RU2578661C1 - Infrared lens with smoothly varying focal distance - Google Patents

Infrared lens with smoothly varying focal distance Download PDF

Info

Publication number
RU2578661C1
RU2578661C1 RU2014154466/28A RU2014154466A RU2578661C1 RU 2578661 C1 RU2578661 C1 RU 2578661C1 RU 2014154466/28 A RU2014154466/28 A RU 2014154466/28A RU 2014154466 A RU2014154466 A RU 2014154466A RU 2578661 C1 RU2578661 C1 RU 2578661C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
component
convex
silicon
focal length
Prior art date
Application number
RU2014154466/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Иванович Белоусов
Георгий Васильевич Вазагов
Original Assignee
Акционерное общество "Швабе - Приборы"
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 Акционерное общество "Швабе - Приборы" filed Critical Акционерное общество "Швабе - Приборы"
Priority to RU2014154466/28A priority Critical patent/RU2578661C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2578661C1 publication Critical patent/RU2578661C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lenses (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: lens comprises five components. First component comprises a convex-concave meniscus made from silicon and a biconcave lens from fluorite. Second component is biconcave lens made of silicon. Third component comprises a convex-concave positive meniscus made from silicon and negative convex-concave meniscus made from fluorite. Fourth - a positive convex-concave meniscus from silicon. Fifth component includes doubly-concave lens from fluorite and doubly-convex lens from silicon. First surface of the lens of the second component, the first surface of the first lens of the third component and the second surface of the second lens of the fifth component are tapered. Second and fourth components and the second lens of the fifth component are movable. Fourth component at changing the focal distance of the lens in the whole range of its values moves at first in one direction with movement of the second component, and then in reverse. Relative optical power of the second and fourth components satisfy conditions given in the patent claim.
EFFECT: wider range of changing the focal distance lens with simultaneous reduction of relative length of the lens and longitudinal movements of movable elements, high spectral transmission and thermal stability of the lens.
1 cl, 6 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области инфракрасной оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы чувствительных элементов. Спектральная область работы объектива 3.7-4.8 мкм.The invention relates to the field of infrared optics and can be used in thermal imagers with photodetectors made in the form of a microbolometric matrix of sensitive elements. The spectral range of the lens is 3.7-4.8 microns.

Известен инфракрасный объектив, работающий в области спектра 3.7-4.8 мкм [Design of a Dual Field- of- View Optical System for Infra-Red Focal-Plane Arrays, SPIE, vol. 4767, p. 13-23. фиг. 2, 3]. Объектив содержит последовательно установленные выпукло-вогнутый мениск, подвижную отрицательную линзу, положительную линзу и трехлинзовую оптику переноса изображения. В качестве фотоприемного устройства используется устройство, содержащее защитное стекло, охлаждаемую апертурную диафрагму и прямоугольную матрицу чувствительных элементов. Оптика переноса изображения служит для оптического сопряжения апертурной диафрагмы с первой по ходу луча линзой для уменьшения ее светового диаметра. Одновременно оптика переноса изображения используется для атермализации объектива при работе в различных температурных режимах за счет ее небольшого (±1 мм) перемещения вдоль оптической оси, а также для фокусировки объектива на конечное расстояние до 25 м. Для 3.5-кратного изменения фокусного расстояния отрицательная линза дискретно перемещается вдоль оптической оси на 30 мм с изменением фокусного расстояния f с 220 до 63 мм. Объектив имеет высокое относительное отверстие (1:2,75) и небольшую длину l (200 мм), т.е. отношение l/f=0.91.A well-known infrared lens operating in the spectral region of 3.7-4.8 μm [Design of a Dual Field-of-View Optical System for Infra-Red Focal-Plane Arrays, SPIE, vol. 4767, p. 13-23. FIG. 2, 3]. The lens contains a sequentially mounted convex-concave meniscus, a movable negative lens, a positive lens and a three-lens image transfer optics. As a photodetector, a device containing a protective glass, a cooled aperture diaphragm and a rectangular matrix of sensitive elements is used. The image transfer optics serves for optical conjugation of the aperture diaphragm with the first lens along the beam to reduce its light diameter. At the same time, image transfer optics are used to athermalize the lens when operating in various temperature conditions due to its small (± 1 mm) movement along the optical axis, and also to focus the lens at a final distance of up to 25 m. For a 3.5-fold change in the focal length, the negative lens is discrete moves along the optical axis by 30 mm with a change in focal length f from 220 to 63 mm. The lens has a high relative aperture (1: 2.75) and a small length l (200 mm), i.e. l / f ratio = 0.91.

Объектив имеет следующие недостатки.The lens has the following disadvantages.

1. Дискретность смены полей зрения, при котором происходит кратковременное перекрытие поля зрения.1. Discreteness of the change of field of view, in which there is a short-term overlap of the field of view.

2. Небольшой перепад увеличений (3.5 крат).2. A small difference in magnifications (3.5 times).

