RU2386156C1 - Optical system with remote apertures for infrared spectrum - Google Patents

Optical system with remote apertures for infrared spectrum Download PDF

Info

Publication number
RU2386156C1
RU2386156C1 RU2008141041/28A RU2008141041A RU2386156C1 RU 2386156 C1 RU2386156 C1 RU 2386156C1 RU 2008141041/28 A RU2008141041/28 A RU 2008141041/28A RU 2008141041 A RU2008141041 A RU 2008141041A RU 2386156 C1 RU2386156 C1 RU 2386156C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
optical system
optical
rays
objective lens
Prior art date
Application number
RU2008141041/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Александрович Терешин (RU)
Евгений Александрович Терешин
Татьяна Николаевна Хацевич (RU)
Татьяна Николаевна Хацевич
Original Assignee
Институт физики полупроводников СО РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт физики полупроводников СО РАН filed Critical Институт физики полупроводников СО РАН
Priority to RU2008141041/28A priority Critical patent/RU2386156C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2386156C1 publication Critical patent/RU2386156C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lenses (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: optical system has an objective lens which constructs real intermediate image, a projection objective lens which inverts the image, and an aperture diaphragm lying between the projection objective lens and the image plane. The objective lens has a positive meniscus whose convex surface faces the object space and a biconcave lens. The projection objective lens has three menisci lying close to each other. The first and third menisci are positive and their convex surfaces face each other. The second meniscus is negative and its concave surface faces the image plane. All refracting surfaces are spherical. Relationships given in the formula of invention hold in the system.
EFFECT: increased technological effectiveness, increased distance of the input aperture from the first surface, and the output aperture from the last surface of the system, increased back focal distance, reduction of possible calculated focal distances to 15 mm while maintaining the aperture ratio, field angle and high image quality within the entire field.
4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в оптических системах тепловизионных приборов.The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used in optical systems of thermal imaging devices.

Для работы тепловизионного прибора, использующего сканирующие элементы, необходима оптическая система, выполняющая функцию фокусирующего объектива, с вынесенными входным и выходным зрачками, обеспечивающая оптическое сопряжение с холодной диафрагмой фотоприемного устройства (ФПУ), совмещаемой с выходным зрачком оптической системы, и сканером, размещаемым во входном зрачке системы, рассчитанная для инфракрасной (ИК) области спектра, соответствующей спектральной характеристике ФПУ.For the operation of a thermal imaging device using scanning elements, an optical system is needed that performs the function of a focusing lens with remote input and output pupils, which provides optical pairing with a cold diaphragm of a photodetector device (FPU), combined with the output pupil of the optical system, and a scanner located in the input pupil of the system, calculated for the infrared (IR) region of the spectrum corresponding to the spectral characteristic of the FPU.

Известны оптические системы объективов для инфракрасной области спектра, предназначенные для тепловизионных приборов, например светосильный объектив [RU 2183340 С1, 2002 г.], состоящий из четырех одиночных линз, имеющий относительное отверстие 1:1,65, поле зрения 18 град и спектральный диапазон работы от 8 до 12,5 мкм. Недостатком объектива является отсутствие вынесенных зрачков, что не позволяет рационально использовать его в тепловизионных приборах с современными ИК ФПУ.Known optical lens systems for the infrared region intended for thermal imaging devices, for example a fast lens [RU 2183340 C1, 2002], consisting of four single lenses, having a relative aperture of 1: 1.65, field of view 18 degrees and a spectral range of operation from 8 to 12.5 microns. The disadvantage of the lens is the lack of pupils, which does not allow its rational use in thermal imaging devices with modern infrared FPU.

Известен также инфракрасный объектив с вынесенным входным зрачком [RU 2281536 С1, 2006 г.], состоящий из трех одиночных линз, предназначенный для работы в дальнем или в среднем ИК-диапазоне в тепловизионных приборах. Объектив имеет фокусное расстояние 74,55 мм, относительное отверстие 1:2,4, угловое поле в пространстве предметов 17°, задний фокальный отрезок 15,27 мм, вынос входного зрачка 16 мм. Недостатком объектива является малая светосила, малая величина выноса входного зрачка и отсутствие действительного выходного зрачка, что при сопряжении с современными ИК ФПУ ведет к повышению уровня шумов тепловизионного прибора.Also known is an infrared lens with a remote entrance pupil [RU 2281536 C1, 2006], consisting of three single lenses, designed to work in the far or medium IR range in thermal imaging devices. The lens has a focal length of 74.55 mm, a relative aperture of 1: 2.4, an angular field in the space of objects of 17 °, a back focal segment of 15.27 mm, an extension of the entrance pupil of 16 mm. The disadvantage of the lens is a small aperture, a small amount of projection of the entrance pupil and the absence of a valid exit pupil, which when paired with modern IR FPUs leads to an increase in the noise level of the thermal imaging device.

Известна оптическая система для ИК области спектра [RU 2006128691 А, 2008 г.], содержащая семь линз и имеющая вынесенные входной и выходной зрачки. Недостатком этой системы является большое число компонентов, снижающих коэффициент пропускания и эффективную светосилу системы.A known optical system for the infrared region of the spectrum [RU 2006128691 A, 2008], containing seven lenses and having remote input and output pupils. The disadvantage of this system is the large number of components that reduce the transmittance and effective aperture of the system.

