RU2820282C1

RU2820282C1 - Lens with remote entrance pupil for near infrared region (versions)

Info

Publication number: RU2820282C1
Application number: RU2023133932A
Authority: RU
Inventors: Татьяна Николаевна Шемигон; Артур Игоревич Михайловский; Борис Николаевич Добряков; Владимир Аркадьевич Зимин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт телевидения"
Filing date: 2023-12-14
Publication date: 2024-06-03

Abstract

FIELD: optical instrument making.

SUBSTANCE: invention relates to optical instrument making, specifically to lenses operating with a near-infrared photodetector array. Lens has three lens groups. First lens group consists of two components – a single biconvex lens and a glued lens with a positive optical power, consisting of a biconvex lens and a concave-convex meniscus lens with a negative focal distance. Second lens group consists of a single biconvex lens. Third lens group consists of two successively arranged convex-concave meniscus lenses with a positive focal distance and a third convex-concave meniscus lens with a negative focal distance.

EFFECT: providing maximum distance of the entrance pupil while maintaining the transverse dimensions of the lens, minimum distortion.

2 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно, к объективам, работающим с матричным фотоприемным устройством (далее - МФПУ) в ближней инфракрасной (ИК) области спектра и может быть использовано для получения информации от бесконечно удаленных объектов.The invention relates to optical instrumentation, namely, to lenses operating with a matrix photodetector device (hereinafter referred to as MFPU) in the near-infrared (IR) region of the spectrum and can be used to obtain information from infinitely distant objects.

Известны объективы с вынесенным входным зрачком различных конструкций, при этом различающихся между собой значениями полей зрения, относительного отверстия, удалением входного зрачка, а также наличием промежуточного изображения, что позволяет получать прямое изображение объекта.There are known lenses with an extended entrance pupil of various designs, with different values of fields of view, relative aperture, entrance pupil relief, as well as the presence of an intermediate image, which makes it possible to obtain a direct image of the object.

В качестве примера можно привести патент «Светосильный объектив с вынесенными зрачками для ИК-области спектра» RU 2379723 С1 с приоритетом от 25.08.2008, опубл. 20.01.2010 [1]. Объектив содержит расположенные по ходу лучей первый, второй и третий положительные компоненты, включающие пять линз, и апертурную диафрагму между третьим компонентом и плоскостью изображения. Между первым и вторым компонентами расположена плоскость промежуточного изображения. Первый компонент содержит один мениск, второй и третий - по два мениска. Преломляющие поверхности всех менисков выполнены сферическими. Положительный мениск первого компонента и второй положительный мениск третьего компонента обращены вогнутостью к плоскости изображений. Во втором компоненте первый положительный мениск обращен вогнутостью к пространству предметов, и к нему вплотную расположен второй отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображений.An example is the patent “A high-aperture lens with extended pupils for the infrared region of the spectrum” RU 2379723 C1 with priority dated 08/25/2008, publ. 01/20/2010 [1]. The lens contains first, second and third positive components located along the ray path, including five lenses, and an aperture diaphragm between the third component and the image plane. Between the first and second components there is an intermediate image plane. The first component contains one meniscus, the second and third - two menisci each. The refractive surfaces of all menisci are spherical. The positive meniscus of the first component and the second positive meniscus of the third component are concavely facing the image plane. In the second component, the first positive meniscus is concavely facing the space of objects, and the second negative meniscus is located close to it, concavely facing the image plane.

Объектив имеет следующие характеристики:The lens has the following characteristics:

- Фокусное расстояние f=-24,5;- Focal length f=-24.5;

- Относительное отверстие 1:1,68;- Relative opening 1:1.68;

- Угловое поле в пространстве предметов 18,7°;- Angular field in object space 18.7°;

- Удаление входного зрачка 26 мм;- Eye relief 26 mm;

- Размер изображения 2у'=8 мм;- Image size 2у'=8 mm;

- Спектральный диапазон от 7,7 до 10,3 мкм.- Spectral range from 7.7 to 10.3 microns.

