RU2620202C1

RU2620202C1 - Lens for infrared spectral area

Info

Publication number: RU2620202C1
Application number: RU2016108743A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Белоусов
Original assignee: Акционерное общество "Швабе - Приборы"
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2017-05-23

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: lens comprises 3 menisci. The first and the third menisci - positive, made of germanium. The second meniscus - negative, made of zinc selenide. All menisci face the image plane with their concave surfaces. The second surface of the first meniscus is an aspherical surface of the second order with a conic constant in the range of 0,2÷0,5. The second meniscus is moveable along the optical axis. The relations are performed:ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=(0,70÷0,90):-(0,10÷0,60):(1,0÷1,80), where ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃ - the relative optical powers of, respectively, the first, the second and the third menisci; D2/f'=0,3÷0,7; D4/f'=0,2÷0,6, where D2 - the air gap between the first and the second menisci; f'- the focal length of the lens, D4 - the air gap between the second and the third menisci.

EFFECT: increasing the image quality in normal climatic conditions and ensuring the lens operation in the temperature range from minus 40 to 50 degrees without compromising the image quality.

3 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области оптики и может быть использовано в тепловизорах с фотоприемными устройствами, выполненными в виде микроболометрической матрицы (МБМ) чувствительных элементов, которые не требуют охлаждения до криогенных температур.The invention relates to the field of optics and can be used in thermal imagers with photodetectors made in the form of a microbolometric matrix (MBM) of sensitive elements that do not require cooling to cryogenic temperatures.

К современным объективам для инфракрасной (ИК) области спектра предъявляются следующие основные требования: высокое качество изображения при относительных отверстиях от 1:1,5 до 1:0,8; возможность работы в широком температурном диапазоне без ухудшения качества изображения и изменения фокусного расстояния.The following basic requirements are imposed on modern lenses for the infrared (IR) region of the spectrum: high image quality with relative apertures from 1: 1.5 to 1: 0.8; the ability to work in a wide temperature range without compromising image quality and changing focal length.

Требование высокого качества изображения инфракрасного объектива в области спектра 8-12 мкм определяется очень малым размером пикселя (чувствительного элемента) МБМ, сравнимым с дифракционным кружком Эри. В современных МБМ размер пикселя составляет 0,025×0,025 мм и менее. Для таких матриц относительное отверстие должно быть не ниже 1:1,25. В настоящее время аберрационный кружок рассеяния определяется при 80% концентрации энергии, что соответствует критерию Релея. Другим критерием качества изображения может служить частотно-контрастная характеристика. Для МБМ с малым размером пикселя контраст изображения объектива должен находиться в пределах 0,55÷0,75 на пространственной частоте 20÷30 мм^-1 (критерий Найквиста).The requirement for a high-quality image of an infrared lens in the spectral region of 8-12 μm is determined by the very small size of the MBM pixel (sensitive element), comparable to the Erie diffraction circle. In modern MBM, the pixel size is 0.025 × 0.025 mm or less. For such matrices, the relative aperture should be at least 1: 1.25. At present, the aberration scattering circle is determined at 80% energy concentration, which meets the Rayleigh criterion. Another criterion for image quality is the frequency-contrast characteristic. For MBM with a small pixel size, the contrast of the lens image should be within 0.55–0.75 at a spatial frequency of 20–30 mm ^-1 (Nyquist criterion).

Из-за большой важности характеристик качества изображения проведен анализ объективов по заявленным конструктивным параметрам. Расчеты выполнены по программе Optical Design Program "ZEMAX", Focus Software, Incorporated.Due to the great importance of image quality characteristics, an analysis of the lenses according to the declared design parameters is carried out. The calculations were performed according to the Optical Design Program "ZEMAX", Focus Software, Incorporated.