Известно, что для рационального проектирования тепловизионных приборов оптические системы должны иметь вынесенный выходной зрачок, сопрягаемый с диафрагмой ИК ФПУ [Тарасов В.В., Якушенко Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с. См. с.94-95], а для размещения сканеров оптические системы должны иметь и вынос входного зрачка.It is known that for the rational design of thermal imaging devices, optical systems must have a remote exit pupil, mating with the IR FPU diaphragm [Tarasov VV, Yakushenko Yu.G. "Looking" type infrared systems. - M .: Logos, 2004 .-- 444 p. See p. 94-95], and to accommodate scanners, optical systems must also have an exit pupil.

Наиболее близкой по технической сущности, принятой за прототип, является оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра [Патент США №6274868 В1, 2001. Оптическая схема - фиг.3, конструктивные параметры - таблицы 1 и 1а], содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первый по ходу лучей положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и вторую отрицательную линзу, проекционный объектив, содержащий три одиночных мениска, первый и третий из которых по ходу лучей являются положительными и обращены выпуклыми сторонами друг к другу, второй по ходу лучей мениск является отрицательным и обращен вогнутостью к плоскости изображений, и апертурную диафрагму, расположенную между проекционным объективом и плоскостью изображений. В объективе вторая отрицательная линза выполнена в форме мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений. В проекционном объективе расстояние между первым положительным мениском и вторым отрицательным составляет 0,9 от абсолютной величины фокусного расстояния оптической системы. В каждой из линз оптической системы одна из преломляющих поверхностей выполнена асферической. При этом в оптической системе прототипа соблюдаются следующие соотношения между оптическими силами:The closest in technical essence, adopted for the prototype, is an optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum [US Patent No. 6274868 B1, 2001. Optical design - figure 3, design parameters - tables 1 and 1a], containing sequentially located along the way ray lens, building a valid intermediate image containing the first positive meniscus in the direction of the rays, convex to the space of objects, and the second negative lens, a projection lens containing three single claim, the first and third of which along the beam is positive and convex sides facing each other along the second beam is a negative meniscus and a concavity facing towards the image plane, and the aperture stop disposed between the projection lens and the image plane. In the lens, the second negative lens is made in the form of a meniscus facing the concave side to the image plane. In the projection lens, the distance between the first positive meniscus and the second negative is 0.9 of the absolute value of the focal length of the optical system. In each of the lenses of the optical system, one of the refracting surfaces is aspherical. Moreover, in the optical system of the prototype the following relationships between the optical forces are observed:

φ12:φ=0,85:1:1; φ3=-0,66φ4; φ567=0,44:(-0,55):1; φ7=3,45φ,φ 1 : φ 2 : φ = 0.85: 1: 1; φ 3 = -0.66φ 4 ; φ 5 : φ 6 : φ 7 = 0.44: (- 0.55): 1; φ 7 = 3.45φ,

где φ1, φ2, φ - оптические силы соответственно объектива, проекционного объектива и оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра;where φ 1 , φ 2 , φ are the optical forces of the lens, projection lens, and optical system, respectively, with remote pupils for the infrared region of the spectrum;

φ3, φ4 - оптические силы соответственно первого по ходу лучей положительного мениска и второй двояковогнутой линзы в объективе;φ 3 , φ 4 - optical forces, respectively, of the first along the rays of the positive meniscus and the second biconcave lens in the lens;

φ5, φ6, φ7 - оптические силы первого, второго и третьего менисков по ходу лучей в проекционном объективе соответственно.φ 5 , φ 6 , φ 7 are the optical powers of the first, second, and third menisci along the rays in the projection lens, respectively.

Относительное отверстие оптической системы - прототипа от 1:1,65 до 1:3,16, система может быть пересчитана на конкретную величину фокусного расстояния, лежащую в диапазоне от 1,89 до 2,4 дюйма, т.е. от 48 до 60 мм, спектральный диапазон работы от 8 до 11,5 мкм. Угловое поле системы в пространстве предметов 18°. Удаление входного зрачка от первой поверхности системы составляет 0,505 от абсолютной величины фокусного расстояния |f'| системы, удаление выходного зрачка от последней поверхности системы составляет 0,1 |f'|, задний фокальный отрезок (расстояние от последней преломляющей поверхности до задней фокальной плоскости) составляет 0,52 |f'|.The relative aperture of the optical system - the prototype is from 1: 1.65 to 1: 3.16, the system can be converted to a specific focal length lying in the range from 1.89 to 2.4 inches, i.e. from 48 to 60 mm, the spectral range of operation is from 8 to 11.5 microns. The angular field of the system in the space of objects is 18 °. Removal of the entrance pupil from the first surface of the system is 0.505 of the absolute value of the focal length | f '| system, the removal of the exit pupil from the last surface of the system is 0.1 | f '|, the back focal segment (the distance from the last refracting surface to the rear focal plane) is 0.52 | f' |.

