RU204248U1

RU204248U1 - LENS

Info

Publication number: RU204248U1
Application number: RU2020141879U
Authority: RU
Inventors: Наталия Ефимовна Кунделева; Татьяна Евгеньевна Емельянова; Татьяна Васильевна Топленикова
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2021-05-17

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив с формированием изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике.Объектив содержит четыре компонента, последовательно расположенные на оптической оси, и апертурную диафрагму, расположенную перед первым компонентом. Первый компонент выполнен в виде положительной двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, второй компонент - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, после которого введен спектроделительный блок, причем толщина второго компонента составляет не менее 1,1 фокусного расстояния объектива, толщина четвертого компонента - не менее 0,075 фокусного расстояния объектива, а его оптическая сила составляет не менее 1,95 оптической силы объектива по абсолютной величине.Данное техническое решение позволило увеличить поле зрения и задний отрезок объектива, уменьшить его длину, при сохранении хорошего качества изображения во всем поле зрения, а также позволило расширить функциональные возможности.The utility model relates to optical instrumentation, namely to lenses, and can be used as a lens with image formation on a CCD matrix and a photodetector. The lens contains four components arranged in series on the optical axis and an aperture diaphragm located in front of the first component. The first component is made in the form of a positive biconvex lens, consisting of a biconvex and biconcave lenses, the second component is a single positive meniscus facing the image space with a concave surface, the third component is made in the form of a biconvex lens, the fourth component is made in the form of a negative meniscus facing the concave surface to the space of objects, after which a spectral-splitting unit is introduced, and the thickness of the second component is not less than 1.1 of the focal length of the lens, the thickness of the fourth component is not less than 0.075 of the focal length of the lens, and its optical power is not less than 1.95 of the optical power of the lens in absolute value This technical solution made it possible to increase the field of view and the rear section of the lens, to reduce its length, while maintaining good image quality throughout the entire field of view, and also made it possible to expand the functionality.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив с формированием изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике.The utility model relates to optical instrumentation, namely to lenses, and can be used as a lens with image formation on a CCD matrix and a photodetector.

Известен объектив [1] из трех последовательно расположенных на оптической оси компонентов, первый из которых - двусклеенная линза, содержащая двояковыпуклую и плосковогнутую линзы, второй компонент -положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Данная конструкция объектива обеспечивает относительное отверстие 1:2.8, угловое поле зрения до 2w=14° при небольших продольных габаритах, не превышающих одного фокусного расстояния от первой поверхности объектива до плоскости изображений, и большом заднем отрезке, составляющем 0,5 фокусного расстояния объектива, что позволяет при необходимости разместить на заднем отрезке спектроделительный блок. Данная конструкция обеспечивает высокое качество изображений для точки на оси, но имеет относительно большой неисправленный астигматизм, что приводит к недопустимому снижению качества изображения для внеосевых точек поля зрения.Known lens [1] of three sequentially located on the optical axis of the components, the first of which is a double-glazed lens containing a biconvex and plano-concave lenses, the second component is a positive meniscus facing the concave surface to the image space, the third component is a negative meniscus facing the concave surface to image space. This lens design provides a relative aperture of 1: 2.8, an angular field of view up to 2w = 14 ° with small longitudinal dimensions not exceeding one focal length from the first surface of the lens to the image plane, and a large rear segment, which is 0.5 of the focal length of the lens, which allows, if necessary, to place a spectrum-splitting unit on the rear segment. This design provides high image quality for a point on the axis, but has relatively large uncorrected astigmatism, which results in unacceptable degradation of image quality for off-axis points of the field of view.

Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив[2], содержащий четыре компонента, расположенные последовательно на оптической оси, и апертурную диафрагму, установленную перед первым компонентом. Первый компонент выполнен в виде положительной двусклеенной линзы, содержащей двояковыпуклую и двояковогнутую линзы. Второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Третий компонент представляет собой двояковыпуклую линзу, четвертый компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, причем расстояние между вторым и третьим, третьим и четвертым компонентами составляет не менее 0,38 и 0,2 фокусного расстояния объектива, соответственно.Closest to the proposed lens is the lens [2], containing four components located in series on the optical axis, and an aperture diaphragm installed in front of the first component. The first component is made in the form of a positive double-glued lens containing a biconvex and biconcave lenses. The second component is made in the form of a negative meniscus glued from a biconcave and biconvex lenses. The third component is a biconvex lens, the fourth component is a negative meniscus facing the space of objects with a concave surface, and the distance between the second and third, third and fourth components is at least 0.38 and 0.2 of the lens focal length, respectively.

