RU2281536C1

RU2281536C1 - Infrared lens with remote entrance pupil

Info

Publication number: RU2281536C1
Application number: RU2005106467/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Зарубин (RU); Владимир Петрович Зарубин; Сергей Иванович Щеглов (RU); Сергей Иванович Щеглов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева"
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-08-10

Abstract

FIELD: designed for operation in the far or middle infrared-band, applicable in infra-red imagers.

SUBSTANCE: the lens consists of three elements, the first of which, in the motion of beams, - a single negative meniscus turned by the concavity to the object, the second one - a biconvex lens, the third one - a positive meniscus turned by the concavity to the image. The relations between the radii of the optical surfaces, thickness of the components, distance between the components and the focal length of the lens indicated in the claim are realized in the lens.

EFFECT: enhanced focal length, enhanced remoteness of the entrance pupil, and simplified construction at a high quality of image.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в среднем и дальнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.The present invention relates to optical instrumentation, namely, to special lenses operating in the middle and far infrared wavelength range, and can be used in thermal imaging devices.

Известен монохроматический объектив с вынесенным входным зрачком [1], содержащий три одиночные положительные линзы по ходу лучей:Known monochromatic lens with a remote entrance pupil [1], containing three single positive lenses along the rays:

- мениск, обращенный вогнутостью к предмету;- meniscus facing concavity to the subject;

- двояковыпуклая линза;- biconvex lens;

- мениск, обращенный вогнутостью к предмету.- meniscus facing concavity to the subject.

Данный объектив имеет характеристики:This lens has the following characteristics:

фокусное расстояние f'focal length f ' 3,29 мм3.29 mm передняя апертураfront aperture 0,45 мм0.45 mm величина изображенияimage size 0,2 мм0.2 mm вынос входного зрачкаremoval of the entrance pupil 1 мм1 mm

Однако этот объектив имеет телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений, малое фокусное расстояние, малый вынос входного зрачка, низкое относительное отверстие, малый угол поля зрения, и, кроме того, так как данный объектив - монохроматический и состоит только из положительных линз, он имеет низкое качество изображения в широком спектральном диапазоне.However, this lens has a telecentric path of the main rays in the image space, a small focal length, a small projection of the entrance pupil, a low relative aperture, a small angle of the field of view, and, in addition, since this lens is monochromatic and consists only of positive lenses, it has low image quality in a wide spectral range.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является светосильный объектив с вынесенным входным зрачком [2], содержащий три компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, второй - одиночная двояковыпуклая линза, третий - двухлинзовый склеенный мениск, состоящий из двояковыпуклой и двояковогнутой линз; причем имеют место соотношения:The closest analogue to the claimed technical solution is a fast lens with a remote entrance pupil [2] containing three components, the first of which (along the rays) is a positive meniscus facing concavity to the subject, the second is a single biconvex lens, and the third is a two-lens glued meniscus consisting of biconvex and biconcave lenses; and there are relations:

|R₁|/|R₂|<1| R ₁ | / | R ₂ | <1

d₁/f'>0,5,d ₁ / f '> 0.5,

где R₁, R₂ - радиус первой и последней оптической поверхности по ходу лучей первого компонента;where R ₁ , R ₂ is the radius of the first and last optical surface along the rays of the first component;

d₁ - толщина первого компонента;d ₁ is the thickness of the first component;

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

фокусное расстояние f'focal length f ' 4,5 мм4,5 mm относительное отверстиеrelative hole 1:1,81: 1.8 угловое поле зренияangular field of view 99 град.99 degrees вынос входного зрачкаremoval of the entrance pupil 2 мм2 mm

Объектив рассчитан для ближней области спектра от 400 нм до 900 нм.The lens is designed for the near spectral region from 400 nm to 900 nm.

В объективе имеет место равенство:In the lens there is equality:

d₄/f'=0,02222,d ₄ / f '= 0,02222,

где d₄ - расстояние между вторым и третьим компонентами;where d ₄ is the distance between the second and third components;

Данный объектив предназначен для работы в видимом диапазоне спектра, так как все линзы объектива выполнены из обычного оптического стекла, имеет малое фокусное расстояние, малый вынос входного зрачка и сложность конструкции, так как объектив состоит не менее чем из четырех линз.This lens is designed to operate in the visible range of the spectrum, since all the lenses of the lens are made of ordinary optical glass, have a small focal length, a small projection of the entrance pupil and the complexity of the design, since the lens consists of at least four lenses.