Недостатками прототипа являются нетехнологичность конструкции из-за использования большого числа асферических поверхностей, малая величина удаления входного зрачка от первой поверхности системы, малая величина удаления выходного зрачка от последней поверхности системы, малая величина заднего фокального отрезка, наличие ограничения (48 мм) по наименьшей расчетной величине фокусного расстояния.The disadvantages of the prototype are low-tech design due to the use of a large number of aspherical surfaces, a small amount of removal of the entrance pupil from the first surface of the system, a small amount of removal of the exit pupil from the last surface of the system, a small size of the back focal segment, the presence of a limitation (48 mm) of the smallest calculated value focal length.

Решение оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, содержащееся в прототипе, не позволяет использовать ее совместно с ИК ФПУ 2 и 3 поколений фирмы SOFRADIR и с существующими и перспективными ФПУ 2 и 3 поколений отечественного производства из-за невозможности согласовать холодную диафрагму с выходным зрачком системы, а также ограничивает возможности использования оптической системы в малогабаритных тепловизорах.The solution of the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum contained in the prototype does not allow its use in conjunction with IR FPUs of 2 and 3 generations of SOFRADIR and with existing and promising FPUs of 2 and 3 generations of domestic production due to the inability to coordinate the cold diaphragm with the output pupil of the system, and also limits the possibility of using the optical system in small-sized thermal imagers.

Для согласования оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра с холодной диафрагмы вышеупомянутых ФПУ необходимо, чтобы расстояние от выходного зрачка оптической системы до плоскости изображения было равно расстоянию от холодной диафрагмы ФПУ до плоскости чувствительных элементов ФПУ. Величина последнего для линейчатых ФПУ составляет примерно 11,6 мм, для матричных ФПУ - около 20 мм. Также необходимо, чтобы удаление выходного зрачка от последней поверхности системы учитывало конструктивные особенности криостата ФПУ и позволяло производить юстировку масштаба, фокусировку и термокомпенсацию оптической системы. Удаление входного зрачка от первой поверхности системы должно обеспечивать возможность размещения сканера или микросканирующего устройства.To match the optical system with the pupils for the infrared region of the spectrum from the cold diaphragm of the above FPUs, it is necessary that the distance from the exit pupil of the optical system to the image plane be equal to the distance from the FPU cold diaphragm to the plane of the FPU sensitive elements. The value of the latter for ruled FPUs is approximately 11.6 mm, for matrix FPUs - about 20 mm. It is also necessary that the removal of the exit pupil from the last surface of the system takes into account the design features of the FPU cryostat and allows for adjustment of the scale, focusing, and thermal compensation of the optical system. Removal of the entrance pupil from the first surface of the system should provide the possibility of placing a scanner or micro-scanning device.

Изобретение решает задачу повышения технологичности конструкции за счет использования только сферических преломляющих поверхностей, увеличения удаления входного зрачка от первой поверхности, увеличения удаления выходного зрачка от последней поверхности системы, увеличения заднего фокального отрезка, снижения нижней границы возможных расчетных фокусных расстояний до 15 мм при сохранении относительного отверстия, углового поля и высокого качества изображения в пределах всего поля.The invention solves the problem of improving the manufacturability of the structure by using only spherical refractive surfaces, increasing the distance of the entrance pupil from the first surface, increasing the distance of the exit pupil from the last surface of the system, increasing the back focal length, lowering the lower boundary of the possible estimated focal lengths to 15 mm while maintaining the relative aperture , angular field and high quality images within the entire field.

Для решения указанной задачи необходимо обеспечить такое сочетание оптических сил объектива, проекционного объектива, линз, входящих в их состав, форм отдельных линз, а также расстояний между линзами в проекционном объективе, чтобы увеличились величины удаления входного и выходного зрачков соответственно от первой и последней поверхностей, увеличился задний фокальный отрезок, а также было найдено оптимальное соотношение между параметрами объектива, проекционного объектива и входящих в них линз, которое позволило бы при этом обеспечить высокие значения частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и устранение дисторсии для всех точек поля при использовании только сферических преломляющих поверхностей.To solve this problem, it is necessary to provide such a combination of the optical powers of the lens, the projection lens, the lenses included in their composition, the shapes of the individual lenses, as well as the distances between the lenses in the projection lens, so that the distance between the entrance and exit pupils from the first and last surfaces increases, the posterior focal segment increased, and the optimal ratio between the parameters of the lens, projection lens, and the lenses included in them was found, which would allow it to provide l high values of the frequency-contrast characteristic (FM) and the elimination of distortion for all points of the field when using only spherical refractive surfaces.

Поставленная задача решается тем, что в известной оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первый по ходу лучей положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и вторую отрицательную линзу, проекционный объектив, содержащий три одиночных мениска, первый и третий из которых по ходу лучей являются положительными и обращены выпуклыми сторонами друг к другу, второй по ходу лучей мениск является отрицательным и обращен вогнутостью к плоскости изображений, и апертурную диафрагму, расположенную между проекционным объективом и плоскостью изображений, в объективе вторая отрицательная линза выполнена двояковогнутой, в проекционном объективе мениски расположены вплотную друг к другу, при этом преломляющие поверхности оптической системы являются сферическими и выполняются следующие соотношения:The problem is solved in that in the known optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum, containing a lens sequentially located along the rays, constructing a real intermediate image containing the first positive meniscus along the rays, convex to the space of objects, and the second negative lens, a projection lens containing three single menisci, the first and third of which are positive along the rays and face each other with convex sides yeah, the second meniscus along the rays of the lens is negative and facing concavity to the image plane, and the aperture diaphragm located between the projection lens and the image plane, the second negative lens is biconcave in the lens, the menisci in the projection lens are close to each other, while the refracting surfaces optical systems are spherical and the following relationships are true:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где φ1, φ2, - оптические силы объектива и проекционного объектива соответственно;where φ 1 , φ 2 , are the optical powers of the lens and the projection lens, respectively;

|φ| - абсолютное значение оптической силы оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра;| φ | - the absolute value of the optical power of the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum;

