ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ПРИБОРА НОЧНОГО ВИДЕНИЯ

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам приборов ночного видения (ПНВ), и может быть использована для работы совместно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП) в ПНВ для решения задач обнаружения и опознавания объектов при пониженной освещенности. Предлагаемый объектив может быть использован как в пассивных, так и в активно-импульсных ПНВ, включая прицелы ночного видения и ночные афокальные насадки к дневным оптическим прицелам, совместно с ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений.
Создание новых и совершенствование схемных решений объективов ПНВ идет по совокупности характеристик, к числу которых относятся повышение диаметров входных зрачков, относительных отверстий, качества изображения на оси и по полю, уменьшение массы и габаритных размеров и др. Поскольку приемники излучения, используемые в ПНВ, имеют вполне определенные линейные размеры, то величины фокусного расстояния объектива и углового поля обратно пропорциональны. В силу разнообразия требований к объективам ПНВ, известно достаточно много их схемных решений [Патент №2175774, 2001 [1]; Патент №2276799, 2006 [2]; Патент №3260269, 2009 [3]; Патент ПМ №73501, 2008 [4], Патент ПМ №102121, 2011 [5], Патент №2504808,2014 [6]].
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание светосильного объектива ПНВ на основе отечественных материалов с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими возможность сопряжения с ЭОП 2, 2+и 3-го поколений для создания малогабаритного, ручного ПНВ и использования его в широком диапазоне температур эксплуатации.
Недостатком объектива [1] является малый размер изображения, не позволяющий использовать его с ЭОП, диаметр фотокатода которых составляет 18 мм, а также низкое относительное отверстие и низкое качество изображения на оси и по полю, не позволяющее в полной мере реализовать возможности современных ЭОП по пределу пространственного разрешения.
Недостатком объектива [2] является малая величина относительного отверстия; недостаточная величина углового поля; большая масса при диаметре зрачка 50 мм; появление терморасфокусировки и снижение заявленного качества изображения при изменении температуры эксплуатации в диапазоне температур от -40°С до +50°С или необходимость введения дополнительных подвижек объектива, его компонентов или ЭОП для компенсации терморасфокусироки. Кроме того, объектив рассчитан без учета толщины подложки фотокатода ЭОП, наличие которой вносит дополнительные аберрации в сходящихся пучках лучей.
Недостатком объектива [3] является большое виньетирование наклонных пучков, низкое качество изображения, позволяющее использовать их только с ЭОП нулевого поколения.
Недостатком объективов [4], [5] является низкое относительное отверстие, отсутствие пассивной термостабильности.
Исходя из анализа аналогов, в качестве наиболее близкого аналога принят объектив для ПНВ [6], который по совокупности характеристик и устройству оптической схемы в наибольшей мере близок к предлагаемому объективу. Его описание и анализ недостатков приводятся ниже.
-6
-1
Наиболее близкий по технической сущности к заявляемому устройству аналог - линзовый объектив для прибора ночного видения - состоящий из оптически связанных, расположенных по ходу лучей первой положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью ко второму компоненту, второго отрицательного компонента, состоящего из двояковыпуклой, двояковогнутой линзы, которые склеены, и мениска, обращенного вогнутой поверхностью в сторону третьего компонента, третьей двояковыпуклой линзы и четвертой отрицательной линзы, расстояние между первой положительной линзой и вторым компонентом составляет не менее 0,3 фокусного расстояния объектива, расстояние между третьей и четвертой линзами выполнено малым по сравнению с фокусным расстоянием объектива, при этом относительная оптическая сила третьей линзы находится в диапазоне от 2,5 до 4, четвертой линзы - в диапазоне от -2 до -3, при этом все линзы объектива выполнены из стекол, коэффициенты линейного расширения которых находятся в диапазоне (5÷10)⋅10 градус.
В примере конкретного исполнения наиболее близкого аналога первая линза выполнена положительным мениском, обращенным вогнутой поверхностью ко второму компоненту, второй отрицательный компонент, состоит из двояковыпуклой, двояковогнутой линз, склеенных между собой, и мениска, обращенного вогнутой поверхностью в сторону третьего компонента, третьей двояковыпуклой линзы и четвертой отрицательной линзы. Расстояние по оси между первой линзой и вторым компонентом составляет 0,4 от фокусного расстояния, расстояние между третьей и четвертой линзами выполнено малым по сравнению с фокусным расстоянием объектива.
