ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
OPTICAL DEVICE

Изобретение относится к оптике и, в частности к области конструирования оптических устройств различного назначения.
Известно, что любой оптический прибор, используемый для наблюдения или кино-фотосъемки, может давать обратный блик - отражение попадающего в объектив оптического излучения от оптических элементов прибора. Обратный блик позволяет определить местонахождение наблюдателя и/или прибора. Причиной возникновения обратных бликов (другие термины - «световозвращение» и «ретро-отражение») является хорошо известный эффект «кошачьего глаза», обусловленный отражением попадающего в оптическую изображающую систему света от оптического элемента с отражательной поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива системы. Световые лучи, отраженные от отражающей поверхности, расположенной вблизи от фокальной поверхности объектива, коллимируются при обратном прохождении через этот объектив и распространяются в направлении источника света.
В случае собственно кошачьего глаза отражающим свет элементом оптической системы выступает сетчатка, а хрусталик обеспечивает коллимацию отраженных лучей при их выходе из глаза.
Типичными примерами элементов с поверхностями, расположенными в окрестности фокальных плоскостей объектива прибора являются стеклянные пластинки с прицельными и визирными сетками и фотоприемные матрицы различной конструкции, поверхности фотокатодов микроканальных пластин, фотопленки и т.д. и т.д.).
Для ослабления обратных бликов можно использовать различные светозащитные бленды, которые, кроме того, снижают помехи в оптико-электронных приборах, обусловленные попаданием прямого или рассеянного солнечного света или других оптических помех, в объектив прибора (RU 2073903 [1]).
Бленды обеспечивают частичное подавление обратных бликов за счет следующих факторов. Во-первых, они сужают угловое поле, в пределах которого источники интенсивных оптических помех способны произвести засветку объектива оптического прибора, приводящую к образованию бликов. Во-вторых, они сужают угловое поле, в пределах которого обратные блики, выходящие из объектива, могут беспрепятственно наблюдаться на удалении от прибора.
Недостатком бленд является то, что в пределах используемого поля зрения прибора они абсолютно не эффективны.
Известно устройство маскировки оптико-электронных устройств от средств лазерной пеленгации противника, представляющее собой съемную бленду с «антибликующим стеклом», закрепленным в бленде прижимным кольцом. С целью снижения мощности отраженного лазерного излучения на поверхность стекла нанесено поглощающее покрытие, составляющее около 10% величины поля зрения. Кроме этого, стекло имеет клиновидность, которая направляет отраженное лазерное излучение в сторону от источника подсветки. (RU 2005103900 [2]). Недостатками известного устройства является то, что оно попросту смещает изображение поперек фотоприемника. При этом лишь часть изображения остается на приемнике, а другая часть теряется. Для достижения такого же эффекта можно обойтись без «антибликующего стекла», а просто использовать более узкопольный, а потому и более дешевый оптический прибор с фотоприемником меньшего размера.
В дальнейшем для светочувствительной матрицы или линейки, фотокатода ЭОП, фотопленки и пластинки с нанесенной на поверхность визирной или прицельной сеткой используется термин «бликующий элемент». Поверхность оптического элемента с нанесенной визирной или прицельной сеткой будет далее также именоваться «визирной поверхностью».
Известен прием уменьшения мощности обратного блика путем наклона светочувствительных поверхностей оптико-электронных устройств и фотопленок или визирных поверхностей по отношению к фокальной поверхности оптического прибора US 7282695 [3].
Наклон светочувствительной поверхности оптико-электронного прибора, фотопленки или визирной поверхности по отношению к фокальной поверхности оптического прибора позволяет направить значительную долю отраженных внутри системы лучей мимо входного зрачка объектива прибора. При этом отраженный свет попадает на стенки и внутренние диафрагмы оптического прибора, что препятствует его выходу наружу через объектив прибора. Однако наклон фотоприемного устройства или фотопленки приводит к потере фокусировки и снижению качества изображения на краях поля зрения. Наклон визирной поверхности уменьшает точность измерительных и прицельных оптических приборов.
