RU2678938C1

RU2678938C1 - Athermalized lens for ir spectrum

Info

Publication number: RU2678938C1
Application number: RU2018102797A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Скляров; Екатерина Михайловна Савелова
Original assignee: Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева", ПАО КМЗ
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2019-02-04

Abstract

FIELD: instrument making; optics.SUBSTANCE: invention is designed to work with an uncooled matrix receiver and can be used as a lens for a thermal imager. Lens consists of a positive meniscus facing a concave surface towards the image plane, a negative meniscus facing a concave surface towards the plane of objects, positive meniscus facing a concave surface to the plane of objects, positive meniscus facing a convex surface to the plane of objects. First, third and fourth lenses are made of oxygen-free glass IKS-25, and the second lens is made of zinc selenide. Ratios are observed: φ1:φ2:φ3:φ4=(0.3÷0.7):-(1.3÷1.7):(0.80÷1.2):(0.80÷1.2), D2/f'=0.6÷0.8, where φ1, φ2, φ3, φ4 – relative optical powers of the first, second, third, and fourth components, respectively, D2 is the air gap between the first and second components; f' – equivalent focal length of the lens.EFFECT: increasing the lens aperture and manufacturability, reducing the range of materials used while maintaining athermalization, the magnitude of the angular field and image quality.1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, предназначено для работы с неохлаждаемым матричным приемником лучистой энергии и может быть использовано в качестве объектива тепловизора.The invention relates to optical instrumentation, is designed to work with an uncooled matrix receiver of radiant energy and can be used as a thermal imager lens.

Известны атермализованные объективы для ИК-области, описанные в патенте на полезную модель RU 156006 МПК G02B 13/16 и в патентах RU 2538423 МПК G02B 9/38, RU 2583338 G02B 13/14, RU 2586394 МПК G02B 13/14. Объективы обладают высокой светосилой до 1:1 и высоким качеством изображения, но имеют малые угловые поля, величина которых не превосходит 13,8°.Athermalized infrared lenses are described in the patent for utility model RU 156006 IPC G02B 13/16 and in patents RU 2538423 IPC G02B 9/38, RU 2583338 G02B 13/14, RU 2586394 IPC G02B 13/14. The lenses have a high aperture of up to 1: 1 and high image quality, but have small angular fields, the magnitude of which does not exceed 13.8 °.

Известен атермализованный объектив для ИК-области спектра, имеющий увеличенное до 22° угловое поле и описанный в патенте RU 2618590 МПК G02B 13/14. Но при этом он обладает невысокой светосилой, которая не превосходит 1:1,25.Known athermalized lens for the infrared region of the spectrum, having an angular field increased to 22 ° and described in patent RU 2618590 IPC G02B 13/14. But at the same time he has a low aperture, which does not exceed 1: 1.25.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является атермализованный объектив для ИК-области спектра, описанный в патенте RU 2613483, МПК G02B 13/14, опубл. 18.09.17 г. Объектив содержит четыре компонента, первый из которых - положительный мениск из бескислородного стекла ИКС-25, второй - отрицательный мениск из селенида цинка, третий - отрицательный мениск из германия. Мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Вогнутая поверхность третьего мениска выполнена асферической с конической постоянной в пределах от 0,32 до 0,46. Четвертый компонент - положительная линза из германия с выпуклой первой поверхностью, обращенной к плоскости предметов, и плоской или вогнутой второй поверхностью. Выполняются соотношения: φ1:φ2:φ3:φ4=(1,44÷1,80):-(0,8÷1,18):-(0,62÷1,00):(1,38÷1,56), D4/f'=0,16÷0,31, D6/f'=0,22÷0.40, где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов, D4, D6 - воздушные промежутки соответственно между вторым и третьим и между третьим и четвертым компонентами; f' -эквивалентное фокусное расстояние объектива. Данный объектив атермализован в диапазоне температур от -50°С до +50°С, имеет большое угловое поле, которое равняется 19°, и обладает высоким качеством. Однако данный объектив имеет невысокую светосилу, которая составляет 1:1,2, что ограничивает его эксплуатационные характеристики. Кроме того, одна из поверхностей выполнена асферической, а сами линзы из трех различных материалов, что усложняет процесс производства объектива.The closest analogue to the claimed technical solution is an athermalized lens for the infrared region of the spectrum described in patent RU 2613483, IPC G02B 13/14, publ. 09/18/17. The lens contains four components, the first of which is a positive meniscus from oxygen-free glass IKS-25, the second is a negative meniscus from zinc selenide, the third is a negative meniscus from germanium. Menisci face with concave surfaces to the image plane. The concave surface of the third meniscus is aspherical with a conical constant ranging from 0.32 to 0.46. The fourth component is a positive germanium lens with a convex first surface facing the plane of objects and a flat or concave second surface. The following relations hold: φ1: φ2: φ3: φ4 = (1.44 ÷ 1.80) :-( 0.8 ÷ 1.18) :-( 0.62 ÷ 1.00) :( 1.38 ÷ 1, 56), D4 / f '= 0.16 ÷ 0.31, D6 / f' = 0.22 ÷ 0.40, where φ1, φ2, φ3, φ4 are the relative optical forces of the first, second, third and fourth components, respectively, D4 , D6 - air gaps respectively between the second and third and between the third and fourth components; f 'is the equivalent focal length of the lens. This lens is athermalized in the temperature range from -50 ° С to + 50 ° С, has a large angular field, which equals 19 °, and is of high quality. However, this lens has a low aperture ratio, which is 1: 1.2, which limits its operational characteristics. In addition, one of the surfaces is aspherical, and the lenses themselves are made of three different materials, which complicates the lens manufacturing process.

