RU166689U1

RU166689U1 - TWO FIELDS OF VISION INFRARED SYSTEM

Info

Publication number: RU166689U1
Application number: RU2016127371/28U
Authority: RU
Inventors: Виллен Арнольдович Балоев; Владимир Петрович Иванов; Наталья Геннадьевна Нигматуллина; Сергей Владимирович Рагинов; Дина Нургазизовна Шарифуллина
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2016-12-10

Abstract

Инфракрасная система с двумя полями зрения, состоящая из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу, второго компонента, содержащего двояковогнутую линзу и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего компонента, содержащего двояковыпуклую линзу, четвертого компонента, содержащего первую положительную и вторую положительную выпукло-вогнутую линзы, причем между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение, и фотоприемного устройства, отличающаяся тем, что в первом компоненте дополнительно введена вторая отрицательная выпукло-вогнутая линза, в четвертом компоненте первая линза выполнена вогнуто-выпуклой и дополнительно введены третья отрицательная выпукло-вогнутая и четвертая двояковыпуклая линзы, при этом выполняются следующие соотношения:0,6<f′/f′<0,72;0,08<f′/f′<0,2,где f′и f′- фокусные расстояния первого и четвертого компонентов;f′- максимальное фокусное расстояние системы.An infrared system with two fields of view, consisting of a first component located along the optical axis containing a first positive convex-concave lens, a second component containing a biconcave lens and mounted to move along the optical axis, a third component containing a biconvex lens, and a fourth component containing the first positive and second positive convex-concave lenses, and between the third and fourth components an intermediate image is formed, and a receiving device, characterized in that in the first component, a second negative convex-concave lens is additionally introduced, in the fourth component, the first lens is concave-convex and a third negative convex-concave and fourth biconvex lens are additionally introduced, wherein the following ratios are fulfilled: 0.6 <f / f <0.72; 0.08 <f / f <0.2, where f and f are the focal lengths of the first and fourth components; f is the maximum focal length of the system.

Description

Полезная модель относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использована при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами, осуществляющих обнаружение и распознавание объектов.The utility model relates to infrared optical systems and can be used to create thermal imaging devices with cooled matrix photodetectors that detect and recognize objects.

Известен объектив с двумя полями зрения для среднего инфракрасного диапазона (см. патент US 6424460 В1, МПК⁷ G02В 15/14 публ. 23.07.2002 г.) с фокусными расстоянием 160/53 мм и относительными отверстием 1:2,5, в котором смена полей зрения осуществляется перемещением одного из компонентов вдоль оптической оси. Недостатком объектива являются малое фокусное расстояние в узком поле зрения, отсутствие промежуточного изображения, не обеспечивающее минимизацию габаритов входной линзы, и большое количество используемых материалов линз.A known lens with two fields of view for the middle infrared range (see patent US 6424460 B1, IPC ⁷ G02B 15/14 publ. 07/23/2002) with a focal length of 160/53 mm and a relative aperture of 1: 2.5, in which the change of field of view is carried out by moving one of the components along the optical axis. The disadvantage of the lens is the small focal length in a narrow field of view, the absence of an intermediate image that does not minimize the size of the input lens, and the large number of lens materials used.

