RU2105333C1

RU2105333C1 - Fast lens

Info

Publication number: RU2105333C1
Application number: RU95102075A
Authority: RU
Inventors: А.В. Медведев; А.В. Гринкевич
Original assignee: Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод"
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1998-02-20
Also published as: RU95102075A

Abstract

FIELD: lenses in night viewing devices. SUBSTANCE: the lens has three components, the last component is removed from the second component and fixed, focusing is effected by displacement of the first two components. In the variant of a four-component lens focusing is effected by displacement of the first three components. The thickness of the last components, its focal power, air gaps and lens focal length are interdependent. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к приборам ночного видения в самых разнообразных условиях эксплуатации. The invention relates to the field of optoelectronic technology and can be used as a lens for night vision devices in a wide variety of operating conditions.

Наиболее близким по технической сущности является преломляющая линзовая система для приборов, работающих при низких уровнях освещенности (Х.Соул Электронно-оптическое фотографирование, М. : Воениздат, 1972, с. 110, рис. 4.16 б). The closest in technical essence is a refractive lens system for devices operating at low light levels (H.Soul Electron-Optical Photography, M.: Voenizdat, 1972, p. 110, Fig. 4.16 b).

Недостатком этого устройства является сложность конструктивного исполнения прибора ночного видения при фокусировке на близко расположенные предметы подвижной всей оптической системы объектива (А.Н. Изнар. Электронно-оптические приборы. М. : Машиностроение, 1977, с. 100), а при исполнении с жестко встроенным объективом (даже на гиперфокальном расстоянии) не обеспечивается резкое видение предметов на малых расстояниях от прибора (расчет подвижек, гиперфокального расстояния и глубины резкости (С.В. Кулагин. Проектирование фото и кино приборов, М.: Машиностроение, 1976, с. 68, 75-77). Это обусловлено конструктивными особенностями данного объектива, малыми величинами глубины резкости при высокой светосиле объектива, необходимой для обеспечения дальности видения ночного прибора. The disadvantage of this device is the complexity of the design of the night vision device when focusing on closely located objects moving the entire optical system of the lens (AN Iznar. Electron-optical devices. M.: Mashinostroenie, 1977, p. 100), and when executed with a hard the built-in lens (even at hyperfocal distance) does not provide sharp vision of objects at small distances from the device (calculation of movements, hyperfocal distance and depth of field (SV Kulagin. Designing photo and film devices, .:.. Engineering, 1976, 68, 75-77) This is caused by design features of the lens, small quantities of the depth of field at high light-gathering lens, a necessary range for the night vision device.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции при фокусировке на близко расположенные предметы за счет неподвижной установки последнего компонента объектива. The aim of the present invention is to simplify the design when focusing on closely located objects due to the fixed installation of the last component of the lens.

Эта цель достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем три компонента, последний компонент выполнен в виде положительной линзы, имеющей оптическую силу, равную 0,8-1,2 оптической силы объектива, расположен на расстоянии от плоскости изображения, равном 0,05-0,2 фокусного расстояния объектива (F), и его толщина составляет (0,1-0,3) F, а расстояние между вторым и третьим компонентами составляет (0,75-0,95) F. This goal is achieved by the fact that in a fast lens containing three components, the last component is made in the form of a positive lens having an optical power equal to 0.8-1.2 of the optical power of the lens, located at a distance from the image plane equal to 0.05 0.2 of the focal length of the lens (F), and its thickness is (0.1-0.3) F, and the distance between the second and third components is (0.75-0.95) F.

Конструктивное исполнение светосильного объектива показано на фиг. 1. Здесь содержатся первый компонент 1, второй компонент 2 и третий компонент 3. параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в табл. 1. The design of the fast aperture is shown in FIG. 1. It contains the first component 1, the second component 2 and the third component 3. The parameters of the embodiment of the fast lens are given in table. one.

Параметры такого объектива. The parameters of such a lens.