Прототип имеет хорошее качество изображений в центре поля зрения для угла поля зрения не более 2W=4° при фокусном расстоянии объектива 64,5 мм и относительном отверстии 1:2. У данного объектива задний фокальный отрезок составляет не более 0,27 фокусного расстояния объектива, что недостаточно для размещения на нем спектроделительного блока, а длина объектива от первой поверхности до плоскости изображений составляет 1,4 фокусного расстояния объектива.The prototype has good image quality in the center of the field of view for an angle of view of no more than 2W = 4 ° with a focal length of 64.5 mm and a relative aperture of 1: 2. For this lens, the rear focal length is no more than 0.27 of the lens focal length, which is not enough to accommodate the spectrum splitting unit, and the lens length from the first surface to the image plane is 1.4 of the lens focal length.

Задачей полезной модели является увеличение поля зрения, увеличение заднего отрезка и уменьшение длины объектива, при сохранении хорошего качества изображения во всем поле зрения, а также расширение функциональных возможностей.The task of the utility model is to increase the field of view, increase the rear section and decrease the length of the lens, while maintaining good image quality throughout the entire field of view, as well as expanding the functionality.

Объектив содержит четыре компонента, последовательно расположенные на оптической оси, и апертурную диафрагму, расположенную перед первым компонентом, первый компонент выполнен в виде положительной двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, второй компонент - мениск, третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, в отличие от прототипа, второй компонент выполнен в виде одиночного положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, после четвертого компонента введен спектроделительный блок, причем толщина второго компонента составляет не менее 1,1 фокусного расстояния объектива, толщина четвертого компонента - не менее 0,075 фокусного расстояния объектива, а его оптическая сила составляет не менее 1,95 оптической силы объектива по абсолютной величине.The lens contains four components sequentially located on the optical axis, and an aperture diaphragm located in front of the first component, the first component is made in the form of a positive double-glued lens, consisting of a biconvex and biconcave lenses, the second component is a meniscus, the third component is made in the form of a biconvex lens, the fourth the component is made in the form of a negative meniscus facing the space of objects with a concave surface, in contrast to the prototype, the second component is made in the form of a single positive meniscus facing the space of images with a concave surface, after the fourth component, a spectral splitting unit is introduced, and the thickness of the second component is at least 1 , 1 focal length of the lens, the thickness of the fourth component is not less than 0.075 of the focal length of the lens, and its optical power is not less than 1.95 optical power of the lens in absolute value.

Спектроделительный блок может быть выполнен из оптического стекла с показателем преломления n_e<1,5 и с возможностью разделения спектрального излучения с областью (500…900) нм и излучения с длиной волны (1060±30) нм или (1540±30) нм.The spectral splitting unit can be made of optical glass with a refractive index n _e <1.5 and with the possibility of separating spectral radiation with a region of (500 ... 900) nm and radiation with a wavelength of (1060 ± 30) nm or (1540 ± 30) nm.

Выбор формы оптических компонентов, их расположения, выбор толщины четвертого компонента, а также его оптической силы позволили увеличить поле зрения и задний фокальный отрезок, уменьшить длину объектива при исправлении аберраций широких наклонных пучков, а выбор толщины второго компонента позволил улучшить аберрации осевых пучков и сферохроматизм, что обеспечило хорошее качество изображения по всему полю зрения.The choice of the shape of the optical components, their location, the choice of the thickness of the fourth component, as well as its optical power made it possible to increase the field of view and the rear focal segment, to reduce the length of the objective when correcting the aberrations of wide oblique beams, and the choice of the thickness of the second component made it possible to improve the aberrations of the axial beams and spherochromatism. which ensured good image quality across the entire field of view.

