RU2843624C1 - Athermalized ultra-wide angle lens for infrared region of spectrum - Google Patents
Athermalized ultra-wide angle lens for infrared region of spectrumInfo
- Publication number
- RU2843624C1 RU2843624C1 RU2025102325A RU2025102325A RU2843624C1 RU 2843624 C1 RU2843624 C1 RU 2843624C1 RU 2025102325 A RU2025102325 A RU 2025102325A RU 2025102325 A RU2025102325 A RU 2025102325A RU 2843624 C1 RU2843624 C1 RU 2843624C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- component
- lens
- aspherical
- image plane
- germanium
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области инфракрасной оптики и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе микроболометрических матричных фотоприемников, чувствительных в спектральном диапазоне 8-12 мкм.The invention relates to the field of infrared optics and can be used in thermal imagers built on the basis of microbolometric matrix photodetectors sensitive in the spectral range of 8-12 µm.
Используемые в фотоприемниках микроболометрические матрицы форматом 640×480 пикселей имеют пиксель размером 17×7 мкм, что позволяет получать тепловизионные сверхширокоугольные каналы с сохранением высокого геометрического разрешения. В случае если кружок рассеяния превышает размеры пикселя, это приводит к уменьшению освещенности пикселя, что, в свою очередь, сопоставимо с уменьшением относительного отверстия объектива. Эффективность высокого относительного отверстия объектива возможна только при одновременном достижении высокого качества изображения.The 640×480 pixel microbolometric matrices used in the photodetectors have a pixel size of 17×7 µm, which allows obtaining thermal imaging ultra-wide-angle channels while maintaining high geometric resolution. If the scattering circle exceeds the pixel size, this leads to a decrease in pixel illumination, which in turn is comparable to a decrease in the relative aperture of the lens. The effectiveness of a high relative aperture of the lens is possible only with the simultaneous achievement of high image quality.
Известен широкоугольный объектив для ИК-области спектра по патенту №2385475. Объектив по п. 1 формулы содержит последовательно расположенные по ходу луча пять компонентов. Первый и второй компоненты - отрицательный и положительный мениски соответственно, расположенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Третий компонент - отрицательный мениск, обращенный к плоскости изображения выпуклой поверхностью. Четвертый компонент - двояковыпуклая линза. Пятый компонент - положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения. Все компоненты выполнены из германия. Между пятым компонентом и плоскостью изображений, в воздушном промежутке, расположена апертурная диафрагма.A wide-angle lens for the IR spectrum region is known according to patent No. 2385475. The lens according to claim 1 of the formula contains five components sequentially located along the beam. The first and second components are negative and positive meniscus, respectively, located with concave surfaces to the image plane. The third component is a negative meniscus facing the image plane with a convex surface. The fourth component is a biconvex lens. The fifth component is a positive meniscus facing the image plane with a concave surface. All components are made of germanium. Between the fifth component and the image plane, in the air gap, an aperture diaphragm is located.
Конструктивные параметры данного объектива: угловое поле зрения ±75°, длина объектива 197,5 мм, фокусное расстояние 8,2 мм, относительное отверстие 1:1,1.The design parameters of this lens are: angular field of view ±75°, lens length 197.5 mm, focal length 8.2 mm, relative aperture 1:1.1.
Недостатком объектива является большая масса и габаритные размеры.The disadvantage of the lens is its large weight and dimensions.
Известен широкоугольный объектив для ИК-области спектра по патенту US №5502592 от 26.03.1996 г., МПК G02B. 13/06. 9/62. Объектив состоит из четырех компонентов, выполненных из германия. Первый компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, второй и третий компоненты - отрицательный и положительный мениски соответственно, выпуклой поверхностью, обращенные к плоскости изображения. Четвертый - положительный мениск вогнутой поверхностью обращен к плоскости изображения.A wide-angle lens for the IR spectrum region is known according to US Patent No. 5502592 of 26.03.1996, IPC G02B. 13/06. 9/62. The lens consists of four components made of germanium. The first component is a negative meniscus with a concave surface facing the image plane, the second and third components are negative and positive meniscus, respectively, with a convex surface facing the image plane. The fourth is a positive meniscus with a concave surface facing the image plane.