Также известен объектив для дальнего инфракрасного диапазона (см. патент RU 2400784 С1, МПК⁷ G02В 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 близкой по технической сущности к заявляемой системе, принятой за прототип, является система, приведенная в патенте RU 2541420 С1, МПК⁷ G02В 13/14 публ. 10.02.2015 г., состоящая из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу, второго компонента, содержащего двояковогнутую линзу, третьего компонента, содержащего двояковыпуклую линзу, и четвертого компонента, содержащего первую двояковыпуклую и вторую выпукло-вогнутую положительные линзы. Второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси в пространстве между первым и третьим компонентами для осуществления переключения полей зрения, при этом между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение. Линза первого компонента и первая линза третьего компонента выполнены асферо-дифракционными; линзы второго и третьего компонентов выполнены асферическими. Указанная система предназначена для работы в средневолновом инфракрасном диапазоне спектра с относительным отверстием 1:2, в широком поле зрения, соответствующем режиму обнаружения объектов, фокусное расстояние составляет f′_min=107 мм, в узком поле зрения, соответствующем режиму распознавания, фокусное расстояние - f′_mах=320 мм, длина от первой поверхности до плоскости чувствительных элементов - L=343 мм. Наличие промежуточного изображения обеспечивает возможность оптимального сопряжения с приемником излучения с охлаждаемой диафрагмой.The closest in technical essence to the claimed system adopted for the prototype, is the system described in patent RU 2541420 C1, IPC ⁷ G02B 13/14 publ. 02/10/2015, consisting of the first component containing a positive convex-concave lens located along the optical axis, the second component containing a biconcave lens, the third component containing a biconvex lens, and the fourth component containing the first biconvex and second convex-concave positive lenses . The second component is installed with the possibility of moving along the optical axis in the space between the first and third components for switching field of view, while an intermediate image is formed between the third and fourth components. The lens of the first component and the first lens of the third component are made aspheric-diffraction; the lenses of the second and third components are aspherical. The specified system is designed to operate in the mid-wave infrared range of the spectrum with a relative aperture of 1: 2, in a wide field of view corresponding to the detection mode of objects, the focal length is f ′ _min = 107 mm, in a narrow field of view corresponding to the recognition mode, the focal length is f ′ _Max = 320 mm, the length from the first surface to the plane of the sensitive elements is L = 343 mm. The presence of an intermediate image allows optimal coupling with a radiation receiver with a cooled diaphragm.

В таких системах надежность обнаружения объектов обеспечивается хорошим качеством изображения на краю поля зрения при минимальном фокусном расстоянии (широкое поле зрения), тогда как при максимальном фокусном расстоянии допустимо снижение качества изображения на краю, в связи с тем, что в режиме распознавания работа системы осуществляется центром поля зрения.In such systems, the reliability of object detection is ensured by good image quality at the edge of the field of view at a minimum focal length (wide field of view), while at the maximum focal length a decrease in image quality at the edge is permissible due to the fact that the system operates in the recognition mode by the center field of view.

В указанной системе концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм в узком поле зрения составляет 74% в центре и 69% на краю поля зрения, в широком - 77% в центре и 40% на краю поля зрения, что недостаточно для обеспечения надежности обнаружения объектов. Ухудшение качества изображения при минимальном фокусном расстоянии обусловлено наличием асферо-дифракционных элементов, которые обеспечивая уменьшение массы системы и высокое качество изображения в узком поле зрения, являются сложными в изготовлении и повышают стоимость изделия.In this system, the energy concentration in a circle with a diameter of 15 μm in a narrow field of view is 74% in the center and 69% at the edge of the field of view, in a wide one - 77% in the center and 40% at the edge of the field of view, which is insufficient to ensure the reliability of detection of objects. The deterioration in image quality at a minimum focal length is due to the presence of aspheric diffraction elements, which provide a reduction in the mass of the system and high image quality in a narrow field of view, are difficult to manufacture and increase the cost of the product.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение высокого качества изображения инфракрасной системы за счет повышения концентрации энергии на краю поля зрения при минимальном фокусном расстоянии с сохранением габаритных размеров.The task to which the utility model is directed is to provide a high-quality image of the infrared system by increasing the energy concentration at the edge of the field of view with a minimum focal length while maintaining overall dimensions.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасной системе с двумя полями зрения, состоящей из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу, второго компонента, содержащего двояковогнутую линзу и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего компонента, содержащего двояковыпуклую линзу, четвертого компонента, содержащего первую положительную и вторую положительную выпукло-вогнутую линзы, причем между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение, и фотоприемного устройства, в первом компоненте дополнительно введена вторая отрицательная выпукло-вогнутая линза, в четвертом компоненте первая линза выполнена вогнуто-выпуклой и дополнительно введены третья отрицательная выпукло-вогнутая и четвертая двояковыпуклая линзы, при этом выполняются следующие соотношения:This goal is achieved by the fact that in an infrared system with two fields of view, consisting of the first component containing the first positive convex-concave lens located along the optical axis, the second component containing the biconcave lens and installed with the ability to move along the optical axis, the third component containing biconvex lens, the fourth component containing the first positive and second positive convex-concave lenses, and between the third and fourth components form uetsya intermediate image and the photodetector, the first component additionally introduced second convex-concave negative lens in the fourth component of the first lens is made concavo-convex, and further introduced third negative convex-concave and the fourth biconvex lens, wherein the following relations:

