RU2604112C2 - Objective lens for infrared spectrum - Google Patents

Objective lens for infrared spectrum Download PDF

Info

Publication number
RU2604112C2
RU2604112C2 RU2015116831/28A RU2015116831A RU2604112C2 RU 2604112 C2 RU2604112 C2 RU 2604112C2 RU 2015116831/28 A RU2015116831/28 A RU 2015116831/28A RU 2015116831 A RU2015116831 A RU 2015116831A RU 2604112 C2 RU2604112 C2 RU 2604112C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
menisci
meniscus
image plane
positive
Prior art date
Application number
RU2015116831/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015116831A (en
Inventor
Александр Иванович Белоусов
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 RU2015116831/28A priority Critical patent/RU2604112C2/en
Publication of RU2015116831A publication Critical patent/RU2015116831A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2604112C2 publication Critical patent/RU2604112C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/34Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

FIELD: electronics.
SUBSTANCE: invention can be used in thermal imagers sensitive within the spectral range from 8 to 12 µm. Lens has four menisci, from which first, second and fourth menisci on beam path are positive, and third one is negative. All meniscus by concave surfaces face image plane. First and fourth menisci are made from germanium, and second and third are from zinc selenide. Third meniscus is made movable along the optical axis. Following relationships are satisfied: φ1234=(0.70÷0.78):(0.18÷0.57):-(1.0÷1.78):(1.9÷2.5), where φ1, φ2, φ3, φ4 are relative optical powers of first, second, third and fourth menisci, respectively; D2/f′e=0.6÷0.7, where D2 is air gap between first and second menisci, f′e is lens equivalent focal distance.
EFFECT: technical result is increase in manufacture ability, image quality with lens extended production and assembly tolerances, invariance of lens focal distance with lens thermal compensation in temperature range from minus 40 °C to +50 °C.
1 cl, 4 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно, к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.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 thermal imagers built on the basis of matrix photodetector devices sensitive in the spectral range from 8 to 12 microns.

Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №140705 от 11.12.2013 г., МПК G02B 13/14. Объектив содержит четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а второй - отрицательный, причем, первый и четвертый мениски выполнены из германия, а третий - из селенида цинка, отличающийся тем, что второй мениск выполнен из германия и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, а между оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения:Known lens for the infrared region of the spectrum according to the patent of the Russian Federation No. 140705 from 12/11/2013, IPC G02B 13/14. The lens contains four menisci, of which the first and fourth menisci along the ray are positive, with their concave surfaces facing the image plane, and the second is negative, the first and fourth menisci being made of germanium, and the third of zinc selenide, characterized in that the second meniscus is made of germanium and faces with a concave surface to the image plane, the third meniscus is negative and faces with a concave surface to the image plane, and the following Relations:

φ1234=(1,07÷1,31):-(0,57÷1,5):-(1,41÷0,68):(1,31÷2,08),φ 1 : φ 2 : φ 3 : φ 4 = (1.07 ÷ 1.31) :-( 0.57 ÷ 1.5) :-( 1.41 ÷ 0.68) :( 1.31 ÷ 2 , 08),

где φ1, φ2, φ3, φ4 относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно.where φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 are the relative optical powers of the first, second, third and fourth menisci, respectively.

Фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C достигается при выполнении подвижными вдоль оптической оси либо всего объектива, либо второго и третьего менисков совместно, либо четвертого мениска.Focusing the lens to a finite distance and compensating for the displacement of the image plane in the operating temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C is achieved when moving along the optical axis either the entire lens, or the second and third menisci together, or the fourth meniscus.