3. Технологическая сложность изготовления, а следовательно, и стоимость объектива из-за наличия дифрактивных асферических поверхностей.3. The technological complexity of manufacturing, and therefore the cost of the lens due to the presence of diffractive aspherical surfaces.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием по патенту РФ №2310217 от 10.01.2006 г., МПК G02B 13/14, G02B 15/16. Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси неподвижный первый компонент, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы, третьей отрицательной двояковогнутой линзы, четвертой положительной двояковыпуклой линзы и пятой положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижный вдоль оптической оси второй компонент, состоящий из отрицательной выпукло-вогнутой линзы, подвижный вдоль оптической оси третий компонент, состоящий из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, неподвижный четвертый компонент, состоящий из положительной вогнуто-выпуклой линзы, и неподвижный пятый компонент, состоящий из первой положительной выпукло-вогнутой линзы и второй положительной выпукло-вогнутой линзы. Вторая поверхность первой линзы пятого компонента выполнена асферической.The closest in technical essence - the prototype - is an infrared lens with a continuously variable focal length according to the patent of the Russian Federation No. 2310217 from 01/10/2006, IPC G02B 13/14, G02B 15/16. The lens contains a fixed first component sequentially located along the optical axis, consisting of a positive convex-concave lens, a second negative convex-concave lens, a third negative biconcave lens, a fourth positive biconvex lens and a fifth positive convex-concave lens, movable along the optical axis of the second component, consisting of a negative convex-concave lens, the third component moving along the optical axis, consisting of a negative concave-convex lens, is not a movable fourth component consisting of a positive concave-convex lens, and a stationary fifth component consisting of a first positive convex-concave lens and a second positive convex-concave lens. The second surface of the first lens of the fifth component is made aspherical.

Как и предлагаемый объектив, указанный объектив содержит пять последовательно расположенных оптически связанных компонентов. Первая линза первого компонента - выпукло-вогнутый мениск. Второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.Like the proposed lens, the specified lens contains five sequentially located optically coupled components. The first lens of the first component is a convex-concave meniscus. The second component is mounted to move along the optical axis.

Указанный объектив имеет следующие недостатки.The specified lens has the following disadvantages.

1. Недостаточная кратность увеличения, равная 8,5 крат.1. Insufficient magnification of 8.5 times.

2. Большая относительная длина объектива, равная 1:1.6.2. A large relative length of the lens, equal to 1: 1.6.

3. Большое количество линз (10 линз), что снижает пропускание объектива.3. A large number of lenses (10 lenses), which reduces the transmission of the lens.

4. Объектив обеспечивает хорошее качество изображения при работе в нормальных климатических условиях (+20°C). Но при работе в температурном диапазоне от минус 50°C до 50°C объектив дает большую дефокусировку изображения, особенно в случае использования в качестве материала линз германия. Германий имеет значительное изменение показателя преломления от температуры, что приводит к существенному снижению качества изображения.4. The lens provides good image quality when operating in normal climatic conditions (+ 20 ° C). But when working in the temperature range from minus 50 ° C to 50 ° C, the lens gives a great defocusing of the image, especially when using germanium lenses as the material. Germanium has a significant change in the refractive index of temperature, which leads to a significant decrease in image quality.

5. Одна из подвижных линз имеет большой диапазон перемещений (310 мм). Это приводит к существенному уводу линии визирования, особенно при искривлении направляющих при воздействии температурных факторов.5. One of the movable lenses has a large range of motion (310 mm). This leads to a significant loss of the line of sight, especially when the guides are curved when exposed to temperature factors.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение интервала изменения фокусного расстояния объектива (кратности увеличения) с одновременным уменьшением относительной длины объектива и продольных перемещений подвижных элементов, повышение спектрального пропускания и повышение термостабильности объектива (атермализации) - сохранения качества изображения в температурном диапазоне от минус 50°C до 50°CThe technical result of the invention is to increase the interval for changing the focal length of the lens (magnification factor) while reducing the relative length of the lens and the longitudinal movements of the moving elements, increasing the spectral transmittance and increasing the thermal stability of the lens (athermalization) - preserving image quality in the temperature range from minus 50 ° C to 50 ° C