0,6<F′_I/f′_mах<0,72;0.6 <F ′ _I / f ′ _max <0.72;

0,08<f′_IV/f′_mах<0,2,0.08 <f _IV / f _max <0.2,

где f′_I и f′_IV - фокусные расстояния первого и четвертого компонентов; f′_mах - максимальное фокусное расстояние системы.where f ′ _I and f ′ _IV are the focal lengths of the first and fourth components; f ′ _max is the maximum focal length of the system.

На фигуре 1 представлена оптическая схема инфракрасной системы с двумя полями зрения.The figure 1 presents the optical diagram of an infrared system with two fields of view.

На фигуре 2 представлены графики функции концентрации энергии (ФКЭ) системы в узком (а) и широком (б) полях зрения.The figure 2 presents graphs of the function of the concentration of energy (FFE) of the system in a narrow (a) and wide (b) fields of view.

Инфракрасная система с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси первого компонента I, содержащего первую положительную 1 и вторую отрицательную 2 выпукло-вогнутые линзы, второго компонента II, содержащего двояковогнутую линзу 3 и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего компонента III, содержащего двояковыпуклую линзу 4, четвертого компонента IV, содержащего первую вогнуто-выпуклую 5 и вторую выпукло-вогнутую 6 положительные линзы, третью отрицательную выпукло-вогнутую 7 и двояковыпуклую 8 линзы, и фотоприемного устройства 9 с охлаждаемой диафрагмой 10. В пространстве между третьим III и четвертым IV компонентами формируется промежуточное изображение.The infrared system with two fields of view consists of the first component I located along the optical axis, containing the first positive 1 and the second negative 2 convex-concave lenses, the second component II, containing the biconcave lens 3 and mounted with the possibility of movement along the optical axis, the third component III, containing a biconvex lens 4, the fourth component IV, containing the first concave-convex 5 and the second convex-concave 6 positive lenses, the third negative convex-concave 7 and biconvex I have 8 lenses, and a photodetector 9 with a cooled diaphragm 10. An intermediate image is formed in the space between the third III and fourth IV components.

Для фокусных расстояний f′_I и f′_IV первого I и четвертого IV компонентов соответственно и максимального фокусного расстояния системы f′_max выполняются следующие соотношения: 0,6<f′_I/f′_max<0,72; 0,08<f′_IV/f′_max<0,2.For the focal lengths f ′ _I and f ′ _{IV of the} first I and fourth IV components, respectively, and the maximum focal length of the system f ′ _max , the following relationships hold: 0.6 <f ′ _I / f ′ _max <0.72; 0.08 <f _IV / f _max <0.2.

В таблице 1 приведены конструктивные параметры конкретного примера исполнения инфракрасной системы с двумя полями зрения.Table 1 shows the design parameters of a specific example of an infrared system with two fields of view.

В таблице 2 приведены соотношения, выполняемые в заявляемой системе, для фокусных расстояний f′_I и f′_IV первого I и четвертого IV компонентов соответственно и максимального фокусного расстояния системы f′_max для конкретного примера исполнения, приведенного в таблице 1.Table 2 shows the ratios performed in the inventive system for the focal lengths f ′ _I and f ′ _{IV of the} first I and fourth IV components, respectively, and the maximum focal length of the system f ′ _max for a specific embodiment shown in table 1.