Задачей заявляемого изобретения является создание инфракрасного объектива с вынесенным входным зрачком для работы в тепловизионных оптических системах, работающих в среднем или в дальнем ИК-диапазоне спектра с повышенными характеристиками.The task of the invention is the creation of an infrared lens with a remote entrance pupil for use in thermal imaging optical systems operating in the middle or in the far infrared spectrum with enhanced characteristics.

Технический результат - увеличение фокусного расстояния, повышение выноса входного зрачка и упрощение конструкции при высоком качестве изображения.The technical result is an increase in focal length, an increase in the extension of the entrance pupil and simplification of the design with high image quality.

Это достигается тем, что в объективе с вынесенным входным зрачком, содержащем три компонента, первый из которых (по ходу лучей) - одиночный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, второй - двояковыпуклая одиночная линза, третий - мениск, обращенный вогнутостью к изображению, и, кроме того, имеет место соотношение:This is achieved by the fact that in a lens with a remote entrance pupil containing three components, the first of which (along the rays) is a single meniscus facing concavity to the subject, the second is a biconvex single lens, the third is the meniscus facing concavity to the image, and, in addition, there is a ratio:

|R₁|/|R₂|<1,| R ₁ | / | R ₂ | <1,

в отличие от известного, первый компонент - отрицательный, третий компонент - одиночный положительный мениск, причем все три линзы выполнены из материала, прозрачного в ИК-области спектра, при этом показатель преломления материала второй и третьей линз не менее 2,3, и имеют место соотношения:in contrast to the known component, the first component is negative, the third component is a single positive meniscus, and all three lenses are made of a material that is transparent in the infrared region of the spectrum, while the refractive index of the material of the second and third lenses is at least 2.3, and ratios:

R₃/|R₄|=1R ₃ / | R ₄ | = 1

0,01<d₁/f'<0,10.01 <d ₁ / f '<0.1

0,8<d₄/f'<1,5,0.8 <d ₄ / f '<1.5,

где R₃, R₄ - радиус третьей и четвертой оптической поверхности по ходу лучей;where R ₃ , R ₄ - the radius of the third and fourth optical surface along the rays;

d₄ - расстояние между вторым и третьим компонентами;d ₄ is the distance between the second and third components;

Кроме того, показатель преломления материала первой линзы также может составлять не менее 2,3.In addition, the refractive index of the material of the first lens can also be at least 2.3.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.The drawing shows an optical diagram of the proposed lens.

Объектив состоит из трех последовательно расположенных по ходу лучей от предмета одиночных линз: отрицательного мениска 1, обращенного вогнутостью к предмету, двояковыпуклой линзы 2 и положительного мениска 3, обращенного вогнутостью к изображению. Перед мениском 1 и за мениском 3 могут быть расположены плоскопараллельные пластины.The lens consists of three single lenses sequentially located along the rays from the subject: a negative meniscus 1, facing concavity to the subject, a biconvex lens 2, and a positive meniscus 3, facing concavity to the image. Plane-parallel plates can be placed in front of meniscus 1 and behind meniscus 3.

Объектив работает следующим образом: световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1, 2, 3 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).The lens works as follows: the light flux from an object located at infinity enters the lens, where it passes through lenses 1, 2, 3 and forms an image of the object in the plane of the best setup in which the optical radiation receiver (not shown) is installed.

В соответствии с предложенным решением рассчитан инфракрасный объектив с вынесенным входным зрачком, исправленный в спектральном диапазоне от 8 до 12,5 мкм.In accordance with the proposed solution, an infrared lens with a remote entrance pupil, corrected in the spectral range from 8 to 12.5 μm, was calculated.