φ3, φ4 - оптические силы первого по ходу лучей положительного мениска и второй двояковогнутой линзы в объективе соответственно;φ 3 , φ 4 - the optical power of the first along the rays of the positive meniscus and the second biconcave lens in the lens, respectively;

φ5, φ6, φ7 - оптические силы первого, второго и третьего менисков по ходу лучей в проекционном объективе соответственно.φ 5 , φ 6 , φ 7 are the optical powers of the first, second, and third menisci along the rays in the projection lens, respectively.

Предлагаемая оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра позволяет повысить технологичность, обеспечивает повышение удаления входного зрачка от первой поверхности, повышение удаления выходного зрачка от последней поверхности системы, увеличение заднего фокального отрезка, снижение нижней границы возможных расчетных фокусных расстояний до 15 мм при сохранении относительного отверстия, углового поля и высокого качества изображения в пределах всего поля.The proposed optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum makes it possible to increase manufacturability, provides an increase in the distance of the entrance pupil from the first surface, an increase in the distance of the exit pupil from the last surface of the system, an increase in the back focal length, a decrease in the lower boundary of the possible estimated focal lengths to 15 mm while maintaining the relative holes, angular field and high quality images within the entire field.

Указанные преимущества в сравнении с прототипом в оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра достигаются новой совокупностью отличительных признаков:These advantages in comparison with the prototype in the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum are achieved by a new set of distinctive features:

- выполнением второй отрицательной линзы в объективе в форме двояковогнутой;- the implementation of the second negative lens in the lens in the form of a biconcave;

- расположением менисков в проекционном объективе вплотную друг к другу;- the location of the menisci in the projection lens close to each other;

- выполнением всех преломляющих поверхностей оптической системы сферическими;- the implementation of all the refracting surfaces of the optical system spherical;

- соблюдением соотношений (1) и (2).- observance of relations (1) and (2).

Выполнение в оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра всех преломляющих поверхностей сферическими позволяет повысить технологичность, т.к. исключаются трудоемкие в изготовлении асферические поверхности.Performing in the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum of all refracting surfaces spherical allows you to increase manufacturability, because labor-intensive aspherical surfaces are excluded.

Соблюдение указанных соотношений (1) обеспечивает такое сочетание оптических сил объектива и проекционного объектива, при котором увеличиваются величины: удаление входного зрачка от первой поверхности до 2 |f'|, удаление выходного зрачка от последней поверхностей до 0,8 |f'|, задний фокальный отрезок до 1,3 |f'|. В результате реализуется возможность снизить нижнюю границу фокусного расстояния до 15 мм, сохранив возможность сопряжения с современными ИК ФПУ 2 и 3 поколений фирмы SOFRADIR и с существующими и перспективными ФПУ 2 и 3 поколений отечественного производства, что позволяет применять оптическую систему в малогабаритных тепловизионных приборах.Compliance with the indicated relations (1) provides such a combination of the optical forces of the lens and the projection lens, in which the values increase: removal of the entrance pupil from the first surface to 2 | f '|, removal of the exit pupil from the last surface to 0.8 | f' |, back focal segment up to 1.3 | f '|. As a result, it is possible to reduce the lower boundary of the focal length to 15 mm, while maintaining the possibility of interfacing with modern infrared FPUs of 2 and 3 generations of SOFRADIR and with existing and promising FPUs of 2 and 3 generations of domestic production, which makes it possible to use the optical system in small-sized thermal imaging devices.

Выполнение второй отрицательной линзы в объективе в форме двояковогнутой, расположение менисков в проекционном объективе вплотную друг к другу одновременно с соблюдением указанных в соотношении (2) зависимостей между оптическими силами позволяет осуществить распределение оптических сил, форм линз и их взаимное расположение таким образом, чтобы при сохранении относительного отверстия системы не ниже 1:1,65 и углового поля не менее 18° остаточные аберрации обеспечивали размер пятна рассеяния в плоскости изображения, сопоставимый с величиной дифракционного кружка рассеяния, что определяет высокие значения частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), и устранение дисторсии для всех точек поля при использовании только сферических преломляющих поверхностей.The implementation of the second negative lens in the lens in the form of a biconcave, the location of the menisci in the projection lens close to each other simultaneously with the observance of the dependencies indicated in relation (2) between the optical forces allows the distribution of optical forces, lens shapes and their relative position so that, while maintaining the relative aperture of the system is not lower than 1: 1.65 and the angular field is not less than 18 °; th diffraction scattering circle that determines high values of the frequency-contrast characteristics (MTF), and eliminating the distortion for all field points using only spherical refractive surfaces.