Указанный объектив недостаточно технологичен, т.к. имеет жесткие допуски, а следовательно, пригоден для производства мелкими партиями. Кроме того, фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур приводит к изменению фокусного расстояния, что, в свою очередь, приведет к изменению масштаба шкалы.The specified lens is not technologically advanced, because It has tight tolerances and, therefore, is suitable for production in small batches. In addition, focusing the lens at a finite distance and compensating for the displacement of the image plane in the range of operating temperatures leads to a change in focal length, which, in turn, will lead to a change in the scale of the scale.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению - прототипом - является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №115514 от 11.01.2012 г., МПК G02B 13/14. Объектив содержит четыре мениска, из которых второй является отрицательным, остальные - положительными, первый и четвертый мениски выполнены из германия и обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, второй и третий мениски выполнены из селенида цинка и обращены к плоскости изображений своими выпуклыми поверхностями, третий и четвертый мениски установлены с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, между относительными оптическими силами менисков имеют место следующие соотношения: φ1234=(0,75÷0,85):-(2,0÷2,5):-(1,40÷1,66):(1,7÷1,9), где φ1, φ2, φ3, φ4 относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно.Closest to the claimed technical solution - the prototype - is the lens for the infrared region of the spectrum according to the patent of the Russian Federation No. 115514 of 01/11/2012, IPC G02B 13/14. The lens contains four menisci, of which the second is negative, the rest are positive, the first and fourth menisci are made of germanium and face the image plane with their concave surfaces, the second and third menisci are made of zinc selenide and face the image plane with their convex surfaces, the third and the fourth menisci are installed with the possibility of simultaneous movement along the optical axis, between the relative optical forces of the menisci, the following relations hold: φ 1 : φ 2 : φ 3 : φ 4 = (0.75 ÷ 0.85) :-( 2.0 ÷ 2.5) :-( 1.40 ÷ 1.66) :( 1.7 ÷ 1.9), where φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 the relative optical forces of the first, second, third and fourth menisci, respectively.

Для сравнения указанный объектив пересчитан на фокусное расстояние 75 мм. Объектив имеет следующие недостатки.For comparison, the specified lens is calculated at a focal length of 75 mm. The lens has the following disadvantages.

1. Для сохранения расчетных характеристик объектива необходимо изготовление оптических деталей и объектива в целом (взаимное расположение компонентов объектива) с высокими точностями. Качество изображения обеспечивается в пределах небольших допусков на изготовление менисков и сборку объектива. Эквивалентное фокусное расстояние подвижных менисков составляет ~22 мм. Для предотвращения увода линии визирования на одну угловую минуту при фокусировке изображения на конечное расстояние 15 м децентрировка подвижных менисков не должна превосходить 0,02 мм.1. To maintain the design characteristics of the lens, it is necessary to manufacture optical parts and the lens as a whole (relative position of the lens components) with high accuracy. Image quality is ensured within small tolerances for meniscus manufacturing and lens assembly. The equivalent focal length of the moving menisci is ~ 22 mm. To prevent the line of sight from moving away by one angular minute when the image is focused at a final distance of 15 m, the decentration of the moving menisci should not exceed 0.02 mm.

2. При термокомпенсации в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C и фокусировке на конечное расстояние совместным перемещением третьего и четвертого менисков происходит значительное изменение фокусного расстояния, что приводит к изменению масштаба изображения до недопустимых величин для объективов с высокими требованиями постоянства фокусного расстояния в рабочем диапазоне температур. Так как подвижный компонент имеет положительную оптическую силу, изменение фокусного расстояния объектива составляет 1,19 мм.2. With thermal compensation in the operating temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C and focusing on a finite distance by the joint movement of the third and fourth menisci, a significant change in the focal length occurs, which leads to a change in image scale to unacceptable values for lenses with high requirements for focal constancy distances in the operating temperature range. Since the movable component has a positive optical power, the change in the focal length of the lens is 1.19 mm.

3. Совместное перемещение двух компонентов объектива представляет технологическую сложность.3. The joint movement of the two components of the lens is a technological challenge.