Известен прием ослабления обратного блика путем сдвига визирной поверхности вдоль оптической оси по отношению к фокальной поверхности. Этот метод приводит к потере фокусировки изображения на прицельной или визирной сетке (Modeling the detection of optical sights using retro-reflection, Proceedings of SPIE, Vol.6950, 2008 [4]).
Однако использование продольного сдвига светочувствительной поверхности или визирной поверхности по отношению к фокальной поверхности для подавления обратного блика, не только приводит к ухудшению качества изображения, но и не достаточно эффективно ослабляет блик. Это обусловлено тем, что продольный сдвиг отражающей плоской поверхности по отношению к фокальной поверхности объектива не изменяет направление отраженных лучей, а только смещает плоскость, в которой отражение происходит. Поэтому, хотя угловая расходимость обратного блика и увеличивается, его суммарная мощность на выходе из объектива почти не уменьшается [4].
Использование высокочувствительных оптико-электронных систем позволяет зарегистрировать такой блик (см., например, US 7282695 [3]).
Для борьбы с дефокусировкой построенного объективом оптического прибора изображения можно использовать прием, предложенный в патенте US 4981331 [5] (патент-аналог JP 1198716 [6]).
В этих патентах предложен способ соединения задней поверхности вспомогательной плоскопараллельной стеклянной пластинки с передней поверхностью пластинки, на которую нанесена визирная или прицельная сетка, исключающий отражение света от обеих этих поверхностей. Размещая первую по ходу входящих в прицел оптических лучей поверхность вспомогательной плоскопараллельной пластинки впереди фокальной поверхности, можно добиться совмещения поверхности визирной или прицельной сетки с фокальной поверхностью. За счет этого исключается расфокусировка изображения на визирной или прицельной сетке. В то же время, отраженные от передней поверхности вспомогательной плоскопараллельной пластинки лучи не коллимируются объективом прибора, так как она располагается не в фокусе.
Однако продольный сдвиг отражающей плоской поверхности по отношению к фокальной поверхности объектива не изменяет направление отраженных лучей, а только смещает плоскость, в которой происходит отражение. Поэтому, хотя угловая расходимость обратного блика и увеличивается, его суммарная мощность на выходе их объектива почти не уменьшается (Modeling the detection of optical sights using retro-reflection, Proceedings of SPIE, Vol.6950, 2008 [4]). Использование высокочувствительных оптико-электронных систем позволяет зарегистрировать блик от дополнительной плоскопараллельной пластинки. Вариант пригодной для этого регистрирующей системы так же описан в US 7282695 [3].
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известный оптический прибор, в котором проблему подавления обратного блика от оптической системы предлагается решать путем установки между объективом оптической системы и бликующим элементом клиновидного оптического элемента, либо нарезной дифракционной решетки, каждый зубец которой имеет форму клина (US 6596982 [7]). В известном устройстве передняя по ходу световых лучей поверхность клина или каждого клиновидного зубца, составляющего решетку, наклонена к оптической оси системы таким образом, чтобы падающие на нее световые лучи уводились в сторону от зрачка системы и не могли выйти наружу. Задняя поверхность элемента, выполненного в виде клина либо решетки, размещается перед фокальной поверхностью на определенном расстоянии, обеспечивающем достаточно большую расходимость отраженного от нее зеркального блика при выходе через объектив системы, чтобы затруднить регистрацию этого блика.
Недостатком известного устройства, о чем указано в описании к US 6596982 [7], является то, что установка клиновидного оптического элемента перед бликующим элементом, в варианте, изложенном в указанном патенте, приводит к неприемлемо большим аберрациям изображения. Чтобы устранить этот недостаток авторы предложили вместо одного большого клина устанавливать перед бликующим элементом нарезную дифракционную решетку с зубцами клиновидной формы.
За счет того, что каждый зубец решетки имеет небольшие размеры, удается уменьшить до приемлемой величины монохроматические аберрации, вызванные преломлением света в отдельных зубцах. Однако возникают значительные хроматические аберрации, обусловленные периодической структурой решеток. Установка второй дифракционной решетки, предусмотренная в US 6596982 [7], позволяет частично скомпенсировать хроматические аберрации первой решетки.
