RU2400784C1 - Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm - Google Patents

Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm Download PDF

Info

Publication number
RU2400784C1
RU2400784C1 RU2009131779/28A RU2009131779A RU2400784C1 RU 2400784 C1 RU2400784 C1 RU 2400784C1 RU 2009131779/28 A RU2009131779/28 A RU 2009131779/28A RU 2009131779 A RU2009131779 A RU 2009131779A RU 2400784 C1 RU2400784 C1 RU 2400784C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
component
image plane
positive
negative meniscus
Prior art date
Application number
RU2009131779/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Татьяна Николаевна Хацевич (RU)
Татьяна Николаевна Хацевич
Евгений Александрович Терешин (RU)
Евгений Александрович Терешин
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения 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 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН
Priority to RU2009131779/28A priority Critical patent/RU2400784C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2400784C1 publication Critical patent/RU2400784C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lenses (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: objective has fixed positive first and last components between which there is a movable negative meniscus whose convex surface faces the image plane and a positive component. The first component contains a positive and a negative meniscus whose concave side faces the image plane. The last component is in form of two positive menisci whose convex surfaces face each other, and a negative meniscus whose concave side faces the image plane. The movable component includes a divergent and a convergent lens and a negative meniscus whose convex side faces the image plane lying tightly in front of the divergent lens of this component. The aperture diaphragm is placed between the objective lens and the image plane. The entrance pupil is superposed with the first surface of the objective lens.
EFFECT: exclusion of aspherical and diffraction optical elements, reduced diameter of the objective lens and distance from the aperture diaphragm to the image plane with maintenance of high aperture ratio, drop in magnification and image quality.
8 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.The invention relates to the field of optical instrumentation, namely to lenses for the infrared (IR) region of the spectrum, and can be used in optical systems of thermal imagers built on the basis of cooled matrix thermal radiation detectors.

Для оптимального сопряжения в тепловизионном приборе объектива с охлаждаемым приемником теплового излучения, имеющим охлаждаемую диафрагму, необходима такая конструкция объектива, которая сформировала бы вынесенный в пространство между последней поверхностью объектива и плоскостью изображения выходной зрачок. Несовпадение выходного зрачка с охлаждаемой диафрагмой приводит к возрастанию паразитного излучения от элементов конструкции, а также к виньетированию наклонных пучков и снижению облученности на краю изображения и, в результате, - к снижению характеристик тепловизионного прибора или комплекса в целом. Для достижения максимальных характеристик тепловизионного прибора охлаждаемая диафрагма должна выполнять функцию апертурной диафрагмы и соответственно выходного зрачка в оптической системе объектива. В этом случае оптическая система объектива становится несимметричной относительно апертурной диафрагмы и тем сильнее, чем ближе охлаждаемая диафрагма расположена к плоскости чувствительной площадки приемника. Как известно, в симметричных относительно апертурной диафрагмы оптических системах происходит частичная компенсация некоторых аберраций - благодаря симметричному ходу лучей в левой и правой, относительно диафрагмы, частях системы. Несимметричность оптической системы относительно апертурной диафрагмы приводит к усложнению оптической системы и требует поиска новых схемных решений объектива, не поддающихся аналитическим методам решения, но позволяющих обеспечить такую степень коррекции аберраций, при которой достигается оптимальное соответствие между качеством изображения, даваемого объективом, и параметрами приемника теплового излучения.For optimal conjugation in the thermal imaging device of the lens with a cooled thermal radiation receiver having a cooled diaphragm, a lens design is needed that would form an exit pupil placed in the space between the last surface of the lens and the image plane. The mismatch of the exit pupil with the cooled diaphragm leads to an increase in spurious radiation from structural elements, as well as to the vignetting of oblique beams and a decrease in irradiation at the edge of the image and, as a result, to a decrease in the characteristics of the thermal imaging device or complex as a whole. To achieve maximum characteristics of the thermal imaging device, the cooled diaphragm must fulfill the function of the aperture diaphragm and, accordingly, the exit pupil in the optical system of the lens. In this case, the optical system of the lens becomes asymmetric with respect to the aperture diaphragm and the stronger, the closer the cooled diaphragm is located to the plane of the sensitive area of the receiver. As is known, in optical systems symmetric with respect to the aperture diaphragm, partial compensation of some aberrations occurs due to the symmetrical path of the rays in the left and right parts of the system relative to the diaphragm. The asymmetry of the optical system with respect to the aperture diaphragm complicates the optical system and requires the search for new circuit solutions of the lens that are not amenable to analytical methods of solution, but which can provide a degree of aberration correction at which an optimal match is achieved between the image quality provided by the lens and the parameters of the thermal radiation receiver .