Задачей изобретения является достижение следующих технических результатов, причем, без увеличения массы и габаритов объектива: повышение технологичности объектива путем расширения допусков изготовления оптических деталей и сборки объектива, повышение качества изображения при расширенных допусках изготовления и сборки объектива, а также обеспечение неизменности фокусного расстояния объектива при термокомпенсации объектива в диапазоне рабочих температур.The objective of the invention is to achieve the following technical results, and without increasing the mass and dimensions of the lens: increasing the manufacturability of the lens by expanding the manufacturing tolerances of optical parts and assembling the lens, improving image quality with extended manufacturing and assembly tolerances of the lens, as well as ensuring the focal length of the lens remains constant during thermal compensation lens in the range of working temperatures.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем, первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из селенида цинка. В отличие от прототипа, в заявляемом объективе выполнено следующее. Второй мениск выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Третий мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. При этом выполняются следующие соотношения:The specified technical results are achieved as follows. The lens for the infrared region of the spectrum, like the prototype, contains four menisci, of which the first and fourth menisci along the beam are positive, with their concave surfaces facing the image plane, the first and fourth menisci being made of germanium, and the second and third of zinc selenide. Unlike the prototype, the following is fulfilled in the inventive lens. The second meniscus is made positive and faces with a concave surface toward the image plane; the third meniscus is made negative and faces with a concave surface toward the image plane. The third meniscus is mounted to move along the optical axis. The following relationships are true:

φ1234=(0,70÷0,78):(0,18÷0,57):-(1,0÷1,78):(1,9÷2,5),φ 1 : φ 2 : φ 3 : φ 4 = (0.70 ÷ 0.78) :( 0.18 ÷ 0.57) :-( 1.0 ÷ 1.78) :( 1.9 ÷ 2, 5),

где φ1, φ2, φ3, φ4 относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно;where φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 are the relative optical powers of the first, second, third and fourth menisci, respectively;

D2/f′э=0,6÷0,7,D2 / f ′ e = 0.6 ÷ 0.7,

где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;where D2 is the air gap between the first and second menisci;

f′э - эквивалентное фокусное расстояние объектива.f ′ e is the equivalent focal length of the lens.

Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах.An example of a specific implementation of the lens is shown in the drawings.

На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива с реальным ходом лучей для осевой и полевых точек поля зрения.In FIG. Figure 1 shows an optical diagram of a lens with real ray paths for the axial and field points of the field of view.

На фиг. 2 приведена функция рассеяния точки (ФРТ).In FIG. Figure 2 shows the point spread function (PSF).

На фиг. 3 приведены контраст изображения и функция концентрации энергии (ФКЭ).In FIG. Figure 3 shows the contrast of the image and the function of energy concentration (FFE).

На фиг. 4 приведен график функции концентрации энергии (ФКЭ) при воздействии допусков по методу Монте-Карло.In FIG. Figure 4 shows a graph of the energy concentration function (FFE) under the influence of tolerances by the Monte Carlo method.

Объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит размещенные в корпусе (на рисунке не показан) четыре мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия. Мениск 2 - положительный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка. Мениск 4 - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Мениск 3 выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для фокусировки объектива на конечное расстояние и компенсации смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C.The lens for the infrared region of the spectrum (Fig. 1) contains four menisci located in the housing (not shown in the figure). Meniscus 1 - positive, made of Germany. Meniscus 2 - positive, made of zinc selenide (ZnSe). Meniscus 3 - negative, made of zinc selenide. Meniscus 4 - positive, made of Germany. All menisci face a concave surface to the image plane. The meniscus 3 is arranged to move along the optical axis to focus the lens at a finite distance and compensate for the displacement of the image plane in the operating temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C.

В таблице 1 приведены характеристики объектива, рассматриваемого в качестве примера реализации заявляемого объектива. Входной зрачок расположен на первой поверхности объектива.Table 1 shows the characteristics of the lens, considered as an example of the implementation of the inventive lens. The entrance pupil is located on the first surface of the lens.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Оптические характеристики объектива:Optical characteristics of the lens:

1. Фокусное расстояние1. Focal length 75 мм75 mm 2. Относительное отверстие2. Relative bore 1:1,251: 1.25 3. Поле зрения3. Field of view 7,3°×5,5°7.3 ° × 5.5 ° 4. Спектральный диапазон4. Spectral range 8-12 мкм8-12 microns 5. Длина объектива5. Lens Length 99,4 мм99.4 mm 6. Задний отрезок6. The back section 13,02 мм13.02 mm