Дополнительно можно отметить, что большая величина удаления входного зрачка позволяет обеспечить излом оптической оси перед объективом, что бывает необходимо при конструктивной компоновке малогабаритных приборов. Расстояние между объективом 1 и проекционным объективом 2 таково, что позволяет устанавливать, например, призменные системы для использования оптической системы в панорамических приборах или дополнительные зеркала для излома оптической оси.In addition, it can be noted that a large amount of removal of the entrance pupil allows for a kink in the optical axis in front of the lens, which is necessary when constructing a compact instrument. The distance between the lens 1 and the projection lens 2 is such that it allows you to install, for example, prism systems for using the optical system in panoramic instruments or additional mirrors for breaking the optical axis.

Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной заявителями зависимости между оптическими силами, формой, взаимным расположением линз в оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.The specified solution, in our opinion, has novelty and inventive step. The invention is based on the relationship between the optical forces, the shape, the relative position of the lenses in the optical system with remote pupils for the infrared region, which was first established by the applicants.

Авторам не известны оптические системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, в которых были бы реализованы указанные признаки.The authors are not aware of optical systems with remote pupils for the infrared region of the spectrum in which these features would be implemented.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:The proposed invention is illustrated by the following graphic materials:

Фиг.1. Оптическая схема оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.Figure 1. The optical scheme of the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum.

Фиг.2. ЧКХ оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.Figure 2. Frequency response of the optical system with pupils for the infrared region of the spectrum.

Фиг.3. Функция концентрации энергии (ФКЭ) оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.Figure 3. The function of energy concentration (PCE) of an optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum.

Фиг.4. График дисторсии оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.Figure 4. Distortion graph of the optical system with pupils for the infrared region of the spectrum.

Оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра (фиг.1) содержит объектив 1, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив 2, осуществляющий оборачивание изображения с линейным увеличением (по абсолютной величине) менее 1х, и апертурную диафрагму, расположенную между проекционным объективом и плоскостью изображений и являющуюся выходным зрачком оптической системы. Объектив 1 содержит первый по ходу лучей положительный мениск 3, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и вторую двояковогнутую линзу 4. Проекционный объектив 2 содержит три одиночных вплотную расположенных мениска 5, 6, 7, при этом первый по ходу лучей мениск 5 и третий мениск 7 являются положительными и обращены выпуклыми сторонами друг к другу, а второй по ходу лучей мениск 6 - отрицательным и обращен вогнутостью к плоскости изображений. Все преломляющие поверхности в системе являются сферическими. В системе выполняются соотношения (1).An optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum (Fig. 1) comprises a lens 1 that constructs a real intermediate image, a projection lens 2 that rotates the image with a linear increase (in absolute value) of less than 1 x , and an aperture diaphragm located between the projection lens and the image plane and being the exit pupil of the optical system. The lens 1 contains the first positive meniscus 3 along the rays, convex to the space of objects, and the second biconcave lens 4. The projection lens 2 contains three meniscus 5, closely spaced, meniscus 5 and the third meniscus 7 are positive and convex sides to each other, and the second meniscus 6 along the rays of the meniscus is negative and faces with a concavity to the image plane. All refracting surfaces in the system are spherical. Relations (1) are satisfied in the system.

На фиг.1 дополнительно между последним мениском 7 оптической системы и апертурной диафрагмой размещена плоскопараллельная пластинка 8, выполняющая роль защитного стекла криостата ФПУ.In Fig.1, in addition between the last meniscus 7 of the optical system and the aperture diaphragm there is a plane-parallel plate 8, which acts as a protective glass of the FPU cryostat.

Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленного объекта и проходящее через входной зрачок оптической системы, проходя последовательно мениск 3 и двояковогнутую линзу 4, образующие объектив 1, фокусируется ими в плоскости промежуточного изображения. Далее проекционный объектив, состоящий из менисков 5, 6 и 7, проецирует промежуточное изображение в плоскость изображений оптической системы. Апертурная диафрагма, размещенная по ходу лучей после последнего мениска 7, выполняет роль выходного зрачка оптической системы, фактически определяя светосилу оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра. Проекционный объектив в обратном ходе лучей проецирует реальную апертурную диафрагму в пространство предметов проекционного объектива, а объектив - соответственно в плоскость входного зрачка оптической системы. Таким образом формируется действительный входной зрачок на требуемом удалении от первой поверхности оптической системы.Infrared radiation coming from each point of the distant object and passing through the entrance pupil of the optical system, passing sequentially the meniscus 3 and the biconcave lens 4, forming the lens 1, is focused by them in the plane of the intermediate image. Next, a projection lens, consisting of menisci 5, 6 and 7, projects an intermediate image into the image plane of the optical system. The aperture diaphragm, placed along the rays after the last meniscus 7, acts as the exit pupil of the optical system, in fact, determining the aperture ratio of the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum. The projection lens in the reverse beam projectes the real aperture diaphragm into the space of objects of the projection lens, and the lens, respectively, into the plane of the entrance pupil of the optical system. Thus, a valid entrance pupil is formed at the required distance from the first surface of the optical system.

В качестве конкретного примера исполнения в таблице 1 приведен пример реализации оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.As a specific example of execution, Table 1 shows an example implementation of an optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum.