Указанный технический результат достигается следующим образом. Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, как и прототип, содержит пять последовательно расположенных оптически связанных компонентов, причем первая линза первого компонента выполнена в виде выпукло-вогнутого мениска, а второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее: первый компонент содержит две линзы, из которых первая линза выполнена из кремния, а вторая - двояковогнутая линза, выполненная из флюорита, второй компонент - двояковогнутая отрицательная линза, установленная с возможностью перемещения вдоль оптической оси, выполненная из кремния, первая поверхность которой - коническая, с конической постоянной в пределах от (-9) до (-13), третий компонент содержит выпукло-вогнутый положительный мениск, выполненный из кремния, первая поверхность которого - коническая, с конической постоянной в пределах от (-4) до (-7), и отрицательный выпукло-вогнутый мениск, выполненный из флюорита, четвертый компонент - выпукло-вогнутый мениск, выполненный из кремния, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси в процессе изменения фокусного расстояния объектива во всем диапазоне значений фокусного расстояния сначала в одну сторону с перемещением второго компонента, а затем - в обратную, пятый компонент содержит двояковогнутую отрицательную линзу, выполненную из флюорита, и двояковыпуклую положительную линзу, выполненную из кремния и установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси независимо от перемещения второго и четвертого компонентов, при этом вторая поверхность второй линзы пятого компонента выполнена конической с конической постоянной в пределах от (-4) до (-8), причем относительные оптические силы второго и четвертого компонентов удовлетворяют следующим условиям:The specified technical result is achieved as follows. An infrared lens with a smoothly changing focal length, like the prototype, contains five optically connected components in series, the first lens of the first component made in the form of a convex-concave meniscus, and the second component mounted for movement along the optical axis. In contrast to the prototype, the following was performed in the lens: the first component contains two lenses, of which the first lens is made of silicon, and the second is a biconcave lens made of fluorite, the second component is a biconcave negative lens mounted with the possibility of movement along the optical axis, made of silicon, the first surface of which is conical, with a conical constant ranging from (-9) to (-13), the third component contains a convex-concave positive meniscus made of silicon, the first surface of which go - conical, with a conical constant ranging from (-4) to (-7), and a negative convex-concave meniscus made of fluorite, the fourth component is a convex-concave meniscus made of silicon, mounted for movement along the optical axis in the process of changing the focal length of the lens in the entire range of focal length values, first in one direction with the second component moving, and then in the opposite direction, the fifth component contains a biconcave negative lens made of fluorite and a biconcave bent positive lens made of silicon and mounted to move along the optical axis regardless of the movement of the second and fourth components, while the second surface of the second lens of the fifth component is made conical with a conical constant in the range from (-4) to (-8), and the relative optical powers of the second and fourth components satisfy the following conditions:

f I I f max = ( 0.03 ÷ 0.04 )

Figure 00000001
, f I I f max = - ( 0.03 ÷ 0.04 )
Figure 00000001
,

f I V f max = 0.15 ÷ 0.20

Figure 00000002
, f I V f max = 0.15 ÷ 0.20
Figure 00000002
,

где: fII - фокусное расстояние второго компонента;where: f II is the focal length of the second component;

fIV - фокусное расстояние четвертого компонента;f IV is the focal length of the fourth component;

fmax - максимальное значение фокусного расстояния объектива.f max - the maximum value of the focal length of the lens.

Придание второму и четвертому подвижным компонентам определенной оптической силы и расположение между ними неподвижного двухлинзового третьего компонента позволяет сократить продольный габарит объектива до 175 мм при фокусном расстоянии 300 мм, а также сократить диапазон линейного перемещения подвижных компонентов до 30 мм.Giving the second and fourth movable components a certain optical power and arranging a fixed two-lens third component between them makes it possible to reduce the longitudinal dimension of the lens to 175 mm at a focal length of 300 mm, and also to reduce the range of linear movement of the moving components to 30 mm.

Коническая форма трех поверхностей линз из нетоксичного материала (кремния) позволяет обеспечить хорошее качество изображения при уменьшенном количестве линз и перепаде фокусных расстояний 10 крат.The conical shape of the three surfaces of the lenses made of non-toxic material (silicon) allows for good image quality with a reduced number of lenses and a difference in focal lengths of 10 times

Выбор двухлинзовой конструкции пятого компонента (оптики переноса изображения) со значительным промежутком между ними обеспечивает за счет продольного перемещения второй положительной линзы этого компонента температурную компенсацию расфокусировки изображения (атермализацию) в диапазоне ±50°C при расположении объектива в алюминиевом корпусе. Этому также способствовало исключение германия из оптической схемы объектива и применение трех линз, выполненных из флюорита. Кроме того, применение кремния в совокупности с флюоритом позволяет исправить хроматические аберрации.The choice of the two-lens design of the fifth component (image transfer optics) with a significant gap between them provides, due to the longitudinal movement of the second positive lens of this component, temperature compensation of image defocusing (athermalization) in the range of ± 50 ° C when the lens is located in an aluminum body. This was also facilitated by the exclusion of germanium from the optical scheme of the lens and the use of three lenses made of fluorite. In addition, the use of silicon in combination with fluorite can correct chromatic aberrations.

Оптика переноса изображения позволяет осуществить оптическое сопряжение охлаждаемой диафрагмы фотоприемного устройства с оправой первой линзы объектива, тем самым сделать ее световой диаметр в узком поле зрения минимальным, что снижает вес объектива и исключает появление нежелательных теневых эффектов (виньетирования или срезания полевых пучков лучей).The image transfer optics allows optical coupling of the cooled diaphragm of the photodetector with the frame of the first lens of the lens, thereby minimizing its light diameter in a narrow field of view, which reduces the weight of the lens and eliminates the appearance of undesirable shadow effects (vignetting or cutting off of field beams of rays).

Пример конкретной реализации объектива иллюстрируется чертежами.An example of a specific implementation of the lens is illustrated in the drawings.

