RU191911U1

RU191911U1 - Projection Aperture Lens

Info

Publication number: RU191911U1
Application number: RU2019111254U
Authority: RU
Inventors: Алексей Викторович Полесский; Александра Дмитриевна Юдовская
Original assignee: Акционерное общество "НПО "Орион"
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-08-28

Abstract

Объектив предназначен для работы в ИК области спектра, и может быть применен в установках для измерения пятен рассеяния объективов и оптических зондов. Проекционный светосильный объектив содержит три компонента и апертурную диафрагму. Первый компонент - положительный мениск, обращенный вогнутой стороной к пространству предметов, второй компонент - двояковогнутая линза, третий компонент - двояковыпуклая линза. Первый и третий компоненты выполнены из кремния, второй компонент выполнен из оптического материала с показателем преломления не менее 4. Расстояние между первым и вторым компонентами не менее 0,8 от фокусного расстояния объектива. Технический результат - создание светосильного проекционного объектива, работающего в спектральном диапазоне 3,5…5 мкм, с числовой апертурой в пространстве предметов не менее 0,7, увеличением 13-15 крат и обладающего дифракционным качеством изображения. 4 ил., 1 табл.The lens is designed to work in the infrared region of the spectrum, and can be used in installations for measuring the scattering spots of lenses and optical probes. The projection fast lens contains three components and an aperture diaphragm. The first component is the positive meniscus with the concave side facing the space of objects, the second component is a biconcave lens, and the third component is a biconvex lens. The first and third components are made of silicon, the second component is made of optical material with a refractive index of at least 4. The distance between the first and second components is at least 0.8 of the focal length of the lens. EFFECT: creation of a fast projection lens operating in the spectral range of 3.5 ... 5 μm, with a numerical aperture in the space of objects of at least 0.7, magnification 13-15 times and having diffraction image quality. 4 ill., 1 tab.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно, к специальным объективам, работающим в ИК области спектра, и может быть применена в установках для измерения пятен рассеяния ИК объективов и оптических зондов.The utility model relates to the field of optical instrumentation, namely, to special lenses operating in the infrared region of the spectrum, and can be used in installations for measuring the scattering spots of IR lenses and optical probes.

В связи с растущими объемами производства ИК техники и ужесточением требований к качеству изображения ИК объективов, требуется создание средств оперативного и точного контроля качества ИК объективов. Для проведения контроля качества ИК объективов путем исследования их пятен рассеяния требуется создание измерительного оборудования, включающего в себя матричный ИК анализатор и проекционный РЖ объектив с большим увеличением, числовой апертурой не менее 0,7 и дифракционным качеством изображения.Due to the growing production of IR equipment and the tightening of the requirements for image quality of IR lenses, it is necessary to create means of operational and accurate quality control of IR lenses. To conduct quality control of IR lenses by studying their scattering spots, it is necessary to create measuring equipment, which includes a matrix IR analyzer and a projection RJ lens with a large increase, a numerical aperture of at least 0.7, and diffraction image quality.

Известен светосильный объектив с высоким качеством изображения без виньетирования при угле зрения не менее 2W=7° [патент BY 10796 С1, МПК G02B 13/14, 2008]. Объектив содержит четыре компонента и апертурную диафрагму.Known fast lens with high image quality without vignetting at a viewing angle of at least 2W = 7 ° [patent BY 10796 C1, IPC G02B 13/14, 2008]. The lens contains four components and an aperture diaphragm.

Первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент - в виде положительной линзы. В случае выполнения положительной линзы в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, объектив будет работать в средней ИК области.The first component is made in the form of a positive meniscus facing the concave surface to the image space, the second component is in the form of a negative meniscus facing the concave surface to the image space, the third component is made in the form of a negative meniscus facing the concave surface to the image space, the fourth component in the form positive lens. In the case of a positive lens in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the space of objects, the lens will work in the middle infrared region.