При этом предлагается выбирать угол наклона поверхности зубцов нарезной решетки таким образом, чтобы увести в сторону от зрачка системы не только излучение, отраженное от передней поверхности нарезной решетки, но и излучение, отраженное от ее задней поверхности и от поверхности бликующего элемента. В патенте приведено несколько примеров реализации, однако не проанализирован пример, при котором исключается попадание в зрачок световых лучей, зеркально отраженных от задней поверхности дополнительного элемента или от бликующего элемента.
Рассмотрим пример прибора, выполненного по аналогии с описанным в [7] решением и имеющего идеальный объектив со зрачком диаметром 40 мм и фокусным расстоянием 200 мм. Размер фотоприемника принят равным 20×20 мм. В этом случае для вывода всех отраженных от передних поверхностей образующих решетку клиновидных зубцов за пределы зрачка прибора требуется, чтобы передние поверхности зубцов были наклонены не менее чем на 9° к плоскости, ортогональной к оси прибора.
Предполагается, что прибор работает в видимом диапазоне спектра, и решетка изготовлена из стекла К8. В этом случае для вывода зеркально отраженных от задней поверхности решетки лучей за пределы зрачка необходимо, чтобы передние поверхности зубцов были наклонены примерно на 16° к задней поверхности решетки.
Расчеты показывают, что для уменьшения вносимых клиновидными зубцами аберраций до приемлемой величины, поперечный размер зубцов с углом наклона передней грани 16° должен быть меньше 0,3 мм. Это означает, что на поверхности фотоприемника шириной 20 мм должны разместиться, по меньшей мере, 70 узких клиновидных зубцов. Каждый зубец шириной 0,3 мм в рассматриваемом примере имеет вертикальную стенку высотой примерно 0,08 мм, которая рассеивает свет. Указанное рассеяние уменьшает качество изображения, даже если предположить, что зубцы выполнены без сколов, шероховатостей и погрешностей позиционирования.
В [7] предложено использовать решетки с шириной зубцов в десятки раз меньше, чем предел, определяемый аберрациями, вносимыми отдельным зубцом. При этом рассеяние на вертикальных участках зубцов уменьшается из-за волновых эффектов, если они изготовлены без дефектов. Однако, на практике, дифракционные решетки имеют дефекты и поэтому обладают светорассеянием, которое существенно больше, чем в этом идеальном случае.
Кроме того, вариант реализации прибора по [7] основан на предположении о высокой эффективности рассеяния света нарезными решетками в первый дифракционный порядок. Известно, однако, что эффективность такого рассеяния существенно отличается от 100% и зависит от длины волны. Решетки с клиновидными зубцами, предусмотренные в [7], обладают значительной спектральной селективностью и не способны эффективно рассеивать свет в первый дифракционный порядок в пределах необходимых на практике спектральных диапазонов. При этом уменьшение мощности первого дифракционного порядка сопровождается ростом мощности нулевого и других порядков дифракции. Указанные дополнительные дифракционные порядки создают шумовую засветку изображения на фотоприемнике, а также могут приводить к возникновению обратного блика от фотоприемника.
Заявляемое оптическое устройство направлено на повышение эффективности подавления бликов без ухудшения качества получаемого изображения.
Указанный результат достигается тем, что оптическое устройство, содержит объектив, визирную или прицельную сетку и окуляр, позволяющий наблюдать изображение, построенное объективом на поверхности, в которой располагается визирная или прицельная сетка, а также саму эту сетку. При этом между объективом и окуляром размещена сборка из клиновидных оптических элементов, соединенных между собой с помощью прозрачного геля или за счет оптического контакта в виде плоскопараллельной пластинки, сетка нанесена на поверхность соединения оптических элементов, совпадающую по форме с поверхностью наилучшего изображения устройства, причем пластинка установлена так, что чтобы обеспечивалось совмещение этой поверхности с поверхностью наилучшего изображения устройства.