В таблице 3 приведены значения переменных воздушных промежутков для двух полей зрения объектива.Table 3 shows the values of the variable air gaps for the two fields of view of the lens.

В таблице 4 приведены технические характеристики.Table 4 shows the technical specifications.

В заявляемой инфракрасной системе за счет выбора конструктивного исполнения, при котором отсутствуют асферо-дифракционные элементы, а также выполнения соотношений, приведенных в таблице 2, улучшено качество изображения при минимальном фокусном расстоянии за счет повышения концентрации энергии на краю поля зрения. Как следует из графиков, представленных на фигуре 2, концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм в узком поле зрения составляет 73% в центре и 53% на краю поля зрения, а в широком - 71% в центре и 64% на краю, что выше, чем в прототипе на 24%. При этом имеет место допустимое снижение концентрации энергии на краю в узком поле зрения.In the inventive infrared system due to the choice of design, in which there are no aspheric diffraction elements, as well as the fulfillment of the ratios shown in Table 2, the image quality is improved at a minimum focal length by increasing the energy concentration at the edge of the field of view. As follows from the graphs presented in figure 2, the energy concentration in a circle with a diameter of 15 μm in a narrow field of view is 73% in the center and 53% at the edge of the field of view, and in a wide one - 71% in the center and 64% at the edge, which is higher than in the prototype by 24%. In this case, an acceptable decrease in the energy concentration at the edge in a narrow field of view takes place.

Инфракрасная система с двумя полями зрения работает следующим образом: поток излучения проходит через линзы 1-4 компонентов I-III системы, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами и материалами линз, и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем линзами 5-8 компонента IV переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения 9. Диаметр пучка излучения определяется диаметром охлаждаемой диафрагмы 10 приемника излучения 9.An infrared system with two fields of view works as follows: the radiation flux passes through the lenses of 1-4 components of the I-III system, refracted on each surface in accordance with the radii and materials of the lenses, and focuses in the plane of the intermediate image, then with lenses 5-8 of the IV component transferred to the plane of the sensitive elements of the radiation receiver 9. The diameter of the radiation beam is determined by the diameter of the cooled diaphragm 10 of the radiation receiver 9.

Смена полей зрения (фокусного расстояния) системы осуществляется перемещением линзы 3 второго компонента II вдоль оптической оси в пространстве между линзами 2 и 4 первого I и третьего III компонентов на 25 мм.The change of field of view (focal length) of the system is carried out by moving the lens 3 of the second component II along the optical axis in the space between lenses 2 and 4 of the first I and third III components by 25 mm.

Таким образом, в заявляемой инфракрасной системе с двумя полями зрения за счет конструктивного исполнения, при котором отсутствуют асферо-дифракционные элементы, обеспечивается высокое качество изображения за счет повышения концентрации энергии при минимальном фокусном расстоянии в пределах всего поля зрения, при допустимом снижении концентрации энергии на краю поля зрения при максимальном фокусном расстоянии с сохранением габаритных размеров.Thus, in the inventive infrared system with two fields of view due to the design, in which there are no aspheric diffraction elements, high image quality is ensured by increasing the energy concentration at a minimum focal length within the entire field of view, with an acceptable decrease in the energy concentration at the edge field of view at maximum focal length while maintaining overall dimensions.

Claims

An infrared system with two fields of view, consisting of a first component located along the optical axis containing a first positive convex-concave lens, a second component containing a biconcave lens and mounted to move along the optical axis, a third component containing a biconvex lens, and a fourth component containing the first positive and second positive convex-concave lenses, and between the third and fourth components an intermediate image is formed, and topriemnogo device, characterized in that the first component additionally introduced second convex-concave negative lens in the fourth component of the first lens is made concavo-convex, and further introduced third negative convex-concave and the fourth biconvex lens, wherein the following relations:

0.6 <f ′ _I / f ′ _max <0.72;

0.08 <f ′ _IV / f ′ _max <0.2,

where f ′ _I and f ′ _IV are the focal lengths of the first and fourth components;

f ′ _max is the maximum focal length of the system.