Апертурная диафрагма расположена после четвертого компонента, на расстоянииThe aperture diaphragm is located after the fourth component, at a distance

6 мм для объектива среднего ИК диапазона и совмещена с охлаждаемой диафрагмой фотоприемника. Расстояние между вторым и третьим компонентами составляет не менее 0,45 фокусного расстояния объектива. Фокусное расстояние объектива 100 мм. Концентрация энергии в кружке диаметром 0,035 мм не менее 91% (точка на оси) и 87% (край поля зрения). Первый и четвертый компоненты выполнены из кремния, второй и третий компоненты выполнены из монокристаллического германия. Относительное отверстие объектива не менее 1:1,36. Недостатком данного объектива является то, что он относится к классу изображающих систем и не может работать с объектом, находящимся на конечном расстоянии (т.е. объектив не является проекционным).6 mm for a mid-IR lens and combined with a cooled aperture of the photodetector. The distance between the second and third components is at least 0.45 of the focal length of the lens. The focal length of the lens is 100 mm. The energy concentration in a circle with a diameter of 0.035 mm is at least 91% (a point on the axis) and 87% (edge of the field of view). The first and fourth components are made of silicon, the second and third components are made of single-crystal germanium. The relative aperture of the lens is at least 1: 1.36. The disadvantage of this lens is that it belongs to the class of imaging systems and cannot work with an object located at a finite distance (i.e. the lens is not a projection one).

Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив микроскопа [патент US 2004/0051957 A1, G02B 21/02, 2004], включающий в себя 3 оптических компонента, работающий в видимом диапазоне длин волн, имеющий числовую апертуру в пределах от 0,6 до 0,7 (в зависимости от исполнения) и увеличение не более 12 крат.Closest to the proposed lens is a microscope objective [patent US 2004/0051957 A1, G02B 21/02, 2004], including 3 optical components operating in the visible wavelength range, having a numerical aperture in the range from 0.6 to 0, 7 (depending on version) and an increase of not more than 12 times.

Первая положительная линза может быть выполнена в виде плосковыпуклой линзы или мениска в предпочтительном исполнении или в виде двояковыпуклой линзы в альтернативном исполнении. Вторая положительная линза может быть выполнена в виде двояковыпуклой или плоско-выпуклой линзы в предпочтительном исполнении или в виде мениска в альтернативном исполнении. Предпочтительное исполнение третьей отрицательной линзы - в виде мениска или двояковогнутой линзы, в альтернативном исполнении - в виде плоско-вогнутой линзы. Апертурная диафрагма может располагаться перед задней поверхностью второй положительной линзы или в пределах объектива.The first positive lens can be made in the form of a plano-convex lens or meniscus in a preferred embodiment or in the form of a biconvex lens in an alternative embodiment. The second positive lens can be made in the form of a biconvex or flat-convex lens in a preferred embodiment or in the form of a meniscus in an alternative embodiment. The preferred embodiment of the third negative lens is in the form of a meniscus or a biconcave lens, in an alternative embodiment, in the form of a flat-concave lens. The aperture diaphragm may be located in front of the rear surface of the second positive lens or within the lens.

Поле зрения объектива составляет 220-240 мкм. Отношение поля зрения к выходному диаметру объектива не менее 0,11-0,15 (в зависимости от исполнения). Отношение увеличения объектива к числовой апертуре не превышает 27,5. Недостатком данного аналога является невозможность его использования в среднем инфракрасном диапазоне длин волн, а также недостаточное увеличение.The field of view of the lens is 220-240 microns. The ratio of the field of view to the output diameter of the lens is not less than 0.11-0.15 (depending on version). The ratio of the magnification of the lens to the numerical aperture does not exceed 27.5. The disadvantage of this analogue is the impossibility of its use in the middle infrared wavelength range, as well as an insufficient increase.

Задачей полезной модели является создание светосильного проекционного объектива, работающего в спектральном диапазоне 3,5…5 мкм, с числовой апертурой в пространстве предметов не менее 0,7, увеличением 13-15 крат и обладающего дифракционным качеством изображения.The objective of the utility model is to create a fast projection lens operating in the spectral range of 3.5 ... 5 microns, with a numerical aperture in the space of objects of at least 0.7, magnification 13-15 times and having diffraction image quality.