Конструктивные параметры данного объектива (вариант I): поле зрения ±135°, длина объектива 110 мм, масса объектива 80 г.The design parameters of this lens (option I): field of view ±135°, lens length 110 mm, lens weight 80 g.
Недостатками объектива являются:The disadvantages of the lens are:
1. Сложность изготовления первого компонента, обладающего крутыми радиусами кривизны, что вынуждает изготавливать линзу только одиночным способом, при этом компонент обладает малой толщиной по центру, что может привести к деформации на заготовке линзы и, следовательно, к возникновению больших местных ошибок на поверхностях линзы;1. The complexity of manufacturing the first component, which has steep radii of curvature, which forces the lens to be manufactured only in a single method, while the component has a small thickness in the center, which can lead to deformation on the lens blank and, consequently, to the occurrence of large local errors on the lens surfaces;
2. Большая величина дисторсии (более 50%), что является значительным фактором в ухудшении качества изображения;2. Large amount of distortion (more than 50%), which is a significant factor in deteriorating image quality;
3. Большие габаритные размеры и масса объектива.3. Large dimensions and weight of the lens.
Техническая проблема заключается в создании атермализованного сверхширокоугольного объектива с получением следующего технического результата: повышение технологичности объектива при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю зрения и уменьшение массогабаритных характеристик.The technical problem is to create an athermalized ultra-wide-angle lens with the following technical result: increasing the technological efficiency of the lens while maintaining the diffraction quality of the image across the entire field of view and reducing the weight and size characteristics.
Такой технический результат достигается следующим образом.This technical result is achieved as follows.
Атермализованный сверхширокоугольный объектив для ИК-области спектра содержит четыре компонента, размещенные в стальном корпусе. Первый и второй компоненты - отрицательные мениски, выполненные из германия, вогнутыми поверхностями обращены к плоскости изображения. Третий компонент - положительный мениск, выполненный из бескислородного стекла ИКС-25 и обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения. Четвертый компонент - двояковыпуклая линза, выполненная из германия. Первая поверхность первого компонента, вторая поверхность второго компонента и вторая поверхность четвертого компонента являются асферическими. Все асферические поверхности объектива представляют собой кривые высших порядков. При этом выполняются следующие соотношения:The athermalized ultra-wide-angle lens for the IR spectrum contains four components housed in a steel housing. The first and second components are negative meniscus made of germanium, with concave surfaces facing the image plane. The third component is a positive meniscus made of oxygen-free glass IKS-25 and with a convex surface facing the image plane. The fourth component is a biconvex lens made of germanium. The first surface of the first component, the second surface of the second component, and the second surface of the fourth component are aspherical. All aspherical surfaces of the lens are higher-order curves. The following relationships are fulfilled:
где - относительные оптические силы первого, второго, третьего и четвертого компонентов соответственно;Where - relative optical powers of the first, second, third and fourth components, respectively;
- эквивалентное фокусное расстояние всего объектива; - equivalent focal length of the entire lens;
- фокусные расстояния компонентов 1, 2, 3 и 4 соответственно. - focal lengths of components 1, 2, 3 and 4 respectively.
Пример реализации атермализованного сверширокоугольного объектива показан на чертежах.An example of the implementation of an athermalized ultra-wide-angle lens is shown in the drawings.
На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива, показан ход лучей. На фиг. 2 показан контраст изображения (ЧКХ) по трем конфигурациям: 20, -40, 50°С и функция концентрации энергии. На фиг. 3 показана функция рассеяния точки по трем конфигурациям: 20, -40, 50°С.Fig. 1 shows the optical diagram of the objective, the ray path is shown. Fig. 2 shows the image contrast (IMC) for three configurations: 20, -40, 50°C and the energy concentration function. Fig. 3 shows the point spread function for three configurations: 20, -40, 50°C.
Сверхширокоугольный атермализованный инфракрасный объектив (фиг. 1) содержит четыре установленные по ходу луча компонента. Защитное стекло 5 установлено перед матрицей фотоприемника 6, установленного в плоскости изображения. Компонент 1 - отрицательный мениск, выполненный из германия, первая поверхность которого асферическая. Компонент 2 - отрицательный мениск, выполненный из германия, вторая поверхность по ходу луча асферическая. Компонент 3 - выполненный из бескислородного стекла ИКС-25. Компонент 4 - двояковыпуклая линза, выполненная из германия, вторая его поверхность асферическая.The ultra-wide-angle athermalized infrared lens (Fig. 1) contains four components installed along the beam path. Protective glass 5 is installed in front of the matrix of photodetector 6 installed in the image plane. Component 1 is a negative meniscus made of germanium, the first surface of which is aspherical. Component 2 is a negative meniscus made of germanium, the second surface along the beam path is aspherical. Component 3 is made of oxygen-free glass IKS-25. Component 4 is a biconvex lens made of germanium, its second surface is aspherical.