Корпус объектива может выполняться из стали, алюминия и других материалов. Расчет объектива проведен с учетом применения алюминия, имеющего более высокий коэффициент линейного расширения по сравнению со сталью. Выполнение корпуса объектива из алюминия предпочтительно для обеспечения небольшой массы объектива.The lens body can be made of steel, aluminum and other materials. The calculation of the lens was carried out taking into account the use of aluminum, which has a higher coefficient of linear expansion compared to steel. The design of the lens housing of aluminum is preferable to provide a small mass of the lens.

Конструктивные элементы объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения:The design elements of the lens, shown in table 1, provide the following relationships:

φ1234=0,746:0,493:(-1,548):2,186;φ 1 : φ 2 : φ 3 : φ 4 = 0.746: 0.493: (- 1.548): 2.186;

D2/f′э=0,645;D2 / f ′ e = 0.645;

где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы менисков 1, 2, 3 и 4 соответственно;where φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 are the relative optical forces of the menisci 1, 2, 3 and 4, respectively;

φ1=f′э/f′1, φ2=f′э/f′2, φ3=f′э/f′3, φ4=f′э/f′4;φ 1 = f ′ e / f ′ 1 , φ 2 = f ′ e / f ′ 2 , φ 3 = f ′ e / f ′ 3 , φ 4 = f ′ e / f ′ 4 ;

f′э - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива;f ′ e is the equivalent focal length of the entire lens;

f′1, f′2, f′3, f′4 - фокусные расстояния менисков 1, 2, 3 и 4 соответственно;f ′ 1 , f ′ 2 , f ′ 3 , f ′ 4 are the focal lengths of menisci 1, 2, 3, and 4, respectively;

D2 - воздушный промежуток между менисками 1 и 2.D2 - air gap between menisci 1 and 2.

Объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3, 4 и сходятся в плоскости изображения 5. В температурном диапазоне для получения высокого качества изображения мениск 3 перемещается вдоль оси, при этом изменяются расстояния между менисками 2 и 3, 3 и 4, т.е. соответственно отрезки D4, D6. Это же перемещение используется для фокусировки объектива на конечное расстояние.The lens works as follows. Beams of rays from an object sequentially pass through menisci 1, 2, 3, 4 and converge in the image plane 5. In the temperature range, to obtain a high quality image, meniscus 3 moves along the axis, while the distances between menisci 2 and 3, 3 and 4 change. those. respectively, segments D4, D6. The same movement is used to focus the lens at a finite distance.

Основная идея конструктивного выполнения объектива заключается в уменьшении оптических сил линзовых элементов.The main idea of the constructive implementation of the lens is to reduce the optical power of the lens elements.

Атермализация объектива и его фокусировка на конечное расстояние в предлагаемом изобретении осуществляется отличным от прототипа способом. В прототипе с этой целью используется перемещение вдоль оси двух положительных линз, эквивалентная оптическая сила которых имеет большую величину. В предлагаемом изобретении подвижная линза 3 имеет оптическую силу (по абсолютной величине) в два раза меньше. Это, с одной стороны, позволяет увеличить допуск на ее децентрировку в два раза с уводом визирной оси не более одной угловой минуты, а с другой стороны - предотвратить изменение фокусного расстояния при ее перемещении. Это также обусловлено тем, что термокомпенсация и фокусировка объектива на конечное расстояние в заявляемом объективе осуществляется отрицательным компонентом, а не положительным, как в прототипе. Изменение фокусного расстояния составляет 0,025%, т.е. фокусное расстояние практически постоянно. У прототипа изменение фокусного расстояния составляет 1,7%.The lens thermalization and its focusing on a finite distance in the present invention is carried out in a manner different from the prototype. In the prototype for this purpose, movement along the axis of two positive lenses is used, the equivalent optical power of which is large. In the present invention, the movable lens 3 has an optical power (in absolute value) two times less. This, on the one hand, makes it possible to double the allowance for its decentration with the retraction of the line of sight of not more than one angular minute, and on the other hand, to prevent a change in focal length when moving it. This is also due to the fact that thermal compensation and focusing of the lens to a finite distance in the inventive lens is a negative component, and not positive, as in the prototype. The change in focal length is 0.025%, i.e. focal length is almost constant. The prototype has a change in focal length of 1.7%.