Решение задачи обеспечивается тем, что проекционный светосильный объектив содержит три компонента и апертурную диафрагму, расположенную на последней поверхности третьего компонента (Фиг. 1. Оптическая схема объектива). Первый компонент представляет собой положительный мениск 1, обращенный вогнутой стороной к пространству предметов, второй компонент - двояковогнутая линза 2, третий компонент - двояковыпуклая линза 3, первый и третий компоненты выполнены из кремния, второй компонент выполнен из оптического материала с показателем преломления не менее 4, расстояние между первым и вторым компонентами не менее 0,8 от фокусного расстояния объектива. Такая конструкция позволяет обеспечить высокую степень коррекции сферической аберрации и комы при высоких значениях числовой апертуры.The solution to the problem is provided by the fact that the projection aperture lens contains three components and an aperture diaphragm located on the last surface of the third component (Fig. 1. Optical design of the lens). The first component is a positive meniscus 1 facing the space of objects with the concave side, the second component is a biconcave lens 2, the third component is a biconvex lens 3, the first and third components are made of silicon, the second component is made of optical material with a refractive index of at least 4, the distance between the first and second components is not less than 0.8 from the focal length of the lens. This design allows you to provide a high degree of correction of spherical aberration and coma at high values of the numerical aperture.

Выполнение третьего компонента в виде двояковыпуклой линзы, первого и третьего компонентов из оптического материала одной марки (кремния), второй линзы - из оптического материала с показателем преломления не менее 4 (например, германия), обеспечивает работу объектива в средней инфракрасной области спектра.The implementation of the third component in the form of a biconvex lens, the first and third components of the optical material of the same brand (silicon), the second lens of the optical material with a refractive index of at least 4 (for example, germanium), provides the lens in the middle infrared region of the spectrum.

Вариант исполнения оптической системы (см. таблицу) характеризуется следующими параметрами: числовая апертура в пространстве предметов 0,8, параксиальное увеличение 14 крат, фокусное расстояние f'=15,7 мм. Расстояние переноса с учетом входного окна фотоприемника из германия толщиной 2,5 мм, находящемся на расстоянии 32 мм от фоточувствительного слоя фотоприемника, составляет 225 мм. При этом расстояние от плоскости предметов до первой поверхности составляет 1,5 мм, а расстояние от последней поверхности объектива до входного окна фотоприемника составляет 180 мм.The embodiment of the optical system (see table) is characterized by the following parameters: numerical aperture in the space of objects 0.8, paraxial magnification 14 times, focal length f '= 15.7 mm. The transfer distance, taking into account the input window of the photodetector from germanium with a thickness of 2.5 mm, located at a distance of 32 mm from the photosensitive layer of the photodetector, is 225 mm. The distance from the plane of objects to the first surface is 1.5 mm, and the distance from the last surface of the lens to the input window of the photodetector is 180 mm.

Объектив работает следующим образом: поток излучения от предмета, расположенного на конечном расстоянии от объектива, проходит через линзы 1, 2 и 3 и образует увеличенное изображение предмета в плоскости изображений, совмещенной с плоскостью фоточувствительного слоя фотоприемника.The lens works as follows: the radiation flux from an object located at a finite distance from the lens passes through lenses 1, 2 and 3 and forms an enlarged image of the object in the image plane, combined with the plane of the photosensitive layer of the photodetector.

Объектив обладает качеством изображения, близким к дифракционному, что подтверждает график ЧКХ системы, рассчитанной в обратном ходе лучей (Фиг. 2. Частотно-контрастная характеристика объектива в обратном ходе лучей).The lens has an image quality close to diffraction, which confirms the graph of the frequency response of the system calculated in the reverse ray path (Fig. 2. Frequency-contrast characteristic of the lens in the reverse ray path).

Графические изображения на фиг. 3, где показывается функция концентрации энергии в кружке рассеяния заданного радиуса, и фиг. 4 - аберрационные пятна рассеяния (черным цветом обозначен кружок Эйри), иллюстрируют высокое качество изображения заявляемой полезной модели.The graphic images in FIG. 3, where the function of the energy concentration in the scattering circle of a given radius is shown, and FIG. 4 - aberration scattering spots (black color indicates the Airy circle), illustrate the high quality image of the claimed utility model.

Claims

A projection fast lens containing three components and an aperture diaphragm, the first component is a positive meniscus with the concave side facing the space of objects, characterized in that the second component is a negative biconcave lens, the third component is made in the form of a positive biconvex lens, the first and third components made of silicon, the second component is made of optical material with a refractive index of at least 4, the distance between the first and second com onentami not less than 0.8 times the focal length.