Между оптическими силами линз и компонентов примера конкретного исполнения наиболее близкого аналога выполняются следующие соотношения:
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первой линзы, второго компонента, третьей и четвертой линз.
Объектив имеет угловое поле 2ω=13,5°, фокусное расстояние ƒ'=75 мм, относительное отверстие 1: 1,5, массу 115 г (по световым диаметрам), длину по оси 99 мм. Коэффициент передачи контраста на частоте 50 лин/мм составляет для точки на оси 0,53, для точек по полю - 0,50.
Недостатками наиболее близкого аналога является зависимость производства оптических приборов для ночного видения от поставок оптических материалов из-за рубежа, высокая стоимость материалов стекол по сравнению с отечественными производителями, высокие масса и длина, сложность сборки и юстировки из-за необходимости отдельного крепления в корпусе объектива пяти одиночных и склеенных оптических элементов.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в снижении стоимости изготовления устройства, уменьшении массы и длины при сохранении величины относительного отверстия, обеспечивает решение проблемы импортозамещения материалов, использованных в объективе, упрощение сборки и юстировки объектива из-за уменьшения количества отдельно закрепляемых в корпусе оптических элементов.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога вторая поверхность первого мениска выполнена асферической, мениск второго компонента выполнен положительным и приклеенным к двояковогнутой линзе второго компонента, четвертая отрицательная линза выполнена двояковогнутой, между относительными оптическими силами первых двух компонентов выполняется соотношение:
1
2
где ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно первой линзы, второго компонента. При этом все линзы объектива выполнены из отечественных стекол, для которых значения показателей преломления и числа Аббе находятся в области n(ν), ограниченной системой уравнений
d
d
где n - показатель преломления стекла для линии d (0,588 мкм), ν - число Аббе стекла для линии d.
Выполнение второй поверхности первого мениска асферической, мениска второго компонента положительным и приклеенным к двояковогнутой линзе второго компонента, четвертой отрицательной линзы - двояковогнутой и при соблюдении соотношений (2) и (3) позволяет обеспечить решение проблемы импортозамещения материалов, использованных в объективе, уменьшение массы и длины при сохранении величины относительного отверстия, термонерасстраиваемости и качества изображения объектива.
Указанная совокупность признаков в устройстве объектива ПНВ позволяет создать светосильный объектив ПНВ из отечественных материалов с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими возможность сопряжения с ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений для создания малогабаритного, ручного ПНВ и использования его в широком диапазоне температур эксплуатации.
Предлагаемое решение, на наш взгляд, обладает новизной и является промышленно применимым. Авторам не известны объективы ПНВ, в которых была бы реализованы совокупности указанных признаков, соответствующие предлагаемому устройству.
Предложенное устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг. 1 - оптическая схема объектива ПНВ;
фиг. 2 - астигматические отрезки для трех длин волн;
фиг. 3 - пятна рассеяния для различных точек поля;
фиг. 4 - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ);
фиг. 5 - дисторсия;
фиг. 6 - участок диаграммы Аббе с областью решений для марок стекол, использованных в объективе.
-6
-1
Объектив для ПНВ (фиг. 1) содержит оптически связанные, расположенных по ходу лучей линзы и компоненты 1-4, из которых первый положительный мениск 1 обращен вогнутой поверхностью в сторону второго компонента 2, второй отрицательный компонент 2 склеен из двояковыпуклой линзы 5, двояковогнутой линзы 6, положительного мениска 7, обращенного вогнутой стороной к последующим компонентам - двояковыпуклой линзе 3 и двояковогнутой линзе 4. Поз. 8 в виде плоскопараллельной пластинки дополнительно показано защитное окно ЭОП, являющееся подложкой фотокатода. Поскольку полупрозрачный фотокатод ЭОП наносится на внутренней стороне подложки, то плоскопараллельная пластинка включается в оптическую схему объектива ПНВ при его расчете. Расстояние между первой положительной линзой 1 и вторым компонентом 2 составляет не менее 0,3 фокусного расстояния объектива, расстояние между третьей и четвертой линзами выполнены малым по сравнению с фокусным расстоянием объектива. Линзы объектива 1, 3, 4, 5, 6, 7 выполнены из стекол с показателями преломления и числом Аббе, ограниченными уравнениями (3). Коэффициенты линейного расширения стекол линз 1, 3, 4, 5, 6, 7 находятся в диапазоне (5÷10)⋅10 градус.