Известна оптическая система, содержащая 8 линз, обеспечивающая трехступенчатую смену поля зрения, четырехкратный перепад фокусных расстояний, относительное отверстие 1:1 [патент US 6091551, 2000], а также объектив из 5 линз с относительным отверстием 1:1,2 с трехкратным перепадом фокусных расстояний и двухступенчатой сменой полей зрения [патент RU 2339983, 2006. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (варианты)]. Для смены полей зрения в этих системах используется перемещение двух компонентов на неравные расстояния вдоль оптической оси. Недостатком аналогов является размещение диафрагмы внутри системы, а выходного зрачка - в бесконечности, что предполагает использование оптической системы совместно с неохлаждаемыми болометрическими приемниками излучения, но не позволяет эффективно использовать эти оптические системы с охлаждаемыми матричными приемниками излучения.Known optical system containing 8 lenses, providing a three-stage change of field of view, four times the difference in focal lengths, relative aperture 1: 1 [patent US 6091551, 2000], as well as a lens of 5 lenses with a relative aperture 1: 1.2 with a three-fold difference in focal lengths distances and two-stage change of field of view [patent RU 2339983, 2006. Lens with a variable focal length for working in the infrared region of the spectrum (options)]. To change the field of view in these systems, the movement of two components at unequal distances along the optical axis is used. The disadvantage of analogues is the placement of the diaphragm inside the system, and the exit pupil at infinity, which involves the use of an optical system in conjunction with uncooled bolometric radiation detectors, but does not allow the efficient use of these optical systems with cooled matrix radiation detectors.

Известна оптическая система объектива с вынесенной апертурной диафрагмой [патент US 7136235, 2006. Optical apparatus]. Объектив содержит 7 линз, имеет относительное отверстие 1:3,5, фокусное расстояние 100 мм, угловое поле в пространстве предметов 5°. Недостатком аналога является отсутствие возможности смены поля зрения, малое относительное отверстие, наличие трех асферических поверхностей, снижающих технологичность и повышающих стоимость конструкции, а также существенное снижение разрешения и облученности на краю изображения по сравнению с точкой на оси из-за большого по величине (более 50%) сужения диаметров наклонных пучков по сравнению с осевым пучком.Known optical system lens with a remote aperture diaphragm [patent US 7136235, 2006. Optical apparatus]. The lens contains 7 lenses, has a relative aperture of 1: 3.5, a focal length of 100 mm, and an angular field in the space of objects of 5 °. The disadvantage of the analogue is the inability to change the field of view, a small relative aperture, the presence of three aspherical surfaces that reduce manufacturability and increase the cost of construction, as well as a significant decrease in resolution and irradiation at the edge of the image compared to a point on the axis due to its large size (more than 50 %) narrowing the diameters of the inclined beams in comparison with the axial beam.

Известна также оптическая система для формирования изображения объекта в двух полях зрения [патент RU 2355003, 2009], в которой охлаждаемая диафрагма приемника излучения выполняет функцию апертурной диафрагмы оптической системы. Оптическая система является зеркально-линзовой и содержит 10 оптических элементов. Смена полей зрения и соответственно фокусного расстояния объектива осуществляется путем ввода-вывода линз и зеркал из хода лучей, кратность смены 2,7 раза. Относительное отверстие 1:2,05. Недостатком аналога является наличие двух асферических поверхностей, снижающих технологичность и повышающих стоимость конструкции, а также снижение эффективного относительного отверстия в канале узкого поля из-за наличия центрального экранирования.An optical system for imaging an object in two fields of view is also known [patent RU 2355003, 2009], in which the cooled diaphragm of the radiation receiver performs the function of the aperture diaphragm of the optical system. The optical system is a mirror lens and contains 10 optical elements. The change in the field of view and, accordingly, the focal length of the lens is carried out by input-output of lenses and mirrors from the path of the rays, the change ratio is 2.7 times. Relative aperture 1: 2.05. The disadvantage of the analogue is the presence of two aspherical surfaces that reduce manufacturability and increase the cost of the structure, as well as a decrease in the effective relative aperture in the narrow field channel due to the presence of central shielding.