Объектив [1] имеет удаление входного зрачка, сравнимое с фокусным расстоянием в большую сторону, при этом обладая и высоким относительным отверстием.The lens [1] has an entrance pupil relief comparable to the longer focal length, while also having a high relative aperture.

Однако такое техническое решение направлено на создание объектива в дальней ИК области спектра, поэтому оптическая система содержит материал - германий, который не позволяет проводить наблюдения в видимой и ближней ИК-области спектра.However, this technical solution is aimed at creating a lens in the far IR region of the spectrum, so the optical system contains a material - germanium, which does not allow observations in the visible and near IR regions of the spectrum.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является патент «Широкоугольный объектив большой длины с вынесенным входным зрачком (варианты)» RU 2138068 С1 с приоритетом от 30.06.1998, опубл. 20.09.1999 [2]. Данное техническое решение было выбрано в качестве прототипа. Известный объектив содержит три линзовые группы, первая из которых выполнена в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, и двояковыпуклой линзы. Вторая линзовая группа содержит одну двояковыпуклую линзу. Третья линзовая группа состоит из двух положительных менисков и двояковыпуклой линзы между ними, один из менисков обращен вогнутостью к пространству предметов, а другой выпуклостью. Положительные мениски первой и третьей линзовых групп могут быть выполненными склеенными из двояковогнутой и двояковыпуклой линз.The closest in technical essence to the claimed invention is the patent “Large-length wide-angle lens with an extended entrance pupil (variants)” RU 2138068 C1 with priority dated June 30, 1998, publ. 09.20.1999 [2]. This technical solution was chosen as a prototype. The known lens contains three lens groups, the first of which is made in the form of a positive meniscus, concavely facing the space of objects, and a biconvex lens. The second lens group contains one biconvex lens. The third lens group consists of two positive menisci and a biconvex lens between them, one of the menisci is concavely facing the space of objects, and the other is convex. The positive menisci of the first and third lens groups can be made from biconcave and biconvex lenses glued together.

Широкоугольный объектив имеет следующие основные характеристики:The wide-angle lens has the following main characteristics:

- Фокусное расстояние f=3 мм;- Focal length f=3 mm;

- Относительное отверстие 1:2,5;- Relative opening 1:2.5;

- Максимальное угловое поле зрения 130 град.;- Maximum angular field of view 130 degrees;

- Удаление входного зрачка перед системой 1,5 мм;- Removal of the entrance pupil in front of the system 1.5 mm;

- Рабочий спектральный диапазон от 0,486 до 0,8 мкм;- Operating spectral range from 0.486 to 0.8 microns;

- Максимальный размер изображения 2у'=12,8 мм.- Maximum image size 2у'=12.8 mm.

Широкоугольный объектив имеет большой угол поля зрения, высокое относительное отверстие, но довольно малое удаление входного зрачка от оптической системы. Кроме того, решение [2] имеет в составе стекла из тяжелых и сверхтяжелых кронов и флинтов и при максимальном поле зрения имеет большую бочкообразную дисторсию порядка 50%.A wide-angle lens has a large field of view, a high relative aperture, but a rather small distance from the entrance pupil to the optical system. In addition, solution [2] contains glass made from heavy and super-heavy crowns and flints and, with a maximum field of view, has a large barrel distortion of the order of 50%.

Задачей изобретения является создание объектива с максимально возможным удалением входного зрачка с сохранением высокого качества оптического изображения, минимальной дисторсией и улучшением технологичности за счет минимизации марок бесцветного оптического стекла и конструктивного выполнения его оптической схемы.The objective of the invention is to create a lens with the maximum possible eye relief while maintaining high optical image quality, minimal distortion and improving manufacturability by minimizing grades of colorless optical glass and the design of its optical design.

Техническим результатом изобретения является обеспечение максимального удаления входного зрачка при сохранении поперечных размеров объектива, минимальной дисторсии и повышение технологичности за счет уменьшения количества марок бесцветного оптического стекла.The technical result of the invention is to ensure maximum eye relief while maintaining the transverse dimensions of the lens, minimal distortion and increase manufacturability by reducing the number of grades of colorless optical glass.