На фиг. 1 представлена оптическая схема объектива с плавно изменяющимся фокусным расстоянием от 300 мм до 30 мм с расположением линз для фокусного расстояния 300 мм.In FIG. 1 is an optical diagram of a lens with a smoothly changing focal length from 300 mm to 30 mm with a lens arrangement for a focal length of 300 mm.

На фиг. 2 показаны графики перемещения второго и четвертого компонентов с изменением воздушных промежутков d4 и d10, при изменении фокусного расстояния.In FIG. Figure 2 shows the movement graphs of the second and fourth components with a change in air gaps d4 and d10, with a change in focal length.

На фиг. 3 показан процесс изменения хода лучей при изменении фокусного расстояния с 300 мм до 30 мм для различных значений фокусных расстояний (конфигураций).In FIG. Figure 3 shows the process of changing the course of the rays when changing the focal length from 300 mm to 30 mm for various values of focal lengths (configurations).

На фиг. 4 в верхнем левом углу представлены кружки рассеяния, т.е. функция рассеяния точки по пяти конфигурациям, а в остальных секциях - контраст изображения.In FIG. 4 in the upper left corner are the scattering circles, i.e. dot scattering function in five configurations, and in the remaining sections - image contrast.

На фиг. 5 представлены кружки рассеяния при работе объектива в температурном диапазоне ±50°C.In FIG. Figure 5 shows scattering circles when the lens operates in a temperature range of ± 50 ° C.

На фиг. 6 представлены кружки рассеяния без атермализации объектива (линза 8 неподвижна).In FIG. Figure 6 shows scattering circles without lens athermalization (lens 8 is stationary).

Объектив содержит последовательно установленные и оптически сопряженные первый компонент I, выполненный в виде выпукло-вогнутого мениска 1, и двояковогнутую линзу 2, второй компонент II, выполненный в виде двояковогнутой линзы 2, третий компонент III, содержащий выпукло-вогнутый положительный мениск 4 и отрицательный выпукло-вогнутый мениск 5, четвертый компонент IV, выполненный в виде положительного выпукло-вогнутого мениска 6, и пятый компонент V, выполненный в виде отрицательной двояковогнутой линзы 7 и положительной двояковыпуклой линзы 8. В заднем отрезке объектива расположено фотоприемное устройство 9, содержащее защитное стекло 10, охлаждаемую апертурную диафрагму 11 и фоточувствительную матрицу 12. Между четвертым и пятым компонентом расположена плоскость промежуточного изображения 13.The lens contains sequentially mounted and optically conjugated first component I, made in the form of a convex-concave meniscus 1, and a biconcave lens 2, the second component II, made in the form of a biconcave lens 2, the third component III, containing a convex-concave positive meniscus 4 and a negative convex -concave meniscus 5, the fourth component IV, made in the form of a positive convex-concave meniscus 6, and the fifth component V, made in the form of a negative biconcave lens 7 and a positive biconvex lens 8. In the rear section of the lens is a photodetector 9, comprising a protective glass 10, a cooled aperture diaphragm 11, and a photosensitive matrix 12. Between the fourth and fifth components, there is a plane of the intermediate image 13.

Компонент II (линза 3) установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а компонент IV (линза 6) установлен с возможностью перемещения в процессе изменения фокусного расстояния объектива во всем диапазоне значений фокусного расстояния сначала в одну сторону с перемещением компонента II, а затем - в обратную. Линза 8 компонента V установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси независимо от перемещения компонентов II и IV. Для получения высокого контраста изображения и сокращения длины объектива первая поверхность линзы 3, первая поверхность линзы 6 и вторая поверхность линзы 8 выполнены коническими.Component II (lens 3) is mounted with the ability to move along the optical axis, and component IV (lens 6) is mounted with the ability to move in the process of changing the focal length of the lens in the entire range of focal lengths, first in one direction with the movement of component II, and then in the opposite. The lens 8 of the component V is mounted to move along the optical axis regardless of the movement of components II and IV. To obtain a high image contrast and reduce the length of the lens, the first surface of the lens 3, the first surface of the lens 6 and the second surface of the lens 8 are made conical.

Оптические характеристики объектива имеют следующие значения.The optical characteristics of the lens have the following meanings.

1. Диапазон изменения фокусного расстояния, мм1. The range of the focal length, mm 300÷30300 ÷ 30 2. Линейное поле зрения (диагональ), мм2. Linear field of view (diagonal), mm 13.613.6 3. Увеличение, крат3. The increase, krat 1010 4. Относительное отверстие4. Relative hole 1:41: 4 5. Спектральный диапазон, мкм5. The spectral range, microns 3.7÷4.83.7 ÷ 4.8 6. Длина, мм6. Length, mm 175175 7. Число линз7. Number of lenses 88 8. Число конических поверхностей8. The number of conical surfaces 33 9. Температурный диапазон работы9. Temperature range of work ±50°C± 50 ° C

Конструктивные параметры заявляемого объектива с расположением линз для фокусного расстояния 300 мм представлены в таблице 1, где даны радиусы кривизны "r" поверхностей, толщины и воздушные промежутки "d", а также материал, из которого выполнены линзы.The design parameters of the inventive lens with the location of the lenses for a focal length of 300 mm are presented in table 1, which gives the radii of curvature "r" of the surfaces, thicknesses and air gaps "d", as well as the material from which the lenses are made.