Известна также оптическая система с переменным полем зрения, содержащая 11 линз [патент Японии 2002-14283, 2002]. Охлаждаемая диафрагма приемника излучения выполняет функцию вынесенной апертурной диафрагмы оптической системы. Смена поля зрения и соответственно фокусного расстояния объектива осуществляется перемещением двух компонентов вдоль оптической оси, при этом перепад увеличений равен 4. Система дополнительно включает толстую плоскопараллельную пластинку, эквивалентную развертке призмы Пехана, позволяющую использовать ее в панорамических приборах. Недостатком аналога является наличие двух асферических поверхностей, снижающих технологичность и повышающих стоимость конструкции.Also known is an optical system with a variable field of view containing 11 lenses [Japanese patent 2002-14283, 2002]. The cooled diaphragm of the radiation receiver performs the function of a remote aperture diaphragm of the optical system. The change in the field of view and, accordingly, the focal length of the lens is carried out by moving two components along the optical axis, while the difference in magnification is 4. The system additionally includes a thick plane-parallel plate equivalent to a scan of the Pehan prism, which allows its use in panoramic instruments. The disadvantage of the analogue is the presence of two aspherical surfaces that reduce manufacturability and increase the cost of construction.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является инфракрасный объектив [патент US 6424460, 2002. Фиг.3] с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображения, содержащий расположенные по ходу лучей оптически связанные первый и последний положительные компоненты и расположенный между ними подвижный компонент, включающий отрицательную и положительную линзы, имеющий два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения; при этом первый компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, последний компонент включает два положительных мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к плоскости изображений. Функцию апертурной диафрагмы в процессе работы объектива в комплексе с охлаждаемым матричным приемником ИК излучения выполняет охлаждаемая диафрагма приемника. В наиболее близком аналоге две поверхности являются асферическими, на одной из них нанесен дифракционный оптический элемент (в виде голограммы). Фокусное расстояние принимает два значения: 53 и 160 мм, т.е. обеспечивается трехкратный перепад фокусного расстояния (поля зрения). Относительное отверстие имеет величину 1:2,5. Расстояние p' от охлаждаемой апертурной диафрагмы до плоскости изображения составляет в конкретном примере исполнения 47 мм, что составляет 0,88 от наименьшей величины фокусного расстояния. Устройство таково, что проекция апертурной диафрагмы в пространство предметов - входной зрачок - является мнимой и не совпадает с первым компонентом объектива. Это приводит к тому, что диаметр первого компонента превышает диаметр входного зрачка для наибольшего фокусного расстояния. В примере конкретного исполнения это превышение составляет 1,6 раза. Совместить входной зрачок с первой линзой в наиболее близком аналоге невозможно в силу того, что внутренний подвижный компонент является отрицательным.The closest analogue in technical essence to the claimed device is an infrared lens [patent US 6424460, 2002. Figure 3] with two fields of view and a remote aperture diaphragm located between the last component of the lens and the image plane containing optically connected first and the last positive component and the movable component located between them, including the negative and positive lenses, having two fixed positions on the optical axis to change the sp Nia; the first component is made in the form of two menisci facing the concave side to the image plane, the last component includes two positive meniscus facing the convex surfaces to each other, and a negative meniscus facing the concave side of the image plane. The function of the aperture diaphragm during the operation of the lens in combination with a cooled matrix receiver of infrared radiation is performed by the cooled diaphragm of the receiver. In the closest analogue, two surfaces are aspherical, on one of them a diffractive optical element is applied (in the form of a hologram). The focal length takes two values: 53 and 160 mm, i.e. three times the difference in focal length (field of view) is provided. The relative aperture is 1: 2.5. The distance p 'from the cooled aperture diaphragm to the image plane is 47 mm in a specific embodiment, which is 0.88 of the smallest focal length. The device is such that the projection of the aperture diaphragm into the space of objects - the entrance pupil - is imaginary and does not coincide with the first component of the lens. This leads to the fact that the diameter of the first component exceeds the diameter of the entrance pupil for the greatest focal length. In a specific embodiment, this excess is 1.6 times. It is impossible to combine the entrance pupil with the first lens in the closest analogue due to the fact that the internal movable component is negative.

Итак, недостатками наиболее близкого аналога являются:So, the disadvantages of the closest analogue are:

1) наличие двух асферических поверхностей и дифракционного оптического элемента в виде голограммы, что снижает технологичность и повышает стоимость устройства;1) the presence of two aspherical surfaces and a diffractive optical element in the form of a hologram, which reduces manufacturability and increases the cost of the device;

2) диаметр первой линзы превышает наибольший диаметр входного зрачка из-за того, что входной зрачок не совпадает с первой линзой. Это приводит к увеличению массы объектива;2) the diameter of the first lens exceeds the largest diameter of the entrance pupil due to the fact that the entrance pupil does not coincide with the first lens. This leads to an increase in the mass of the lens;