Известен объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2365952 от 13.02.2008 г. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательная линза, третий - положительная линза, четвертый - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Мениски выполнены из германия, отрицательная и положительная линзы - из бескислородного стекла. Относительные фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям: ƒ'₁/ƒ'=1,1÷1,3; ƒ'₂/ƒ'=-0,69÷0,74; ƒ'₃/ƒ'=0,84÷0,98; ƒ'₄/ƒ'=0,93÷1,6, где ƒ'₁, ƒ'₂, ƒ'₃, ƒ'₄ - фокусные расстояния первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно, ƒ' - эквивалентное фокусное расстояние всего объектива. Фокусировка объектива на конечное расстояние и компенсация смещения плоскости изображения в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до 50°С достигается при выполнении отрицательной линзы подвижной вдоль оптической оси.A known infrared lens according to RF patent No. 2365952 of February 13, 2008, contains four components, the first of which is a positive meniscus convex to the object, the second is a negative lens, the third is a positive lens, and the fourth is a positive meniscus, facing concavity to the image. The menisci are made of germanium, the negative and positive lenses are made of oxygen-free glass. The relative focal lengths of the components satisfy the following conditions: ƒ ' ₁ / ƒ' = 1.1 ÷ 1.3; ƒ ' ₂ / ƒ' = - 0.69 ÷ 0.74; ƒ ' ₃ / ƒ' = 0.84 ÷ 0.98; ƒ ' ₄ / ƒ' = 0.93 ÷ 1.6, where ƒ ' ₁ , ƒ' ₂ , ƒ ' ₃ , ƒ' ₄ are the focal lengths of the first, second, third and fourth components, respectively, ƒ 'is the equivalent focal length whole lens. Focusing the lens at 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 by performing a negative lens moving along the optical axis.

В спектральной области 8-12 мкм указанный объектив с фокусным расстоянием 100 мм и относительным отверстием 1:1 имеет высокое качество изображения во всем температурном диапазоне. Однако объективу присущи следующие недостатки. В пересчете на относительное отверстие 1:1,25 и фокусное расстояние 69 мм масса оптических деталей составляет 130 г. Объектив содержит четыре линзы, что снижает его пропускание. Чувствительность подвижки второй отрицательной линзы составляет 0,03 мм, что создает трудности в осуществлении термокомпенсации объектива. Это может привести к ухудшению качества изображения при работе в температурном диапазоне. Кроме того, объектив имеет большую относительную длину.In the spectral region of 8-12 μm, the specified lens with a focal length of 100 mm and a relative aperture of 1: 1 has high image quality over the entire temperature range. However, the lens has the following disadvantages. In terms of a relative aperture of 1: 1.25 and a focal length of 69 mm, the mass of optical parts is 130 g. The lens contains four lenses, which reduces its transmission. The sensitivity of the movement of the second negative lens is 0.03 mm, which creates difficulties in the implementation of thermal compensation of the lens. This can lead to poor image quality when operating in the temperature range. In addition, the lens has a large relative length.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению - прототипом - является светосильный объектив для ИК-области спектра (8-12,5 мкм) по патенту РФ №2411555 от 25.12.2009 г. Объектив содержит три одиночных линзы, первая из которых - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, вторая - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, третья - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Вторая вогнутая поверхность первой линзы выполнена асферической. Первая и третья линзы выполнены из германия, а вторая - из селенида цинка.The closest in technical essence to the invention - the prototype - is a fast lens for the infrared region of the spectrum (8-12.5 microns) according to the patent of the Russian Federation No. 2411555 from 12.25.2009. The lens contains three single lenses, the first of which is a positive meniscus, turned concavity to the image, the second is the negative meniscus, turned concavity to the image, the third is the positive meniscus, convex to the object. The second concave surface of the first lens is aspherical. The first and third lenses are made from germanium, and the second from zinc selenide.

В данном объективе для третьей линзы может использоваться материал с показателем преломления более 2,3 и менее 4,1 для длины волны 10 мкм; радиусы кривизны поверхностей и фокусное расстояние объектива связаны соотношениями: R₃<R₁; R₃<R₆; 0,2<R₃/f'<0,5; 0,15<R₄/f'<0,45; 0,3<R₅/f'<0,7; 0,4<R₆/f'<1,3, где R₁, R₃-R₆ - радиусы кривизны первой, третьей, четвертой, пятой и шестой оптических поверхностей, f' - фокусное расстояние всего объектива.In this lens, a material with a refractive index of more than 2.3 and less than 4.1 for a wavelength of 10 μm can be used for the third lens; the radii of curvature of the surfaces and the focal length of the lens are related by the relations: R ₃ <R ₁ ; R ₃ <R ₆ ; 0.2 <R ₃ / f '<0.5; 0.15 <R ₄ / f '<0.45; 0.3 <R ₅ / f '<0.7; 0.4 <R ₆ / f '<1.3, where R ₁ , R ₃ -R ₆ are the radii of curvature of the first, third, fourth, fifth and sixth optical surfaces, f' is the focal length of the entire lens.

