RU2341816C1

RU2341816C1 - Objective

Info

Publication number: RU2341816C1
Application number: RU2007109358/28A
Authority: RU
Inventors: Натали Ефимовна Кунделева (BY); Наталия Ефимовна Кунделева; нова Тать на Евгеньевна Емель (BY); Татьяна Евгеньевна Емельянова; Владимир Николаевич Янаев (BY); Владимир Николаевич Янаев
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-12-20
Also published as: RU2007109358A

Abstract

FIELD: optical devices.

SUBSTANCE: proposed objective comprises four components, located on an optical axis. The first component is a positive two-bonded lens, consisting of a biconvex lens and a negative meniscus. The second component is a negative meniscus, made from biconvex and biconcave lenses glued together. The third component is a biconcave lens and the fourth is a negative meniscus, whose concave surface faces the objects. Between the third and fourth components, there is spectrum-dividing unit. The fourth component can move along the optical axis and is optically linked to the edge of the spectrum-dividing unit, which seprates the 575 nm ...850 nm spectrum range. The distance between the third and fourth components along the optical axis is not less than 0.6 of the focal distance of the objective. The total focal power of all components does not exceed 0.0014 mm^-1. The refractive index of the glass of the lenses of the third and fourth components does not exceed 1.6.

EFFECT: higher quality of the image.

6 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив с формированием изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике.The invention relates to optical instrumentation, namely to lenses, and can be used as a lens with image formation on a CCD matrix and a photodetector.

Известен объектив [1] из пяти компонентов и спектроделительного блока, выполненного с возможностью пропускания излучения в спектральном диапазоне длин волн от 500 нм до 900 нм и отражения излучения длиной волны 1067 нм или 1570 нм, расположенного на оптической оси объектива между четвертым и пятым компонентами, первый компонент выполнен в виде отрицательного двусклеенного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй компонент содержит положительную линзу, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент содержит положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, пятый компонент выполнен в виде положительной двусклеенной линзы, установленной с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси. Данная конструкция объектива обеспечивает высокое качество изображений в широком спектральном диапазоне, а также возможность одновременной регистрации изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике. Недостатком объектива является его большая длина: расстояние от первой поверхности объектива до плоскости изображений составляет 1.7 фокусного расстояния объектива.A known lens [1] of five components and a spectrodivision unit, configured to transmit radiation in the spectral range of wavelengths from 500 nm to 900 nm and reflect radiation of a wavelength of 1067 nm or 1570 nm, located on the optical axis of the lens between the fourth and fifth components, the first component is made in the form of a negative two-glued meniscus facing a concave surface to the space of objects, the second component contains a positive lens, the third component is a negative meniscus facing that surface of the space image, the fourth component comprises a positive meniscus concave surface facing to the image space, the fifth component is in the form of a positive lens dvuskleennoy mounted for quotation displacement along the optical axis. This lens design provides high quality images in a wide spectral range, as well as the ability to simultaneously register images on a CCD and photodetector. The disadvantage of the lens is its long length: the distance from the first surface of the lens to the image plane is 1.7 of the focal length of the lens.

Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив [2], состоящий из четырех компонентов. Первый компонент выполнен в виде положительной линзы. Второй компонент содержит отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Третий компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Четвертый компонент содержит положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов.Closest to the proposed lens is a lens [2], consisting of four components. The first component is made in the form of a positive lens. The second component contains a negative meniscus glued from biconvex and biconcave lenses. The third component consists of a negative meniscus facing a concave surface to the image space. The fourth component contains a positive meniscus facing a concave surface to the space of objects.

Данная конструкция объектива имеет небольшую длину, не превышающую 1.1 фокусного расстояния объектива, а также высокое качество изображений в спектральном диапазоне 660 нм ... 920 нм. Однако недостатком прототипа является невозможность одновременной регистрации изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике, а также относительно небольшой спектральный диапазон, в котором ахроматизован объектив.This lens design has a short length not exceeding 1.1 of the focal length of the lens, as well as high quality images in the spectral range of 660 nm ... 920 nm. However, the disadvantage of the prototype is the impossibility of simultaneously recording images on a CCD matrix and a photodetector, as well as the relatively small spectral range in which the lens is achromatic.

Задачей изобретения является повышение качества изображения в спектральном диапазоне длин волн λ=575 нм ... 850 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения при сохранении небольшой длины объектива, а также возможность одновременной регистрации изображений на ПЗС-матрице и фотоприемнике.The objective of the invention is to improve image quality in the spectral range of wavelengths λ = 575 nm ... 850 nm by increasing the modulation transmission coefficients over the entire field of view while maintaining a small lens length, as well as the possibility of simultaneously recording images on a CCD matrix and photodetector.

