RU2233462C2

RU2233462C2 - Projection wide-aperture lens

Info

Publication number: RU2233462C2
Application number: RU2002125531/28A
Authority: RU
Inventors: Натали Ефимовна Кунделева (BY); Наталия Ефимовна Кунделева; Елена Ивановна Зайцева (BY); Елена Ивановна Зайцева; Ирина Дмитриевна Шалимо (BY); Ирина Дмитриевна Шалимо
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-07-27
Also published as: RU2002125531A

Abstract

FIELD: optical instrument making, possibly lens for image transfer from screen of electronic-optic converter to CCD-matrix.

SUBSTANCE: lens includes first component in the form of positive meniscus turned by its concave surface to object space; second component in the form of positive meniscus turned by its concave surface to image space; third component having negative concentric meniscus turned by concave surface to image space; fourth component in the form of negative meniscus cemented of biconcave and biconvex lens; fifth and sixth components in the form of separate positive lens; aperture diaphragm placed between third and fourth components. Lens also includes seventh component in the form of meniscus turned by concave surface to object space. Absolute value of optical activity of seventh component is no more than 0.35 of optical activity of the whole lens. Spacing between sixth and seventh components along optic axis is equal at least to 0.18 of focal length of lens.

EFFECT: increased relative opening of lens, enhanced quality of image due to increased modulation transfer coefficients along the whole visual field.

6 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив переноса изображения с экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) на ПЗС-матрицу.The invention relates to optical instrumentation, namely to lenses, and can be used as a lens for transferring an image from the screen of an electron-optical converter (EOP) to a CCD matrix.

Известен светосильный объектив [1], содержащий выпуклоплоскую линзу, два отрицательных мениска, обращенных вогнутой поверхностью к пространству изображений, двояковыпуклую линзу, отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, и одиночную двояковыпуклую линзу. Апертурная диафрагма расположена в воздушном промежутке между положительным мениском и склеенной линзой. Данная конструкция обеспечивает относительное отверстие объектива до 1:1.4. При этом коэффициенты передачи модуляции на частоте М=50 мм^-1 не превышают 0.6 в спектральном диапазоне 410-700 нм.Known fast lens [1], containing a convex-flat lens, two negative meniscus facing a concave surface to the image space, a biconvex lens, a negative meniscus facing a concave surface to the image space, a positive meniscus facing a concave surface to the space of objects and glued from a biconcave and biconvex lenses, and a single biconvex lens. The aperture diaphragm is located in the air gap between the positive meniscus and the glued lens. This design provides a lens aperture of up to 1: 1.4. Moreover, the modulation transmission coefficients at a frequency of M = 50 mm ^-1 do not exceed 0.6 in the spectral range of 410-700 nm.

Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив [2], состоящий из шести компонентов. Первые два компонента выполнены в виде положительных менисков, обращенных вогнутой поверхностью к пространству изображений. Третий компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент представляет собой отрицательный мениск, склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Пятый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов. Шестой компонент содержит двояковыпуклую линзу. Апертурная диафрагма расположена в воздушном промежутке между третьим и четвертым компонентами. Данная конструкция объектива обеспечивает относительное отверстие до 1:1.4. Однако недостатком прототипа является невысокое качество изображения вследствие невысоких значений коэффициентов передачи модуляции (Т) для всего поля зрения.Closest to the proposed lens is a lens [2], consisting of six components. The first two components are made in the form of positive menisci facing a concave surface to the image space. The third component consists of a negative meniscus facing a concave surface to the image space. The fourth component is a negative meniscus glued from a biconcave and biconvex lens. The fifth component is made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the space of objects. The sixth component contains a biconvex lens. The aperture diaphragm is located in the air gap between the third and fourth components. This lens design provides a relative aperture of up to 1: 1.4. However, the disadvantage of the prototype is the low image quality due to the low values of the modulation transmission coefficients (T) for the entire field of view.

Задача изобретения - увеличение относительного отверстия объектива, повышение качества изображения за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения.The objective of the invention is to increase the relative aperture of the lens, improving image quality by increasing the modulation transmission coefficients throughout the field of view.