При температуре 50°C мениск 3 перемещается на 0,34 мм влево, а при минус 40°C - на 0,68 мм вправо. При фокусировке объектива на конечное расстояние 15 м в нормальных климатический условиях, т.е. при 20°C, мениск 3 перемещается на 0,42 мм вправо, т.е. входит в диапазон подвижек при термокомпенсации.At a temperature of 50 ° C, meniscus 3 moves 0.34 mm to the left, and at minus 40 ° C - 0.68 mm to the right. When focusing the lens at a final distance of 15 m under normal climatic conditions, i.e. at 20 ° C, meniscus 3 moves 0.42 mm to the right, i.e. Included in the range of shifts during thermal compensation.

Значения величины воздушного промежутка D2 влияют на параметры объектива двояким образом. При увеличении этого промежутка снижается качество изображения объектива, а при уменьшении - возрастают световые диаметры линз и соответственно их оправ, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик объектива.The values of the air gap D2 influence the lens parameters in two ways. With an increase in this gap, the image quality of the lens decreases, and with a decrease, the light diameters of the lenses and, accordingly, their frames increase, which leads to a deterioration in the overall dimensions of the lens.

При увеличении воздушного промежутка D2 увеличивается кривизна вогнутой поверхности мениска 2 и уменьшается кривизна выпуклой поверхности мениска 3, что приводит к уменьшению воздушного зазора между краями этих менисков. Это, в свою очередь, может привести к касанию оправ этих менисков при температурной компенсации в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C. Кроме того, происходит увеличение длины объектива на величину, равную увеличению воздушного промежутка D2. При уменьшении воздушного промежутка D2 имеет место обратный эффект, но при этом увеличиваются световые диаметры менисков 2 и 3 и, следовательно, масса объектива.With an increase in the air gap D2, the curvature of the concave surface of the meniscus 2 increases and the curvature of the convex surface of the meniscus 3 decreases, which leads to a decrease in the air gap between the edges of these menisci. This, in turn, can lead to the contact of the frames of these menisci with temperature compensation in the operating temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C. In addition, there is an increase in the length of the lens by an amount equal to the increase in the air gap D2. When the air gap D2 decreases, the opposite effect takes place, but at the same time, the light diameters of menisci 2 and 3 and, consequently, the mass of the lens increase.

Высокое качество изображения объектива обеспечивается в диапазоне D2/f′э=0,6÷0,7. Наиболее оптимальным значением воздушного промежутка D2 является значение D2=0,645f′э.High image quality of the lens is provided in the range D2 / f ′ e = 0.6 ÷ 0.7. The most optimal value of the air gap D2 is the value D2 = 0.645f ′ e .

Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки (ФРТ), которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении, контраст изображения (ЧКХ) и функцию концентрации энергии (ФКЭ), позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния.Let us consider the characteristics of the image quality of the lens, namely the point scattering function (PSF), which clearly demonstrates the topology of scattering spots in the geometric approximation, image contrast (PTF) and the function of energy concentration (PCE), which makes it possible to determine the diffraction scattering circle.

Функция рассеяния точки приведена на фиг. 2. В первой колонке дана топология кружков рассеяния для 20°C, во второй - для минус 40°C, а в третьей - для 50°C. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, а в третьей - для края поля зрения. Размер квадрата составляет 100 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 33,5 мкм. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии.The point spread function is shown in FIG. 2. The first column gives the topology of the scattering circles for 20 ° C, the second for minus 40 ° C, and the third for 50 ° C. The first line contains the scattering circles for the axial point of the field of view, the second for the zone, and the third for the edge of the field of view. The square size is 100 microns. In addition, a diffraction (non-aberrational) Airy circle with a diameter of 33.5 μm is imprinted on each scattering spot. This circle contains 83.4% of energy.