Figure 00000003
Figure 00000003

Относительные оптические силы компонентов II и IV соответственно равны: (-0,0383) и 0,17 без учета оборачивания изображения, т.е. при fmax=300 мм.The relative optical powers of components II and IV are respectively equal: (-0.0383) and 0.17 excluding image wrapping, i.e. with f max = 300 mm.

Перемещение линз 3, 6 служит для изменения фокусного расстояния объектива, а перемещение линзы 8 - для его атермализации.Moving the lenses 3, 6 serves to change the focal length of the lens, and moving the lens 8 - for its athermalization.

Исключение из схемы оптической германия позволило уменьшить термооптические аберрации объектива, а за счет независимого перемещения линзы 8 пятого компонента полностью скомпенсировать расфокусировку изображения, вызванную изменением температуры окружающей среды при использовании корпуса объектива, выполненного из распространенного материала - алюминия, а применение кремния в совокупности с флюоритом - исправить хроматические аберрации.An exception to the optical germanium scheme allowed us to reduce the thermo-optical aberrations of the lens, and due to the independent movement of the lens 8 of the fifth component, completely compensate for the defocusing of the image caused by a change in ambient temperature when using the lens body made of a common material - aluminum, and the use of silicon in combination with fluorite - correct chromatic aberration.

Объектив работает следующим образом: параллельный пучок лучей инфракрасного излучения проходит через все линзы объектива, включая плоскость промежуточного изображения 13, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами кривизны каждой поверхности и материалами линз, и фокусируется в плоскости фоточувствительной матрицы 12. Диагональ прямоугольной фоточувствительной матрицы 12, расположенной в плоскости изображения, составляет 13.6 мм.The lens works as follows: a parallel beam of infrared rays passes through all the lenses of the lens, including the plane of the intermediate image 13, refracted on each surface in accordance with the radii of curvature of each surface and lens materials, and focuses in the plane of the photosensitive matrix 12. The diagonal of the rectangular photosensitive matrix 12 located in the image plane is 13.6 mm.

Главный луч наклонного пучка лучей (в обратном ходе), проходя через центр апертурной диафрагмы 11, идет примерно в центр светового диаметра мениска 1, что обеспечивает его минимальные габариты.The main beam of an inclined beam of rays (in reverse), passing through the center of the aperture diaphragm 11, goes approximately to the center of the light diameter of the meniscus 1, which ensures its minimum dimensions.

Диаметр пучка лучей определяется диаметром апертурной диафрагмы, в качестве которой служит охлаждаемая диафрагма 11 диаметром 5.1 мм. В данном фотоприемном устройстве 9 конфигурация деталей такова, что фоточувствительная матрица 12 находится в воздушном промежутке d20=20.47 мм от диафрагмы 11. Поэтому расстояние от задней поверхности линзы 8 до фоточувствительной матрицы 12 (задний отрезок) должно быть не менее 30 мм, чтобы обеспечить приемлемую величину промежутка d17, поскольку линза 8 является подвижной. Большой задний отрезок является фактором, ограничивающим достижение более высоких характеристик объектива, таких как его длина и контраст изображения.The diameter of the beam of rays is determined by the diameter of the aperture diaphragm, which is a cooled diaphragm 11 with a diameter of 5.1 mm. In this photodetector 9, the configuration of the parts is such that the photosensitive matrix 12 is in the air gap d20 = 20.47 mm from the diaphragm 11. Therefore, the distance from the rear surface of the lens 8 to the photosensitive matrix 12 (back segment) must be at least 30 mm the gap value d17, since the lens 8 is movable. The large rear segment is a factor limiting the achievement of higher lens characteristics, such as its length and image contrast.

Компоненты II, III и IV представляют собой трансфокатор (zoom lens group), с помощью которого осуществляется изменение фокусного расстояния объектива. С этой целью компоненты II и IV перемещаются вдоль оптической оси по определенному закону с изменением переменных воздушных промежутков d4, d6 и d10, d12, при неподвижном компоненте III. Значения этих промежутков для пяти значений фокусного расстояния объектива f приведены в таблице 2, а сам процесс изменения - на фиг. 2.Components II, III, and IV are a zoom lens group, with which you can change the focal length of the lens. To this end, components II and IV move along the optical axis according to a certain law with a change in variable air gaps d4, d6 and d10, d12, with the component III stationary. The values of these gaps for the five values of the focal length of the lens f are shown in Table 2, and the process of change is shown in FIG. 2.

Figure 00000004
Figure 00000004

Как видно из фиг. 2, компонент II (кривая сверху) перемещается по гиперболическому закону, а компонент IV совершает возвратно-поступательное движение в течение периода изменения фокусного расстояния от 300 мм до 30 мм.As can be seen from FIG. 2, component II (the curve from above) moves according to a hyperbolic law, and component IV makes a reciprocating motion during the period of changing the focal length from 300 mm to 30 mm.