При фокусном расстоянии 130 мм объектив имеет относительное отверстие 1:1,08. Рассмотрен также вариант с относительным отверстием 1:1,4.At a focal length of 130 mm, the lens has a relative aperture of 1: 1.08. A variant with a relative aperture of 1: 1.4 is also considered.

Объектив имеет низкое качество изображения в нормальных климатических условиях и не обеспечивает качество изображения в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С. Как указывалось выше, когда размер пикселя матрицы, равный 17÷25 мкм, сравним с длиной волны, равной 10 мкм, то, несмотря на высокую степень коррекции геометрических аберраций, качество изображения определяется дифракцией. Для относительного отверстия 1:0,8 дифракционный контраст изображения составляет 0,72 на пространственной частоте 20 мм^-1. С учетом геометрических аберраций он должен быть не менее 0,68÷0,7. Расчет по приведенным в патенте конструктивным элементам объектива дал контраст 0,4 для осевой точки поля зрения, а для полевых точек поля зрения - менее 0,4.The lens has poor image quality in normal climatic conditions and does not provide image quality in the temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C. As indicated above, when the matrix pixel size equal to 17–25 μm is comparable to a wavelength of 10 μm, then, despite the high degree of correction of geometric aberrations, image quality is determined by diffraction. For a relative aperture of 1: 0.8, the diffraction contrast of the image is 0.72 at a spatial frequency of 20 mm ^-1 . Taking into account geometric aberrations, it should be at least 0.68 ÷ 0.7. The calculation using the lens structural elements given in the patent gave a contrast of 0.4 for the axial point of the field of view, and for field points of the field of view less than 0.4.

Задачей изобретения является создание объектива с достижением следующего технического результата: повышение качества изображения в нормальных климатических условиях и обеспечение работы объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С без ухудшения качества изображения.The objective of the invention is to create a lens with the following technical result: improving image quality in normal climatic conditions and ensuring the operation of the lens in the temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C without compromising image quality.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Объектив для ИК-области спектра, как и прототип, содержит три мениска, из которых первый и третий по ходу луча мениски - положительные, выполненные из германия, а второй мениск - отрицательный, выполненный из селенида цинка, причем все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, а вторая поверхность первого мениска выполнена асферической. В отличие от прототипа в объективе выполнено следующее: вторая поверхность первого мениска является асферической поверхностью второго порядка с конической постоянной в пределах от 0,2 до 0,5; второй мениск установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. При этом выполняются следующие соотношения:The specified technical result is achieved as follows. The lens for the infrared region of the spectrum, like the prototype, contains three meniscuses, of which the first and third menisci along the beam are positive, made of germanium, and the second meniscus is negative, made of zinc selenide, all menisci facing concave surfaces to the plane image, and the second surface of the first meniscus is aspherical. In contrast to the prototype, the following is performed in the lens: the second surface of the first meniscus is a second-order aspherical surface with a conical constant in the range from 0.2 to 0.5; the second meniscus is mounted to move along the optical axis. The following relationships are true:

ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=(0,70÷0,90):-(0,10÷0,60):(1,0÷1,80),ϕ ₁ : ϕ ₂ : ϕ ₃ = (0.70 ÷ 0.90) :-( 0.10 ÷ 0.60) :( 1.0 ÷ 1.80),

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

D2/f'=0,3÷0,7;D2 / f '= 0.3 ÷ 0.7;

D4/f'=0,2÷0,6;D4 / f '= 0.2 ÷ 0.6;

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

f' - фокусное расстояние объектива;f 'is the focal length of the lens;

D4 - воздушный промежуток между вторым и третьим менисками.D4 - air gap between the second and third menisci.

Пример конкретной реализации объектива показан на чертежах, представленных в формате, предусмотренном в программе ZEMAX. На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива, на фиг. 2 приведена функция рассеяния точки, на фиг. 3 приведены контраст изображения (ЧКХ) и функция концентрации энергии (ФКЭ) при работе объектива в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С.An example of a specific implementation of the lens is shown in the drawings presented in the format provided in the ZEMAX program. In FIG. 1 is an optical diagram of a lens; FIG. 2 shows the scattering function of a point; FIG. Figure 3 shows the image contrast (CCF) and the function of energy concentration (PCE) when the lens is in the temperature range from minus 40 ° C to 50 ° C.

Объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) содержит три мениска. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия (Ge), его вторая поверхность имеет асферический профиль. Мениск 2 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 3 - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутой поверхностью к плоскости изображения 4. Мениск 2 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°С до 50°С. Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.The lens for the infrared region of the spectrum (Fig. 1) contains three menisci. The meniscus 1 is positive, made of germanium (Ge), its second surface has an aspherical profile. Meniscus 2 is negative, made of zinc selenide (ZnSe). Meniscus 3 - positive, made of Germany. All menisci are turned by a concave surface to the image plane 4. Meniscus 2 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. The design parameters of the lens are shown in table 1.

Входной зрачок объектива расположен на его первой поверхности. Вторая поверхность мениска 1 является асферической поверхностью второго порядка с конической постоянной в пределах от 0,2 до 0,5.The entrance pupil of the lens is located on its first surface. The second surface of the meniscus 1 is an aspherical surface of the second order with a conical constant in the range from 0.2 to 0.5.

В таблице 2 приведены оптические характеристики объектива.Table 2 shows the optical characteristics of the lens.

Корпус объектива может выполняться из алюминия или стали. Расчеты объектива выполнены с учетом корпуса объектива, выполненного из алюминия. Показатели преломления для германия и селенида цинка, а также их коэффициенты температурного расширения и зависимость показателя преломления от температуры взяты из отечественных стандартов РТМ3-1640-83 (для германия), ТУ АХ 23-83 (для селенида цинка).The lens body can be made of aluminum or steel. The lens calculations are made taking into account the lens body made of aluminum. The refractive indices for germanium and zinc selenide, as well as their coefficients of thermal expansion and the temperature dependence of the refractive index are taken from domestic standards RTM3-1640-83 (for germanium), TU AH 23-83 (for zinc selenide).

Конструктивные параметры объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения между относительными оптическими силами менисков: ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=0,8:-0,245:1,16. При этом воздушные промежутки между менисками равны: D2=0,58f', D4=0,35f'. Коническая постоянная k второй поверхности мениска 1 равна 0,24.The design parameters of the lens, shown in table 1, provide the following relationships between the relative optical forces of the menisci: ϕ ₁ : ϕ ₂ : ϕ ₃ = 0.8: -0.245: 1.16. Moreover, the air gaps between the menisci are equal: D2 = 0.58f ', D4 = 0.35f'. The conical constant k of the second surface of meniscus 1 is 0.24.

Объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета (показан осевой пучок) последовательно проходят через мениски 1, 2, 3 и строят изображение в плоскости изображения 4. Для получения высокого качества изображения в температурном диапазоне мениск 2 перемещается вдоль оси, при этом изменяются величины отрезков D2 и D4. При температуре минус 40°С мениск 2 перемещается на 3,7 мм к плоскости изображений 4, а при температуре 50°С - на 1,75 мм к плоскости предметов.The lens works as follows. Beams of rays from an object (an axial beam is shown) sequentially pass through menisci 1, 2, 3 and build an image in the image plane 4. To obtain a high image quality in the temperature range, meniscus 2 moves along the axis, while the values of segments D2 and D4 change. At a temperature of minus 40 ° C, meniscus 2 moves 3.7 mm to the plane of images 4, and at a temperature of 50 ° C - 1.75 mm to the plane of objects.

Это же перемещение используется для юстировки объектива и его фокусировки на конечное расстояние при температуре 20°С. Так, например, при фокусировке объектива на расстояние 15 м мениск 2 необходимо сдвинуть к плоскости изображений 4 на 1,7 мм, т.е. это перемещение находится в пределах подвижки температурной компенсации объектива.The same movement is used to align the lens and focus it at a finite distance at a temperature of 20 ° C. So, for example, when focusing the lens at a distance of 15 m, meniscus 2 must be shifted to the image plane 4 by 1.7 mm, i.e. this movement is within the movement of the temperature compensation of the lens.