Как видно из фиг. 2, все пятна рассеяния вписываются в кружок Эйри, что наглядно демонстрирует высокое качество изображения в геометрическом приближении. В прототипе кружки рассеяния выходят за пределы диска Эйри, что обусловлено наличием аберраций высших порядков из-за крутого падения лучей на поверхности линз относительно нормали поверхности.As can be seen from FIG. 2, all scattering spots fit into the Airy circle, which clearly demonstrates the high image quality in the geometric approximation. In the prototype, scattering circles extend beyond the Airy disk, due to the presence of higher-order aberrations due to the steep incidence of rays on the surface of the lens relative to the surface normal.

Для более надежной оценки качества изображения используется величина контраста изображения и функция концентрации энергии. На фиг. 3 слева дан контраст изображения на частоте 20 мм-1, а справа - функция концентрации энергии для всего температурного диапазона. Значения температур напечатаны в поле соответствующих графиков. В соответствии с критерием Найквиста для ожидаемых кружков рассеяния 0,025 мм контраст изображения на частоте 20 мм-1 должен быть не менее 0,6, что следует из фиг. 3. Детальное рассмотрение графиков ФКЭ позволило определить диаметр кружков рассеяния при 80% концентрации энергии, величины которых впечатаны, в верхней части квадратов на фиг. 2. Рассмотрение этих величин позволяет сделать вывод, что представленный объектив имеет дифракционное качество изображения, а качество изображения на 10-15% выше, чем у прототипа.For a more reliable assessment of image quality, the image contrast value and the energy concentration function are used. In FIG. Figure 3 on the left shows the contrast of the image at a frequency of 20 mm -1 , and on the right - the function of energy concentration for the entire temperature range. The temperature values are printed in the field of the corresponding graphs. According to the Nyquist criterion for the expected scattering circles of 0.025 mm, the image contrast at a frequency of 20 mm -1 should be at least 0.6, which follows from FIG. 3. A detailed examination of the FEC graphs made it possible to determine the diameter of the scattering circles at 80% of the energy concentration, the values of which are imprinted, in the upper part of the squares in FIG. 2. Consideration of these values allows us to conclude that the presented lens has diffractive image quality, and the image quality is 10-15% higher than that of the prototype.

Стабильность качества изображения объектива зависит от допусков на изготовление оптических деталей и их сборки. Чем шире допуски, тем ниже стоимость и выше качество готовых изделий, особенно в серийном производстве.The stability of the image quality of the lens depends on tolerances for the manufacture of optical parts and their assembly. The wider the tolerances, the lower the cost and higher quality of the finished products, especially in mass production.

Рассмотрим чувствительность объектива методом Монте-Карло, применяемым при анализе допусков в промышленном производстве. Анализ методом Монте-Карло моделирует эффект одновременного воздействия допусков на всю систему. Для каждого Монте-Карло-цикла все параметры, для которых установлены допуски, изменяются случайным образом в соответствии с законом нормального распределения с полной шириной, равной четырем стандартным отклонениям.Consider the sensitivity of the lens by the Monte Carlo method used in the analysis of tolerances in industrial production. Monte Carlo analysis models the effect of the simultaneous effects of tolerances on the entire system. For each Monte Carlo cycle, all parameters for which tolerances are set vary randomly in accordance with the law of normal distribution with a full width equal to four standard deviations.

Рассмотрим ФКЭ изображения при введении допусков на объектив для осевой точки поля зрения. Величины допусков на изготовление линз и сборку объектива представлены в таблице 2, а график ФКЭ соответствующий этим допускам, на фиг. 4.Consider the FKE of the image when introducing tolerances on the lens for the axial point of the field of view. The tolerances for the manufacture of lenses and lens assembly are presented in table 2, and the FKE graph corresponding to these tolerances, in FIG. four.