Процесс изменения хода лучей при изменении фокусного расстояния с 300 до 30 мм представлен на фиг. 3 для следующих фокусных расстояний (конфигураций): 300 мм, 200 мм, 130 мм, 70 мм и 30 мм. В поле каждой конфигурации впечатана соответствующая величина фокусного расстояния объектива.The process of changing the path of the rays when changing the focal length from 300 to 30 mm is shown in FIG. 3 for the following focal lengths (configurations): 300 mm, 200 mm, 130 mm, 70 mm and 30 mm. The corresponding focal length of the lens is imprinted in the field of each configuration.

В верхнем левом углу даны графики астигматизма и дисторсии, равной 5% для среднего фокусного расстояния 130 мм.In the upper left corner, there are graphs of astigmatism and distortion equal to 5% for an average focal length of 130 mm.

Из таблицы 2 видно, что отношение максимального значения фокусного расстояния f к минимальному составляет 10 крат.From table 2 it is seen that the ratio of the maximum value of the focal length f to the minimum is 10 times.

При заявленном конструктивном исполнении длина объектива l (расстояние от первой поверхности до плоскости изображения) равна 175 мм и не превышает максимальное фокусное расстояние больше чем в 0.58 раз ( l f max = 0.58 )

Figure 00000005
. По сравнению с прототипом относительная длина объектива (0.58) в 2.75 раза меньше (у прототипа 1.6). Диапазон линейного перемещения подвижных компонентов сокращен до 30 мм, что в 10 раз меньше, чем в прототипе.With the claimed design, the lens length l (distance from the first surface to the image plane) is 175 mm and does not exceed the maximum focal length more than 0.58 times ( l f max = 0.58 )
Figure 00000005
. Compared with the prototype, the relative length of the lens (0.58) is 2.75 times less (the prototype 1.6). The range of linear movement of the moving components is reduced to 30 mm, which is 10 times less than in the prototype.

На фиг. 4 в верхнем левом углу даны кружки рассеяния, т.е. функция рассеяния точки (ФРТ) по пяти вышеуказанным конфигурациям. Первая строка для оси, вторая - для зоны (0.7) и третья - для края поля зрения. В остальных секциях дан контраст изображения на частоте 20 штрихов на миллиметр также по пяти конфигурациям. Как видно из рисунка, пятна рассеяния вписываются в кружок Эри, впечатанный на каждое пятно, составляющий 42.5 мкм, а контраст изображения постоянен для всех конфигураций и приближается к дифракционному пределу.In FIG. 4 in the upper left corner are given scattering circles, i.e. point spread function (PSF) for the five above configurations. The first line is for the axis, the second is for zone (0.7) and the third is for the edge of the field of view. In the remaining sections, the contrast of the image at a frequency of 20 strokes per millimeter is also given for five configurations. As can be seen from the figure, the scattering spots fit into the Erie circle, imprinted on each spot, amounting to 42.5 μm, and the image contrast is constant for all configurations and approaches the diffraction limit.

На фиг. 5 представлены кружки рассеяния при работе объектива в температурном диапазоне ±50°C, при этом сторона квадрата составляет 200 мкм. Слева для сравнения даны кружки рассеяния в диапазоне фокусных расстояний от 300 до 30 мм при работе объектива при +20°C. В самом жестком режиме, т.е. при фокусном расстоянии 300 мм, линза 8 компонента V перемещается вдоль оси на 1.25 мм вправо (в сторону фотоприемного устройства 9) для температуры минус 50°C и на 0.5 мм влево для температуры +50°C за счет изменения отрезков d15 и d17. Расчеты даны с учетом того, что корпус объектива выполнен из алюминия.In FIG. Figure 5 shows the scattering circles when the lens operates in a temperature range of ± 50 ° C, while the side of the square is 200 μm. On the left, for comparison, scattering circles are given in the range of focal lengths from 300 to 30 mm when the lens operates at + 20 ° C. In the most severe mode, i.e. at a focal length of 300 mm, the lens 8 of component V moves 1.25 mm along the axis to the right (towards the photodetector 9) for a temperature of minus 50 ° C and 0.5 mm to the left for a temperature of + 50 ° C due to a change in segments d15 and d17. The calculations are based on the fact that the lens body is made of aluminum.

На фиг. 6 представлены кружки рассеяния без атермализации объектива (линза 8 неподвижна), при этом сторона квадрата составляет 1000 мкм. Как видно из рисунка, происходит полная деградация качества изображения.In FIG. Figure 6 shows scattering circles without lens athermalization (lens 8 is stationary), while the side of the square is 1000 μm. As can be seen from the figure, there is a complete degradation of image quality.

