RU2650743C1 - Широкоугольный инфракрасный объектив - Google Patents
Широкоугольный инфракрасный объектив Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650743C1 RU2650743C1 RU2017109643A RU2017109643A RU2650743C1 RU 2650743 C1 RU2650743 C1 RU 2650743C1 RU 2017109643 A RU2017109643 A RU 2017109643A RU 2017109643 A RU2017109643 A RU 2017109643A RU 2650743 C1 RU2650743 C1 RU 2650743C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- meniscus
- menisci
- field
- view
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 claims abstract description 23
- PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N (fluoren-9-ylideneamino) n-naphthalen-1-ylcarbamate Chemical compound C12=CC=CC=C2C2=CC=CC=C2C1=NOC(=O)NC1=CC=CC2=CC=CC=C12 PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000005387 chalcogenide glass Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 4
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
- G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
- G02B9/34—Optical 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
Объектив может быть использован в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча - положительные, а третий - отрицательный. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Вогнутая поверхность первого мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 2 до 14. Первый и четвертый мениски выполнены из германия, второй - из бескислородного стекла ИКС-25 или из халькогенидного стекла IRG-26, третий - из селенида цинка. Воздушные промежутки между первым и вторым, вторым и третьим менисками составляют не более 0,06 фокусного расстояния объектива. Выполняются следующие соотношения: ϕ1=(0,42÷0,58)ϕ, ϕ2=(0,04÷033)ϕ, ϕ3=-(0,32÷0,48)ϕ, ϕ4=(1,17÷1,27)ϕ, где: ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков; ϕ - оптическая сила объектива. Технический результат - расширение поля зрения без ухудшения качества изображения. 5 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе фотоприемников с микроболометрическими матрицами, чувствительными в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм.
Современные матрицы имеют пиксель, равный 17×17 мкм (диагональ пикселя 24 мкм), что сравнимо с рабочей длиной волны. Поэтому для оценки качества изображения необходимо учитывать волновые свойства света, то есть дифракцию на входном зрачке. На практике это достигается расчетом функции концентрации энергии и контраста изображения объектива.
В настоящее время аберрационный кружок рассеяния реального объектива определяется при 80% концентрации энергии (критерий Релея). Для микроболометрических матриц с малым размером пикселя контраст изображения объектива должен находиться в пределах 0,55÷0,65 на пространственной частоте 20÷30 мм-1 (критерий Найквиста).
Известен светосильный объектив для области спектра 8-12,5 мкм по патенту РФ №2586273 от 21.01.2015 г. Объектив состоит из четырех одиночных менисков, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Первый мениск - положительный, второй и третий - отрицательные, четвертый - положительный. Первый, второй и четвертый мениски выполнены из германия, третий - из селенида цинка. Радиус второй оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу шестой оптической поверхности. Радиус третьей оптической поверхности по ходу лучей по модулю может быть равен радиусу пятой оптической поверхности. По второму варианту исполнения объектив имеет фокусное расстояние 130,03 мм, поле зрения 6° и относительное отверстие 1:1,08.
Для анализа качества изображения этот объектив пересчитан на фокусное расстояние 42 мм, как у предлагаемого авторами объектива. Анализ качества изображения с учетом дифракции показал, что для относительного отверстия 1:1,25 контраст изображения составляет 0,68 на пространственной частоте 20 мм-1 для осевой точки поля зрения, при диагональном поле зрения 15° контраст равен 0,2, а при 22,5° - нулю. Контраст 0,6 по критерию Найквиста достигается при угле поля зрения 8,5°. Таким образом, объектив при фокусном расстоянии 42 мм имеет малое поле зрения - 8,5°.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является объектив для ИК-области спектра по патенту РФ №2604112 от 30.04.2015 г., содержащий четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча мениски - положительные, третий - отрицательный. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Первый и четвертый мениски выполнены из германия, второй и третий - из селенида цинка. Выполняются следующие соотношения:
ϕ1:ϕ2:ϕ3:ϕ4=(0,70÷0,78):(0,18÷0,57):-(1,0÷1,78):(1,9÷2,5),
где: ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков;
D2/f’э=0,6÷0,7, где: D2 - воздушный промежуток между первым и вторым менисками; f’э - эквивалентное фокусное расстояние объектива.
В данном объективе третий мениск выполнен подвижным вдоль оптической оси. Второй и третий мениски находятся на значительном расстоянии от первого мениска.
