RU2711626C1

RU2711626C1 - Fast lens

Info

Publication number: RU2711626C1
Application number: RU2019109765A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Медведев; Александр Васильевич Гринкевич; Светлана Николаевна Князева
Original assignee: Публичное Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" (ПАО РОМЗ)
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2020-01-17

Abstract

FIELD: optics; data processing.SUBSTANCE: lens can be used in digital sighting devices with megapixel CCD or CMOS matrices in day and night conditions. Lens has two components, the first of which comprises a biconvex lens and a convex-concave lens which faces the object with its concave side, the second one – a biconvex lens, the second surface of which is an aspherical, biconvex and biconcave lens. Biconvex and biconcave lenses of the second component are glued together. Aperture diaphragm is located on the second surface of the negative lens of the first component. Following ratios are met: 1.5<|F/F|<2.5, 1.2<|F/F|<1.9, where Ffocal length of the lens; F– focal distance of second lens of first component; Fis focal distance of second component first lens.EFFECT: increasing the luminosity of lens to 1:1 and providing image quality at spatial frequencies of up to 130 g/mm.1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на мегапиксельных ПЗС или КМОП матрицах в дневных и ночных условиях эксплуатации.The present invention relates to the field of optoelectronic technology and can be used as a lens in digital sighting devices with image formation on megapixel CCD or CMOS sensors in day and night operating conditions.

Известен объектив для видимой и ближней ИК области спектра (патент RU 2421764 С1, опубл. 20.06.2011), содержащий установленные последовательно на оптической оси пять линз, сгруппированных в три компонента, первый из которых содержит три оптических элемента -положительную двояковыпуклую линзу, положительный мениск и отрицательную двояковогнутую линзу, второй компонент выполнен в виде несимметричной двояковыпуклой линзы, третий компонент выполнен в виде отрицательной плосковогнутой линзы. Апертурная диафрагма расположена на второй поверхности третьего элемента первого компонента, обеспечивается относительное отверстие 1:1,6 и угловое поле в пространстве предметов 13° при одновременном хорошем качестве изображения точки на оси и по полю в спектральном диапазоне орт 486 до 852 нм, коэффициент передачи модуляции на частотах до 100 штр/мм составляет не менее 10%.A known lens for the visible and near infrared spectral range (patent RU 2421764 C1, publ. 06/20/2011) containing five lenses mounted in series on the optical axis, grouped into three components, the first of which contains three optical elements - a positive biconvex lens, a positive meniscus and a negative biconcave lens, the second component is made in the form of an asymmetric biconvex lens, the third component is made in the form of a negative plane-concave lens. The aperture diaphragm is located on the second surface of the third element of the first component, a relative aperture of 1: 1.6 and an angular field in the space of objects of 13 ° are provided, while the image quality of a point on the axis and in the field in the spectral range of orth 486 to 852 nm is good, modulation transmission coefficient at frequencies up to 100 lines / mm is at least 10%.

Недостатком этого объектива для видимой и ближней ИК области спектра является невысокая светосила, равная 1:1,6, сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(486÷852) нм, а также низкий коэффициент передачи модуляции, что не позволяет применять его для цифровых приборов на базе ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.The disadvantage of this lens for the visible and near-IR spectral regions is the low aperture ratio of 1: 1.6, the relatively narrow spectral working range Δλ = (486 ÷ 852) nm, and the low modulation transmission coefficient, which does not allow it to be used for digital devices based on a CCD or CMOS photodetector with a pixel size of less than 5 microns.

Известен объектив для ИК области спектра (патент RU 2175774, опубл. 10.11.2001), содержащий пять линз, сгруппированных в два компонента, первый из которых состоит из положительной линзы и двухсклеенного мениска, состоящего из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а второй компонент содержит отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и положительную линзу. Первая линза в первом компоненте выполнена двояковыпуклой, а вторая линза во втором компоненте - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету. В объективе обеспечивается относительное отверстие 1:1,8 и угловое поле в пространстве предметов 5° при хорошем качестве изображения в спектральном диапазоне от 0,66 до 0,92 мкм.A known lens for the infrared region of the spectrum (patent RU 2175774, publ. 10.11.2001), containing five lenses grouped into two components, the first of which consists of a positive lens and a double-glued meniscus, consisting of a biconvex and biconcave lenses, and the second component contains a negative a meniscus convex to the subject and a positive lens. The first lens in the first component is biconvex, and the second lens in the second component is a positive meniscus with a concavity towards the object. A relative aperture of 1: 1.8 and an angular field in the space of objects of 5 ° are provided in the lens with good image quality in the spectral range from 0.66 to 0.92 μm.