Таблица 1Table 1 Параметры примера реализации оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектраParameters of an example implementation of an optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum Наименование или номер элемента в соответствии с фиг.1Name or item number in accordance with figure 1 Номер линз в соответствии с фиг.1The number of lenses in accordance with figure 1 Относительная оптическая силаRelative optical power Расстояние вдоль оптической осиDistance along the optical axis Материал линзLens material Входной зрачокEntrance pupil 1,911.91 1one 33 1,3001,300 0,130.13 GeGe 4four -0,951-0.951 3,613.61 GeGe 22 55 0,5250.525 0,010.01 GeGe 66 -0,284-0.284 0,080.08 ZnSeZnse 77 1,0001,000 0,660.66 GeGe Апертурная диафрагма (выходной зрачок)Aperture diaphragm (exit pupil) 0,470.47 Плоскость изображенияImage plane 0,660.66

Как следует из таблицы 1, в конкретном примере оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра выполняется следующее распределение оптических сил:As follows from table 1, in a specific example of an optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum, the following distribution of optical forces is performed:

φ12:|φ|=0,62:1,16:1; φ3=-0,73φ4; φ567=0,52:(-3,52):1; φ7=|φ|, где |φ| - абсолютная величина оптической силы оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра;φ 1 : φ 2 : | φ | = 0.62: 1.16: 1; φ 3 = -0.73 φ 4 ; φ 5 : φ 6 : φ 7 = 0.52: (- 3.52): 1; φ 7 = | φ |, where | φ | - the absolute value of the optical power of the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum;

φi - оптические силы компонентов и линз системы (i - номер позиции в соответствии с фиг.1),φ i - the optical power of the components and lenses of the system (i is the position number in accordance with figure 1),

т.е. соблюдаются вышеприведенные соотношения (1) и (2).those. the above relations (1) and (2) are observed.

Положение плоскости изображения в таблице 1 указано как расстояние между апертурной диафрагмой и плоскостью изображения, т.е. задний фокальный отрезок системы составляет 1,13 |f'|, что в 2,1 раза превышает задний фокальный отрезок в прототипе. Как следует из таблицы 1, удаление входного зрачка от первой поверхности составляет 1,91 |f'|, т.е. в 3,8 раза превышает соответствующую величину в прототипе. Как следует из таблицы 1, удаление выходного зрачка от последней поверхности составляет 0,66 |f'|, т.е. в 6,6 раза превышает соответствующую величину в прототипе.The position of the image plane in table 1 is indicated as the distance between the aperture diaphragm and the image plane, i.e. the back focal segment of the system is 1.13 | f '|, which is 2.1 times higher than the rear focal segment in the prototype. As follows from table 1, the removal of the entrance pupil from the first surface is 1.91 | f '|, i.e. 3.8 times the corresponding value in the prototype. As follows from table 1, the removal of the exit pupil from the last surface is 0.66 | f '|, i.e. 6.6 times the corresponding value in the prototype.

Точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси под конкретные значения показателей преломления и конкретное значение фокусного расстояния оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра и конкретный спектральный диапазон, определяемый спектральной чувствительностью используемого ФПУ, устанавливаются стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ для оптических расчетов.The exact values of the optical forces, radii of the refractive surfaces and thicknesses along the optical axis for specific values of the refractive index and the specific value of the focal length of the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum and the specific spectral range determined by the spectral sensitivity of the FPU used are set by standard least squares optimization , which is part of all modern programs for optical calculations.

Анализ примера реализации оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра проведен в программе Zemax для следующих значений: фокусное расстояние оптической системы 24,5 мм, относительное отверстие 1:1,65, линейный размер изображения 8,06 мм (соответствует угловому полю в пространстве предметов 18,6°), спектральный диапазон длин волн от 7,7 до 10,3 мкм, - т.е. для значений светосилы и углового поля, аналогичных прототипу.An example of the implementation of an optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum was analyzed in the Zemax program for the following values: focal length of the optical system 24.5 mm, relative aperture 1: 1.65, linear image size 8.06 mm (corresponds to an angular field in space objects 18.6 °), the spectral range of wavelengths from 7.7 to 10.3 microns, i.e. for values of aperture and angular field similar to the prototype.

ЧКХ оптической системы этого примера реализации приведены на фиг.2, а ФКЭ - на фиг.3 для различных точек изображения. На графиках указаны значения координат у' точки изображения в плоскости изображения (0, 2 и 4,03 мм) для меридионального (m) и сагиттального сечений (s), а также безаберрационные ЧКХ и ФКЭ (обозначение «дифр»).The frequency response of the optical system of this implementation example is shown in FIG. 2, and the FEC in FIG. 3 for various image points. The graphs show the coordinates y 'of the image point in the image plane (0, 2, and 4.03 mm) for the meridional (m) and sagittal sections (s), as well as the aberration-free frequency response and photomultiplier (the designation is “differ”).