При фокусном расстоянии 75 мм и относительном отверстии 1:1,25 объектив обладает хорошим качеством изображения, но имеет небольшое поле зрения 7,3°×5,5°. Масштабирование объектива на фокусное расстояние 42 мм показало следующее. Контраст изображения на пространственной частоте 20 мм-1 равен 0,7 для осевой точки поля зрения, 0,35 - для диагонального поля зрения 15° и нулю для поля зрения 22,5°. Контраст изображения 0,6 по критерию Найквиста достигается при угле поля зрения 11°.
Таким образом, при фокусном расстоянии 42 мм объектив имеет недостаточное поле зрения - 11° по диагонали.
Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: расширение поля зрения без ухудшения качества изображения.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Широкоугольный инфракрасный объектив, как и прототип, содержит четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а третий - отрицательный, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, причем первый и четвертый мениски выполнены из германия, а третий - из селенида цинка. В отличие от прототипа в заявляемом объективе выполнено следующее. Второй мениск выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 или из халькогенидного стекла IRG-26, вогнутая поверхность первого мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 2 до 14, а воздушные промежутки между первым и вторым, вторым и третьим менисками составляют не более 0,06 фокусного расстояния объектива. При этом выполняются следующие соотношения:
ϕ1=(0,42÷0,58)ϕ,
ϕ2=(0,04÷033)ϕ,
ϕ3=-(0,32÷0,48)ϕ,
ϕ4=(1,17÷1,27)ϕ,
где: ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков;
ϕ - оптическая сила объектива.
Пример конкретного выполнения объектива показан на чертежах.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива.
На фиг. 2 приведена частотно-контрастная характеристика изображения (ЧКХ).
На фиг. 3 приведена функция концентрации энергии (ФКЭ).
На фиг. 4 приведена функция рассеяния точки (ФРТ).
На фиг. 5 приведены графики астигматизма и дисторсии.
Широкоугольный инфракрасный объектив (фиг. 1) содержит размещенные в корпусе по ходу луча четыре мениска 1, 2, 3, 4. Защитное окно 5 установлено перед матрицей 6 фотоприемника, размещенной в плоскости изображений объектива. Мениск 1 - положительный, выполнен из германия, его вторая (вогнутая) поверхность асферизована. Мениск 2 - положительный, выполнен из бескислородного стекла ИКС-25. Мениск 3 - отрицательный, выполнен из селенида цинка (ZnSe). Мениск 4 - положительный, выполнен из германия. Все мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений (к матрице 6). Центр входного зрачка расположен в точке А.
Конструктивные характеристики объектива приведены в таблице 1.
Оптические характеристики объектива:
1. Фокусное расстояние | 42 мм |
2. Относительное отверстие | 1:1,25 |
3. Поле зрения | 18°×13,5° (22,5° по диагонали) |
4. Спектральный диапазон | 8-12 мкм |
5. Длина объектива | 60 мм |
6. Масса оптических деталей | 70 грамм |
В рассматриваемом объективе коническая постоянная К вогнутой поверхности мениска 1 равна: К=5. Относительные оптические силы менисков равны: ϕ1=0,471; ϕ2=0,236; ϕ3=-0,414; ϕ4=1,192.
Значения ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 определяются следующим образом:
где: f’ - фокусное расстояние объектива;
f’1, f’2, f’3, f’4 - фокусные расстояния соответственно менисков 1, 2, 3, 4.
В общем случае воздушные промежутки между менисками 1 и 2, 2 и 3 для повышения контраста изображения должны быть не более 0,06 f’. Для обеспечения технологичности воздушные промежутки между менисками 1 и 2 выбираются исходя из допуска ±0,1 мм, а между менисками 2 и 3 - из соображений того, чтобы их края «не наезжали» друг на друга, а прокладочное кольцо имело достаточную толщину (порядка 1 мм). Увеличение расстояний между менисками приводит к снижению контраста изображения.
Проведенные расчеты показали, что заявленные технические результаты достигаются при всех заявленных диапазонах конической постоянной и относительных оптических сил: К-2÷14; ϕ1=(0,42÷0,58)ϕ; ϕ2=(0,04÷033)ϕ; ϕ3=-(0,32÷0,48)ϕ; ϕ4=(1,17÷1,27)ϕ.
Объектив работает следующим образом. Пучки лучей от предмета последовательно проходят через мениски 1, 2, 3, 4 и сходятся в центре F матрицы 6. На фиг. 1 показан также ход внеосевого пучка лучей АВС, соответствующего длине 0,7 половины диагонали матрицы. Точка D соответствует половине диагонали матрицы 600×800, или с учетом симметричности хода лучей относительно оптической оси, размеру 17 мм, т.е. 22,5°. В пространстве изображений главный луч пучка лучей ВС идет параллельно оптической оси, что способствует коррекции полевых аберраций, таких как кома, астигматизм и дисторсия.