Введение спектроделительного блока, расположенного после четвертого компонента, его выполнение из оптического стекла с показателем преломления n_e<1,5 и с возможностью разделения спектрального излучения с областью (500…900) нм и излучения с длиной волны (1060±30) нм или (1540±30) нм позволило использовать объектив как для формирования изображения на ПЗС-матрице, так и для регистрации возвратного излучения лазерного дальномера на площадке фотоприемника, оптически сопряженной со спектроделительной гранью спектроделительного блока, что расширило функциональные возможности применения данного объектива.Introduction of a spectral dividing unit located after the fourth component, its implementation of optical glass with a refractive index n _e <1.5 and with the possibility of separating spectral radiation with the region (500 ... 900) nm and radiation with a wavelength of (1060 ± 30) nm or ( 1540 ± 30) nm made it possible to use the lens both for forming an image on a CCD matrix and for registering the return radiation of a laser rangefinder on the photodetector platform, optically coupled with the spectral splitting edge of the spectral splitting unit, which expanded the functionality of this lens.

На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива.FIG. 1 shows the optical scheme of the proposed lens.

На фиг. 2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D -расстояния между поверхностями линз, - показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии е.FIG. 2 shows the design parameters of the objective lenses and the glass characteristics, where R is the radius of curvature of the lens surfaces, D is the distance between the lens surfaces, is the refractive index of the lens glasses for the e line (λ = 546 nm), ν is the Abbe number for the e line.

На фиг. 3 приведены графики расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на оси.FIG. 3 shows the graphs of the calculated polychromatic frequency-contrast characteristic (T) for a point on the axis.

На фиг. 4 приведены графики расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на краю поля зрения 2W=8°.FIG. 4 shows the graphs of the calculated polychromatic frequency-contrast characteristic (T) for a point at the edge of the field of view 2W = 8 °.

Объектив (фиг. 1) состоит из последовательно установленных по ходу луча четырех компонентов, первый из которых выполнен в виде положительной двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой 1 и двояковогнутой 2 линз, второй компонент - одиночный положительный мениск 3, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы 4, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска 5, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов. После четвертого компонента на заднем фокальном отрезке объектива расположен спектроделительный блок 6. Апертурная диафрагма совпадает с первой поверхностью двояковыпуклой линзы 1 первого компонента. Объектив рассчитан со светофильтром 7, выделяющим спектральный диапазон (500…900) нм. Толщина второго компонента равна 9 мм (см. фиг. 2), что составляет 0,136 фокусного расстояния объектива. Толщина четвертого компонента равна 5,1 мм, что составляет 0,077 фокусного расстояния объектива, а оптическая сила этого компонента равна:The lens (Fig. 1) consists of four components sequentially installed in the direction of the beam, the first of which is made in the form of a positive double-glued lens, consisting of a biconvex 1 and biconcave 2 lenses, the second component is a single positive meniscus 3, with a concave surface facing the image space, the third component is made in the form of a biconvex lens 4, the fourth component is made in the form of a negative meniscus 5 facing the space of objects with a concave surface. After the fourth component on the rear focal segment of the lens is a spectral splitting unit 6. The aperture diaphragm coincides with the first surface of the biconvex lens 1 of the first component. The objective is designed with a light filter 7, which selects the spectral range (500 ... 900) nm. The thickness of the second component is 9 mm (see Fig. 2), which is 0.136 of the focal length of the lens. The thickness of the fourth component is 5.1 mm, which is 0.077 of the focal length of the lens, and the optical power of this component is:

ϕ₄=|1/-(33,469)|=|-0,0299|=1,977ϕ,ϕ ₄ = | 1 / - (33.469) | = | -0.0299 | = 1.977ϕ,

где ϕ₄ - оптическая сила четвертого компонента, ϕ - оптическая сила всего объектива.where ϕ ₄ is the optical power of the fourth component, ϕ is the optical power of the entire lens.

Спектроделительный блок 6 выполнен из оптического стекла с показателем преломления =1,484, в виде куб-призмы, на гипотенузную грань которой нанесено спектроделительное покрытие, пропускающее спектральное излучание с областью (500…900) нм и отражающее излучение с длиной волны (1060±30) нм или (1540±30) нм.Spectrum splitting unit 6 is made of optical glass with a refractive index = 1.484, in the form of a cube-prism, on the hypotenuse face of which a spectral splitting coating is applied, which transmits spectral radiation with a region of (500 ... 900) nm and reflective radiation with a wavelength of (1060 ± 30) nm or (1540 ± 30) nm.