Задача изобретения - создание атермализованного объектива для ИК-области спектра с улучшенными эксплуатационными и производственными характеристиками.The objective of the invention is the creation of an athermalized lens for the infrared region of the spectrum with improved operational and production characteristics.

Технический результат - повышение светосилы объектива, при повышении технологичности за счет исключения в объективе асферических поверхностей, уменьшение номенклатуры используемых материалов линз при сохранении атермализации, величины углового поля и качества изображения.The technical result is an increase in aperture ratio of the lens, while improving manufacturability due to the exclusion of aspherical surfaces in the lens, reducing the range of lens materials used while maintaining athermalization, the magnitude of the angular field and image quality.

Это достигается тем, что в атермализованном объективе для ИК-области спектра, состоящем по ходу луча из четырех компонентов, первый из которых выполнен в виде положительного мениска из бескислородного стекла ИКС-25, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, второй в виде отрицательного мениска, выполненного из селенида цинка, третий в виде мениска, четвертый в виде положительной линзы с выпуклой первой поверхностью, обращенной к плоскости предметов, в отличие от известного линза второго компонента обращена вогнутой поверхностью к плоскости предметов, линза третьего компонента положительная и обращена вогнутой поверхностью к плоскости предметов, линза четвертого компонента выполнена в виде мениска, линзы третьего и четвертого компонентов выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, все поверхности объектива - сферические, при этом соблюдаются соотношения: φ1:φ2:φ3:φ4=(0,3÷0,7):-(1,3÷1,7):(0,80÷1,2):(0,80÷1,2), D2/f'=0,6÷0,8,This is achieved by the fact that in the athermalized lens for the infrared region of the spectrum, consisting along the beam of four components, the first of which is made in the form of a positive meniscus of oxygen-free glass IKS-25, facing a concave surface to the image plane, the second in the form of a negative meniscus, made of zinc selenide, the third in the form of a meniscus, the fourth in the form of a positive lens with a convex first surface facing the plane of objects, in contrast to the known lens of the second component facing a concave shape proximity to the plane of objects, the lens of the third component is positive and the concave surface facing the plane of objects, the lens of the fourth component is made in the form of a meniscus, the lenses of the third and fourth components are made of oxygen-free glass IKS-25, all surfaces of the lens are spherical, with the following ratios: φ1 : φ2: φ3: φ4 = (0.3 ÷ 0.7) :-( 1.3 ÷ 1.7) :( 0.80 ÷ 1.2) :( 0.80 ÷ 1.2), D2 / f '= 0.6 ÷ 0.8,

где φ1, φ2, φ3, φ4 - относительные оптические силы соответственно первого, второго, третьего и четвертого компонентов, D2 - воздушный промежуток между первым и вторым компонентами; f' - эквивалентное фокусное расстояние объектива.where φ1, φ2, φ3, φ4 are the relative optical forces of the first, second, third and fourth components, respectively, D2 is the air gap between the first and second components; f 'is the equivalent focal length of the lens.

На фиг. 1 представлена оптическая схема предложенного объектива, на фиг. 2 - графики функции передачи модуляции при температурах -50°С, +20°С, +50°С.In FIG. 1 presents an optical diagram of the proposed lens, in FIG. 2 - graphs of the modulation transfer function at temperatures of -50 ° C, + 20 ° C, + 50 ° C.

Атермализованный объектив для ИК-области спектра (фиг. 1) состоит по ходу лучей из первого компонента, выполненного в виде положительного мениска 1, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска 2, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Третий компонент выполнен в виде положительного мениска 3, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Четвертый компонент выполнен в виде положительного мениска 4, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Все поверхности объектива сферические. Все линзы выполнены из бескислородного стекла ИКС-25, кроме линзы второго компонента, выполненного из селенида цинка.The thermalized lens for the infrared region of the spectrum (Fig. 1) consists along the rays of the first component, made in the form of a positive meniscus 1, facing a concave surface to the image plane. The second component is made in the form of a negative meniscus 2 facing a concave surface to the plane of objects. The third component is made in the form of a positive meniscus 3 facing a concave surface to the plane of objects. The fourth component is made in the form of a positive meniscus 4 facing a convex surface to the plane of objects. All surfaces of the lens are spherical. All lenses are made of oxygen-free glass IKS-25, except for the lens of the second component made of zinc selenide.