Повышение контраста изображения объектива осуществляется за счет комбинации оптических материалов и определенного расположения менисков 1, 2, 3, 4, в результате чего относительные оптические силы ϕ2 и ϕ3 менисков 2 и 3 становятся минимальными, а если учесть, что суммарная относительная оптическая сила этих менисков равна минус 0,1, то мениски 2 и 3 можно рассматривать как афокальный компенсатор сферохроматической аберрации объектива.
Для сравнения рассмотрим характеристики качества изображения объектива, а именно ЧКХ, ФКЭ, ФРТ, астигматизм и дисторсию. При этом в примере конкретного исполнения радиусы поверхностей оптических деталей подогнаны под первый класс в соответствии с ГОСТ 1807-75, что снизило качество изображения примерно на 7÷10%.
На фиг. 2 представлена ЧКХ заявляемого объектива для пространственной частоты до 20-1 мм. По оси ординат отложен модуль передаточной функции. Верхняя прямая соответствует дифракционно ограниченному объективу. Для относительного отверстия 1:1,25 контраст изображения на частоте 20-1 мм равен 0,6, что соответствует критерию Найквиста.
На фиг. 3 представлена ФКЭ в пятне рассеяния. Эта функция позволяет вычислить диаметр пятна рассеяния, в котором сосредоточено 80% энергии, или решить обратную задачу: определить, какой процент энергии попадает на пиксель заданного размера. По оси ординат отложен процент концентрации энергии, а по оси абсцисс - радиус дифракционного пятна рассеяния с учетом геометрических аберраций.
Функция рассеяния точки (фиг. 4) наглядно демонстрирует топологию пятен рассеяния в геометрическом приближении. Размер квадратов составляет 0,1×0,1 мм. ФРТ представлена для осевой точки поля зрения 0° и для диагональных (косых лучей) - полей 15° и 22,5°. В поле каждого квадрата впечатан диаметр кружка рассеяния 0,027, 0,028 и 0,030 мм, в котором сосредоточено 80% энергии. Эти результаты получены с помощью графиков ФКЭ (фиг. 3). Кроме того, на каждое пятно впечатан дифракционный диск Эри, составляющий в диаметре 0,032 мм. Все пятна рассеяния вписываются в диск Эри, что подтверждает высокое качество изображения объектива в поле зрения 18°×13,5°.
На фиг. 5 представлены графики астигматизма и дисторсии объектива по всему диагональному полю зрения. По оси абсцисс отложены миллиметры. На графиках даны удвоенные поля, так как система обладает осевой симметрией. Графики астигматизма и дисторсии показывают, что благодаря телецентрическому ходу главного луча в пространстве изображений исправлены и астигматизм, и дисторсия.
Аналогичные характеристики обеспечиваются при выполнении мениска 2 из халькогенидного стекла IRG-26.
Объектив способен работать без ухудшения качества изображения в температурном диапазоне ±50°С при его незначительном перемещении вдоль оптической оси.
Таким образом, предложенное изобретение по сравнению с прототипом позволяет увеличить в два раза поле зрения объектива без ухудшения качества изображения.
