. 3) show that in a circle with a diameter of 24 μm (which corresponds to the described circle around a pixel with sides 17 × 17 μm), 76% of the energy is concentrated for the axial point of the field of view, 78% for the zonal and 77% for edge of the field of view.

Проведенные расчеты показали, что заявленный технический результат достигается при всех значениях конических постоянных: К2=4,2÷15,0; К4=2,6÷4,8 и при всех значениях фокусных расстояний компонентов: 3,57f'_Σ<f'₁<5f'_Σ; 0,6f'_Σ<f'₂<0,64f'_Σ; -0,52f'_Σ<f'₃<-0,45f'_Σ; 0,75f'_Σ<f'₄<0,81f'_Σ. Заявленный технический результат достигается и при выполнении компонента 4 в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений.The calculations showed that the claimed technical result is achieved for all values of the conical constants: K2 = 4.2 ÷ 15.0; K4 = 2.6 ÷ 4.8 and for all values of the focal lengths of the components: 3.57f ' _Σ <f' ₁ <5f '_Σ; 0.6f ' _Σ <f' ₂ <0.64f '_Σ; -0.52f ' _Σ <f' ₃ <-0.45f '_Σ; 0.75f ' _Σ <f' ₄ <0.81f ' _Σ . The claimed technical result is achieved when the component 4 is performed in the form of a meniscus facing a concave surface to the image plane.

Таким образом, предлагаемый объектив по сравнению с прототипом обладает большим относительным отверстием 1:0,92, более широким полем зрения 24°×18°, что соответствует матрице 800×600 пикселей, а также высоким (дифракционным) качеством изображения по всему полю зрения.Thus, the proposed lens in comparison with the prototype has a large relative aperture of 1: 0.92, a wider field of view of 24 ° × 18 °, which corresponds to a matrix of 800 × 600 pixels, as well as high (diffraction) image quality over the entire field of view.

Claims (10)

Широкоугольный светосильный инфракрасный объектив, содержащий четыре компонента, из которых первый и второй по ходу луча компоненты - положительные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, причем первый и четвертый компоненты выполнены из германия, отличающийся тем, что второй компонент выполнен из халькогенидного стекла IRG-26, третий - из халькогенидного стекла IRG-25, а четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, или в виде выпукло-плоской линзы, причем вторые по ходу луча поверхности первого и второго компонентов выполнены асферическими, конические постоянные которых лежат в пределах:A wide-angle fast infrared lens containing four components, of which the first and second components along the beam are the positive menisci facing concave surfaces to the image plane, and the third component is the negative meniscus facing the concave surface to the image plane, the first and fourth components being made of Germany, characterized in that the second component is made of chalcogenide glass IRG-26, the third is made of chalcogenide glass IRG-25, and the fourth component is made in the form of the meniscus facing a concave surface to the image plane, or in the form of a convex-flat lens, and the second along the beam surface of the first and second components are aspherical, whose conical constants lie within: К2=4,2÷15,0; К4=2,6÷4,8,K2 = 4.2 ÷ 15.0; K4 = 2.6 ÷ 4.8, где: К2, К4 - конические постоянные асферических поверхностей соответственно первого и второго компонентов,where: K2, K4 - conical constants of aspherical surfaces, respectively, of the first and second components, при этом выполняются следующие соотношения:the following relationships are true: 3,57f'_Σ<f'₁<5f'_Σ,3,57f ' _Σ <f' ₁ <5f ' _Σ , 0,6f'_Σ<f'₂<0,64f'_Σ,0.6f ' _Σ <f' ₂ <0.64f ' _Σ , -0,52f'_Σ<f'₃<-0,45f'_Σ,-0.52f ' _Σ <f' ₃ <-0.45f ' _Σ , 0,75f'_Σ<f'₄<0,81f'_Σ,0.75f ' _Σ <f' ₄ <0.81f ' _Σ , где: f'₁, f'₂, f'₃, f'₄ - фокусные расстояния соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов;where: f ' ₁ , f' ₂ , f ' ₃ , f' ₄ are the focal lengths of the first, second, third and fourth components, respectively; f'_Σ - фокусное расстояние объектива.f ' _Σ is the focal length of the lens.

Images