Figure 00000003
Figure 00000003

Как видно из графика, падение ФКЭ для двадцати циклов Монте-Карло незначительно, и это при диапазоне допусков для предлагаемого объектива в 2÷5 раз большем, чем у прототипа.As can be seen from the graph, the drop in the photomultiplier for twenty Monte Carlo cycles is insignificant, and this is with the tolerance range for the proposed lens 2 ÷ 5 times larger than that of the prototype.

Проведенные расчеты показывают, что заявленные технические результаты достигаются при соотношениях оптических сил менисков 1-4, равных φ1234=(0,70÷0,78):(0,18÷0,57):-(1,0÷1,78):(1,9÷2,5).The calculations show that the claimed technical results are achieved when the ratios of the optical forces of menisci 1-4 are equal to φ 1 : φ 2 : φ 3 : φ 4 = (0.70 ÷ 0.78) :( 0.18 ÷ 0.57) :-( 1.0 ÷ 1.78) :( 1.9 ÷ 2.5).

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение позволяет повысить технологичность объектива путем расширения допусков на изготовление оптических деталей и сборки объектива, повысить качество изображения при расширенных допусках изготовления и сборки объектива, а также обеспечить неизменность фокусного расстояния объектива при термокомпенсации объектива в диапазоне рабочих температур от минус 40°C до 50°C. Указанные результаты достигаются без увеличения массы и габаритов объектива.Thus, in comparison with the prototype, the present invention allows to increase the manufacturability of the lens by expanding the tolerances for the manufacture of optical parts and assembling the lens, to improve image quality with extended tolerances for manufacturing and assembling the lens, as well as to ensure the invariable focal length of the lens during thermal compensation of the lens in the operating temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C. These results are achieved without increasing the mass and dimensions of the lens.

Claims (1)

Объектив для ИК-области спектра, содержащий четыре мениска, из которых первый и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, причем первый и четвертый мениски выполнены из германия, а второй и третий - из селенида цинка, отличающийся тем, что второй мениск выполнен положительным и обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий мениск выполнен отрицательным, обращен вогнутой поверхностью к плоскости изображений и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом выполняются следующие соотношения:
φ1234=(0,70÷0,78):(0,18÷0,57):-(1,0÷1,78):(1,9÷2,5);
где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого менисков соответственно;
D2/f′э=0,6÷0,7;
где D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками;
f′э - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
A lens for the infrared region of the spectrum containing four menisci, of which the first and fourth menisci along the beam are positive, with their concave surfaces facing the image plane, the first and fourth menisci made of germanium, and the second and third of zinc selenide, characterized in that the second meniscus is made positive and faces with a concave surface to the image plane, the third meniscus is negative, faces with a concave surface and the image plane and is mounted with the possibility of moving along the opt axis, while the following relationships are true:
φ 1 : φ 2 : φ 3 : φ 4 = (0.70 ÷ 0.78) :( 0.18 ÷ 0.57) :-( 1.0 ÷ 1.78) :( 1.9 ÷ 2, 5);
where φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 are the relative optical powers of the first, second, third and fourth menisci, respectively;
D2 / f ′ e = 0.6 ÷ 0.7;
where D2 is the air gap between the first and second menisci;
f ′ e is the equivalent focal length of the lens.
RU2015116831/28A 2015-04-30 2015-04-30 Objective lens for infrared spectrum RU2604112C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015116831/28A RU2604112C2 (en) 2015-04-30 2015-04-30 Objective lens for infrared spectrum

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015116831/28A RU2604112C2 (en) 2015-04-30 2015-04-30 Objective lens for infrared spectrum

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015116831A RU2015116831A (en) 2016-11-20
RU2604112C2 true RU2604112C2 (en) 2016-12-10

Family

ID=57759514

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015116831/28A RU2604112C2 (en) 2015-04-30 2015-04-30 Objective lens for infrared spectrum