Расчетная длина волны - 656 нм;
Рабочий спектральный диапазон - 546-900 нм;
Фокусное расстояние F - 84,77 мм;
Относительное отверстие - 1:1,2;
Линейное поле зрения - 24 мм.Estimated wavelength - 656 nm;
The working spectral range is 546-900 nm;
Focal length F - 84.77 mm;
Relative aperture - 1: 1,2;
The linear field of view is 24 mm.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Последний компонент 3, компенсирующий астигматизм и кривизну поверхности изображения аналогично объективам, построенным по схеме типа "Таир" (Вычислительная оптика. Справочник. Под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение, 1984, с. 363), устанавливается на расстоянии от плоскости изображения, равном (0,05-0,2) F, выполнен в виде положительной линзы с оптической силой, равной 0,8-1,2 оптической силы объектива и имеет толщину D6 = (0,1-0,3) F. Фокусировка на близко расположенные предметы осуществляется подвижкой первых двух компонентов 1 и 2 - увеличением расстояния D5 между компонентами 2 и 3, которое в начальном положении (в положении "бесконечность") составляет (0,75-0,95) F. The principle of operation of the device is as follows. The last component 3, which compensates for the astigmatism and curvature of the image surface, is similar to lenses constructed according to the Tair type scheme (Computational Optics. Reference. Edited by the general editorship of MM Rusinov. L .: Engineering, 1984, p. 363), is established at a distance from the image plane equal to (0.05-0.2) F, made in the form of a positive lens with an optical power equal to 0.8-1.2 of the optical power of the lens and has a thickness D6 = (0.1-0, 3) F. Focusing on closely located objects is carried out by moving the first two components 1 and 2 - increasing the distance D5 between components 2 and 3, which in the initial position (in the "infinity" position) is (0.75-0.95) F.

Оба компонента 1 и 2 перемещаются вместе и при фокусировке на ближнюю дистанцию 4 м фокусное расстояние объектива остается в пределах допуска - 3%. Такое изменение фокусного расстояния не оказывает практического влияния на изменение общего увеличения прибора ночного видения, допуск на которое достигает 10%. Both components 1 and 2 move together and when focusing at a close distance of 4 m, the focal length of the lens remains within the tolerance of 3%. Such a change in the focal length does not have a practical effect on the change in the total magnification of the night vision device, the tolerance on which reaches 10%.

Расчет гиперфокального расстояния (P_гип) для приведенного варианта конструктивного исполнения светосильного объектива дает величину P_гип = F² / (K•d_доп) = 120 м, передний план резкости P_гип/2=60 м (где K=1,2 - знаменатель относительного отверстия, а d_доп - диаметр допустимого пятна нерезкости, определяемый разрешающей способностью фотокатода - Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов и др.. Теория оптических систем М.: Машиностроение, 1981, с. 254 - и при рабочей разрешающей способности фотокатода 20 линий/мм, равный 0,05 мм). Как следует из этого расчета, при такой светосиле объектива для резкого видения предметов, расположенных на расстоянии ближе 60 м, необходима фокусировка. Задаваясь критерием качества - величиной полихроматической частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и учитывая: толщину защитного стекла фотокатода, равную 0,6 мм; спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотокатода и светопропускания объектива - 0,8 на длине волны 546 нм, 1 на 656 нм, 0,1 на 900 нм; пространственную частоту 20 линий/мм, получаем следующие расчетные значения (положение плоскости установки - на расстоянии, равном 0,06 мм от плоскости Гаусса):
положение бесконечность:
точка на оси - ЧКХ = 62%
точка поля 18,5 мм - ЧКХм = 33%
фокусировка всей оптической системой объектива на 4 м:
точка на оси - ЧКХ = 36%
точка поля 18,5 мм - ЧКХм = 12%
фокусировка первыми двумя компонентами на 4 м:
точка на оси - ЧКХ = 42%
точка поля 18,5 мм - ЧКХм = 22%
Как видно из расчетов, фокусировка первыми двумя компонентами обеспечивает приемлемое качество изображения, при этом также уменьшаются астигматизм (на 17%), кривизна поля (на 10%) и дисторсия (на 20%), а фокусное расстояние незначительно увеличивается (на 3%).The calculation of the hyperfocal distance (P _hyp ) for the given embodiment of the aperture lens design gives the value of P _hy = F ² / (K • d _extra ) = 120 m, the foreground of sharpness is P _hy / 2 = 60 m (where K = 1,2 - the denominator of the relative aperture, and d _add - the diameter of the allowable blur spot, determined by the resolution of the photocathode - BN Begunov, NP Zakaznov and others. Theory of optical systems M .: Mashinostroenie, 1981, p. 254 - and when working the resolution of the photocathode is 20 lines / mm, equal to 0.05 mm). As follows from this calculation, with such a lens aperture, focusing is necessary for sharp vision of objects located at a distance closer than 60 m. Asked by the quality criterion - the magnitude of the polychromatic frequency-contrast characteristic (CCF) and taking into account: the thickness of the protective glass of the photocathode, equal to 0.6 mm; spectral efficiency at wavelengths, taking into account the sensitivity of the photocathode and the lens transmittance - 0.8 at a wavelength of 546 nm, 1 at 656 nm, 0.1 at 900 nm; spatial frequency of 20 lines / mm, we obtain the following calculated values (the position of the installation plane is at a distance equal to 0.06 mm from the Gauss plane):
infinity position:
point on the axis - frequency response = 62%
field point 18.5 mm - ChKKhm = 33%
focusing the entire optical system of the lens at 4 m:
point on the axis - frequency response = 36%
field point 18.5 mm - ChKKhm = 12%
focusing the first two components on 4 m:
point on the axis - frequency response = 42%
field point 18.5 mm - ChKKhm = 22%
As can be seen from the calculations, focusing by the first two components ensures acceptable image quality, while astigmatism (by 17%), field curvature (by 10%) and distortion (by 20%) are also reduced, and the focal length is slightly increased (by 3%) .