Объектив из четырех компонентов, расположенных на оптической оси, первый компонент которого - положительная линза, второй компонент - отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, в отличие от прототипа, содержит расположенный между третьим и четвертым компонентами спектроделительный блок, первый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, установлен с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси и оптически связан с гранью спектроделительного блока, выделяющей спектральный диапазон 575 нм ... 850 нм, при этом расстояние между третьим и четвертым компонентами вдоль оптической оси составляет не менее 0.6 фокусного расстояния объектива, сумма оптических сил всех компонентов не превышает 0.0014 мм^-1, а показатели преломления стекол линз третьего и четвертого компонентов не превышают 1.6.The lens of four components located on the optical axis, the first component of which is a positive lens, the second component is a negative meniscus glued from a biconvex and biconcave lenses, unlike the prototype, contains a spectrodividing unit located between the third and fourth components, the first component is made in the form a double-glued lens, consisting of a biconvex lens and a negative meniscus, the third component is made in the form of a biconvex lens, the fourth component is made in the form of a negative m the nisk facing the concave surface to the space of objects is set with the possibility of quotation movements along the optical axis and is optically coupled to the face of the spectrodividing unit, which emits a spectral range of 575 nm ... 850 nm, while the distance between the third and fourth components along the optical axis is at least 0.6 of the focal length of the lens, the sum of the optical forces of all components does not exceed 0.0014 mm ^-1 , and the refractive indices of the lens glasses of the third and fourth components do not exceed 1.6.

Конструкция первого компонента, выполненного в виде положительной двусклеенной линзы, состоящей из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, а также применение в линзах третьего и четвертого компонентов стекол линз с показателями преломления, не превышающими 1.6, обеспечивает исправление хроматических аберраций в спектральном диапазоне от 575 нм до 850 нм.The design of the first component, made in the form of a positive double-glued lens, consisting of a biconvex lens and a negative meniscus, as well as the use of lenses with lenses of the third and fourth components with refractive indices not exceeding 1.6, provides the correction of chromatic aberrations in the spectral range from 575 nm to 850 nm

Выполнение второго компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третьего компонента в виде двояковыпуклой линзы, позволило исправить сферохроматические аберрации и обеспечило высокую коррекцию аберраций осевого пучка.The execution of the second component in the form of a negative meniscus, facing a concave surface to the space of images glued from a biconvex and biconcave lenses, and the third component in the form of a biconvex lens, made it possible to correct spherochromatic aberrations and ensured high correction of axial beam aberrations.

Выполнение четвертого компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, расположенного на расстоянии не менее 0.6 фокусного расстояния объектива от последней поверхности третьего компонента, выбор сумм оптических сил всех компонентов, не превышающих 0.0014 мм^-1, позволяет исправить кривизну изображения по всему полю, аберрации наклонных пучков и получить высокую коррекцию качества изображения по всему полю зрения.The fourth component in the form of a negative meniscus facing the concave surface to the space of objects located at least 0.6 focal lengths of the lens from the last surface of the third component, the choice of the sum of the optical forces of all components not exceeding 0.0014 mm ^-1 allows you to correct the image curvature throughout field, aberration of oblique beams and get high correction of image quality over the entire field of view.

Введение спектроделительного блока, расположенного между третьим и четвертым компонентами, выполненного с возможностью разделения спектрального интервала от 575 нм до 850 нм и длины волны излучения 1570 нм, позволяет использовать объектив как для формирования изображения на ПЗС-матрице, так и для регистрации возвратного излучения лазерного дальномера на площадке фотоприемника.The introduction of a spectrodividing unit located between the third and fourth components, made with the possibility of dividing the spectral range from 575 nm to 850 nm and the radiation wavelength of 1570 nm, allows the lens to be used both for image formation on a CCD matrix and for recording return radiation from a laser rangefinder at the site of the photodetector.

Четвертый компонент объектива установлен с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси, что позволяет эффективно использовать его для фокусировки объектива от 50 м до бесконечности при нахождении плоскости наилучшей установки на ПЗС-матрице и для компенсации терморасстраиваемости объектива.The fourth component of the lens is mounted with the possibility of quotation movements along the optical axis, which makes it possible to use it efficiently to focus the lens from 50 m to infinity when finding the plane of best installation on the CCD matrix and to compensate for the thermal disintegration of the lens.