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2604112C2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2642173C1 (en) * 2016-12-16 2018-01-24 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" (АО "НПЗ") Athermalised wideangle lens for ir spectral region
RU2650743C1 (en) * 2017-03-22 2018-04-17 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Wide-angle infrared lens
RU2678957C1 (en) * 2018-04-17 2019-02-04 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Wide-angle high-power infrared lens
RU190245U1 (en) * 2019-04-15 2019-06-25 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") LIGHTFUL INFRARED SYSTEM
RU2714592C1 (en) * 2019-04-15 2020-02-18 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") High-power infrared system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2153691C2 (en) * 1997-12-23 2000-07-27 Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Fast lens
US20110216398A1 (en) * 2010-03-05 2011-09-08 Minoru Ando Infrared zooming lens
RU115514U1 (en) * 2012-01-11 2012-04-27 Татьяна Николаевна Хацевич LENS FOR IR SPECTRUM
UA81919U (en) * 2013-02-15 2013-07-10 Олег Константинович Кучеренко Athermalized four-component lens for infrared spectrum
RU140705U1 (en) * 2013-12-11 2014-05-20 Открытое акционерное общество "Швабе - Приборы" LENS FOR IR SPECTRUM

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2153691C2 (en) * 1997-12-23 2000-07-27 Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Fast lens
US20110216398A1 (en) * 2010-03-05 2011-09-08 Minoru Ando Infrared zooming lens
RU115514U1 (en) * 2012-01-11 2012-04-27 Татьяна Николаевна Хацевич LENS FOR IR SPECTRUM
UA81919U (en) * 2013-02-15 2013-07-10 Олег Константинович Кучеренко Athermalized four-component lens for infrared spectrum
RU140705U1 (en) * 2013-12-11 2014-05-20 Открытое акционерное общество "Швабе - Приборы" LENS FOR IR SPECTRUM

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2642173C1 (en) * 2016-12-16 2018-01-24 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" (АО "НПЗ") Athermalised wideangle lens for ir spectral region
RU2650743C1 (en) * 2017-03-22 2018-04-17 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Wide-angle infrared lens
RU2678957C1 (en) * 2018-04-17 2019-02-04 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Wide-angle high-power infrared lens
RU190245U1 (en) * 2019-04-15 2019-06-25 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") LIGHTFUL INFRARED SYSTEM
RU2714592C1 (en) * 2019-04-15 2020-02-18 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") High-power infrared system

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015116831A (en) 2016-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2604112C2 (en) Objective lens for infrared spectrum
RU2611100C1 (en) High-aperture lens
RU140705U1 (en) LENS FOR IR SPECTRUM
RU115514U1 (en) LENS FOR IR SPECTRUM
RU2506616C1 (en) High-speed infrared lens
RU2365952C1 (en) Infrared objective
RU2339983C2 (en) Lens objective with variable focal length for operation in infrared spectrum (versions)
RU2578661C1 (en) Infrared lens with smoothly varying focal distance
RU2613483C1 (en) Athermalised lens for infrared spectrum
RU2594955C1 (en) Telescopic lens for infrared spectrum
RU2629890C1 (en) Infrared lens with passive thermalization
RU2642173C1 (en) Athermalised wideangle lens for ir spectral region
RU2586394C1 (en) Objective lens for infrared spectrum
RU2620202C1 (en) Lens for infrared spectral area
RU2348059C1 (en) Large-aperture lens
RU134671U1 (en) LIGHT LIGHT FOR IR IR SPECTRUM
RU2650743C1 (en) Wide-angle infrared lens
RU163268U1 (en) TWO-LENS LENS
RU162318U1 (en) TWO-LENS LENS
RU2384868C1 (en) Doublet objective lens
RU2629888C1 (en) High-aperture lens for infrared spectrum region
RU2718145C1 (en) Fast infrared lens
RU162339U1 (en) TWO-LENS LENS
RU2643707C1 (en) Infrared three-lens objective
RU2586273C1 (en) High-aperture lens

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