Это достигается тем, что объектив с вынесенным входным зрачком для ближней ИК-области спектра, состоящий из трех линзовых групп, отличается тем, что первая линзовая группа состоит из двух компонентов - одиночной двояковыпуклой линзы и склеенной линзы с положительной оптической силой, вторая линзовая группа состоит из одиночной двояковыпуклой линзы, а третья линзовая группа состоит из двух последовательно расположенных выпукло-вогнутых менисковых линз с положительным фокусным расстоянием и третьей выпукло-вогнутой менисковой линзы с отрицательным фокусным расстоянием, при этом между толщинами и фокусными расстояниями линзовых групп соблюдены следующие соотношения:This is achieved by the fact that a lens with an extended entrance pupil for the near-IR region of the spectrum, consisting of three lens groups, is characterized in that the first lens group consists of two components - a single biconvex lens and a bonded lens with positive optical power, the second lens group consists from a single biconvex lens, and the third lens group consists of two sequentially arranged convex-concave meniscus lenses with a positive focal length and a third convex-concave meniscus lens with a negative focal length, while the following relationships are observed between the thicknesses and focal lengths of the lens groups:

1<d1/F1<1,4;1<d1/F1<1.4;

0,1<d2/F2<0,3;0.1<d2/F2<0.3;

0,5<d3/F3<0,8,0.5<d3/F3<0.8,

где d1 - толщина по оси первой линзовой группы;where d1 is the thickness along the axis of the first lens group;

d2 - толщина по оси второй линзовой группы;d2 - thickness along the axis of the second lens group;

d3 - толщина по оси третьей линзовой группы;d3 - thickness along the axis of the third lens group;

F1 - фокусное расстояние первой линзовой группы;F1 - focal length of the first lens group;

F2 - фокусное расстояние второй линзовой группы;F2 - focal length of the second lens group;

F3 - фокусное расстояние третьей линзовой группы, причемF3 is the focal length of the third lens group, and

объектив имеет фокусное расстояние минус 13 мм, длина всего объектива составляет 9Fo, задний отрезок составляет 1Fo, а вынос входного зрачка составляет 1,3Fo, где Fo - фокусное расстояние объектива по модулю.the lens has a focal length of minus 13 mm, the length of the entire lens is 9Fo, the back segment is 1Fo, and the entrance pupil relief is 1.3Fo, where Fo is the absolute focal length of the lens.

По второму варианту это достигается тем, что объектив с вынесенным входным зрачком для ближней ИК-области спектра, состоящий из трех линзовых групп, отличается тем, что первая линзовая группа состоит из двух компонентов - одиночной двояковыпуклой линзы и склеенной линзы с положительной оптической силой, вторая линзовая группа состоит из одиночной двояковыпуклой линзы, а третья линзовая группа состоит из двух последовательно расположенных выпукло-вогнутых менисковых линз с положительным фокусным расстоянием и третьей выпукло-вогнутой менисковой линзы с отрицательным фокусным расстоянием, при этом между толщинами и фокусными расстояниями линзовых групп соблюдены следующие соотношения:According to the second option, this is achieved by the fact that a lens with an extended entrance pupil for the near-infrared region of the spectrum, consisting of three lens groups, differs in that the first lens group consists of two components - a single biconvex lens and a glued lens with positive optical power, the second the lens group consists of a single biconvex lens, and the third lens group consists of two successively arranged convex-concave meniscus lenses with a positive focal length and a third convex-concave meniscus lens with a negative focal length, while the following relationships are observed between the thicknesses and focal lengths of the lens groups :

0,8<d1/F1<1,2;0.8<d1/F1<1.2;

0,1<d2/F2<0,3;0.1<d2/F2<0.3;

0,35<d3/F3<0,65,0.35<d3/F3<0.65,

объектив имеет фокусное расстояние минус 16,6 мм, длина всего объектива составляет 6Fo, задний отрезок составляет 1Fo, а вынос входного зрачка составляет 1,2Fo, где Fo - фокусное расстояние всего объектива по модулю.the lens has a focal length of minus 16.6 mm, the length of the entire lens is 6Fo, the back segment is 1Fo, and the entrance pupil relief is 1.2Fo, where Fo is the focal length of the entire lens in absolute value.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:The proposed invention is illustrated by the following graphic materials:

Фиг. 1 - оптическая схема первого варианта объектива с вынесенным входным зрачком;Fig. 1 - optical diagram of the first version of the lens with an extended entrance pupil;

Фиг. 2 - оптическая схема второго варианта объектива с вынесенным входным зрачком;Fig. 2 - optical diagram of the second version of the lens with an extended entrance pupil;

Фиг. 3 - график частотно-контрастной характеристики первого варианта объектива с вынесенным входным зрачком;Fig. 3 - graph of the frequency-contrast characteristics of the first version of the lens with an extended entrance pupil;

Фиг. 4 - график частотно-контрастной характеристики второго варианта объектива с вынесенным входным зрачком.Fig. 4 - graph of the frequency-contrast characteristics of the second version of the lens with an extended entrance pupil.

Поставленная задача в первом варианте достигается за счет разработки объектива с вынесенным входным зрачком, содержащего двояковыпуклую линзу, склеенную линзу, которая содержит двояковыпуклую линзу и вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу, двояковыпуклую линзу, выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу, выпукло-вогнутую менисковую положительную линзу и выпукло-вогнутую менисковую отрицательную линзу.The objective in the first embodiment is achieved by developing a lens with an extended entrance pupil containing a biconvex lens, a glued lens that contains a biconvex lens and a concave-convex negative meniscus lens, a biconvex lens, a convex-concave positive meniscus lens, a convex-concave meniscus lens body lens and a convex-concave meniscal negative lens.

Выполнение второго компонента склеенным из двояковыпуклой линзы и вогнуто-выпуклого отрицательного мениска является оптимальным для коррекции остаточных хроматических аберраций.Making the second component glued from a biconvex lens and a concave-convex negative meniscus is optimal for correcting residual chromatic aberrations.

Все компоненты, за исключением вогнуто-выпуклого отрицательного мениска во втором компоненте, выполнены из одной марки стекла.All components, with the exception of the concave-convex negative meniscus in the second component, are made of the same grade of glass.

Плоскопараллельная пластина, установленная в плоскости изображения, должна быть учтена при аберрационной коррекции, поскольку располагается в сходящемся пучке падающих на матрицу лучей. Пластина является элементов приемника изображения и должна обеспечивать ее функционирование.A plane-parallel plate installed in the image plane must be taken into account during aberration correction, since it is located in a converging beam of rays incident on the matrix. The plate is an element of the image receiver and must ensure its functioning.

Объектив с вынесенным входным зрачком (фиг. 1) содержит последовательно расположенные по ходу луча апертурную диафрагму (далее - АД), двояковыпуклую линзу 1, двояковыпуклую линзу 2 и склеенную с ней вогнуто-выпуклую линзу 3, двояковыпуклую линзу 4, выпукло-вогнутую линзу 5, выпукло-вогнутую линзу 6 и выпукло-вогнутую линзу 7, после которой расположена плоскопараллельная пластина 8, защищающая светочувствительный слой МФПУ 9.A lens with an extended entrance pupil (Fig. 1) contains an aperture diaphragm (hereinafter referred to as ADP), a biconvex lens 1, a biconvex lens 2 and a concave-convex lens 3, a biconvex lens 4, a convex-concave lens 5 glued to it, sequentially located along the beam. , a convex-concave lens 6 and a convex-concave lens 7, after which there is a plane-parallel plate 8 that protects the photosensitive layer of the MFPU 9.

Объектив работает следующим образом: световой поток от бесконечно удаленного объекта последовательно проходит через входной зрачок объектива, которым является АД, далее проходит элементы 1-3, после чего формируется промежуточное изображение, которое далее перебрасывается элементами 4-8 в фокальную плоскость, совмещенную с плоскостью светочувствительного слоя МФПУ 9.The lens works as follows: the light flux from an infinitely distant object sequentially passes through the entrance pupil of the lens, which is the AD, then passes through elements 1-3, after which an intermediate image is formed, which is then transferred by elements 4-8 to the focal plane, combined with the photosensitive plane MFPU layer 9.