Выполнение второй поверхности мениска 1 асферической (конической) позволило уменьшить оптическую силу мениска 2. Это обстоятельство привело к тому, что чувствительность перемещения мениска 2 стала составлять приемлемую величину, равную 0,1 мм, а его допустимая децентрировка относительно оптической оси составляет 0,2 мм, что приводит к уводу визирной оси объектива не более одной угловой минуты без ухудшения качества изображения.The execution of the second surface of the meniscus 1 aspherical (conical) allowed to reduce the optical power of the meniscus 2. This circumstance led to the fact that the sensitivity of the movement of the meniscus 2 began to be an acceptable value of 0.1 mm, and its allowable decentration relative to the optical axis is 0.2 mm , which leads to the withdrawal of the line of sight of the lens of not more than one angular minute without compromising image quality.

В предлагаемом объективе допуски на толщины всех менисков и децентрировку менисков 1 и 3 составляют ±0,1 мм, что позволяет применить метод "насыпной" сборки объектива. Это, в свою очередь, приводит к упрощению технологии сборки объектива, а также повышению его надежности при эксплуатации.In the proposed lens, the tolerances on the thickness of all menisci and the decentration of menisci 1 and 3 are ± 0.1 mm, which makes it possible to use the method of "bulk" lens assembly. This, in turn, leads to a simplification of the lens assembly technology, as well as an increase in its reliability during operation.

Изменения оптических сил менисков ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃в диапазонах соответственно (0,70÷0,90), -(0,10÷0,60), (1,0÷1,80) сопровождается изменением воздушных промежутков D2 и D4 в интервалах: D2=(0,3÷0,7)f', D4=(0,2÷0,6)f' и конической постоянной k в интервале 0,2÷0,5. Большой диапазон изменения оптической силы подвижного мениска 2 и его положения на оптической оси говорит о больших потенциальных возможностях оптической схемы объектива и его гибкости в процессе юстировки. Этот процесс осуществляется с помощью перемещения мениска 2 на ±0,5 мм. Расчетный контраст изображения обеспечивается при чувствительности механизма перемещения мениска 2 порядка 0,1 мм.Changes in the optical forces of the menisci ϕ ₁ : ϕ ₂ : ϕ ₃ in the ranges respectively (0.70 ÷ 0.90), - (0.10 ÷ 0.60), (1.0 ÷ 1.80) are accompanied by a change in air gaps D2 and D4 in the intervals: D2 = (0.3 ÷ 0.7) f ', D4 = (0.2 ÷ 0.6) f' and the conical constant k in the interval 0.2 ÷ 0.5. A large range of changes in the optical power of the movable meniscus 2 and its position on the optical axis indicates the great potential of the optical scheme of the lens and its flexibility in the process of adjustment. This process is carried out by moving meniscus 2 ± 0.5 mm. The calculated contrast of the image is ensured with a sensitivity of the meniscus movement mechanism 2 of the order of 0.1 mm.

Масса объектива составляет 90 г. При уменьшении воздушного промежутка D2 будет происходить увеличение светового диаметра мениска 2 и соответственно массы всего объектива. Поэтому при расчете предложенного объектива выбрана разумная альтернатива между качеством изображения, технологичностью и его массой.The mass of the lens is 90 g. With a decrease in the air gap D2, there will be an increase in the light diameter of the meniscus 2 and, accordingly, the mass of the entire lens. Therefore, when calculating the proposed lens, a reasonable alternative was chosen between image quality, manufacturability and its mass.

Рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно функцию рассеяния точки, которая наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении (фиг. 2), контраст изображения и функцию концентрации энергии (ФКЭ), позволяющую определить дифракционный кружок рассеяния (фиг. 3).Let us consider the characteristics of the image quality of the lens, namely the point scattering function, which clearly demonstrates the topology of scattering spots in the geometric approximation (Fig. 2), image contrast and the energy concentration function (PCE), which makes it possible to determine the scattering diffraction circle (Fig. 3).