Проекционный светосильный объектив включает первый компонент, выполненный в виде положительного мениска, второй компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент, состоящий из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, пятый и шестой компоненты, выполненные в виде одиночных положительных линз, апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами, причем введен седьмой отрицательный компонент, расположенный за шестым компонентом и выполненный в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, положительный мениск первого компонента обращен вогнутой поверхностью к пространству предметов, а третий компонент выполнен в виде концентрического мениска, при этом оптическая сила седьмого компонента по абсолютной величине не превышает 0.35 оптической силы всего объектива, а расстояние между шестым и седьмым компонентами по оптической оси составляет не менее 0.18 фокусного расстояния объектива.The projection aperture lens includes a first component made in the form of a positive meniscus, a second component made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image space, a third component consisting of a negative meniscus facing a concave surface to the image space, a fourth component made in the form negative meniscus glued from biconcave and biconvex lenses, the fifth and sixth components, made in the form of single positive lenses , an aperture diaphragm located between the third and fourth components, the seventh negative component introduced behind the sixth component and made in the form of a meniscus facing a concave surface to the space of objects, a positive meniscus of the first component facing a concave surface to the space of objects, and the third component is made in in the form of a concentric meniscus, while the optical power of the seventh component in absolute value does not exceed 0.35 of the optical power of the entire lens, and the distance between the sixth and seventh components along the optical axis is not less than 0.18 focal distance of the lens.

Выбор конструкции третьего компонента, выполненного виде отрицательного концентрического мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, позволил повысить относительное отверстие объектива до 1:1.2, эффективно исправить кому и аберрации широких наклонных пучков.The choice of the design of the third component, made in the form of a negative concentric meniscus, facing a concave surface to the image space, made it possible to increase the relative aperture of the lens to 1: 1.2, effectively correct coma and aberrations of wide inclined beams.

Введение за шестым компонентом отрицательного мениска, имеющего оптическую силу, по абсолютной величине не превышающую 0.35 оптической силы всего объектива и расположенного на расстоянии не менее 0.18 фокусного расстояния объектива, позволило исправить кривизну изображения. Для точки изображения у’=3.2 мм, соответствующей крайней горизонтальной точке на ПЗС-матрице, кривизна изображения не превышает 0.03 мм.The introduction of a negative meniscus with optical power behind the sixth component, which in absolute value does not exceed 0.35 of the optical power of the entire lens and located at a distance of at least 0.18 of the focal length of the lens, made it possible to correct the image curvature. For the image point y = 3.2 mm, which corresponds to the extreme horizontal point on the CCD, the image curvature does not exceed 0.03 mm.

Выбор конструкции компонентов, их оптических сил и расстояния между шестым и седьмым компонентами позволил увеличить относительное отверстие объектива до 1:1.2 при хорошей коррекции аберраций по всему полю зрения и получить высокие значения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения, что позволяет переносить изображение с экрана ЭОПа на ПЗС-матрицу без потери разрешения. Причем выбор расположения вогнутой поверхности первого компонента, обращенной к пространству предметов, позволил сократить расстояние между плоскостью предметов и плоскостью изображений до 66.3 мм.The choice of the design of the components, their optical forces and the distance between the sixth and seventh components made it possible to increase the relative aperture of the lens to 1: 1.2 with good correction of aberrations throughout the field of view and to obtain high values of modulation transmission coefficients throughout the field of view, which allows the image to be transferred from the image intensifier screen to the CCD without loss of resolution. Moreover, the choice of the location of the concave surface of the first component facing the space of objects allowed to reduce the distance between the plane of objects and the plane of images to 66.3 mm.

Предлагаемый объектив имеет фокусное расстояние 21.3 мм, относительное отверстие 1:1.2, линейное увеличение -0.48^х и расстояние от плоскости предметов до плоскости изображения 66.3 мм. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N=60 мм^-1 в точке на оси у’=0 не менее 0.84, для точки у’=3.2 мм, соответствующей размеру матрицы 2/3" по горизонтали не менее 0.6. Такие значения коэффициентов передачи модуляции позволили получить концентрацию энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселу ПЗС-матрицы размером 0.0085×0.0085 мм не менее 90% в точке на оси и не менее 74% в точке у’=3.2 мм.The proposed lens has a focal length of 21.3 mm, a relative aperture of 1: 1.2, a linear magnification of -0.48 ^x and the distance from the plane of objects to the image plane of 66.3 mm. The polychromatic modulation transmission coefficients (T) for the spatial frequency N = 60 mm ^-1 at a point on the y ′ axis = 0 is not less than 0.84, for the point y ′ = 3.2 mm, corresponding to a 2/3 "matrix size in the horizontal direction of at least 0.6. Such the values of the modulation transmission coefficients made it possible to obtain the energy concentration in the image of a point on a square area equal to a pixel of a CCD matrix of 0.0085 × 0.0085 mm in size at least 90% at a point on the axis and at least 74% at y '= 3.2 mm.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива.Figure 1 shows the optical scheme of the proposed lens.