Из приведенных графиков следует, что на коэффициенты передачи контраста для пространственной частоты 40 мм-1 составляют для точки на оси 0,26, для точки изображения с координатой у'=2 мм - 0,24 и 0,26 соответственно для меридионального и сагиттального сечений, для точки изображения с координатой у'=4,03 мм - 0,15 и 0,20 соответственно для меридионального и сагиттального сечений, т.е. близки к значению коэффициента передачи контраста для указанной частоты в безаберрационной системе, равному 0,27. ФКЭ в пятне радиусом 0,0125 мм для точек с координатами у', равными 0; 2 и 4,03 мм, составляют соответственно 0,73; 0,75 и 0,65, т.е. близки к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,76.From the above graphs it follows that the contrast transfer coefficients for the spatial frequency of 40 mm -1 are 0.26 for the point on the axis, 0.24 and 0.26 for the image point with the coordinate y '= 2 mm, respectively, for the meridional and sagittal sections , for the image point with the coordinate y '= 4.03 mm - 0.15 and 0.20 respectively for the meridional and sagittal sections, i.e. are close to the value of the contrast transfer coefficient for the indicated frequency in the non-aberration system equal to 0.27. FKE in a spot with a radius of 0.0125 mm for points with coordinates y 'equal to 0; 2 and 4.03 mm, respectively 0.73; 0.75 and 0.65, i.e. close to the corresponding value of the PCE in the non-aberration system equal to 0.76.

Расчетные интегральные характеристики качества изображения, приведенные на фиг.2 и 3, свидетельствуют о высокой степени коррекции остаточных аберраций, достигаемой при соблюдении заявляемых соотношений оптических сил, форм линз и их преломляющих поверхностей, их взаимных положений в оптической системе с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра.The calculated integral image quality characteristics shown in FIGS. 2 and 3 indicate a high degree of correction of residual aberrations achieved by observing the claimed ratios of optical forces, lens shapes and their refractive surfaces, their relative positions in the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum .

На фиг.4 приведен график дисторсии для примера реализации: по оси ординат указаны величины изображения у' в плоскости изображения, по оси абсцисс - относительная дисторсия в процентах. Как следует из графика, дисторсия для края поля не превышает 2,3%, что является приемлемой величиной для объективов тепловизионных приборов.Figure 4 shows a graph of distortion for an example implementation: the y-axis indicates the image y 'in the image plane, the abscissa shows the relative distortion in percent. As follows from the graph, the distortion for the field edge does not exceed 2.3%, which is an acceptable value for thermal imaging lenses.

Анализ ЧКХ прототипа, приведенной в [Патент США №6274868, 2001. Фиг.4], показывает, что значения коэффициентов передачи модуляции для различных точек поля лежат в диапазоне от 0,27 до 0,14. На основании сравнения примера реализации с прототипом можно сделать заключение, что в предлагаемой оптической системе обеспечивается высокое качество изображения при сохранении светосилы и относительного отверстия.An analysis of the frequency response of the prototype described in [US Patent No. 6274868, 2001. FIG. 4] shows that the values of modulation transmission coefficients for different points of the field are in the range from 0.27 to 0.14. Based on a comparison of the implementation example with the prototype, we can conclude that the proposed optical system provides high image quality while maintaining aperture ratio and relative aperture.

Таким образом, заявленная оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, обладающая совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет повысить технологичность конструкции за счет использования только сферических преломляющих поверхностей, увеличить удаление входного зрачка от первой поверхности, увеличить удаление выходного зрачка от последней поверхности системы, увеличить задний фокальный отрезок, обеспечить снижение нижней границы возможных расчетных фокусных расстояний до 15 мм при сохранении относительного отверстия, углового поля и высокого качества изображения в пределах всего поля.Thus, the claimed optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum, having a combination of these distinctive features, in comparison with the prototype allows to increase the manufacturability of the design by using only spherical refractive surfaces, to increase the distance of the entrance pupil from the first surface, to increase the distance of the exit pupil from the last the surface of the system, increase the back focal segment, provide a decrease in the lower boundary of the possible calculated focal lengths distances up to 15 mm while maintaining the relative aperture, the angular field and high image quality over the entire field.

Использование предлагаемой оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра позволяет повысить технологичность и создать малогабаритные тепловизионные приборы, работающие совместно с ИК ФПУ 2 и 3 поколений фирмы SOFRADIR и с существующими и перспективными ФПУ 2 и 3 поколений отечественного производства.Using the proposed optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum allows us to increase manufacturability and create small-sized thermal imaging devices that work in conjunction with infrared FPUs of 2 and 3 generations of SOFRADIR and with existing and promising FPUs of 2 and 3 generations of domestic production.

ЛитератураLiterature

1. RU 2183340 С1, 2002 г.1. RU 2183340 C1, 2002

2. RU 2281536 C1, 2006 г.2. RU 2281536 C1, 2006.

3. RU 2006128691 A, 2008 г.3. RU 2006128691 A, 2008.

4. Тарасов В.В., Якушенко Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.4. Tarasov VV, Yakushenko Yu.G. "Looking" type infrared systems. - M .: Logos, 2004 .-- 444 p.

5. Патент США №6274868 В1, 2001 г. (прототип).5. US patent No. 6274868 B1, 2001 (prototype).