Для второго варианта объектива наиболее близким по технической сущности является преломляющая линзовая система для приборов, работающих при низких уровнях освещенности (Х. Соул. Электронно-оптическое фотографирование. М.: Воениздат, 1972, с.110, рис. 4.16 а). For the second lens variant, the closest in technical essence is the refractive lens system for devices operating at low light levels (H. Soul. Electron-optical photographing. M: Voenizdat, 1972, p. 110, Fig. 4.16 a).

Недостатком этого устройства является сложность конструктивного исполнения прибора ночного видения при фокусировке на близко расположенные предметы подвижкой всей оптической системы объектива, а при исполнении с жестко встроенным объективом (даже на гиперфокальном расстоянии) не обеспечивается резкое видение предметов на малых расстояниях от прибора. Это обусловлено конструктивными особенностями данного объектива и малыми величинами глубины резкости при высокой светосиле объектива, необходимой для обеспечения дальности видения ночного прибора. The disadvantage of this device is the complexity of the design of the night vision device when focusing on closely located objects by moving the entire optical system of the lens, and when executed with a rigidly integrated lens (even at hyperfocal distance) sharp vision of objects at small distances from the device is not provided. This is due to the design features of this lens and the small depth of field at high aperture of the lens, necessary to ensure the range of vision of the night device.

Эта цель достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем четыре компонента, последний компонент выполнен в виде положительной линзы, имеющей оптическую силу, равную 0,8-1,2 оптической силы объектива, расположен на расстоянии от плоскости изображения, равном 0,05-0,2 фокусного расстояния объектива (F), и его толщина составляет (0,1-0,3) F, а расстояние между третьим и четвертым компонентами составляет (0,75-0,95) F. This goal is achieved by the fact that in a fast lens containing four components, the last component is made in the form of a positive lens having an optical power equal to 0.8-1.2 of the optical power of the lens, located at a distance from the image plane equal to 0.05 0.2 of the focal length of the lens (F), and its thickness is (0.1-0.3) F, and the distance between the third and fourth components is (0.75-0.95) F.

Конструктивное исполнение светосильного объектива показано на фиг.2. Здесь содержатся первый компонент 1, второй компонент 2, третий компонент 3 и четвертый компонент 4. Параметры варианта исполнения светосильного объектива даны в табл. 2. The design of the fast lens is shown in figure 2. It contains the first component 1, the second component 2, the third component 3 and the fourth component 4. The parameters of the embodiment of the fast lens are given in table. 2.

Расчетная длина волны - 656 нм;
Рабочий спектральный диапазон - 546-900 нм;
Фокусное расстояние F - 34,94 мм;
Относительное отверстие - 1:1;
Линейное поле зрения - 16 мм.Estimated wavelength - 656 nm;
The working spectral range is 546-900 nm;
Focal length F - 34.94 mm;
Relative aperture - 1: 1;
The linear field of view is 16 mm.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Последний компонент 4, компенсирующий астигматизм и кривизну поверхности изображения аналогично объективам, построенным по схеме типа "Таир", устанавливается на расстоянии от плоскости изображения, равном (0,05-0,2) F, выполнен в виде положительной линзы с оптической силой, равной 0,8-1,2 оптической силы объектива и имеет толщину D7=(0,1-0,3) F. Фокусировка на близко расположенные предметы осуществляется подвижкой первых компонентов 1, 2 и 3 - увеличением расстояния D6 между компонентами 3 и 4, которое в начальном положении (в положении "бесконечность") составляет (0,75-0,95) F. The principle of operation of the device is as follows. The last component 4, which compensates for the astigmatism and curvature of the image surface, similarly to lenses constructed according to the Tair type scheme, is installed at a distance from the image plane equal to (0.05-0.2) F, made in the form of a positive lens with an optical power equal to 0.8-1.2 of the optical power of the lens and has a thickness of D7 = (0.1-0.3) F. Focusing on closely located objects is carried out by moving the first components 1, 2 and 3 - increasing the distance D6 between components 3 and 4, which in the initial position (in the position of "infinity") co ulation (0,75-0,95) F.