Размещение выполненного из оптически однородного материала первого (по ходу лучей от объектива) элемента клиновидной формы перед поверхностью, на которую нанесена визирная или прицельная сетка, позволяет практически полностью исключить возврат отраженных от этой поверхности лучей к входному зрачку прибора при условии, что задняя поверхность этого элемента присоединена к поверхности, на которую нанесена визирная или прицельная сетка с помощью геля или оптического контакта. В этом случае отражение от поверхности соединения элементов отсутствует, если показатели преломления первого клиновидного элемента и второго клиновидного элемента и геля (если он используется) близки по величине. При этом в окрестности фокальной поверхности устройства находятся только следующие зеркально отражающие поверхности: передняя поверхность первого клиновидного элемента и задняя поверхность второго клиновидного элемента. Обе эти поверхности не параллельны фокальной поверхности объектива устройства и поэтому способны уводить отраженные от нее лучи мимо зрачка объектива.
Отличием реализации заявленного оптического устройства от предшествующих конструкций является то, что, при использовании первого клиновидного элемента, предусмотрен наклон поверхности, на которую нанесена прицельная или визирная сетка, по отношению к плоскости, ортогональной к оптической оси устройства. Наклон выполнен таким, чтобы обеспечить совпадение поверхности, на которую нанесена прицельная или визирная сетка, с поверхностью наилучшего изображения устройства, которая первоначально совпадает с фокальной поверхностью объектива устройства, но поворачивается после установки первого клиновидного оптического элемента. При выполнении этого условия аберрации, вносимые первым клиновидным элементом, могут быть устранены.
Другим отличием заявленного оптического устройства является то, что, ввиду совпадения передней поверхности второго клиновидного элемента и соединенной с ней задней поверхности первого клиновидного элемента, визирная или прицельная сетка наносится непосредственно на переднюю поверхность второго клиновидного элемента, либо на заднюю поверхность первого клиновидного элемента. При этом отпадает необходимость в использовании дополнительной плоскопараллельной пластинки, на которую обычно наносится сетка в прицелах и других аналогичных приборах.
В качестве примера приведем расчеты параметров первого клиновидного элемента и необходимого наклона поверхности, на которую нанесена прицельная или визирная сетка, для случая идеального объектива с диаметром зрачка 40 мм и фокусным расстоянием 200 мм. Размер области, в пределах которой объектив строит изображение наблюдаемых объектов, принят равным 20×20 мм. В этом случае для вывода всех отраженных от передней поверхности первого клиновидного элемента лучей за пределы зрачка объектива устройства требуется, чтобы его передняя поверхность была наклонена на 9° к плоскости ортогональной к оси устройства.
Предположим, что устройство предназначено для работы в видимом диапазоне спектра. Расчеты показали, что, если первый клиновидный элемент изготовлен из стекла К8, то для совмещения поверхности, на которую нанесена сетка, с поверхностью наилучшего изображения устройства клиновидный элемент вместе с элементом, на поверхность которого нанесена сетка, должен быть повернут на 4,6° в сторону, противоположную наклону передней поверхности клина. Это означает, что клин должен иметь преломляющий угол, примерно равный 9°+4,6°=13,6°. При этом, как показали расчеты, разрешаемые частоты по всему полю зрения составляют 110-120 пар линий на миллиметр, что близко к разрешаемым частотам идеального объектива (180-200 пар линий).
Расчеты также показали, что, если клин не поворачивать до совмещения поверхности, на которую нанесена сетка, с поверхностью наилучшего изображения, то качество изображения после установки клина деградирует практически также значительно, как при обычном наклоне поверхности бликующего элемента без установки клина на тот же самый угол 9°. Тип аберраций при наклоне бликующего элемента и при установке клина без последующего поворота на 4,6° различен, однако наблюдаемое качество изображения, оцениваемое по частотно контрастной характеристике (ЧКХ) устройства, будет в обоих случаях неприемлемо плохим (всего несколько пар линий на миллиметр).
Таким образом, поворот первого клина вместе с элементом, на поверхность которого нанесена сетка, на угол, определяемый параметрами устройства и клина и обеспечивающий совмещение поверхности, на которую нанесена сетка, с поверхностью наилучшего изображения устройства, является принципиальным для эффективной работы оптического устройства.