Claims (1)

Оптическая система с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержащий первый по ходу лучей положительный мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов, и вторую отрицательную линзу, проекционный объектив, содержащий три одиночных мениска, первый и третий из которых по ходу лучей являются положительными и обращены выпуклыми сторонами друг к другу, второй по ходу лучей мениск является отрицательным и обращен вогнутостью к плоскости изображений, и апертурную диафрагму, расположенную между проекционным объективом и плоскостью изображений, отличающаяся тем, что в объективе вторая отрицательная линза выполнена двояковогнутой, в проекционном объективе мениски расположены вплотную друг к другу, при этом преломляющие поверхности оптической системы являются сферическими, и выполняются следующие соотношения:
φ12:|φ|=(0,55÷0,70):(0,90÷1,25):1;
φ3=-(0,7÷0,8)φ4; φ567=(0,46÷0,58):-(2,9÷4,3):1; φ7=(0,8÷1,2)|φ|,
где φ1, φ2, - оптические силы объектива и проекционного объектива, соответственно;
|φ| - абсолютное значение оптической силы оптической системы с вынесенными зрачками для инфракрасной области спектра;
φ3, φ4 - оптические силы первого по ходу лучей положительного мениска и второй двояковогнутой линзы в объективе, соответственно;
φ5, φ6, φ7 - оптические силы первого, второго и третьего менисков по ходу лучей в проекционном объективе, соответственно.
An optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum, comprising a lens sequentially located along the rays, constructing a real intermediate image, containing the first positive meniscus convex to the space of objects, and the second negative lens, a projection lens containing three single menisci, the first and third of which along the rays of the rays are positive and face with convex sides to each other, the second along the rays of the meniscus is negative the lens is concave to the image plane, and the aperture diaphragm located between the projection lens and the image plane, characterized in that the second negative lens is biconcave in the lens, the menisci in the projection lens are close to each other, while the refractive surfaces of the optical system are spherical , and the following relations are satisfied:
φ 1 : φ 2 : | φ | = (0.55 ÷ 0.70) :( 0.90 ÷ 1.25): 1;
φ 3 = - (0.7 ÷ 0.8) φ 4 ; φ 5 : φ 6 : φ 7 = (0.46 ÷ 0.58) :-( 2.9 ÷ 4.3): 1; φ 7 = (0.8 ÷ 1.2) | φ |,
where φ 1 , φ 2 , are the optical powers of the lens and the projection lens, respectively;
| φ | - the absolute value of the optical power of the optical system with remote pupils for the infrared region of the spectrum;
φ 3 , φ 4 - the optical power of the first along the rays of the positive meniscus and the second biconcave lens in the lens, respectively;
φ 5 , φ 6 , φ 7 are the optical powers of the first, second, and third menisci along the rays in the projection lens, respectively.
RU2008141041/28A 2008-10-15 2008-10-15 Optical system with remote apertures for infrared spectrum RU2386156C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008141041/28A RU2386156C1 (en) 2008-10-15 2008-10-15 Optical system with remote apertures for infrared spectrum

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008141041/28A RU2386156C1 (en) 2008-10-15 2008-10-15 Optical system with remote apertures for infrared spectrum

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2386156C1 true RU2386156C1 (en) 2010-04-10

Family

ID=42671271

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008141041/28A RU2386156C1 (en) 2008-10-15 2008-10-15 Optical system with remote apertures for infrared spectrum

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2386156C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2449328C1 (en) * 2010-11-02 2012-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) Optical system for thermal imaging devices
RU2475787C1 (en) * 2011-10-20 2013-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") Dual band infrared high-aperture lens

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2449328C1 (en) * 2010-11-02 2012-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) Optical system for thermal imaging devices
RU2475787C1 (en) * 2011-10-20 2013-02-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") Dual band infrared high-aperture lens

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8248693B2 (en) Reflective triplet optical form with external rear aperture stop for cold shielding
US8449127B2 (en) Endoscope objective lens and endoscope using the same
CN107111110B (en) Endoscope objective optical system
US9377612B2 (en) IR microscope with image field curvature compensation, in particular with additional illumination optimization
EP3872552B1 (en) Optical lens
JP5479206B2 (en) Catadioptric optical system and imaging apparatus having the same
KR101580463B1 (en) Iris recognition lens
JP2009186625A (en) Imaging lens and imaging apparatus using the same
JP5675892B2 (en) Catadioptric optical system with high numerical aperture
RU2443005C2 (en) Catadioptric telescope
JP2017067837A (en) Image capturing lens and image capturing device having the same
RU2386156C1 (en) Optical system with remote apertures for infrared spectrum
RU2419113C1 (en) Optical system with pinhole aperture for middle infrared range
RU2348953C1 (en) Infrared rapid three-lens objective
US11832791B2 (en) Optical imaging lens assembly and endoscopic optical device
RU2385476C1 (en) Projection high-aperture telecentric lens
RU2410733C1 (en) Double-spectrum infrared lens having aperture diaphragm in image space
KR20100122346A (en) Photographic lens optical system
JP5656682B2 (en) Catadioptric optical system and imaging apparatus having the same
RU2759050C1 (en) Doublet-objective lens
CN110036330A (en) Viewing optical system
CN218272921U (en) Optical adapter, optical imaging device and polarized light endoscope
CN218272922U (en) Optical adapter, camera and polarized light endoscope
RU2675488C1 (en) Telecentric scanning lens
RU2510059C1 (en) Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181016