RU139664U1

RU139664U1 - INFRARED LENS WITH TWO FIELDS OF VISION

Info

Publication number: RU139664U1
Application number: RU2013148929/28U
Authority: RU
Inventors: Виллен Арнольдович Балоев; Владимир Петрович Иванов; Сергей Владимирович Рагинов; Дина Нургазизовна Шарифуллина
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2014-04-20

Abstract

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения, состоящий из неподвижного первого компонента, содержащего первую выпукло-вогнутую линзу и вторую положительную двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, подвижного второго компонента, содержащего отрицательную линзу, первая поверхность которой выполнена асферической, установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и неподвижного третьего компонента, содержащего первую двояковыпуклую и вторую положительные линзы, отличающийся тем, что первая линза первого неподвижного компонента выполнена положительной, линза второго подвижного компонента выполнена двояковогнутой, вторая линза третьего неподвижного компонента выполнена выпукло-вогнутой, при этом вторая поверхность первой линзы первого неподвижного компонента и первая поверхность первой линзы третьего неподвижного компонента выполнены асферо-дифракционными, кроме того, второй подвижный компонент расположен между первой и второй линзами неподвижного первого компонента.An infrared lens with two fields of view, consisting of a stationary first component containing a first convex-concave lens and a second positive biconvex lens, the second surface of which is made aspherical, a movable second component containing a negative lens, the first surface of which is made aspherical, mounted to move along optical axis, and a stationary third component containing the first biconvex and second positive lenses, characterized in that the first I the lens of the first fixed component is positive, the lens of the second movable component is biconcave, the second lens of the third fixed component is convex-concave, while the second surface of the first lens of the first fixed component and the first surface of the first lens of the third fixed component are made aspheric-diffraction, in addition, a second movable component is located between the first and second lenses of the stationary first component.

Description

Полезная модель относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах.The utility model relates to infrared optical systems and can be used in thermal imagers.

Известны объективы с двумя полями зрения для среднего инфракрасного диапазона (см. патенты US 2012/022914 A1, МПК⁷ G02B 15/14 публ. 13.09.2012 г., US 6424460 B1, МПК⁷ G02B 15/14 публ. 23.07.2002 г.) с фокусными расстояниями 508/258 мм, 160/53 мм и относительными отверстиями 1:2 и 1:2,5 соответственно, в которых смена полей зрения осуществляется перемещением одного из компонентов вдоль оптической оси. Недостатком первого из указанных объективов являются большие габариты входных линз, большое количество используемых материалов и малая кратность изменения полей зрения. Недостатком второго объектива являются малые относительное отверстие и фокусное расстояние в узком поле зрения, большое количество используемых материалов.Known lenses with two fields of view for the middle infrared range (see patents US 2012/022914 A1, IPC ⁷ G02B 15/14 publ. 09/13/2012, US 6424460 B1, IPC ⁷ G02B 15/14 publ. 07/23/2002 g .) with focal lengths of 508/258 mm, 160/53 mm and relative apertures of 1: 2 and 1: 2.5, respectively, in which the field of view is changed by moving one of the components along the optical axis. The disadvantage of the first of these lenses is the large size of the input lenses, a large number of materials used and the low rate of change of the field of view. The disadvantage of the second lens is the small relative aperture and focal length in a narrow field of view, a large number of materials used.