Активная атермализация объектива независимым оптическим элементом (линза 8) имеет следующие преимущества. Обычно атермализация панкратических объективов осуществляется установкой на корпусе объектива температурных датчиков, сигналы с которых поступают в процессор для корректировки управления законом движения подвижных линз трансфокатора с изменением температуры. Это, с одной стороны, усложняет электронную систему объектива, а с другой - не позволяет с достаточной степенью точности совместить плоскость изображения с фоточувствительной матрицей, особенно при высоких относительных отверстиях объектива и при точностях подвижки линз трансфокатора порядка 10 мкм. Это происходит из-за того, что особенности конфигурации корпуса объектива и оправ крепления линз, а также флуктуации температурной обстановки не позволяют создать точную математическую модель для корректировки закона движения подвижных компонентов.Active lens thermalization with an independent optical element (lens 8) has the following advantages. Usually athermalization of pan-optical lenses is carried out by installing temperature sensors on the lens body, the signals from which enter the processor to adjust the control of the law of motion of the moving zoom lenses with temperature. This, on the one hand, complicates the electronic system of the lens, and on the other hand, it does not allow a sufficient degree of accuracy to combine the image plane with the photosensitive matrix, especially at high relative apertures of the lens and with the accuracy of the zoom lens movement of the order of 10 μm. This is due to the fact that the configuration features of the lens body and lens mount frames, as well as fluctuations in the temperature environment, do not allow creating an accurate mathematical model for adjusting the law of motion of moving components.

С другой стороны, работа оператора в реальном масштабе времени позволяет простым способом устранить эти недостатки путем независимого управления положением линзы 8 на оптической оси. Это же движение может быть использовано для фокусировки объектива на конечное расстояние.On the other hand, the operator’s work in real time allows a simple way to eliminate these disadvantages by independently controlling the position of the lens 8 on the optical axis. The same movement can be used to focus the lens at a finite distance.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить интервал изменения фокусного расстояния объектива (кратность увеличения) с одновременным уменьшением относительной длины объектива и продольных перемещений подвижных элементов, повысить спектральное пропускание и термостабильность объектива в температурном диапазоне ±50°C.Thus, the present invention allows to increase the interval of variation of the focal length of the lens (magnification factor) while reducing the relative length of the lens and the longitudinal displacements of the moving elements, to increase the spectral transmission and thermal stability of the lens in the temperature range of ± 50 ° C.

Claims (1)

Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием, содержащий пять последовательно расположенных оптически связанных компонентов, причем первая линза первого компонента выполнена в виде выпукло-вогнутого мениска, а второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, отличающийся тем, что первый компонент содержит две линзы, из которых первая линза в виде выпукло-вогнутого мениска выполнена из кремния, а вторая - двояковогнутая линза, выполнена из флюорита, второй компонент - двояковогнутая отрицательная линза, выполненная из кремния, первая поверхность которой - коническая, с конической постоянной в пределах от минус 9 до минус 13, третий компонент содержит выпукло-вогнутый положительный мениск, выполненный из кремния, первая поверхность которого - коническая, с конической постоянной в пределах от минус 4 до минус 7, и отрицательный выпукло-вогнутый мениск, выполненный из флюорита, четвертый компонент - выпукло-вогнутый мениск, выполненный из кремния, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси в процессе изменения фокусного расстояния объектива во всем диапазоне значений фокусного расстояния сначала в одну сторону с перемещением второго компонента, а затем - в обратную, а пятый компонент содержит двояковогнутую отрицательную линзу, выполненную из флюорита, и двояковыпуклую положительную линзу, выполненную из кремния, вторая поверхность которой - коническая, с конической постоянной в пределах от минус 4 до минус 8, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси независимо от перемещения второго и четвертого компонентов, причем относительные оптические силы второго и четвертого компонентов удовлетворяют следующим условиям:
Figure 00000006

где:
fII - фокусное расстояние второго компонента;
fIV - фокусное расстояние четвертого компонента;
fmax - максимальное значение фокусного расстояния объектива.
An infrared lens with a smoothly changing focal length containing five optically connected components in series, the first lens of the first component made in the form of a convex-concave meniscus, and the second component mounted for movement along the optical axis, characterized in that the first component contains two lenses, of which the first lens in the form of a convex-concave meniscus is made of silicon, and the second is a biconcave lens made of fluorite, the second component is a biconcave a solid lens made of silicon, the first surface of which is conical, with a conical constant ranging from minus 9 to minus 13, the third component contains a convex-concave positive meniscus made of silicon, the first surface of which is conical, with a conical constant ranging from minus 4 to minus 7, and a negative convex-concave meniscus made of fluorite, the fourth component is a convex-concave meniscus made of silicon, mounted to move along the optical axis in the process of changing the focal length of the lens in the entire range of focal length values, first in one direction with the second component moving, and then in the opposite direction, and the fifth component contains a biconcave negative lens made of fluorite and a biconvex positive lens made of silicon, the second surface of which is conical, with a conical constant ranging from minus 4 to minus 8, installed with the ability to move along the optical axis regardless of the movement of the second and fourth components, and about in relative optical power of the second and fourth components satisfy the following conditions:
Figure 00000006