Использование в конструкции устройства для нанесения визирной или прицельной сетки оптического элемента, выполненного в виде второго клиновидного элемента с таким же преломляющим углом, как у первого элемента, но развернутого относительно первого элемента на 180°, позволяет избегнуть излома оптической оси оптического устройства. Общая конфигурация оптического тракта изменяется незначительно при замене плоскопараллельной пластинки, с нанесенной на нее сеткой, на предусмотренную в предлагаемом устройстве сборку, состоящую из первого клиновидного элемента и второго клиновидного элемента с нанесенной на него сеткой. Это объясняется тем, что сборка также имеет внешнюю форму плоскопараллельной пластинки, причем свет не преломляется на поверхности раздела двух составляющих сборку клиновидных элементов, так как они имеют одинаковые показатели преломления.
При установке указанной составной плоскопараллельной пластинки в оптический тракт устройства необходимо учесть следующее. Во-первых, наклон пластинки приводит к поперечному сдвигу всех распространяющихся по тракту световых лучей. Во-вторых, наличие не ортогональной к оптической оси пластинки на пути лучей к окуляру приводит к появлению дополнительных аберраций при наблюдении объектов, а также сетки, через этот окуляр. Нанесение сетки непосредственно на заднюю поверхность первого клиновидного элемента или на переднюю поверхность второго клиновидного элемента минимизирует суммарную толщину этой пластинки и, соответственно, негативные эффекты от ее присутствия в тракте также минимизируются.
В используемом здесь примере составная пластинка наклонена на 9° к оси устройства и имеет толщину примерно 4,96 мм при размере клиньев 20×20 мм, преломляющем угле каждого клина 13,6° и небольшом запасе на минимальную технологическую толщину ребра клина. Пластинка повернута вокруг горизонтальной оси по отношению к плоскости, ортогональной к оси устройства, причем наклон наружных поверхностей пластинки равен 9°. При этом толщина пластинки вдоль главного луча составляет примерно 5,0 мм.
Рассмотрим пример, когда телескопическая система устройства состоит из идеального объектива с фокусным расстоянием 200 мм и диаметром зрачка 40 мм, наклонной составной плоскопараллельной пластинки и идеального окуляра с фокусным расстоянием 33,33 мм, что обеспечивает увеличение телескопической системы 6х. При этих условиях диаметр выходного зрачка устройства равен 40/6=6,66 мм.
Расчеты показали, что геометрические аберрации для полного зрачка в центре поля зрения не превышают +/-40 секунд, для верхней части сетки - не более +/-25 секунд, для нижней части сетки - не более +30 секунд/-1,2 минуты.
Средне квадратичное отклонение (СКО) волнового фронта волновых аберраций устройства для полного зрачка в центре поля зрения не превышает 0,1 длины волны, что меньше типичных аберраций серийных образцов наблюдательных приборов, за исключением геодезических и астрономических.
Разрешающую способность данной телескопической системы при работе с глазом оценим для диаметра зрачка глаза, равного 3,0 мм, т.е. при максимальной разрешающей способности глаза.
Для центра поля зрения контраст для вертикальных штрихов практически совпадает с дифракционным пределом. Рассмотрим контраст для горизонтальных штрихов на частоте 3,33 периода/мрад (1 период/мин), характеризующей типичную разрешающую способность глаза. Этот контраст снижается с 0,26 для идеальной системы, работающей на дифракционном пределе, до значения 0,2, при расположении зрачка глаза на оптической оси окуляра, и не хуже, чем до 0,16, при смещениях зрачка глаза диаметром 3 мм в пределах выходного зрачка окуляра на 1,5 мм.
Наличие наклонной пластины приводит к небольшому поперечному смещению осевого пучка на 0,27 мм, что необходимо учесть при сборке устройства.
Таким образом, расчеты показали, что наличие составной наклонной плоскопараллельной пластинки в тракте устройства позволяет устранить попадание в зрачок устройства блика от поверхности, на которую нанесена сетка, и, в то же время, не приводит к существенному ухудшению качества изображения.
Если провести такие же расчеты в предположении, что составная пластинка имеет толщину 8 мм, то получаются следующие результаты. Максимальное значение угловой аберрации для центра поля возрастает до +/- 1 минуты, а СКО волновой для полного зрачка для центра поля - до 0,15 длины волны. При соосном расположении зрачка глаза диаметром 3 мм относительно оси окуляра контраст в изображении горизонтальной решетки частотой 1 период/мин составит 0,13. Поперечное смещение оси окуляра относительно оси объектива при этом равно 0,47 мм.