3) большая величина расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображения, составляющая 0,88 от наименьшей величины фокусного расстояния, что ограничивает возможности использования с современными охлаждаемыми матричными приемниками ИК излучения, у которых это расстояние может достигать 10-20 мм.3) a large distance from the aperture diaphragm to the image plane, which is 0.88 from the smallest focal length, which limits the possibility of use with modern cooled matrix IR detectors, in which this distance can reach 10-20 mm.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание технологичной, экономически эффективной конструкции объектива с высокими техническими характеристиками, обеспечивающей возможность сопряжения с современными охлаждаемыми матричными приемниками излучения ИК диапазона.The task to which the claimed device is directed is to create a technologically advanced, cost-effective lens design with high technical characteristics, which provides the possibility of interfacing with modern cooled matrix receivers of infrared radiation.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в исключении асферических и дифракционных оптических элементов в оптической системе, уменьшении наибольшего диаметра линз объектива, уменьшении расстояния от апертурной диафрагмы до плоскости изображений при сохранении высокого относительного отверстия, перепада увеличений и качества изображения.The technical result achieved in solving this problem is to eliminate aspherical and diffractive optical elements in the optical system, reducing the largest diameter of the objective lenses, decreasing the distance from the aperture diaphragm to the image plane while maintaining a high relative aperture, the difference in magnifications and image quality.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в отличие от наиболее близкого аналога в первом компоненте первый мениск является положительным, второй - отрицательным; после первого положительного компонента введен подвижный отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, имеющий два фиксированных положения на оптической оси, при этом расстояния между вершинами преломляющих поверхностей подвижного отрицательного мениска и подвижного компонента являются различными в каждом из двух фиксированных положений; подвижный компонент выполнен положительным, в него введен отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, расположенный вплотную перед отрицательной линзой этого компонента; все преломляющие поверхности инфракрасного объектива выполнены сферическими.The problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that, in contrast to the closest analogue in the first component, the first meniscus is positive, the second negative. after the first positive component, a movable negative meniscus is introduced, convex side to the image plane, having two fixed positions on the optical axis, the distances between the vertices of the refracting surfaces of the moving negative meniscus and the moving component are different in each of the two fixed positions; the movable component is made positive, a negative meniscus is introduced into it, the convex side facing the image plane, located right in front of the negative lens of this component; all the refracting surfaces of the infrared lens are made spherical.

Совокупность всех введенных признаков в предлагаемом инфракрасном объективе с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой позволяет совместить входной зрачок с первой поверхностью объектива и уменьшить диаметр последнего до диаметра входного зрачка, исключить асферические и дифракционные оптические поверхности в устройстве, осуществить коррекцию аберраций осевых и внеосевых пучков лучей при несимметричном размещении апертурной диафрагмы, сократив при этом расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображения, и обеспечить такие размеры пятен рассеяния в пределах поля зрения, при которых достигаются дифракционно ограниченные частотно-контрастные характеристики (ЧКХ), высокие значения функции концентрации энергии (ФКЭ) и приемлемые значения дисторсии для каждого из двух полей зрения при сохранении относительного отверстия. В результате получена технологичная, экономически эффективная конструкция объектива с высокими техническими характеристиками, обеспечивающая возможность сопряжения с современными охлаждаемыми матричными приемниками излучения ИК диапазона.The combination of all the introduced features in the proposed infrared lens with two fields of view and a remote aperture diaphragm allows you to combine the entrance pupil with the first surface of the lens and reduce the diameter of the latter to the diameter of the entrance pupil, eliminate aspherical and diffractive optical surfaces in the device, and correct aberrations of axial and off-axis beam beams with asymmetric placement of the aperture diaphragm, while reducing the distance from the aperture diaphragm to the image plane, and to ensure such sizes of scattering spots within the field of view, at which diffraction-limited frequency-contrast characteristics (FSH), high values of the energy concentration function (PFC) and acceptable distortion values for each of the two fields of view are achieved while maintaining the relative aperture. As a result, a technologically advanced, cost-effective lens design with high technical characteristics was obtained, which makes it possible to interface with modern cooled matrix IR radiation detectors.

Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны оптические системы инфракрасных объективов с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, в которых были бы реализованы указанные признаки.The specified solution, in our opinion, has novelty and inventive step. The authors are not aware of the optical systems of infrared lenses with two fields of view and a remote aperture diaphragm in which these signs would be realized.

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

Фиг.1а - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой (узкое поле зрения);Figa - optical diagram of an infrared lens with two fields of view and a remote aperture diaphragm (narrow field of view);

Фиг.1б - оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой (широкое поле зрения);Fig. 1b is an optical diagram of an infrared lens with two fields of view and a remote aperture diaphragm (wide field of view);

Фиг.2а - ЧКХ инфракрасного объектива для узкого поля зрения;Figure 2a shows the frequency response of an infrared lens for a narrow field of view;

Фиг.2б - ЧКХ инфракрасного объектива для широкого поля зрения;Fig.2b - frequency response of the infrared lens for a wide field of view;

Фиг.3а - ФКЭ в инфракрасном объективе для узкого поля зрения;Figa - FKE in the infrared lens for a narrow field of view;

Фиг.3б - ФКЭ в инфракрасном объективе для широкого поля зрения;Figb - FKE in the infrared lens for a wide field of view;

Фиг.4а - астигматизм и дисторсия в инфракрасном объективе для узкого поля зрения;Figa - astigmatism and distortion in an infrared lens for a narrow field of view;

Фиг.4б - астигматизм и дисторсия в инфракрасном объективе для широкого поля зрения.Figb - astigmatism and distortion in an infrared lens for a wide field of view.