Отрицательные мениски обращены вогнутыми поверхностями к плоскости изображения. Положительный мениск обращен выпуклой поверхностью к плоскости изображения. Апертурная диафрагма установлена на первой поверхности компонента 3. Конструктивные характеристики объектива приведены в таблице 1.The negative meniscus faces the image plane with its concave surfaces. The positive meniscus faces the image plane with its convex surface. The aperture diaphragm is mounted on the first surface of component 3. The design characteristics of the lens are given in Table 1.
Стрелка прогиба асферической поверхности определяется по формуле:The deflection of an aspherical surface is determined by the formula:
где с=1/г0 - кривизна поверхности;where c=1/r0 is the curvature of the surface;
Данные параметров формулы, определяющей стрелку прогиба асферических поверхностей, представлены в таблице 2.The data of the parameters of the formula that determines the deflection arrow of aspherical surfaces are presented in Table 2.
Оптические характеристики объектива:Optical characteristics of the lens:
1. Фокусное расстояние 5,01 мм1. Focal length 5.01 mm
2. Относительное отверстие 1:1,362. Relative aperture 1:1.36
3. Поле зрения 97,5° × 84,0°3. Field of view 97.5° × 84.0°
4. Спектральный диапазон 8-12 мкм4. Spectral range 8-12 µm
5. Длина объектива 45,76 мм5. Lens length 45.76 mm
6. Задний отрезок 7,25 мм6. Back section 7.25 mm
7. Масса объектива 40 г7. Lens weight 40g
При расчете объектива учитывались следующие факторы: температурный коэффициент линейного расширения оптических материалов, температурный коэффициент расширения материала корпуса объектива, изменение показателей преломления оптических материалов компонентов, изменение кривизны поверхностей компонентов в зависимости от изменения температуры среды.When calculating the lens, the following factors were taken into account: the temperature coefficient of linear expansion of optical materials, the temperature coefficient of expansion of the lens housing material, the change in the refractive indices of the optical materials of the components, the change in the curvature of the surfaces of the components depending on the change in the temperature of the environment.
Конструктивные параметры объектива, указанные в таблице 1, обеспечивают следующие соотношения:The design parameters of the lens, indicated in Table 1, provide the following relationships:
Объектив работает следующим образом. Пучки лучей последовательно проходят через компоненты 1-4 так, что главный луч в пространстве изображений идет параллельно оптической оси, т.е. является телецентрическим.The lens operates as follows. The beams of rays pass successively through components 1-4 so that the main beam in the image space goes parallel to the optical axis, i.e. is telecentric.
Ниже представлены характеристики качества изображения объектива по графикам частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и функции концентрации энергии (ФКЭ).Below are the characteristics of the lens image quality based on the frequency-contrast characteristic (MCF) and energy concentration function (ECF) graphs.
График ЧКХ соответствует (фиг. 3) дифракционно ограниченному объективу. Контраст изображения составляет 0,6 для пространственной частоты 20 мм-1.The MTF graph corresponds (Fig. 3) to a diffraction-limited objective. The image contrast is 0.6 for a spatial frequency of 20 mm -1 .
На фиг. 2 дана топология кружков рассеяния для 20°С, -40°С и +50°С. В первой строке даны кружки рассеяния для осевой точки поля зрения, во второй - для зоны (на уровне 0,7 от края поля зрения), в третьей - для края поля зрения. Размер квадрата составляет 100 мкм. Над каждым кружком написан его размер в микрометрах, соответствующий 80% концентрации энергии.Fig. 2 shows the topology of the scattering circles for 20°C, -40°C and +50°C. The first row shows the scattering circles for the axial point of the field of view, the second - for the zone (at a level of 0.7 from the edge of the field of view), and the third - for the edge of the field of view. The size of the square is 100 μm. Above each circle its size in micrometers is written, corresponding to 80% of the energy concentration.