Также известен объектив для дальнего инфракрасного диапазона (см. патент RU 2400784 C1, МПК⁷ G02B 13/14 публ. 27.09.2010 г.), содержащий десять линз, с фокусным расстоянием 210/70 мм и относительным отверстием 1:2, смена полей зрения осуществляется перемещением двух компонентов вдоль оптической оси. Недостатками этого объектива являются большое количество линз, наличие двух перемещаемых компонентов и величина их перемещения (для одного из компонентов более 100 мм).Also known is a lens for the far infrared range (see patent RU 2400784 C1, IPC ⁷ G02B 13/14 publ. 09/27/2010) containing ten lenses with a focal length of 210/70 mm and a relative aperture of 1: 2, changing fields view is carried out by moving two components along the optical axis. The disadvantages of this lens are a large number of lenses, the presence of two moving components and the magnitude of their movement (for one of the components more than 100 mm).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объективу, принятым за прототип, является инфракрасный объектив с двумя полями зрения (см. патент US 2010/0033578 A1, МПК⁷ G02B 15/14 публ. 11.02.2010 г.), состоящий из трех компонентов: неподвижных первого и третьего и подвижного второго. Неподвижный первый компонент содержит первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия, вторую положительную двояковыпуклую линзу из селенида цинка с асферическими поверхностями, третью отрицательную выпукло-вогнутую линзу из фтористого кальция, четвертую положительную выпукло-вогнутую линзу из селенида цинка и пятую отрицательную выпукло-вогнутую линзу из германия, второй подвижный компонент содержит отрицательную вогнуто-выпуклую линзу из германия с асферическими поверхностями, третий неподвижный компонент содержит первую положительную двояковыпуклую линзу из германия с асферическими поверхностями и вторую положительную двояковыпуклую линзу из германия. Изменение поля зрения осуществляется путем перемещения подвижного компонента вдоль оптической оси в пространстве между первым и третьим компонентами. Объектив работает с относительным отверстием 1:2,7, в узком поле зрения фокусное расстояние объектива f′_max=180 мм, диаметр входного зрачка 66,7 мм, в широком поле зрения - f′_min=60 мм, диаметр входного зрачка 22,2 мм.The closest in technical essence to the claimed lens adopted for the prototype is an infrared lens with two fields of view (see patent US 2010/0033578 A1, IPC ⁷ G02B 15/14 publ. 02/11/2010), consisting of three components: motionless first and third and moving second. The fixed first component contains the first negative convex-concave lens of germanium, the second positive biconvex lens of zinc selenide with aspherical surfaces, the third negative convex-concave lens of calcium fluoride, the fourth positive convex-concave lens of zinc selenide and the fifth negative-convex lens of zinc selenide from Germany, the second movable component contains a negative concave-convex lens from germanium with aspherical surfaces, the third fixed component contains th positive biconvex lens with a germanium aspheric surfaces and a second positive lens of biconvex germanium. The change in the field of view is carried out by moving the moving component along the optical axis in the space between the first and third components. The lens works with a relative aperture of 1: 2.7, in a narrow field of view the focal length of the lens is f ′ _max = 180 mm, the diameter of the entrance pupil is 66.7 mm, in the wide field of view it is f ′ _min = 60 mm, the diameter of the entrance pupil is 22, 2 mm.

Недостатками этого инфракрасного объектива являются малые значения диаметра входного зрачка, при котором на фотоприемник тепловизора поступает малый поток излучения от объектов наблюдения, и фокусного расстояния, не обеспечивающего достаточного углового разрешения, что уменьшает дальность действия прибора.The disadvantages of this infrared lens are small values of the diameter of the entrance pupil, at which a small radiation flux from the objects of observation and a focal length that does not provide sufficient angular resolution, which reduces the range of the device, are supplied to the photodetector of the thermal imager.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение энергетических характеристик и углового разрешения инфракрасного объектива с двумя полями зрения за счет увеличения диаметра входного зрачка и фокусного расстояния.The problem the utility model aims to solve is to increase the energy characteristics and angular resolution of an infrared lens with two fields of view by increasing the diameter of the entrance pupil and focal length.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном объективе с двумя полями зрения, состоящем из неподвижного первого компонента, содержащего первую выпукло-вогнутую линзу и вторую положительную двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой выполнена асферической, подвижного второго компонента, содержащего отрицательную линзу, первая поверхность которой выполнена асферической, установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и неподвижного третьего компонента, содержащего первую двояковыпуклую и вторую положительные линзы, первая линза первого неподвижного компонента выполнена положительной, линза второго подвижного компонента выполнена двояковогнутой, вторая линза третьего неподвижного компонента выполнена выпукло-вогнутой, при этом вторая поверхность первой линзы первого неподвижного компонента и первая поверхность первой линзы третьего неподвижного компонента выполнены асферо-дифракционными, кроме того, второй подвижный компонент расположен между первой и второй линзами неподвижного первого компонента.This goal is achieved by the fact that in an infrared lens with two fields of view, consisting of a stationary first component containing a first convex-concave lens and a second positive biconvex lens, the second surface of which is made of an aspherical, movable second component containing a negative lens, the first surface of which is made aspherical, mounted with the ability to move along the optical axis, and a stationary third component containing the first biconvex and the second put lenses, the first lens of the first fixed component is positive, the lens of the second movable component is biconcave, the second lens of the third fixed component is convex-concave, while the second surface of the first lens of the first fixed component and the first surface of the first lens of the third fixed component are made by aspheric diffraction, in addition, the second movable component is located between the first and second lenses of the stationary first component.