На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n_е - показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии е.Figure 2 shows the design parameters of the objective lenses and the characteristics of the glasses, where R is the radius of curvature of the lens surfaces, D is the distance between the lens surfaces, n _e is the refractive index of the lens glasses for the line e (λ = 546 nm), ν is the Abbe number for line e.

На фиг.3 приведены графики поперечной сферической аберрации объектива.Figure 3 shows graphs of the transverse spherical aberration of the lens.

На фиг.4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридианального сечения для внеосевой точки у’=3.2 мм.Figure 4 shows the graphs of the aberrations of wide inclined beams of the meridian section for the off-axis point y = 3.2 mm.

На фиг.5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на оси.Figure 5 shows a graph of the estimated polychromatic frequency-contrast characteristic (T) for a point on the axis.

На фиг.6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки у’=3.2 мм.Figure 6 shows a graph of the estimated polychromatic frequency-contrast characteristic (T) for the point y ’= 3.2 mm

Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения, приведенной ниже:The frequency-contrast characteristics of the lens are calculated in accordance with the table of spectral efficiency coefficients of the actinic radiation flux given below:

Проекционный светосильный объектив (фиг.1) состоит из семи компонентов 1-7. Первый компонент содержит положительный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, его оптическая сила равна 0.0273. Второй компонент представляет собой положительный мениск 2, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, его оптическая сила равна 0.0342. Третий компонент выполнен в виде отрицательного концентрического мениска 3, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и имеющего оптическую силу -0.0405. Четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска 4, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз и имеющего оптическую силу -0.0359. Пятый и шестой компоненты представляют собой положительные линзы 5 и 6, выполненные двояковыпуклыми и имеющими оптические силы 0.0552 и 0.0486, соответственно. За шестым компонентом введен отрицательный компонент 7, выполненный в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и имеющего оптическую силу -0.0166, что составляет по абсолютной величине 0.35 оптической силы всего объектива, и расстояние между шестым и седьмым компонентами равно 4 мм, что составляет 0.188 фокусного расстояния объектива. Между третьим и четвертым компонентами расположена апертурная диафрагма 8.The projection aperture lens (figure 1) consists of seven components 1-7. The first component contains a positive meniscus 1, facing a concave surface to the space of objects, its optical power is equal to 0.0273. The second component is a positive meniscus 2, facing a concave surface to the space of images, its optical power is equal to 0.0342. The third component is made in the form of a negative concentric meniscus 3, facing a concave surface to the image space and having an optical power of -0.0405. The fourth component is made in the form of a negative meniscus 4 glued from a biconcave and biconvex lens and having an optical power of -0.0359. The fifth and sixth components are positive lenses 5 and 6, made biconvex and having an optical power of 0.0552 and 0.0486, respectively. Behind the sixth component, a negative component 7 is introduced, made in the form of a meniscus facing a space of objects with an optical power of -0.0166, which is 0.35 in absolute value of the optical power of the entire lens, and the distance between the sixth and seventh components is 4 mm, which is 0.188 focal length of the lens. Between the third and fourth components there is an aperture diaphragm 8.

Для объективов, передающих изображение с экрана ЭОПа на ПЗС-матрицу, параметрами, характеризующими качество изображения, являются относительное отверстие, значение коэффициентов передачи модуляции на предельной частоте ЭОПа или частоте, определяемой размером пиксела, а также концентрация энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной одному пикселу ПЗС-матрицы.For lenses transmitting the image from the image intensifier screen to the CCD matrix, the parameters characterizing the image quality are the relative aperture, the value of the modulation transmission coefficients at the maximum frequency of the image intensifier or frequency determined by the pixel size, as well as the energy concentration in the image of a point on a square area equal to one pixel of the CCD.