Между относительными оптическими силами первых двух компонентов в объективе выполняется соотношение (2), а относительная оптическая сила третьей линзы находится в диапазоне от 2,5 до 4, а четвертой линзы находится в диапазоне от -2 до -3.
Объектив для ПНВ работает следующим образом. Линзы 1, 5, 6, 7, 3, 4 фокусируют излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами фотокатода ЭОП и фокусным расстоянием объектива, и создают действительное изображение объектов в плоскости изображений, с которой совмещается плоскость фотокатода ЭОП, нанесенная на внутренней поверхности подложки 8, выполняющей роль защитного стекла ЭОП. Объектив обеспечивает для каждой точки объекта фокусировку излучения в спектральном диапазоне, определяемом спектральной чувствительностью фотокатода ЭОП, в пятно малого размера, обеспечивающее высокие значения коэффициентов передачи контраста для пространственных частот, соответствующих современным ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений. Диаметры линз и компонентов объектива таковы, что обеспечивается относительное отверстие не менее 1:1,5. Величины температурных коэффициентов линейного расширения и величины температурного изменения показателя преломления материалов линз объектива таковы, что при использовании в качестве материалов корпуса объектива и промежуточных колец традиционно применяемых в оптическом приборостроении конструкционных материалов при изменении температуры эксплуатации отсутствует взаимное смещение плоскости изображения объектива и плоскости фотокатода ЭОП (т.е. отсутствует терморасфокусировка и обеспечивается термостабильность) и, в результате, в диапазоне температур эксплуатации от -50°С до +50°С обеспечивается высокое качество изображения без введения дополнительных подвижек объектива, его компонентов или ЭОП.
1
i
i
4
н
н
Реализация объектива для ПНВ подтверждается примером конкретного исполнения, параметры которого приведены в таблице 1. В таблице 1 приняты следующие обозначения: ϕ - относительная оптическая сила i-ого компонента или линзы в соответствии с позицией на фиг. 1; D - диаметр i-ого компонента или линзы в соответствии с позицией на фиг. 1; L - расстояние от первой поверхности линзы поз. 1 до плоскости изображений объектива; d - расстояние вдоль оптической оси между i-ым и (i+1)-ым компонентом или линзой в соответствии с позицией на фиг. 1; d - расстояние от четвертой линзы до защитного стекла ЭОПа. Значения конструктивных параметров в строках таблицы 1, расположенных ниже параметра ƒ', приведены при нормировке эквивалентного фокусного расстояния объектива ƒ'=1.
-6
-6
-6
-1
-6
-1
Как следует из таблицы 1 и фиг. 1, знаки оптических сил и форма линз и компонентов соответствуют заявляемым. В примере конкретного исполнения для линз объектива применены три марки отечественного стекла, показатели преломления и числа Аббе которых показаны на фиг. 6, т.е. соответствуют области, ограниченной уравнениями (3). У этих стекол температурные коэффициенты линейного расширения составляют 6,1⋅10; 7,8⋅10 и 8,8⋅10 градус, т.е. лежат в диапазоне (5÷10)⋅10градус. Все линзы примера конкретного исполнения имеют сферические преломляющие поверхности кроме второй поверхности первой линзы, которая выполнена асферической.
Для подтверждения высокого качества изображения предлагаемого объектива далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения.
На фиг. 2 приведены графики астигматических отрезков, показывающие, что величины продольных аберраций в пространстве изображений в рабочем спектральном диапазоне длин волн как для точки на оси, так и для остальных точек поля, не превышают 0,11 мм, что при относительном отверстии 1:1,5 обеспечивает приемлемые значения пятен рассеяния в плоскости изображений.
На фиг. 3 показаны формы и размеры пятен рассеяния для девяти различных точек поля. Под каждым пятном (и соответственно в таблице) указана координата у' в плоскости изображений, которой это пятно соответствует. Среднеквадратические размеры радиусов (RMS radius) пятен рассеяния для всех точек поля не превышают 0,011 мм, что обеспечивает высокие значения коэффициентов передачи контраста в рабочем диапазоне пространственных частот.
Графики ЧКХ (по оси абсцисс - пространственная частота, лин/мм; по оси ординат - коэффициент передачи контраста, отн.ед.), приведенные на фиг. 4, показывают, что для пространственной частоты 30 лин/мм в плоскости изображений коэффициент передачи контраста для всех точек в пределах поля не выходит за пределы от 0,82 до 0,85; для пространственной частоты 50 лин/мм - от 0,61 до 0,67. На фиг. 4 графики ЧКХ приведены для четырех точек поля: на оси, для точки изображения с координатой 4 мм, для точки с координатой 6 мм и точки с координатой 8,5 мм. Для остальных точек поля графики ЧКХ лежат между приведенными на фиг. 4.