На фиг.1а изображена предлагаемая оптическая схема инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой в одном из двух фиксированных положений подвижных компонентов, в котором реализуется узкое поле зрения. Объектив содержит расположенные по ходу лучей, оптически связанные неподвижный положительный компонент 1, подвижный отрицательный мениск 2, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, подвижный положительный компонент 3, неподвижный положительный компонент 4, в пространстве между которым и плоскостью изображений размещена апертурная диафрагма. Компонент 1 выполнен в виде положительного мениска 5 и отрицательного мениска 6, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений. Подвижный положительный компонент 3 включает близко расположенные отрицательный мениск 7, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, отрицательную линзу 8 и положительную линзу 9. Неподвижный положительный компонент 4 состоит из вплотную расположенных отрицательного мениска 10, двух положительных менисков 11 и 12, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательного мениска 13, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений. Все преломляющие поверхности объектива выполнены сферическими. Подвижный мениск 2 и компонент 3 имеют два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения, при этом расстояния между вершинами преломляющих поверхностей подвижного мениска 2 и подвижного компонента 3 являются различными в каждом из двух фиксированных положений. Дополнительно показано защитное стекло поз.14 криостата, в который помещается приемник ИК излучения, и охлаждаемая диафрагма которого выполняет функцию апертурной диафрагмы объектива. На фиг.1б показано взаимное расположение компонентов объектива во втором фиксированном положении подвижных элементов, в котором реализуется широкое поле зрения.On figa shows the proposed optical scheme of the infrared lens with two fields of view and a remote aperture diaphragm in one of two fixed positions of the moving components, which implements a narrow field of view. The lens contains, along the rays of the beam, optically coupled a fixed positive component 1, a moving negative meniscus 2, convex side to the image plane, a moving positive component 3, a fixed positive component 4, in the space between which and the image plane there is an aperture diaphragm. Component 1 is made in the form of a positive meniscus 5 and a negative meniscus 6, facing the concave side to the image plane. The movable positive component 3 includes the closely spaced negative meniscus 7, convex side to the image plane, the negative lens 8 and the positive lens 9. The stationary positive component 4 consists of closely spaced negative meniscus 10, two positive menisci 11 and 12 facing convex surfaces to each other friend, and the negative meniscus 13, facing the concave side to the image plane. All refractive surfaces of the lens are made spherical. The movable meniscus 2 and component 3 have two fixed positions on the optical axis to change the field of view, while the distances between the vertices of the refracting surfaces of the movable meniscus 2 and the movable component 3 are different in each of the two fixed positions. Additionally, a protective glass is shown in pos. 14 of the cryostat, into which the IR radiation receiver is placed, and the cooled diaphragm of which serves as the aperture diaphragm of the lens. On figb shows the relative position of the components of the lens in the second fixed position of the moving elements, which implements a wide field of view.

Оптическая система работает следующим образом. В положении компонентов, показанных на рис.1а, линзы компонентов 1 и 2 фокусируют инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного приемника ИК излучения и фокусным расстояние объектива, и создают действительное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения, которое затем линзами компонентов 3 и 4 через защитное стекло 14 переносится в плоскость изображений объектива, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Охлаждаемая апертурная диафрагма обеспечивает высокое относительное отверстие объектива, отсутствие виньетирования для наклонных пучков лучей и минимизирует поступление на матричный приемник ИК излучения фонового ИК излучения. Плоскость чувствительных элементов матричного приемника ИК излучения совмещается с плоскостью изображений объектива. Для смены поля зрения осуществляется перемещение вдоль оптической оси компонентов 2 и 3 в положение, показанное на фиг.1б, при этом расстояние между вершинами первых поверхностей компонентов 2 и 3 меняется. В этом положении промежуточное действительное изображение объектов формируется линзами компонентов 1, 2 и 3, а затем линзами компонента 4 переносится в плоскость изображений объектива. При этом эквивалентное фокусное расстояние инфракрасного объектива уменьшается в три раза, и соответственно в три раза увеличивается угловое поле в пространстве предметов. Положение плоскости изображений остается неизменным как при узком, так и при широком поле зрения.The optical system operates as follows. In the position of the components shown in Fig. 1a, the lenses of components 1 and 2 focus the infrared radiation coming from each point of the distant objects within the angular field determined by the dimensions of the cooled matrix receiver of infrared radiation and the focal length of the lens, and create a real image of objects in the plane of the intermediate image, which is then transferred by the lenses of components 3 and 4 through the protective glass 14 to the plane of the image of the lens, providing for each point of the object focusing in the spot of a small area size, comparable in magnitude to the diffusion spot. The cooled aperture diaphragm provides a high relative aperture of the lens, the absence of vignetting for tilted beams of rays and minimizes the input of infrared radiation to the matrix receiver of infrared radiation. The plane of the sensitive elements of the matrix receiver of infrared radiation is combined with the plane of the image of the lens. To change the field of view, the components 2 and 3 are moved along the optical axis to the position shown in Fig. 1b, while the distance between the vertices of the first surfaces of the components 2 and 3 changes. In this position, an intermediate real image of objects is formed by the lenses of components 1, 2, and 3, and then transferred by the lenses of component 4 to the image plane of the lens. In this case, the equivalent focal length of the infrared lens is reduced by three times, and accordingly, the angular field in the space of objects increases three times. The position of the image plane remains unchanged both with a narrow and a wide field of view.