Графики аберраций, приведенные на фиг.3 и 4, а также графики полихроматической частотно-контрастной характеристики для точки на оси и для края поля зрения, представленные на фиг.5 и 6, и приведенные значения концентрации энергии в одном пикселе подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения, что позволяет передавать изображение, получаемое на экране ЭОПа на ПЗС-матрицу без потери разрешающей способности ЭОПа и с максимальным контрастом.The graphs of aberrations shown in FIGS. 3 and 4, as well as the graphs of the polychromatic frequency-contrast characteristic for the point on the axis and for the edge of the field of view, presented in FIGS. 5 and 6, and the given values of the energy concentration in one pixel confirm that the lens has good image quality over the entire field of view, which allows you to transfer the image received on the screen of the image intensifier tube to the CCD matrix without loss of resolution of the image intensifier tube and with maximum contrast.

Объектив работает следующим образом. От экрана ЭОПа со световым диаметром 18 мм, расположенного на расстоянии 18 мм от первой поверхности первого компонента объектива, пучок света, имеющий переднюю апертуру не менее 0.13, попадает на компоненты 1-7 объектива и после прохождения через них, фокусируется на площадке ПЗС-матрицы, расположенной на расстоянии 4.9 мм от последней поверхности седьмого компонента объектива. Объектив сопрягает плоскость экрана ЭОПа с плоскостью ПЗС-матрицы с линейным увеличением -0.48^х.The lens works as follows. From the screen of the image intensifier tube with a light diameter of 18 mm located at a distance of 18 mm from the first surface of the first component of the lens, a light beam having a front aperture of at least 0.13 enters the components 1-7 of the lens and, after passing through them, focuses on the site of the CCD located at a distance of 4.9 mm from the last surface of the seventh component of the lens. The lens matches the plane of the screen of the image intensifier tube with the plane of the CCD matrix with a linear magnification of -0.48 ^x .

В предлагаемом проекционном светосильном объективе выбор конструкции первого компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третьего компонента в виде отрицательного концентрического мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и введение седьмого отрицательного компонента, выполненного в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и имеющего оптическую силу, по абсолютной величине не превышающую 0.35 оптической силы всего объектива, и расположенного на расстоянии не менее 0.18 фокусного расстояния объектива, позволили увеличить относительное отверстие до 1:1.2 при улучшении качества изображения и получить небольшое расстояние между экраном ЭОПа и ПЗС-матрицей.In the proposed projection aperture lens, the choice of the design of the first component in the form of a positive meniscus facing the concave surface to the space of objects, the third component in the form of a negative concentric meniscus facing the concave surface to the image space, and the introduction of the seventh negative component made in the form of a meniscus facing the concave surface to the space of objects, and having optical power, in absolute value not exceeding 0.35 optical power, all of the lens and situated at a distance of not less than 0.18 focal distance of the lens, allowed to increase the aperture ratio to 1: 1.2 with improved image quality and have a short distance between the image intensifier screen and CCD.

Источники информацииSources of information

1. A.с. SU №1663596 A1, публ. 1991 г., МКИ G 02 B 11/34.1. A.s. SU No. 1663596 A1, publ. 1991, MKI G 02 B 11/34.

2. Патент GВ №2066504 А, публ. 1980 г., МКИ G 02 B 9/6 (прототип).2. Patent GW No. 2066504 A, publ. 1980, MKI G 02 B 9/6 (prototype).

Claims

A projection aperture lens comprising a first component made in the form of a positive meniscus, a second component made in the form of a positive meniscus facing a concave surface to the image space, a third component consisting of a negative meniscus facing a concave surface to the image space, a fourth component made in negative meniscus glued from biconcave and biconvex lenses, the fifth and sixth components, made in the form of single positive lenses NC, an aperture diaphragm located between the third and fourth components, characterized in that the seventh negative component is introduced, located behind the sixth component and made in the form of a meniscus facing a concave surface to the space of objects, the positive meniscus of the first component facing a concave surface to the space of objects, the third component is made in the form of a concentric meniscus, while the optical power of the seventh component in absolute value does not exceed 0.35 of the total optical power the lens, and the distance between the sixth and seventh components along the optical axis is at least 0.18 of the focal length of the lens.