В предлагаемом объективе спектроделительный блок выполнен таким образом, что отражает излучение в спектральном диапазоне от λ=575 нм до λ=850 нм и пропускает излучение с длиной волны λ=1570 нм, объектив имеет фокусное расстояние 130.5 мм, относительное отверстие 1:2.6, входной зрачок диаметром 50 мм совпадает с первой поверхностью объектива. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции (Т) для пространственной частоты N=60 мм^-1 в точке на оси (у'=0) не менее 0.77, на краю поля зрения (у'=3.2 мм) не менее 0.68.In the proposed lens, the spectrodividing unit is designed in such a way that it reflects radiation in the spectral range from λ = 575 nm to λ = 850 nm and transmits radiation with a wavelength of λ = 1570 nm, the lens has a focal length of 130.5 mm, relative aperture 1: 2.6, input a pupil with a diameter of 50 mm coincides with the first surface of the lens. The polychromatic modulation transmission coefficients (T) for the spatial frequency N = 60 mm ^-1 at a point on the axis (y '= 0) of at least 0.77, at the edge of the field of view (y' = 3.2 mm) of at least 0.68.

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 86% для точки на оси и не менее 79% для края поля.Such 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 86% for a point on the axis, and at least 79% for the field edge.

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 приведен график поперечной сферической аберрации объектива.Figure 3 shows a graph of the transverse spherical aberration of the lens.

На фиг.4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=3 град.Figure 4 shows the graphs of the aberrations of wide inclined beams of the meridional section of the angle of the field of view 2W = 3 deg.

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 на краю поля зрения 2W=3 град.Figure 6 shows a graph of the calculated polychromatic frequency-contrast characteristic (T) for a point on the edge of the field of view 2W = 3 deg.

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.

ТаблицаTable λ, мкмλ, μm 575575 600600 650650 750750 850850 СFROM 0.130.13 1.01.0 0.850.85 0.370.37 0.070.07

Объектив (фиг.1) состоит из четырех компонентов 1-4, спектроделительного блока 5, расположенного между третьим и четвертым компонентами, светофильтра 6. Первый компонент содержит положительную двусклеенную линзу 1, состоящую из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, оптическая сила равна 0.00265 мм^-1. Второй компонент представляет собой отрицательный мениск 2, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, его оптическая сила равна - 0.00591 мм^-1. Третий компонент содержит двояковыпуклую линзу 3, ее оптическая сила равна 0.0131 мм^-1. Четвертый компонент выполнен в виде отрицательного мениска 4, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, установлен с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси, при этом юстировочное перемещение компонента составляет не более ±1.2 мм, а его оптическая сила равна - 0.00852 мм^-1. Расстояние между третьим и четвертым компонентами, приведенное к воздуху, равно 81.9 мм, что составляет 0.62 фокусного расстояния объектива. Показатель преломления стекла третьего компонента не превышает 1.5, а четвертого компонента - 1.6. Между третьим и четвертым компонентами расположен спектроделительный блок 5, отражающий излучение в спектральном диапазоне λ=575 нм ... 850 нм и пропускающим излучение с длиной волны λ=1570 нм. Объектив содержит светофильтр 6, выделяющий спектральный диапазон в соответствии с таблицей. При расчете объектива учтена толщина защитного стекла ПЗС-матрицы. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения ПЗС-матрицы по оптической оси равна 150.4 мм, что составляет 1.15 фокусного расстояния объектива.The lens (figure 1) consists of four components 1-4, a spectrodividing unit 5 located between the third and fourth components, a filter 6. The first component contains a positive double-glued lens 1, consisting of a biconvex lens and a negative meniscus, the optical power is 0.00265 mm ^{- 1} . The second component is a negative meniscus 2, facing a concave surface to the image space and glued from a biconvex and biconcave lenses, its optical power is equal to - 0.00591 mm ^-1 . The third component contains a biconvex lens 3, its optical power is 0.0131 mm ^-1 . The fourth component is made in the form of a negative meniscus 4 facing the space of objects with a concave surface, mounted with the possibility of quotation movements along the optical axis, while the adjustment movement of the component is not more than ± 1.2 mm, and its optical power is equal to - 0.00852 mm ^-1 . The distance between the third and fourth components, reduced to air, is 81.9 mm, which is 0.62 of the focal length of the lens. The refractive index of the glass of the third component does not exceed 1.5, and the fourth component - 1.6. Between the third and fourth components there is a spectro-splitting unit 5, which reflects radiation in the spectral range λ = 575 nm ... 850 nm and transmits radiation with a wavelength of λ = 1570 nm. The lens contains a filter 6, highlighting the spectral range in accordance with the table. When calculating the lens, the thickness of the protective glass of the CCD matrix was taken into account. The length of the lens from the first surface to the image plane of the CCD matrix along the optical axis is 150.4 mm, which is 1.15 of the focal length of the lens.