Предлагаемый объектив имеет: фокусное расстояние 66,14 мм, относительное отверстие 1:3, угол поля зрения 2w=8°. Входной зрачок диаметром 22 мм совпадает с первой поверхностью объектива. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N=145 мм^-1 для точки на оси не менее 0,5, на краю поля зрения 2W=8° не менее 0,4.The offered lens has: focal length 66.14 mm, relative aperture 1: 3, angle of view 2w = 8 °. The entrance pupil, 22 mm in diameter, coincides with the first surface of the lens. Polychromatic modulation transfer coefficients (T) for the spatial frequency N = 145 mm ^-1 for a point on the axis not less than 0.5, at the edge of the field of view 2W = 8 ° not less than 0.4.

Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображений равна 75,3 мм, что составляет 1,138 фокусного расстояния объектива, что меньше, чем длина объектива от его первой поверхности до плоскости изображений у прототипа.The length of the lens from the first surface to the image plane is 75.3 mm, which is 1.138 of the focal length of the lens, which is less than the length of the lens from its first surface to the image plane of the prototype.

Задний фокальный отрезок объектива равен 28,74 мм, что составляет 0,43 фокусного расстояния объектив, что больше чем у прототипа.The rear focal length of the lens is 28.74 mm, which is 0.43 of the focal length of the lens, which is more than that of the prototype.

Графики полихроматической частотно-контрастной характеристики для точки на оси и для края поля зрения, приведенные на фиг. 3 и 4, подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения для пространственных частот не менее 145 мм^-1 по всему полю в спектральном диапазоне (500…900) нм, позволяет получить хорошее изображение на матрице с размером пиксела 3,45 мкм.The polychromatic frequency contrast plots for the point on the axis and for the edge of the field of view shown in FIG. 3 and 4, confirm that the lens has good image quality for spatial frequencies of at least 145 mm ^-1 over the entire field in the spectral range (500 ... 900) nm, allows you to get a good image on a matrix with a pixel size of 3.45 microns.

Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=8° проходит через входной зрачок объектива, диаметром 22 мм, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись через поверхности линз 1-5 попадает в спектроделительный блок 6, разделяющий излучение с длинами волн λ=(500…900) нм и излучение с длиной волны λ,=1540 нм или λ=1060 нм. Излучение с длинами волн λ=(500…900) нм проходит через светофильтр 7, и фокусируется в плоскости изображений, где расположена ПЗС-матрица. Пучок лучей с длиной волны λ=1540 нм или λ=1060 нм фокусируется на площадке фотоприемника.The lens works as follows: a parallel light beam with a field of view angle of 2W = 8 ° passes through the entrance pupil of the lens, 22 mm in diameter, coinciding with the first surface, and, refracted through the surfaces of lenses 1-5, it enters the spectral splitting unit 6, which separates radiation with lengths waves λ = (500 ... 900) nm and radiation with a wavelength λ = 1540 nm or λ = 1060 nm. Radiation with wavelengths λ = (500 ... 900) nm passes through the light filter 7, and is focused in the image plane, where the CCD matrix is located. A beam of rays with a wavelength of λ = 1540 nm or λ = 1060 nm is focused on the area of the photodetector.

Источники информации:Information sources:

1. RU 2239212 С2 (ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева»), 27.10.2004, весь документ.1. RU 2239212 C2 (OJSC "Krasnogorsk plant named after SA Zverev"), 27.10.2004, the entire document.

2. BY 12150 С1 (ОАО «Пеленг»), 30.08.2009, весь документ - прототип.2. BY 12150 C1 (Peleng OJSC), 30.08.2009, the entire document is a prototype.

Claims

1. A lens containing four components, sequentially located on the optical axis, and an aperture diaphragm located in front of the first component, the first component is made in the form of a positive double-glued lens, consisting of biconvex and biconcave lenses, the second component is a meniscus, the third component is made in the form of a biconvex lenses, the fourth component is made in the form of a negative meniscus facing the space of objects with a concave surface, characterized in that the second component is made in the form of a single positive meniscus facing the space of images with a concave surface, after the fourth component, a spectral splitting unit is introduced, and the thickness of the second component is not less than 1.1 focal length of the lens, the thickness of the fourth component is not less than 0.075 of the focal length of the lens, and its optical power is not less than 1.95 optical power of the lens in absolute value.

2. Lens according to claim 1, characterized in that the _{spectral-dividing unit is made of optical glass with a refractive index n e} <1.5 and with the possibility of separating spectral radiation with a region (500 ... 900) nm and radiation with a wavelength of (1060 ± 30 ) nm or (1540 ± 30) nm.