Компоненты 1, 2 и 3 перемещаются вместе и при фокусировке на ближнюю дистанцию 2 м фокусное расстояние объектива остается в пределах допуска - 3,4%. Расчет гиперфокального расстояния дает величину P_гип=24,5 м, передний план резкости P_гип/2 = 12,25 м. При светосиле объектива 1:1 для резкого видения предметов, расположенных на расстоянии ближе 12,25 м, необходима фокусировка. При этом полихроматическая частотно-контрастная характеристика имеет следующие расчетные значения (положение плоскости установки - на расстоянии, равном минус 0,05 мм, от плоскости Гаусса):
положение бесконечность:
точка на оси - ЧКХ = 63%
точка поля 18,5 мм - ЧКХм = 21%
фокусировка всей оптической системой объектива на 2 м:
точка на оси - ЧКХ = 55%
точка поля 13 мм - ЧКХм = 8%
фокусировка первыми двумя компонентами на 2 м:
точка на оси - ЧКХ = 64%
точка поля 13 мм - ЧКХм = 21%
Как видно из расчетов, фокусировка первыми тремя компонентами обеспечивает приемлемое качество изображения, при этом также уменьшаются астигматизм (на 4,5%) и дисторсия (на 18,7%), а фокусное расстояние незначительно увеличивается (на 3,4%).Components 1, 2 and 3 move together and when focusing at a close distance of 2 m, the focal length of the lens remains within the tolerance of 3.4%. Calculation of the hyperfocal distance gives the value of P _gip = 24.5 m, the foreground of sharpness P _gip / 2 = 12.25 m. When the lens aperture is 1: 1, focusing is necessary for sharp vision of objects located closer than 12.25 m. In this case, the polychromatic frequency-contrast characteristic has the following calculated values (the position of the installation plane is at a distance equal to minus 0.05 mm from the Gauss plane):
infinity position:
point on the axis - frequency response = 63%
field point 18.5 mm - ChKKhm = 21%
focusing the entire optical system of the lens at 2 m:
point on the axis - frequency response = 55%
field point 13 mm - ChKKhm = 8%
focusing the first two components on 2 m:
point on the axis - frequency response = 64%
field point 13 mm - ChKKhm = 21%
As can be seen from the calculations, focusing with the first three components ensures acceptable image quality, while astigmatism (by 4.5%) and distortion (by 18.7%) also decrease, and the focal length increases slightly (by 3.4%).

Положительный эффект от предлагаемых технических решений заключается в упрощении конструкции при фокусировке светосильным объективом на близко расположенные предметы, уменьшение трудоемкости при изготовлении и сборке приборов ночного видения. The positive effect of the proposed technical solutions is to simplify the design when focusing with a fast lens on closely located objects, reducing the complexity in the manufacture and assembly of night vision devices.

Claims

1. A fast lens containing three components, the first of which is a double-glued lens, consisting of a biconvex lens and a negative meniscus, and the second and third positive menisci facing concavity to the image, characterized in that the first two components are mounted with the possibility of joint movement along the axis, and the third component is made in the form of a single lens having an optical power equal to 0.8 1.2 of the optical power of the lens, and is located at a distance from the image plane equal to (0.05 0.2) F, while the thickness is third it is the component (0,1 0,3) F, and the distance between the second and third components is (0,75 0,95) F, where F lens focal length.

2. A lens containing four components, the first of which is a biconvex lens, the second negative meniscus facing the concavity to the object, the third positive lens and the fourth positive meniscus facing the concavity to the image, characterized in that the first three components are mounted to move along the axis , the third component is made in the form of a convex flat lens or meniscus, facing a concavity to the image, and the fourth in the form of a single lens having an optical power equal to 0.8 1.2 optical power of the objects the fourth component is located at a distance from the image plane equal to (0.05 0.2) F, the thickness of the fourth component is (0.1 0.3) F, and the distance between the third and fourth components is (0.75 0.95) F, where F is the focal length of the lens.