На чертеже представлена оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения.The drawing shows an optical diagram of an infrared lens with two fields of view.

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента I, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу 1 и вторую положительную двояковыпуклую линзу 2, подвижного второго компонента II, содержащего отрицательную двояковогнутую линзу 3, и неподвижного третьего компонента III, содержащего первую положительную двояковыпуклую линзу 4 и вторую положительную выпукло-вогнутую линзу 5. Подвижный второй компонент расположен с возможностью перемещения вдоль оптической оси между первой 1 и второй 2 линзами неподвижного первого компонента I. Вторая поверхность первой положительной выпукло-вогнутой линзы 1 неподвижного первого компонента I и первая поверхность первой положительной двояковыпуклой линзы 4 неподвижного третьего компонента III выполнены асферо-дифракционными. Вторая поверхность второй положительной двояковыпуклой линзы 2 неподвижного первого компонента I и первая поверхность отрицательной двояковогнутой линзы 3 подвижного второго компонента II выполнены асферическими.An infrared lens with two fields of view consists of a stationary first component I located along the optical axis and containing a first positive convex-concave lens 1 and a second positive biconvex lens 2, a movable second component II, containing a negative biconcave lens 3, and a stationary third component III containing the first positive biconvex lens 4 and the second positive convex-concave lens 5. The movable second component is arranged to move along the optical the axis between the first 1 and second 2 lenses of the fixed first component I. The second surface of the first positive convex-concave lens 1 of the fixed first component I and the first surface of the first positive biconvex lens 4 of the fixed third component III are made aspheric-diffraction. The second surface of the second positive biconvex lens 2 of the stationary first component I and the first surface of the negative biconcave lens 3 of the movable second component II are aspherical.

В таблице 1 приведены технические характеристики объектива.Table 1 shows the specifications of the lens.

Таблица 1Table 1 Технические характеристикиSpecifications Узкое полеNarrow field Широкое полеWide field Спектральный диапазон работы, мкмSpectral range of work, microns 3-53-5 Фокусное расстояние, ммFocal length mm 320320 107107 Диаметр входного зрачка, ммDiameter of entrance pupil, mm 160160 53,553.5 Угловое поле зрения, градAngular field of view, hail 1,72×1,381.72 × 1.38 5,14×4,115.14 × 4.11

Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 2.The design parameters of the lens are shown in table 2.