Where:
f II is the focal length of the second component;
f IV is the focal length of the fourth component;
f max - the maximum value of the focal length of the lens.
RU2014154466/28A 2014-12-30 2014-12-30 Infrared lens with smoothly varying focal distance RU2578661C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154466/28A RU2578661C1 (en) 2014-12-30 2014-12-30 Infrared lens with smoothly varying focal distance

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154466/28A RU2578661C1 (en) 2014-12-30 2014-12-30 Infrared lens with smoothly varying focal distance

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2578661C1 true RU2578661C1 (en) 2016-03-27

Family

ID=55656784

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014154466/28A RU2578661C1 (en) 2014-12-30 2014-12-30 Infrared lens with smoothly varying focal distance

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2578661C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU177647U1 (en) * 2017-09-07 2018-03-05 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") VARIOSYSTEM FOR THE INFRARED SPECTRUM
RU2663536C1 (en) * 2017-09-07 2018-08-07 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") Variosystem for infrared region
CN109491052A (en) * 2018-12-28 2019-03-19 福建福光天瞳光学有限公司 A kind of 17mm high-resolution infrared lens and its assembly method
CN116299960A (en) * 2022-12-14 2023-06-23 福建福光股份有限公司 Large-aperture wide-angle medium-wave infrared lens and imaging method thereof
RU2820282C1 (en) * 2023-12-14 2024-06-03 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт телевидения" Lens with remote entrance pupil for near infrared region (versions)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6091551A (en) * 1997-01-30 2000-07-18 Fuji Photo Optical Co., Ltd. Infrared zoom lens system
JP2002014283A (en) * 2000-06-28 2002-01-18 Fuji Photo Optical Co Ltd Infrared ray zoom lens or infrared ray multifocal lens, infrared ray imaging system and panoramic observation optical system
RU2310217C2 (en) * 2006-01-10 2007-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ФГУП "НПО "ГИПО") Ir objective with smoothly changing focal length
GB2474762A (en) * 2009-10-23 2011-04-27 Zeiss Carl Optronics Gmbh Thermal imaging device with objective having five lens groups

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6091551A (en) * 1997-01-30 2000-07-18 Fuji Photo Optical Co., Ltd. Infrared zoom lens system
JP2002014283A (en) * 2000-06-28 2002-01-18 Fuji Photo Optical Co Ltd Infrared ray zoom lens or infrared ray multifocal lens, infrared ray imaging system and panoramic observation optical system
RU2310217C2 (en) * 2006-01-10 2007-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ФГУП "НПО "ГИПО") Ir objective with smoothly changing focal length
GB2474762A (en) * 2009-10-23 2011-04-27 Zeiss Carl Optronics Gmbh Thermal imaging device with objective having five lens groups

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU177647U1 (en) * 2017-09-07 2018-03-05 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") VARIOSYSTEM FOR THE INFRARED SPECTRUM
RU2663536C1 (en) * 2017-09-07 2018-08-07 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") Variosystem for infrared region
CN109491052A (en) * 2018-12-28 2019-03-19 福建福光天瞳光学有限公司 A kind of 17mm high-resolution infrared lens and its assembly method
CN109491052B (en) * 2018-12-28 2024-03-05 福建福光天瞳光学有限公司 17mm high-resolution infrared lens and assembly method thereof
CN116299960A (en) * 2022-12-14 2023-06-23 福建福光股份有限公司 Large-aperture wide-angle medium-wave infrared lens and imaging method thereof
RU2820282C1 (en) * 2023-12-14 2024-06-03 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт телевидения" Lens with remote entrance pupil for near infrared region (versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10571653B2 (en) Optical imaging system
JP2524612B2 (en) Infrared Afocal Zoom Telescope
CN103823294B (en) There is the continuous vari-focus medium-wave infrared optical system of overlength focal length
EP0171903A1 (en) Improvements in or relating to infra-red lenses
RU2578661C1 (en) Infrared lens with smoothly varying focal distance
KR20220103673A (en) Optical Imaging System
CN106019542B (en) Broadband multipurpose continuous zooming optical system
CN107589534B (en) A kind of lens system and camera lens
KR20190096680A (en) Optical Imaging System
KR20190121678A (en) Optical Imaging System
CN108051905B (en) Imaging lens and photographing device
US20160187640A1 (en) Optically Correcting Configuration for a Reflector Telescope
RU2365952C1 (en) Infrared objective
JP7026933B2 (en) Imaging optical system and imaging device
CN116500587B (en) Adjustable laser ranging system
EP0457493A1 (en) Zoom lens
RU2694557C1 (en) Infrared system with two fields of view
JP2018091956A (en) Catadioptric optical system
KR20170089185A (en) Zoom Optical System
CN214474202U (en) Low-cost infrared objective lens capable of continuously zooming
RU2718145C1 (en) Fast infrared lens
RU2621366C1 (en) Compact lens of mid-infrared range
KR20180037170A (en) Zoom Optical System
RU2722623C1 (en) Optical system of a thermal imager with two fields of vision
RU2577082C1 (en) Apochromatic athermal lens (versions)

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20180220

PD4A Correction of name of patent owner