Таким образом, расчеты с пластинкой толщиной 8 мм показали заметное увеличение аберраций устройства, что доказывает целесообразность нанесения сетки непосредственно на переднюю поверхность второго клиновидного элемента или заднюю поверхность первого клиновидного элемента с целью минимизации толщины составной пластинки.
В приведенном выше примере конструкции устройства элементы сборки, состоящей из первого клиновидного элемента и второго клиновидного элемента, изготовлены из одного и того же стекла, например К8, и соединены за счет оптического контакта или иммерсии. При этом зеркальные блики от соединенных таким образом поверхностей отсутствуют, а блики от передней поверхности первого клиновидного элемента и задней поверхности второго клиновидного элемента наклонены к оси устройства и поэтому не попадают в зрачок объектива.
Сущность заявляемого оптического устройства поясняется примером его реализации и чертежом. На чертеже представлен вариант реализации устройства, в соответствии с которым первый клиновидный элемент 1 выполнен с показателем преломления, близким к показателю преломления второго клиновидного элемента 3. Причем передняя по ходу входящих в оптический прибор световых лучей поверхность первого клиновидного элемента является плоской, а задняя совпадает по форме с передней поверхностью элемента 3 и соединена с ней с помощью прозрачного геля с показателем преломления, близким к показателям преломления обоих элементов или за счет оптического контакта. В результате соединения задней поверхности первого клиновидного элемента 1 и передней поверхности второго клиновидного элемента 3, обе эти поверхности совмещаются на поверхности, которая условно обозначена линией 2. При этом задняя поверхность первого элемента 1 и передняя поверхность второго элемента 3, повернуты таким образом, чтобы поверхность их соединения 2 совпала с поверхностью наилучшего изображения устройства.
Пример. Оптическое устройство, представленное на чертеже, содержит объектив (на чертеже не показан), бликующий клиновидный элемент 3 с нанесенной на его переднюю поверхность сеткой, первый клиновидный элемент 1 с показателем преломления, близким к показателю преломления бликующего элемента 3, и окуляр (на чертеже не показан). Первый клиновидный элемент 1 соединен с передней поверхностью второго элемента 3 с помощью оптического контакта для исключения зеркального отражения от поверхности их соединения 2. Сборка «первый клиновидный элемент - второй клиновидный элемент» представляет собой плоскопараллельную пластину.
В рассчитанном выше примере передняя поверхность первого клина наклонена на 9° по отношению к плоскости ортогональной к оси прибора, чтобы увести отраженные от нее лучи за пределы зрачка прибора, а задняя поверхность (и, соответственно, поверхность 2) наклонена на 3,6° в противоположную сторону, чтобы скомпенсировать аберрации, вызываемые установкой клина перед бликующим элементом. За счет поворота на 3,6° задней поверхности первого клина и, соответственно, передней поверхности второго клина, сетка наблюдается через окуляр практически без аберраций.
1
2
Элементы составной пластинки изготовлены из одного и того же стекла, например К8, поэтому зеркальное отражение света от задней поверхности первого клиновидного элемента, и передней поверхности второго клиновидного элемента отсутствует. Лучи r и r, отраженные от передней поверхностей первого клина и от задней поверхности второго клина, не попадают в зрачок устройства.
Использование второго клиновидного элемента такой формы, что сборка «первый клиновидный элемент - второй клиновидный элемент» представляет собой составную плоскопараллельную пластинку, позволяет предотвратить излом оптической оси устройства на этой сборке за счет того, что показатели преломления обоих элементов сборки одинаковы.
Конфигурация устройства после установки первого клиновидного элемента и второго клиновидного элемента с нанесенной на него сеткой, изменяется из-за того, что составная плоскопараллельная пластинка наклонена по отношению к плоскости, ортогональной к оси устройства. Наклон пластинки приводит к поперечному смещению лучей, что учитывается при размещении окуляра и других элементов, расположенных по ходу лучей после этой пластинки.
Представленные конструктивные варианты оптического устройства не содержат движущихся узлов и деталей и поэтому описаны только в статике.