Для примера конкретного исполнения в таблице 1 приведены оптические силы компонентов и линз предлагаемого объектива, расстояния между линзами, материалы линз и их диаметры. Значения параметров в таблице 1 приведены при нормировке эквивалентного фокусного расстояния объектива f'=-1.For an example of a specific implementation, Table 1 shows the optical powers of the components and lenses of the proposed lens, the distance between the lenses, lens materials and their diameters. The values of the parameters in table 1 are given during normalization of the equivalent focal length of the lens f '= - 1.

Таблица 1 - Параметры инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмойTable 1 - Parameters of an infrared lens with two fields of view and a remote aperture diaphragm Номер компонента в соответствии с фиг.1аComponent number in accordance with figa Оптическая силаOptical power Номер линзы в соответствии с фиг.1аThe lens number in accordance with figa Оптическая силаOptical power Расстояние по осиAxis distance МатериалMaterial ДиаметрDiameter 1one 1,2961,296 55 1,3991,399 0,0380,038 GeGe 0,530.53 66 -0,128-0.128 0,490/0,1040.490 / 0.104 ZnSeZnse 0,520.52 22 -1,264-1,264 22 -1,264-1,264 0,270/0,0670.270 / 0.067 GeGe 0,200.20 33 2,3662,366 77 -2,083-2,083 0,0100.010 GeGe 0,240.24 88 -0,193-0.193 0,0290,029 GaAsGaas 0,290.29 99 3,8733,873 0,161/0,7500.161 / 0.750 GeGe 0,300.30 4four 8,1378,137 1010 -2,712-2,712 0,0100.010 GaAsGaas 0,160.16 11eleven 6,0106,010 0,0100.010 GeGe 0,180.18 1212 4,7804,780 0,0240.024 GeGe 0,160.16 1313 -2,693-2.693 0,0460,046 GeGe 0,120.12 14fourteen 00 0,0140.014 GeGe 0,0650,065 А.д.Hell. 0,0940,094

Через знак «/» указаны расстояния между компонентами соответственно для узкого и широкого полей зрения. При широком поле зрения фокусное расстояние объектива составляет -0,33.The “/” sign indicates the distances between the components for narrow and wide fields of view, respectively. With a wide field of view, the focal length of the lens is -0.33.

Как следует из таблицы 1, фиг.1а и 1б, знаки оптических сил компонентов и входящих в них линз, а также форма линз соответствуют заявляемым. Относительное отверстие объектива 1:2. Входной зрачок совмещен с первой поверхностью объектива, и наибольший диаметр линзы объектива согласован с диаметром входного зрачка. В результате уменьшается масса объектива. Преломляющие поверхности всех линз объектива являются сферическими, т.е. повышается технологичность устройства и снижается его стоимость. Расстояние от апертурной диафрагмы (А.д.) до плоскости изображения составляет 0,094 от наибольшего фокусного расстояния и соответственно 0,28 от наименьшего, т.е. меньше, чем в наиболее близком аналоге.As follows from table 1, figa and 1b, the signs of the optical forces of the components and their lenses, as well as the shape of the lenses correspond to the claimed. The relative aperture of the lens is 1: 2. The entrance pupil is aligned with the first surface of the lens, and the largest diameter of the objective lens is matched with the diameter of the entrance pupil. As a result, the mass of the lens decreases. The refractive surfaces of all lenses are spherical, i.e. the manufacturability of the device increases and its cost decreases. The distance from the aperture diaphragm (A.D.) to the image plane is 0.094 from the largest focal length and, accordingly, 0.28 from the smallest, i.e. less than in the closest analogue.

Конкретные значения радиусов сферических преломляющих поверхностей определяются под требуемые значения фокусных расстояний в каждом из фиксированных положений подвижных линз и показатели преломления материалов, соответствующих рабочему спектральному диапазону используемого приемника излучения, путем использования оптимизации любой современной оптической проектировочной программы.The specific radii of the spherical refracting surfaces are determined by the required focal lengths in each of the fixed positions of the movable lenses and the refractive indices of the materials corresponding to the working spectral range of the radiation detector used, by using the optimization of any modern optical design program.