Поставленная задача во втором варианте достигается за счет разработки объектива с вынесенным входным зрачком, содержащего двояковыпуклую линзу, склеенную линзу, которая содержит двояковыпуклую линзу и вогнуто-выпуклую отрицательную менисковую линзу, двояковыпуклую линзу, выпукло-вогнутую положительную менисковую линзу, выпукло-вогнутую менисковую положительную линзу и выпукло-вогнутую менисковую отрицательную линзу.The objective in the second embodiment is achieved by developing a lens with an extended entrance pupil containing a biconvex lens, a glued lens that contains a biconvex lens and a concave-convex negative meniscus lens, a biconvex lens, a convex-concave positive meniscus lens, a convex-concave meniscus lens body lens and a convex-concave meniscal negative lens.

Объектив с вынесенным входным зрачком (фиг. 2) содержит последовательно расположенные по ходу луча апертурную диафрагму (далее - АД), двояковыпуклую линзу 1, двояковыпуклую линзу 2 и склеенную с ней вогнуто-выпуклую линзу 3, двояковыпуклую линзу 4, выпукло-вогнутую линзу 5, выпукло-вогнутую линзу 6 и выпукло-вогнутую линзу 7, после которой расположена плоскопараллельная пластина 8, защищающая светочувствительный слой МФПУ 9.A lens with an extended entrance pupil (Fig. 2) contains an aperture diaphragm (hereinafter referred to as ADP), a biconvex lens 1, a biconvex lens 2 and a concave-convex lens 3, a biconvex lens 4, a convex-concave lens 5 glued to it, successively located along the beam. , a convex-concave lens 6 and a convex-concave lens 7, after which there is a plane-parallel plate 8 that protects the photosensitive layer of the MFPU 9.

В таблице приведены технические характеристики объектива с вынесенным входным зрачком в двух вариантах.The table shows the technical characteristics of a lens with an extended entrance pupil in two versions.

Таким образом, предлагаемый объектив с вынесенным входным зрачком для ближней ИК-области спектра, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет при максимально возможном удалении входного зрачка обеспечить минимальную дисторсию и сохранить высокое качество оптического изображения, а также повысить технологичность за счет уменьшения количества марок бесцветного оптического стекла.Thus, the proposed lens with an extended entrance pupil for the near-IR region of the spectrum, which has a combination of these distinctive features, in comparison with the prototype allows, with the maximum possible distance of the entrance pupil, to ensure minimal distortion and maintain high quality of the optical image, as well as increase manufacturability by reducing number of grades of colorless optical glass.

Claims

1. A lens with an extended entrance pupil for the near-IR region of the spectrum, consisting of three lens groups, characterized in that the first lens group consists of two components - a single biconvex lens and a bonded lens with positive optical power, the second lens group consists of a single biconvex lens lenses, and the third lens group consists of two successively arranged convex-concave meniscus lenses with a positive focal length and a third convex-concave meniscus lens with a negative focal length, while the following relationships are observed between the thicknesses and focal lengths of the lens groups:

1<d1/F1<1.4;

0.1<d2/F2<0.3;

0.5<d3/F3<0.8,

where d1 is the thickness along the axis of the first lens group;

d2 - thickness along the axis of the second lens group;

d3 - thickness along the axis of the third lens group;

F1 - focal length of the first lens group;

F2 - focal length of the second lens group;

F3 is the focal length of the third lens group, and

the lens has a focal length of minus 13 mm, the length of the entire lens is 9Fo, the back segment is 1Fo, and the entrance pupil relief is 1.3Fo, where Fo is the absolute focal length of the lens.

2. A lens with an extended entrance pupil for the near-IR region of the spectrum, consisting of three lens groups, characterized in that the first lens group consists of two components - a single biconvex lens and a bonded lens with positive optical power, the second lens group consists of a single biconvex lens lenses, and the third lens group consists of two successively arranged convex-concave meniscus lenses with a positive focal length and a third convex-concave meniscus lens with a negative focal length, while the following relationships are observed between the thicknesses and focal lengths of the lens groups:

0.8<d1/F1<1.2;