Для объективов, работающих с ПЗС-матрицей, параметрами, характеризующими качество изображения, являются область спектра (от 575 нм до 850 нм), относительное отверстие, значение коэффициентов передачи модуляции на частоте, определяемой размером пиксела, а также концентрация энергии в изображении точки на квадратной площадке, равной одному пикселу ПЗС-матрицы.For lenses that work with a CCD, the parameters characterizing the image quality are the spectral region (from 575 nm to 850 nm), the relative aperture, the value of the modulation transmission coefficients at a frequency determined by the pixel size, and the energy concentration in the image of a point per 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, приведенные на фиг.5 и 6, подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения, что позволяет получить изображение объектов с малым контрастом (К=0.1).The graphs of aberrations shown in FIGS. 3 and 4, as well as the graphs of a polychromatic frequency-contrast characteristic for a point on the axis and for the edge of the field of view, shown in FIGS. 5 and 6, confirm that the lens has good image quality over the entire field of view, which allows you to get an image of objects with low contrast (K = 0.1).

Выбор конструкции компонентов объектива, их оптических сил, сумма которых не превышает 0.0014 мм^-1, применение в линзах третьего и четвертого компонентов стекол линз с показателями преломления, не превышающими 1.6, выбор расстояния между этими компонентами не менее 0.6 фокусного расстояния объектива, введение спектроделительного блока, отражающего излучение в спектральном диапазоне длин волн λ=575 нм ... 850 нм и пропускающего излучение с длиной волны λ=1570 нм, установка четвертого компонента с возможностью котировочных перемещений вдоль оптической оси, по сравнению с прототипом, позволили повысить качество изображения в спектральном диапазоне длин волн от 575 нм до 850 нм при сохранении небольшой длины объектива, а также позволяет использовать объектив как для формирования изображения на ПЗС-матрице, так и для регистрации возвратного излучения лазерного дальномера на площадке фотоприемника, расположенного по ходу пропускания спектроделителя.The choice of the design of the lens components, their optical forces, the sum of which does not exceed 0.0014 mm ^-1 , the use of lenses with the third and fourth components of the glass lenses with refractive indices not exceeding 1.6, the choice of the distance between these components not less than 0.6 of the focal length of the lens, the introduction of a spectro-splitting unit reflecting radiation in the spectral range of wavelengths λ = 575 nm ... 850 nm and transmitting radiation with a wavelength λ = 1570 nm, installation of the fourth component with the possibility of quoted movements along the optical axis, in comparison with the prototype, allowed to improve image quality in the spectral range of wavelengths from 575 nm to 850 nm while maintaining a small lens length, and also allows you to use the lens both for image formation on the CCD, and for recording the return radiation of the laser range finder on the site of the photodetector located along the transmission of the spectrometer.

Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=3° проходит через входной зрачок объектива диаметром 50 мм, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись через поверхности линз компонентов 1, 2, 3, попадает в спектроделительный блок 5, после которого излучение с длинами волн λ=575 нм ...850 нм, отразившись от гипотенузной грани спектроделительного блока, попадает на компонент 4 объектива, преломляется через его поверхности, светофильтр 6, и фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица. Пучок лучей с λ=1570 нм проходит через спектроделительный блок 5 и фокусируется на площадке фотоприемника.The lens works as follows: a parallel light beam with a field of view angle of 2W = 3 ° passes through the entrance pupil of the lens with a diameter of 50 mm, which coincides with the first surface, and, being refracted through the lens surfaces of components 1, 2, 3, it enters the spectro-splitting unit 5, after whose radiation with wavelengths λ = 575 nm ... 850 nm, reflected from the hypotenuse face of the spectrodividing unit, hits the component 4 of the lens, is refracted through its surfaces, filter 6, and is focused in the image plane, where the CCD matrix is located. A beam of rays with λ = 1570 nm passes through a spectro-fission unit 5 and focuses on the site of the photodetector.

Источники информацииInformation sources

1. Патент BY №6385, публикация 2001 г., МПК G02B 9/00.1. Patent BY No. 6385, publication of 2001, IPC G02B 9/00.

2. Патент RU №2175774, публикация 2001 г., МПК G02B 13/14 - прототип.2. Patent RU No. 2175774, publication 2001, IPC G02B 13/14 - prototype.

Claims

A lens of four components located on the optical axis, the first component of which is a positive lens, the second component is a negative meniscus glued from a biconvex and biconcave lenses, characterized in that it contains a spectrum splitting unit located between the third and fourth components, the first component is made in the form of a double-glued lens consisting of a biconvex lens and a negative meniscus, the third component is made in the form of a biconvex lens, the fourth component is made in the form of a negative a ska facing a concave surface to the space of objects is installed with the possibility of alignment movements along the optical axis and is optically coupled to the face of the spectrodividing unit, which allocates a spectral range of 575 ... 850 nm, while the distance between the third and fourth components along the optical axis is at least 0 6 of the focal length of the lens, the sum of the optical powers of all components does not exceed 0.0014 mm ^-1 , and the refractive indices of the lens glasses of the third and fourth components do not exceed 1.6.