Недостатком этого объектива для ИК области спектра является невысокая светосила (равная 1:1,8) и сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон Δλ=(0,66÷0,92) мкм, а также низкий коэффициент передачи модуляции, также не позволяющий применять его для цифровых приборов на базе ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.The disadvantage of this lens for the IR region of the spectrum is its low aperture ratio (equal to 1: 1.8) and the relatively narrow spectral working range Δλ = (0.66 ÷ 0.92) μm, as well as the low modulation transmission coefficient, which also does not allow its use for digital devices based on CCD or CMOS photodetectors with a pixel size of less than 5 microns.

Наиболее близким по технической сущности является светосильный объектив (патент RU 2181208, опубл. 10.04.2002), содержащий пять линз, первая из которых - двояковыпуклая линза, вторая - отрицательная линза, выполненная в виде вогнутоплоской линзы, третья - двояковыпуклая линза, вторая поверхность которой асферическая, четвертая - двояковыпуклая линза, а пятая - двояковогнутая линза. Апертурная диафрагма расположена между второй и третьей линзами. В объективе обеспечивается относительное отверстие 1:1,6 и угловое поле в пространстве предметов 38° при хорошем качестве изображения в спектральном диапазоне от 0,6 до 1,0 мкм, коэффициент передачи модуляции на частотах до 100 штр/мм находится на уровне 10÷15%.The closest in technical essence is a fast lens (patent RU 2181208, publ. 04/10/2002) containing five lenses, the first of which is a biconvex lens, the second is a negative lens made in the form of a concave lens, the third is a biconvex lens, the second surface of which aspherical, the fourth is a biconvex lens, and the fifth is a biconcave lens. The aperture diaphragm is located between the second and third lenses. A relative aperture of 1: 1.6 and an angular field in the space of objects of 38 ° are provided in the lens with good image quality in the spectral range from 0.6 to 1.0 μm, the modulation transmission coefficient at frequencies up to 100 lines / mm is at the level of 10 ÷ fifteen%.

Недостатком этого светосильного объектива является невысокая светосила, равная 1:1,6, а также сравнительно низкий коэффициент передачи модуляции, на пространственной частоте более 100 штр/мм, что не позволяет применять его для цифровых приборов на базе мегапиксельных ПЗС или КМОП фотоприемников с размером пикселя менее 5 мкм.The disadvantage of this aperture lens is a low aperture ratio of 1: 1.6, as well as a relatively low modulation transmission coefficient, at a spatial frequency of more than 100 lines / mm, which does not allow it to be used for digital devices based on megapixel CCD or CMOS photodetectors with a pixel size less than 5 microns.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы объектива до значения 1:1 и обеспечение качества изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм.The objective of the present invention is to increase the aperture ratio of the lens to a value of 1: 1 and to ensure image quality at spatial frequencies up to 130 lines / mm.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем апертурную диафрагму и пять линз, сгруппированных в два компонента, первый из которых содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную линзу, второй - двояковыпуклую линзу, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, в отличие от известного, отрицательная линза первого компонента является выпукловогнутой, обращенной вогнутостью к предмету, двояковыпуклая и двояковогнутая линзы второго компонента являются склейкой, а апертурная диафрагма расположена на второй поверхности отрицательной линзы первого компонента, при этом выполняются следующие соотношения:The technical result due to the task is achieved by the fact that in a fast lens containing an aperture diaphragm and five lenses grouped into two components, the first of which contains a biconvex lens and a negative lens, the second contains a biconvex lens, the second surface of which is aspherical, biconvex and biconcave lenses, in contrast to the known, the negative lens of the first component is convex, facing concavity to the object, biconvex and biconcave lenses of the second component are gluing, and the aperture diaphragm is located on the second surface of the negative lens of the first component, while the following relationships are true:

1,5<|F₂/F_ОБ|<2,5,1.5 <| F ₂ / F _ABOUT | <2.5,

1,2<|F₃/F_ОБ|<1.9,1,2 <| F ₃ / F _ON | <1.9,

где F_ОБ - фокусное расстояние объектива;where F _AB is the focal length of the lens;

F₂ - фокусное расстояние второй линзы первого компонента;F ₂ is the focal length of the second lens of the first component;

F₃ - фокусное расстояние первой линзы второго компонента.F ₃ is the focal length of the first lens of the second component.

Такой светосильный объектив обеспечивает повышение светосилы объектива до значения 1:1 и более высокое качество изображения на пространственных частотах до 130 штр/мм.Such a fast lens provides an increase in the lens aperture to a value of 1: 1 and higher image quality at spatial frequencies up to 130 lines / mm.

Оптической схема светосильного объектива показана на фигуре 1.The optical scheme of the fast lens is shown in figure 1.

Светосильный объектив содержит последовательно расположенные на оптической оси два компонента I и II. Первый компонент I содержит положительную двояковыпуклую линзу 1 и отрицательную линзу 2, апертурная диафрагма 3 расположена на второй поверхности линзы 2 компонента I, второй компонент II содержит положительную двояковыпуклую линзу 4, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклую линзу 5 и двояковогнутую линзу 6, склеенные между собой, защитное стекло фотоприемника 7 и фотоприемник 8.The fast lens contains two components I and II sequentially located on the optical axis. The first component I contains a positive biconvex lens 1 and a negative lens 2, an aperture diaphragm 3 is located on the second surface of the lens 2 of component I, the second component II contains a positive biconvex lens 4, the second surface of which is aspherical, biconvex lens 5 and a biconcave lens 6 glued together , protective glass of photodetector 7 and photodetector 8.

Конструктивные параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в таблице 1.The design parameters of the high-aperture lens embodiment are shown in table 1.

Параметры варианта исполнения светосильного объектива:Parameters of aperture lens design option:

- расчетная длина волны- estimated wavelength 0,7 мкм;0.7 microns; - рабочий спектральный диапазон- working spectral range (0,5÷0,9) мкм;(0.5 ÷ 0.9) μm; - фокусное расстояние- focal length 18,0 мм;18.0 mm; - линейное поле зрения- linear field of view 6,0 мм;6.0 mm; - угловое поле зрения- angular field of view ~18,9°;~ 18.9 °; - относительное отверстие- relative hole 1:11: 1

Принцип действия светосильного объектива заключается в следующем.The principle of operation of a fast lens is as follows.

Первый компонент I, выполненный из положительной двояковыпуклой линзы 1 и выпукловогнутой линзы 2, обращенной вогнутостью к предмету, является силовым элементом, формирующим небольшую оптическую силу, и обеспечивает частичную коррекцию сферохроматической аберрации, комы и вторичного спектра. Второй компонент II, выполненный в виде положительной двояковыпуклой линзы 4, вторая поверхность которой асферическая, двояковыпуклой линзы 5 и двояковогнутой линзы 6, склеенных между собой, является силовым и коррекционным элементом, позволяющим исправить кривизну изображения, астигматизм и аберрации широких пучков. Расположение апертурной диафрагмы 3 на второй поверхности линзы 2 первого компонента I позволяет избежать виньетирования наклонных пучков. В светосильном объективе необходимо выполнить следующие соотношения:The first component I, made of a positive biconvex lens 1 and a convex concave lens 2, facing concavity to the object, is a power element that forms a small optical power and provides partial correction of spherochromatic aberration, coma and secondary spectrum. The second component II, made in the form of a positive biconvex lens 4, the second surface of which is an aspherical, biconvex lens 5 and a biconcave lens 6, glued together, is a power and correction element that allows you to correct the image curvature, astigmatism and aberrations of wide beams. The location of the aperture diaphragm 3 on the second surface of the lens 2 of the first component I avoids the vignetting of inclined beams. In a fast lens, the following relationships must be fulfilled:

1,5<|F₂/F_ОБ|<2,5,1.5 <| F ₂ / F _ABOUT | <2.5,

1,2<|F₃/F_ОБ|<1,9,1.2 <| F ₃ / F _ABOUT | <1.9,

Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:Asked by the quality criterion - the value of the polychromatic contrast transfer coefficient (CPC) and given

- толщину защитного стекла 7 фотоприемника 8, равную 0,75 мм;- the thickness of the protective glass 7 of the photodetector 8, equal to 0.75 mm;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника 8 и светопропускания объектива - 1,0 на длине волны 0,5 мкм, 0,9 на длине волны 0,6 мкм, 0,6 на длине волны 0,7 мкм, 0,4 на длине волны 0,8 мкм и 0,2 на длине волны 0,9 мкм;- spectral efficiency at wavelengths, taking into account the sensitivity of the photodetector 8 and the light transmission of the lens - 1.0 at a wavelength of 0.5 μm, 0.9 at a wavelength of 0.6 μm, 0.6 at a wavelength of 0.7 μm, 0, 4 at a wavelength of 0.8 μm and 0.2 at a wavelength of 0.9 μm;

- пространственную частоту ~130 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника 6 формата 1280×960 пикселей с размером пикселя, равным 3,75 мкм),- spatial frequency ~ 130 lin / mm (Nyquist frequency for a photodetector 6 format 1280 × 960 pixels with a pixel size equal to 3.75 μm),

получаем следующие расчетные значения качественных характеристик светосильного объектива:we obtain the following calculated values of the qualitative characteristics of the fast lens:

- дифракционное качество- diffraction quality КПК = 89,3%PDA = 89.3% - для точки на оси- for a point on the axis КПК = 43,0%PDA = 43.0% - для точки поля 1,8 мм от центра- for a field point of 1.8 mm from the center изображенияImages КПК _М = 28,2%CPC _M = 28.2% КПК _С = 28,4%CPC _C = 28.4% - для точки поля 2,4 мм от центра- for a field point of 2.4 mm from the center изображенияImages КПК _М = 32,9%PDA _M = 32.9% КПК _С= 9,87%PDA _C = 9.87% - для точки поля 3,0 мм от центра- for a field point of 3.0 mm from the center изображенияImages КПК _М = 9,17%PDA _M = 9.17% КПК _С = 6,46%PDA _C = 6.46%

Расчеты показывают, что светосильный объектив обеспечивает хорошее качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих телевизионную матрицу мегапиксельного формата спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 3,75 мкм. Высокое значение относительного отверстия - 1:1 в отличие от 1:1,6 у прототипа, и высокое качество изображения расширяет диапазон возможного применения светосильного объектива, в частности позволяет более эффективно использовать его для дневного и ночного видения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности (в сумерки и в темное время суток).Calculations show that a fast lens provides good image quality for optoelectronic devices using a television matrix with a megapixel format in the spectral range (0.5 ÷ 0.9) μm with a pixel size of 3.75 μm. A high value of the relative aperture is 1: 1 in contrast to the prototype's 1: 1.6, and high image quality expands the range of possible applications of the fast lens, in particular, allows it to be used more efficiently for day and night vision with high resolution in low light conditions ( at twilight and in the dark).

Claims

A fast lens containing an aperture diaphragm and five lenses grouped into two components, the first of which contains a biconvex lens and a negative lens, the second a biconvex lens, the second surface of which is aspherical, biconvex and biconcave lens, characterized in that the negative lens of the first component is convex facing the object, the biconvex and biconcave lenses of the second component are glued, and the aperture diaphragm is located on the second surface ty of the negative lens of the first component, while the following relationships are true:

1.5 <| F ₂ / F _ABOUT | <2.5,

1.2 <| F ₃ / F _ABOUT | <1.9,

where F _AB is the focal length of the lens;

F ₂ is the focal length of the second lens of the first component;

F ₃ is the focal length of the first lens of the second component.