Рассмотрение этих графиков говорит о том, что данный объектив имеет высокое качество изображения в диапазоне температур от -40°С до +50°С.Looking at these graphs shows that this lens has high image quality in the temperature range from -40°C to +50°C.
Таким образом, предлагаемый объектив обладает широким полем зрения 97,5° × 84,0°, большим относительным отверстием 1:1,36, при этом сохраняя высокое качество изображение по всему полю зрения. Также, предлагаемый объектив является более технологичным и обладает лучшими массогабаритными характеристиками по сравнению с приведенным прототипом.Thus, the proposed lens has a wide field of view of 97.5° × 84.0°, a large relative aperture of 1:1.36, while maintaining high image quality across the entire field of view. Also, the proposed lens is more technologically advanced and has better weight and size characteristics compared to the prototype provided.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2843624C1 true RU2843624C1 (en) | 2025-07-17 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100439960C (en) * | 2006-12-20 | 2008-12-03 | 浙江大学 | Hyper-hemispheric staring infrared imaging system with diffractive elements |
| RU2386155C1 (en) * | 2008-11-28 | 2010-04-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Large-aperture lens |
| RU2413261C1 (en) * | 2010-01-11 | 2011-02-27 | Александр Владимирович Медведев | Large-aperture lens |
| JP5566780B2 (en) * | 2010-06-01 | 2014-08-06 | 富士フイルム株式会社 | Infrared imaging lens and imaging device |
| RU193226U1 (en) * | 2019-07-29 | 2019-10-17 | Акционерное общество "ЛОМО" | ATHERMALIZED LENS FOR THE INFRARED SPECTRUM |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100439960C (en) * | 2006-12-20 | 2008-12-03 | 浙江大学 | Hyper-hemispheric staring infrared imaging system with diffractive elements |
| RU2386155C1 (en) * | 2008-11-28 | 2010-04-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Large-aperture lens |
| RU2413261C1 (en) * | 2010-01-11 | 2011-02-27 | Александр Владимирович Медведев | Large-aperture lens |
| JP5566780B2 (en) * | 2010-06-01 | 2014-08-06 | 富士フイルム株式会社 | Infrared imaging lens and imaging device |
| RU193226U1 (en) * | 2019-07-29 | 2019-10-17 | Акционерное общество "ЛОМО" | ATHERMALIZED LENS FOR THE INFRARED SPECTRUM |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7106529B2 (en) | Flat wide-angle lens system | |
| US8817392B2 (en) | Wide field athermalized orthoscopic lens system | |
| US10281693B2 (en) | Inverted equal-magnification relay lens and camera system | |
| CN111965802A (en) | Long-rear working distance optical athermal long-wave infrared lens | |
| CN114460727B (en) | Long-focus miniaturized medium wave refrigerating infrared continuous zooming optical system | |
| RU2506616C1 (en) | High-speed infrared lens | |
| JP2012501004A (en) | Objective lens system | |
| RU2843624C1 (en) | Athermalized ultra-wide angle lens for infrared region of spectrum | |
| JPH10142497A (en) | Infrared optical system | |
| US5734511A (en) | Wide angle objective system | |
| CN114690379A (en) | Small-size infrared optical lens | |
| CN114137699A (en) | Small high-resolution athermalized medium-wave infrared optical system | |
| JP7225047B2 (en) | Imaging lens and imaging device | |
| EP3015902B1 (en) | Compact multispectral wide angle refractive optical system | |
| RU2678957C1 (en) | Wide-angle high-power infrared lens | |
| CN114460728B (en) | Microminiature medium wave refrigerating infrared continuous zooming optical system | |
| RU2718145C1 (en) | Fast infrared lens | |
| CN212569267U (en) | A long-rear working distance optical athermalized long-wave infrared lens | |
| KR200498643Y1 (en) | F-theta objective | |
| RU2831936C1 (en) | Infrared telephoto lens with two fields of view | |
| RU2236031C1 (en) | Wide-aperture objective for scanning device | |
| RU2806167C1 (en) | High-aperture infrared lens | |
| RU2762997C1 (en) | Wide angle athermalized infrared lens with large back | |
| RU2816830C1 (en) | Infrared telephoto lens with two fields of view | |
| RU2620202C1 (en) | Lens for infrared spectral area |