Таблица 2table 2 Линза №Lens number Радиус сферической поверхности, ммRadius of a spherical surface, mm Толщина по оси, ммAxial thickness, mm МатериалMaterial 1one r₁=201,7r ₁ = 201.7 d₁=17d ₁ = 17 КремнийSilicon r₂=344,3 ¹⁾ r ₂ = 344.3 ¹⁾ d₂=137(112)d ₂ = 137 (112) 22 r₃=-137,5²⁾ r ₃ = -137.5 ²⁾ d₃=5d ₃ = 5 ГерманийGermanium r₄=146r ₄ = 146 d₄=8 (33)d ₄ = 8 (33) 33 r₅=253,5r ₅ = 253.5 d₅=7d ₅ = 7 КремнийSilicon r₆=-146,2 ³⁾ r ₆ = -146.2 ³⁾ d₆=125d ₆ = 125 4four r₇=111,3 ⁴⁾ r ₇ = 111.3 ⁴⁾ d₇=5d ₇ = 5 ГерманийGermanium r₈=-326,3r ₈ = -326.3 d₈=1d ₈ = 1 55 r₉=15,9r ₉ = 15.9 d₉=4d ₉ = 4 КремнийSilicon r₁₀=13,27r ₁₀ = 13.27 d₁₀=33.3d ₁₀ = 33.3 ¹⁾, ⁴⁾ - асферо-диффракционная поверхность; ¹⁾ , ⁴⁾ - aspheric-diffraction surface; ²⁾, ³⁾ - асферическая поверхность. ²⁾ , ³⁾ is an aspherical surface.

Как видно из таблицы 2, линзы объектива выполнены из двух оптических материалов: германия и кремния. Комбинация этих материалов, выбор оптических сил и формы линз, а также выполнение поверхностей линзы 1 и линзы 4 асферо-дифракционными обеспечивают высокое качество изображения. В таблице 3 приведены расчетные значения концентрации энергии, характеризующие качество изображения объектива.As can be seen from table 2, the lens is made of two optical materials: germanium and silicon. The combination of these materials, the choice of optical forces and the shape of the lenses, as well as the implementation of the surfaces of the lens 1 and lens 4 asfero-diffraction provide high image quality. Table 3 shows the calculated values of the energy concentration characterizing the image quality of the lens.

Таблица 3Table 3 Фокусное расстояние, ммFocal length mm Концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм, %The energy concentration in a circle with a diameter of 15 μm,% в центр поля зренияto the center of the field of view на краю поля зрения по горизонтуon the edge of the horizon 320320 7474 6969 107107 7777 4040

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения работает следующим образом: параллельный пучок лучей инфракрасного излучения проходит через все линзы объектива, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами и материалами линз и фокусируется на оптической оси в фокальной плоскости. Наклонные пучки лучей также проходят через все линзы объектива и фокусируются соответственно в других точках фокальной плоскости.An infrared lens with two fields of view works as follows: a parallel beam of infrared rays passes through all the lenses of the lens, refracted on each surface in accordance with the radii and materials of the lenses and focuses on the optical axis in the focal plane. Inclined beams of rays also pass through all the lenses of the lens and focus accordingly at other points in the focal plane.

Смена полей зрения (фокусного расстояния) объектива осуществляется перемещением линзы 3 подвижного второго компонента II вдоль оптической оси в пространстве между линзами 1 и 2 неподвижного первого компонента I на 25 мм.Changing the field of view (focal length) of the lens is carried out by moving the lens 3 of the movable second component II along the optical axis in the space between lenses 1 and 2 of the stationary first component I by 25 mm.

Таким образом, выполнение инфракрасного объектива с двумя полями зрения в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет повысить его энергетические характеристики и угловое разрешение за счет увеличения в 2,4 раза диаметра входного зрачка и в 1,8 раза фокусного расстояния.Thus, the implementation of an infrared lens with two fields of view in accordance with the formula of the claimed materials can increase its energy characteristics and angular resolution by increasing 2.4 times the diameter of the entrance pupil and 1.8 times the focal length.

Claims

An infrared lens with two fields of view, consisting of a stationary first component containing a first convex-concave lens and a second positive biconvex lens, the second surface of which is made aspherical, a movable second component containing a negative lens, the first surface of which is made aspherical, mounted to move along optical axis, and a stationary third component containing the first biconvex and second positive lenses, characterized in that the first I the lens of the first fixed component is positive, the lens of the second movable component is biconcave, the second lens of the third fixed component is convex-concave, while the second surface of the first lens of the first fixed component and the first surface of the first lens of the third fixed component are made aspheric-diffraction, in addition, a second movable component is located between the first and second lenses of the stationary first component.