Claims (7)
- Широкоугольный инфракрасный объектив, содержащий четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча мениски - положительные, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображений, а третий - отрицательный, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображений, причем первый и четвертый мениски выполнены из германия, а третий - из селенида цинка, отличающийся тем, что второй мениск выполнен из бескислородного стекла ИКС-25 или из халькогенидного стекла IRG-26, вогнутая поверхность первого мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 2 до 14, а воздушные промежутки между первым и вторым, вторым и третьим менисками составляют не более 0,06 фокусного расстояния объектива, при этом выполняются следующие соотношения:
- ϕ1=(0,42÷0,58)ϕ,
- ϕ2=(0,04÷033)ϕ,
- ϕ3=-(0,32÷0,48)ϕ,
- ϕ4=(1,17÷1,27)ϕ,
- где: ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого менисков;
- ϕ - оптическая сила объектива.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017109643A RU2650743C1 (ru) | 2017-03-22 | 2017-03-22 | Широкоугольный инфракрасный объектив |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017109643A RU2650743C1 (ru) | 2017-03-22 | 2017-03-22 | Широкоугольный инфракрасный объектив |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2650743C1 true RU2650743C1 (ru) | 2018-04-17 |
Family
ID=61976578
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017109643A RU2650743C1 (ru) | 2017-03-22 | 2017-03-22 | Широкоугольный инфракрасный объектив |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2650743C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2762997C1 (ru) * | 2021-07-20 | 2021-12-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает Главное управление специальных программ Президента Российской Федерации (ГУСП) | Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком |
RU2806167C1 (ru) * | 2023-04-19 | 2023-10-26 | Акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод" | Объектив светосильный инфракрасный |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102636863A (zh) * | 2012-04-24 | 2012-08-15 | 中国电子科技集团公司第十一研究所 | 红外双波段共焦光学系统 |
RU2594955C1 (ru) * | 2015-06-09 | 2016-08-20 | Акционерное общество "Швабе - Приборы" | Телеобъектив для ик-области спектра |
RU2594957C1 (ru) * | 2015-06-24 | 2016-08-20 | Акционерное общество "Швабе - Приборы" | Атермализованный объектив для ик-области спектра |
RU2604112C2 (ru) * | 2015-04-30 | 2016-12-10 | Акционерное общество "Швабе - Приборы" | Объектив для ик-области спектра |
RU2611100C1 (ru) * | 2015-10-23 | 2017-02-21 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Светосильный объектив |
-
2017
- 2017-03-22 RU RU2017109643A patent/RU2650743C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102636863A (zh) * | 2012-04-24 | 2012-08-15 | 中国电子科技集团公司第十一研究所 | 红外双波段共焦光学系统 |
RU2604112C2 (ru) * | 2015-04-30 | 2016-12-10 | Акционерное общество "Швабе - Приборы" | Объектив для ик-области спектра |
RU2594955C1 (ru) * | 2015-06-09 | 2016-08-20 | Акционерное общество "Швабе - Приборы" | Телеобъектив для ик-области спектра |
RU2594957C1 (ru) * | 2015-06-24 | 2016-08-20 | Акционерное общество "Швабе - Приборы" | Атермализованный объектив для ик-области спектра |
RU2611100C1 (ru) * | 2015-10-23 | 2017-02-21 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Светосильный объектив |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2762997C1 (ru) * | 2021-07-20 | 2021-12-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает Главное управление специальных программ Президента Российской Федерации (ГУСП) | Широкоугольный атермализованный инфракрасный объектив с большим задним отрезком |
RU2806167C1 (ru) * | 2023-04-19 | 2023-10-26 | Акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод" | Объектив светосильный инфракрасный |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9651763B2 (en) | Co-aperture broadband infrared optical system | |
US10509210B2 (en) | Two-color very wide field of view refractive eyepiece-type optical form | |
RU140705U1 (ru) | Объектив для ик-области спектра | |
RU2615162C1 (ru) | Четырехканальная зеркально-линзовая оптическая система | |
RU2604112C2 (ru) | Объектив для ик-области спектра | |
RU2506616C1 (ru) | Светосильный объектив ик-области | |
RU156006U1 (ru) | Атермализованный объектив для ик области спектра | |
RU2386155C1 (ru) | Светосильный объектив | |
RU2650743C1 (ru) | Широкоугольный инфракрасный объектив | |
RU2629890C1 (ru) | Инфракрасный объектив с пассивной атермализацией | |
RU2348953C1 (ru) | Инфракрасный светосильный трехлинзовый объектив | |
RU2678957C1 (ru) | Широкоугольный светосильный инфракрасный объектив | |
RU2606699C1 (ru) | Двухканальная оптико-электронная система | |
RU2594955C1 (ru) | Телеобъектив для ик-области спектра | |
CN106405800A (zh) | 长波红外5mm光学被动消热差镜头 | |
RU170736U1 (ru) | Светосильный объектив для инфракрасной области спектра | |
RU2629888C1 (ru) | Светосильный объектив для инфракрасной области спектра | |
RU2672703C1 (ru) | Двухканальная зеркально-линзовая система | |
RU2643707C1 (ru) | Инфракрасный трёхлинзовый объектив | |
RU2629887C1 (ru) | Светосильный трёхлинзовый объектив для ИК-области спектра | |
RU162318U1 (ru) | Двухлинзовый объектив | |
RU2620202C1 (ru) | Объектив для ИК-области спектра | |
RU2586394C1 (ru) | Объектив для ик-области спектра | |
RU2718145C1 (ru) | Объектив светосильный инфракрасный | |
RU2517760C1 (ru) | Объектив коллиматора |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190323 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200518 |