Величина дисторсии (фиг. 5) для примера конкретного исполнения не превышает 1% для края поля зрения.
На фиг. 6 на участке диаграммы Аббе показаны для примера конкретного исполнения отечественные марки стекла, которые находятся в области, ограниченной уравнениями (3).
Графики на фиг. 2-5 подтверждают высокое качество изображения в примере конкретного применения, необходимое для объективов ПНВ, в которых используются современные ЭОП. Для удобства сравнения в таблице 2 приведены характеристики примера конкретного исполнения и наиболее близкого аналога. Одновременно в таблице 2 приведены значения введенного комплексного критерия k.
p
50,ось
Сравнение характеристик объективов ПНВ проведено по описанному далее критерию  который составлен по следующему принципу: в числителе указаны характеристики, увеличение значений которых способствует повышению эксплуатационных показателей, в знаменателе - повышение которых, ведет к снижению эксплуатационных показателей ПНВ в целом. То есть: при повышении  увеличивается поле зрение прибора; при увеличении ƒ' увеличивается масштаб изображения на приемнике и угловое увеличение ПНВ при прочих равных условиях; при увеличении D повышается дальность обнаружения объектов; при увеличении Т повышается дальность распознавания при использовании современных ЭОПов; чем выше отношение  тем более равномерным является качество изображения по полю прибора. С другой стороны, чем выше масса, тем ниже эксплуатационные показатели ПНВ; чем выше диафрагменное число, тем ниже освещенность изображения протяженных объектов на фотокатоде ЭОП. При вычислении k в таблице 2 все линейные размеры подставлялись в мм, масса - в граммах. Очевидно, что одночисловым критерием невозможно провести оценку всех объективов ПНВ, но применительно к решаемой предлагаемой полезной моделью задаче такой критерий, на наш взгляд, может быть правомерным для комплексной оценки совокупности сравниваемых характеристик объективов-аналогов.
Как следует из таблицы 2, значение критерия к для примера конкретного исполнения получается выше в 3,63/2,41=1,5 раза.
-6
-1
-6
-1
Далее приводятся и обсуждаются результаты термооптического анализа примера конкретного исполнения для диапазона температур эксплуатации от -50 до +50°С. Термооптические параметры примененных в устройстве объектива материалов в совокупности с найденными соотношениями оптических сил его линз и компонентов обеспечивают возможность пассивной термокомпенсации при использовании в качестве материалов корпуса и промежуточных колец традиционно применяемых в объективостроении конструкционных материалов (сталь, алюминиевые сплавы и т.п.). Для рассматриваемого примера конкретного исполнения может быть реализовано конструктивное исполнение термостабильного объектива при выполнении промежутков между поз. 2 и 3, 3 и 4, 4 и 8 (см. фиг. 1) из алюминиевого сплава (22,4⋅10 градус), промежутка между 1 и 2 - из сплава, у которого температурный коэффициент линейного расширения находится в диапазоне ([0,3÷4]⋅10 градус). В таблице 3 приведены значения коэффициентов передачи контраста в рассматриваемом примере конкретного исполнения при температурах эксплуатации -50, -20, 0,+20 и +50°С.
Результаты термооптического анализа подтверждают сохранение высокого качество изображения в рабочем температурном диапазоне, и как следует из данных таблицы 3, качество изображения является практически одинаковым при изменении температуры эксплуатации, при этом подвижки отдельных линз или всего объектива или приемника отсутствуют. Иными словами в объективе обеспечивается пассивная термостабильность. Одновременно сохраняется неизменным и величина фокусного расстояния во всем рабочем температурном диапазоне: погрешность изменения фокусного расстояния менее 0,1%.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого устройства позволяет создать светосильный объектива ПНВ на базе отечественных материалов с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими возможность сопряжения с ЭОП 2, 2+и 3-го поколений для создания малогабаритного, ручного ПНВ и использования его в широком диапазоне температур эксплуатации.
Литература
1. Патент РФ №2175774, 2001.
2. Патент РФ №2276799, 2006.
3. Патент РФ №3260269, 2009.
4. Патент РФ ПМ №73501, 2008.
5. Патент РФ ПМ №102121, 2011.
6. Патент РФ №2504808, 2014.