Анализ примера реализации инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой проведен для варианта с трехкратной сменой поля зрения, с фокусными расстояниями 210 и 70 мм, угловыми полями соответственно 3,34° и 10,5°, определяемые диагональю приемника (12,4 мм). Для каждого из фокусных расстояний относительное отверстие составляет 1:2. Спектральный диапазон (от 7,7 до 10,3 мкм) соответствует спектральной чувствительности охлаждаемого приемника ИК излучения фирмы Sofradir. В примере реализации p'=19,8 мм, что составляет 0,28 от наименьшей величины фокусного расстояния.An example of the implementation of an infrared lens with two fields of view and a remote aperture diaphragm was carried out for a variant with a triple change of the field of view, with focal lengths of 210 and 70 mm, angular fields of 3.34 ° and 10.5 °, respectively, determined by the diagonal of the receiver (12.4 mm). For each of the focal lengths, the relative aperture is 1: 2. The spectral range (from 7.7 to 10.3 μm) corresponds to the spectral sensitivity of a cooled infrared radiation receiver from Sofradir. In the example implementation p '= 19.8 mm, which is 0.28 of the smallest focal length.

Графики ЧКХ и ФКЭ представлены соответственно на фиг.2а и фиг.3а для положений компонентов в объективе, обеспечивающих узкое поле, и на фиг.2б и фиг.3б - широкое поля зрения. Графики астигматизма и дисторсии представлены на фиг.4а для положений компонентов в объективе, обеспечивающих узкое поле, а на фиг.4б - широкое поле зрения. Из представленных графиков следует, что заявляемый объектив обеспечивает высокое качество изображения для каждого из полей зрения, близкое к дифракционному, и дисторсию не более 2,2% для края поля зрения. В предлагаемом объективе сохранен трехкратный перепад полей зрения, относительное отверстие имеет величину 1:2, реализуется двухпольный режим наблюдения.The plots of the frequency response and the photomultiplier are presented in FIG. 2a and FIG. 3a, respectively, for the positions of the components in the lens providing a narrow field, and FIG. 2b and FIG. 3b show a wide field of view. Graphs of astigmatism and distortion are presented in Fig.4a for the positions of the components in the lens, providing a narrow field, and Fig.4b - a wide field of view. From the presented graphs it follows that the inventive lens provides high image quality for each of the fields of view, close to diffraction, and distortion of not more than 2.2% for the edge of the field of view. The proposed lens retains a three-fold difference in the field of view, the relative aperture is 1: 2, and a two-field observation mode is implemented.

Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого инфракрасного объектива с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать технологичную, экономически эффективную конструкцию объектива с высокими техническими характеристиками, использовать его совместно с современными охлаждаемыми матричными приемниками ИК излучения, в том числе в малогабаритных тепловизионных приборах.Thus, the implementation of the technical advantages of the proposed infrared lens with two fields of view and a remote aperture diaphragm, having a combination of these distinguishing features, allows you to create a technological, cost-effective design of the lens with high technical characteristics, to use it in conjunction with modern cooled matrix receivers of infrared radiation, including including in small-sized thermal imaging devices.

Источники информацииInformation sources

1. Патент US 6091551, 2000.1. Patent US 6091551, 2000.

2. Патент RU 2339983, 2006.2. Patent RU 2339983, 2006.

3. Патент US 7136235, 2006.3. Patent US 7136235, 2006.

4. Патент RU 2355003, 2009.4. Patent RU 2355003, 2009.

5. Патент Японии 2002-14283, 2002.5. Japanese Patent 2002-14283, 2002.

6. Патент US 6424460, 2002.6. Patent US 6424460, 2002.

Claims (1)