Атермализованный объектив для ИК-области спектра работает следующим образом: световой поток, исходящий из бесконечно удаленной точки предмета попадает на первую поверхность первого компонента выполненного в виде положительного мениска 1, проходит через него, затем через второй компонент, выполненный в виде отрицательного мениска 2, затем через третий компонент, выполненный в виде положительного мениска 3, затем через четвертый компонент, выполненный в виде положительного мениска 4, и образует изображение предмета в фокальной плоскости атермализованного объектива.The thermalized lens for the infrared region of the spectrum works as follows: the light flux emanating from an infinitely distant point of the object enters the first surface of the first component made in the form of a positive meniscus 1, passes through it, then through the second component made in the form of a negative meniscus 2, then through the third component, made in the form of a positive meniscus 3, then through the fourth component, made in the form of a positive meniscus 4, and forms an image of the object in the focal plane thermalized lens.

В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный атермализованный объектив для ИК-области спектра, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.In accordance with the proposed solution, a specific athermalized lens was calculated for the infrared region of the spectrum, the design parameters of which are given in table 1.

Характеристики рассчитанного атермализованного объектива для ИК-области спектра:Characteristics of the calculated athermalized infrared lens:

фокусное расстояние ƒ'=40,00 ммfocal length ƒ '= 40.00 mm

относительное отверстие 1:1relative aperture 1: 1

угловое поле 2ω=19°angular field 2ω = 19 °

На фиг. 2 приведены графики функции передачи модуляции при температурах +20°С, -50°С, +50°С.In FIG. Figure 2 shows graphs of the modulation transfer function at temperatures of + 20 ° С, -50 ° С, + 50 ° С.

Предлагаемый атермализованный объектив для ИК-области спектра имеет более высокую светосилу, по сравнению с ближайшим аналогом, угловое поле, соответствующее значению углового поля ближайшего аналога, атермализацию в диапазоне температур от -50°С до +50°С при сохранении высокого качества изображения, что подтверждается графиком функции передачи модуляции для различных температур (фиг. 2) - коэффициент передачи модуляции в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм на пространственной частоте 20 лин/мм составляет не менее 0,58 для точки на оси и не менее 0,53 для края углового поля. Кроме того, все поверхности объектива выполнены сферическими, а в качестве материала линз использованы только два материала.The proposed athermalized lens for the IR region of the spectrum has a higher aperture than the closest analogue, the angular field corresponding to the angular field of the closest analogue, athermalization in the temperature range from -50 ° C to + 50 ° C while maintaining high image quality, which confirmed by the graph of the modulation transfer function for various temperatures (Fig. 2) - the modulation transmission coefficient in the spectral range from 8 to 12 μm at a spatial frequency of 20 lines / mm is at least 0.58 for a point on the axis and not m her 0.53 to the corner edge of the field. In addition, all surfaces of the lens are spherical, and only two materials are used as the lens material.

Таким образом, достигнут технический результат - создан атермализованный объектив для ИК-области спектра с повышенной светосилой, с уменьшенной номенклатурой используемых материалов при сохранении углового поля, качества изображения и атермализации в диапазоне температур от -50°С до +50°С, все поверхности которого выполнены сферическими.Thus, a technical result was achieved - an atermalized lens was created for the infrared region of the spectrum with increased aperture, with a reduced nomenclature of the materials used while maintaining the angular field, image quality and athermalization in the temperature range from -50 ° C to + 50 ° C, all surfaces of which made spherical.

Claims

The thermalized lens for the infrared region of the spectrum, consisting along the beam of four components, the first of which is made in the form of a positive meniscus from oxygen-free glass IKS-25, facing a concave surface to the image plane, the second in the form of a negative meniscus made of zinc selenide, third in the form of a meniscus, the fourth in the form of a positive lens with a convex first surface facing the plane of objects, characterized in that the lens of the second component faces a concave surface to the plane of the object in the third positive lens component and the concave surface facing to the object plane, the lens of the fourth component is formed as a meniscus lens of the third and fourth components are made of X-25, oxygen-free glass, all the lens surface - spherical, the ratio of observed:

φ1: φ2: φ3: φ4 = (0.3 ÷ 0.7) :-( 1.3 ÷ 1.7) :( 0.80 ÷ 1.2) :( 0.80 ÷ 1.2), D2 / f '= 0.6 ÷ 0.8,

where φ1, φ2, φ3, φ4 are the relative optical forces of the first, second, third and fourth components, respectively, D2 is the air gap between the first and second components; f 'is the equivalent focal length of the lens.