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

Характеристики рассчитанного объектива:Characteristics of the calculated lens:

фокусное расстояниеfocal length 74,55 мм74.55 mm относительное отверстиеrelative hole 1:2,41: 2.4 угол поля зренияfield of view angle 17 град.17 deg. задний фокальный отрезокback focal length 15,27 мм15.27 mm вынос входного зрачкаremoval of the entrance pupil 16 мм16 mm Объектив имеет следующие аберрации для λ=10 мкм:The lens has the following aberrations for λ = 10 μm: поперечная сферическая аберрацияtransverse spherical aberration для точки на осиfor a point on the axis не более 0,013 ммno more than 0,013 mm поперечная аберрация широкого наклонногоlateral aberration of wide inclined пучка в меридиональном сечении дляbeam in the meridional section for поля зрения 2W=17 град.field of view 2W = 17 deg. не более 0,02 ммno more than 0,02 mm поперечная аберрация широкого наклонногоlateral aberration of wide inclined пучка в сагиттальном сечении для поляbeam in a sagittal section for the field зрения 2W=17 град.view 2W = 17 deg. не более 0,016 ммno more than 0,016 mm меридиональный астигматический отрезок Х'_м meridional astigmatic segment X ' _m не более 0,043 ммno more than 0,043 mm сагиттальный астигматический отрезок X'_s sagittal astigmatic segment X ' _s не более 0,132 ммno more than 0,132 mm дисторсияdistortion не более 0,8%no more than 0.8%

ТаблицаTable Радиусы, ммRadii, mm Толщины, ммThickness mm МатериалMaterial Показатель преломления для λ=10 мкмRefractive index for λ = 10 μm Световой диаметр, ммLight diameter mm R₁=-34,59R ₁ = -34.59 30,430,4 d₁=2,9d ₁ = 2.9 ZnSeZnse 2,40672,4067 R₂=-38,114R ₂ = -38,114 3232 d₂=25d ₂ = 25 1one R₃=480,71R ₃ = 480.71 3434 d₃=2,9d ₃ = 2.9 GeGe 4,00244,0024 R₄=-480,71R ₄ = -480.71 3434 d₄=74d ₄ = 74 1one R₅=39,167R ₅ = 39.167 23,323.3 d₅=2,5d ₅ = 2.5 ZnSeZnse 2,40672,4067 R₆=44,866R ₆ = 44.866 22,422.4

В предлагаемом варианте изобретения имеют место равенства:In the proposed embodiment of the invention, there are equalities:

d₁/f'=0,0389,d ₁ / f '= 0.0389,

d₄/f'=0,992,d ₄ / f '= 0.992,

где d₁ - толщина первого компонента по ходу лучей;where d ₁ is the thickness of the first component along the rays;

d₄ - расстояние между второй и третьей линзами;d ₄ is the distance between the second and third lenses;

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан инфракрасный объектив с вынесенным входным зрачком, работающий в среднем или в дальнем ИК-диапазоне спектра, с повышенным фокусным расстоянием, повышенным выносом входного зрачка и с упрощенной конструкцией при высоком качестве изображения.Thus, as a result of the proposed solution, a technical result is obtained: an infrared lens with a remote entrance pupil is created that operates in the middle or far infrared range of the spectrum, with an increased focal length, increased input pupil extension, and with a simplified design with high image quality.

Источники информации:Information sources:

1. Авт. свид. СССР №1686398, G 02 В 9/16, 11/06, 13/22, публ. 1991 г.1. Auth. testimonial. USSR No. 1686398, G 02 B 9/16, 11/06, 13/22, publ. 1991 year

2. Патент России №2094833, G 02 В; 9/20, 13/02, публ. 1997 г.2. Russian patent No. 2094833, G 02; 9/20, 13/02, publ. 1997 year

Claims

1. A lens with a remote entrance pupil, containing three components, the first of which (along the rays) is a single meniscus facing concavity to the subject, the second is a biconvex single lens, the third is a meniscus facing concavity to the image, and, in addition, has place ratio

| R ₁ | / | R ₂ | <1,

where R ₁ , R ₂ is the radius of the first and last along the rays of the optical surface of the first component,

characterized in that the first component is negative, the third component is a single positive meniscus, and all three lenses are made of a material that is transparent in the infrared region of the spectrum, and there are relations:

R ₃ / | R ₄ | = 1;

0.01 <d ₁ / f '<0.1;

0.8 <d ₄ / f '<1.5,

where R ₃ , R ₄ - the radius of the third and fourth optical surface along the rays;

d ₁ is the thickness of the first component;

d ₄ is the distance between the second and third components;

f 'is the focal length of the entire lens,

in addition, the refractive indices of the material of the second and third lenses are at least 2.3.

2. The lens with a remote entrance pupil according to claim 1, characterized in that the refractive index of the material of the first lens is at least 2.3.