Инфракрасный объектив с двумя полями зрения и вынесенной апертурной диафрагмой, размещенной между последним компонентом объектива и плоскостью изображения, содержащий расположенные по ходу лучей оптически связанные первый и последний положительные компоненты и расположенный между ними подвижный компонент, включающий отрицательную и положительную линзы, имеющий два фиксированных положения на оптической оси для смены полей зрения; при этом первый компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, последний компонент включает два положительных мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к плоскости изображений, отличающийся тем, что в первом компоненте первый мениск является положительным, второй - отрицательным, после первого положительного компонента введен подвижный отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, имеющий два фиксированных положения на оптической оси, при этом расстояния между вершинами преломляющих поверхностей подвижного отрицательного мениска и подвижного компонента являются различными в каждом из двух фиксированных положений; подвижный компонент выполнен положительным, в него введен отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к плоскости изображений, расположенный вплотную перед отрицательной линзой этого компонента, в последний компонент введен отрицательный мениск, расположенный вплотную перед положительными менисками этого компонента, все преломляющие поверхности инфракрасного объектива выполнены сферическими. An infrared lens with two fields of view and a remote aperture diaphragm located between the last component of the lens and the image plane, containing optically connected first and last positive components located along the rays and a moving component located between them, including a negative and a positive lens, having two fixed positions on optical axis for changing visual fields; wherein the first component is made in the form of two meniscuses facing the concave side to the image plane, the last component includes two positive meniscuses facing the convex surfaces to each other, and a negative meniscus facing the concave side to the image plane, characterized in that the first component the meniscus is positive, the second is negative, after the first positive component, a movable negative meniscus is introduced, with the convex side facing the image plane having two fixed positions on the optical axis, the distance between the peaks of the negative meniscus movable and the movable component refracting surfaces are different in each of the two fixed positions; the movable component is made positive, a negative meniscus is inserted into it, facing the convex side to the image plane, located right in front of the negative lens of this component, a negative meniscus is placed in the last component, located right in front of the positive menisci of this component, all the refracting surfaces of the infrared lens are made spherical.
RU2009131779/28A 2009-08-21 2009-08-21 Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm RU2400784C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009131779/28A RU2400784C1 (en) 2009-08-21 2009-08-21 Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009131779/28A RU2400784C1 (en) 2009-08-21 2009-08-21 Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2400784C1 true RU2400784C1 (en) 2010-09-27

Family

ID=42940486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009131779/28A RU2400784C1 (en) 2009-08-21 2009-08-21 Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2400784C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510059C1 (en) * 2012-09-21 2014-03-20 Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm
RU2615209C1 (en) * 2012-01-20 2017-04-04 Рейтеон Компани Complete field imager optics on geosynchronous earth orbit with expanded spectrum
RU2630195C1 (en) * 2016-04-01 2017-09-05 Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Infrared telephoto lens with two vision fields
RU207412U1 (en) * 2021-03-23 2021-10-27 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") INFRARED SYSTEM WITH TWO FIELDS OF VIEW
RU208293U1 (en) * 2021-06-30 2021-12-13 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") INFRARED SYSTEM WITH TWO FIELDS OF VIEW
RU2779657C1 (en) * 2021-06-30 2022-09-13 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") Infrared system with two fields of vision

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2615209C1 (en) * 2012-01-20 2017-04-04 Рейтеон Компани Complete field imager optics on geosynchronous earth orbit with expanded spectrum
RU2510059C1 (en) * 2012-09-21 2014-03-20 Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm
RU2630195C1 (en) * 2016-04-01 2017-09-05 Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Infrared telephoto lens with two vision fields
RU207412U1 (en) * 2021-03-23 2021-10-27 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") INFRARED SYSTEM WITH TWO FIELDS OF VIEW
RU208293U1 (en) * 2021-06-30 2021-12-13 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") INFRARED SYSTEM WITH TWO FIELDS OF VIEW
RU2779657C1 (en) * 2021-06-30 2022-09-13 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") Infrared system with two fields of vision

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9651763B2 (en) Co-aperture broadband infrared optical system
EP0506955B1 (en) Apochromatic relay lens systems suitable for use in a high definition telecine apparatus
US10509210B2 (en) Two-color very wide field of view refractive eyepiece-type optical form
CN104898353A (en) Folded telephoto camera lens system
US9377612B2 (en) IR microscope with image field curvature compensation, in particular with additional illumination optimization
RU2400784C1 (en) Infrared objective lens with two fields of vision and remote aperture diaphragm
US9354116B1 (en) Optical forms for multi-channel double-pass dispersive spectrometers
US10309907B2 (en) All reflective wafer defect inspection and review systems and methods
KR20200026694A (en) Wide-angle imaging lens
KR20200026692A (en) Optical imaging lens
RU2419113C1 (en) Optical system with pinhole aperture for middle infrared range
US7136235B2 (en) Optical apparatus
RU2348953C1 (en) Infrared rapid three-lens objective
RU134671U1 (en) LIGHT LIGHT FOR IR IR SPECTRUM
RU2410733C1 (en) Double-spectrum infrared lens having aperture diaphragm in image space
US20060028713A1 (en) Optical imager for the 3-5 micron spectral band
RU2672703C1 (en) Two-channel mirror-lens system
RU96987U1 (en) LIGHT POWER LENS WITH EXTENDED PUPILS FOR THE INFRARED SPECTRUM
GB2085184A (en) Afocal dual magnification refractor telescopes
RU2379723C1 (en) High-aperture lens with offset pupils for infrared area of spectrum
RU221999U1 (en) HIGH LENS FOR THE INFRARED SPECTRUM
RU127949U1 (en) MIRROR LENS VARIO LENS
RU2400785C1 (en) Telescope with two magnifying power values and remote exit pupil for far infrared spectrum
US20230096503A1 (en) High resolution vnir lens
RU2434256C1 (en) High-aperture wide-angle objective lens for infrared spectrum

Legal Events

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

Effective date: 20180822