На фиг. 2 в первой колонке дана топология кружков рассеяния для температуры 20°С, во второй колонке - для минус 40°С, а в третьей - для 50°С. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны, в третьей - для края поля зрения, т.е. по диагонали размером 9,0°×6,8°. Размер квадрата составляет 10 мкм. Кроме того, на каждое пятно рассеяния впечатан дифракционный (безаберрационный) кружок Эйри, составляющий в диаметре 32,3 мкм для относительного отверстия 1:1,25. В этом кружке сосредоточено 83,4% энергии. Как видно из фиг. 2, все пятна рассеяния практически вписываются в кружок Эйри, что наглядно демонстрирует высокое качество изображения в геометрическом приближении.In FIG. 2, the first column gives the topology of the scattering circles for a temperature of 20 ° С, in the second column, for minus 40 ° С, and in the third, for 50 ° С. The first line contains the scattering circles for the axial point of the field of view, in the second for the zone, in the third for the edge of the field of view, i.e. diagonally sized 9.0 ° × 6.8 °. The size of the square is 10 microns. In addition, a diffraction (non-aberrational) Airy circle, 32.3 μm in diameter for a relative aperture of 1: 1.25, was imprinted on each scattering spot. This circle contains 83.4% of energy. As can be seen from FIG. 2, all scattering spots practically fit into the Airy circle, which clearly demonstrates the high image quality in the geometric approximation.

На фиг. 3. слева дан контраст изображения ЧКХ на частоте 20 мм^-1 (Polychromatic diffraction MTF), 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. Как следует из фиг. 3, такой контраст в предлагаемом объективе обеспечивается. Детальное рассмотрение графиков ФКЭ позволило определить диаметр кружков рассеяния при 80% концентрации энергии. Диаметры кружков рассеяния впечатаны в верхней части квадратов на фиг. 2 и составляют от 25 до 32 мкм, что позволяет сделать вывод, что предлагаемый объектив имеет дифракционное качество изображения во всем температурном диапазоне.In FIG. 3. On the left is the contrast of the frequency response image at a frequency of 20 mm ^-1 (Polychromatic diffraction MTF), and on the right is the energy concentration function 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. As follows from FIG. 3, such a contrast in the proposed lens is provided. A detailed examination of the PCE graphs made it possible to determine the diameter of the scattering circles at 80% energy concentration. The diameters of the scattering circles are imprinted at the top of the squares in FIG. 2 and range from 25 to 32 μm, which allows us to conclude that the proposed lens has diffractive image quality over the entire temperature range.

Проведенные расчеты объектива с конической постоянной k=0,2÷0,5 второй поверхности мениска 1 во всех заявленных диапазонах соотношений ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃=(0,70÷0,90):-(0,10÷0,60):(1,0÷1,80), и соотношений D2/f'=0,3÷0,7 и D4/f'=0,2÷0,6 показали, что рассчитанный объектив имеет высокое качество изображения не только в нормальных климатических условиях, но и в температурном диапазоне от минус 40°С до 50°С.The calculations of the lens with a conical constant k = 0.2 ÷ 0.5 of the second surface of the meniscus 1 in all the claimed ranges of ratios ϕ ₁ : ϕ ₂ : ϕ ₃ = (0.70 ÷ 0.90) :-( 0.10 ÷ 0 , 60) :( 1.0 ÷ 1.80), and the ratios D2 / f '= 0.3 ÷ 0.7 and D4 / f' = 0.2 ÷ 0.6 showed that the calculated lens has high image quality not only in normal climatic conditions, but also in the temperature range from minus 40 ° С to 50 ° С.

Claims

A lens for the infrared region of the spectrum containing three meniscuses, of which the first and third menisci along the beam are positive, made of germanium, and the second meniscus is negative, made of zinc selenide, with all menisci facing concave surfaces to the image plane, and the second the surface of the first meniscus is aspherical, characterized in that the second surface of the first meniscus is an aspherical surface of the second order with a conical constant ranging from 0.2 to 0.5, the second meniscus is installed with the possibility th movement along the optical axis, while the following relationships are true:

ϕ ₁ : ϕ ₂ : ϕ ₃ = (0.70 ÷ 0.90) :-( 0.10 ÷ 0.60) :( 1.0 ÷ 1.80),

where ϕ ₁ , ϕ ₂ , ϕ ₃ are the relative optical powers of the first, second and third menisci, respectively;

D2 / f '= 0.3 ÷ 0.7;

D4 / f '= 0.2 ÷ 0.6;

where D2 is the air gap between the first and second menisci;

f is the focal length of the lens;

D4 - air gap between the second and third menisci.