ПРОЕКЦИОННЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
HIGH-APERTURE PROJECTION LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в оптических системах приборов ночного видения (ПНВ) в качестве системы переноса изображения с экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОП) на ПЗС-матрицу.
Для работы ПНВ, использующих оптическое сопряжение ЭОП и ПЗС-матрицы, требуется обеспечение качественного изображения в спектральном диапазоне 0,48-0,66 мкм, соответствующем спектральной характеристике излучения экрана ЭОП, в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы.
х
Известны оптические схемы проекционных светосильных объективов, предназначенных для переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу в ПНВ. Объектив [Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - с.105, рис.45 а] состоит из 9 компонентов, содержащих 12 линз, имеет числовую апертуру 0,4, коэффициент пропускания 0,75, линейное увеличение -1, линейное поле в пространстве предметов 13 мм. Данные о качестве изображения, даваемом объективом, не приводятся. Основным недостатком этого объектива является сложность конструкции, а также малое линейное поле в пространстве предметов, не позволяющее осуществить в полной мере оптическое сопряжение изображения на экране ЭОП со светочувствительной площадкой ПЗС-матрицы.
Проекционный светосильный объектив [Патент РФ 2233462, публ. 2004 г., МКИ G02B 9/64] состоит из 7 компонентов, содержащих 8 линз, при этом оптическая сила седьмого компонента по абсолютной величине не превышает 0,35 оптической силы всего объектива. Расстояние между шестым и седьмым компонентами по оптической оси составляет не менее 0,18 фокусного расстояния объектива. Недостатком объектива является сложность конструкции.
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип является объектив [Патент GB №2066504 А, публ. 1980 г., МКИ G02В 9/6 (прототип)], содержащий шесть оптически связанных компонентов, расположенных по ходу лучей, включающий первый положительный компонент, второй компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий отрицательный компонент, четвертый компонент, склеенный из двух линз, пятый положительный компонент и шестой компонент, а также апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами. В объективе-прототипе распределение относительных оптических сил между компонентами составляет, начиная с первого компонента, соответственно: 0,68; 0,18; -0,80; -0,63; 0,87; 0,61; при этом стекла линз имеют показатели преломления соответственно 1,68; 1,70; 1,74; 1,76; 1,77; 1,77; 1,77, а коэффициенты основной средней дисперсии соответственно 55; 47; 28; 27; 49; 49; 49.
Данная конструкция объектива обеспечивает относительное отверстие до 1:1,4. Однако недостатком прототипа является невысокое качество изображения вследствие невысоких значений коэффициентов передачи контраста для всего поля зрения.
Изобретение решает задачу повышения качества изображения за счет увеличения коэффициентов передачи контраста по всему полю зрения.
Для решения указанной задачи необходимо обеспечить такое сочетание оптических сил, показателей преломления, коэффициентов основных средних дисперсий, а также форм компонентов, чтобы полихроматическая частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) объектива и его функция концентрации энергии (ФКЭ) в пятне, соответствующем размеру пикселя ПЗС-матрицы, имели высокие значения, близкие к дифракционному пределу, в пределах всего поля зрения.
Поставленная задача решается тем, что в известном объективе, содержащем шесть оптически связанных компонентов, расположенных по ходу лучей, включающем первый положительный компонент, второй компонент, выполненный в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений, третий отрицательный компонент, четвертый компонент, склеенный из двух линз, пятый положительный компонент и шестой компонент, а также апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами, согласно изобретению первый положительный компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, третий отрицательный компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, первая линза четвертого компонента выполнена двояковыпуклой, вторая линза четвертого компонента выполнена в виде отрицательного мениска, пятый положительный компонент выполнен виде двояковыпуклой линзы, шестой отрицательный компонент выполнен склеенным из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, при этом относительные оптические силы компонентов составляют соответственно (0,52÷0,56); (0,56÷0,60); -(2,0÷2,2); (0,9÷0,96); (0,75÷0,86); -(0,67÷0,73); оптические силы первой и второй линз четвертого компонента составляют соответственно (1,5÷1,6) и -(0,3÷0,4) от оптической силы четвертого компонента, оптические силы двояковыпуклой и двояковогнутой линз шестого компонента составляют соответственно (1,8÷1,9) и -(3,4÷3,8) от оптической силы шестого компонента, при этом материалы линз в соответствии с расположением последних по ходу лучей имеют показатели преломления 1,50÷1,55; 1,62÷1,67; 1,75÷1,80; 1,50÷1,60; 1,80÷1,90; 1,80÷1,90; 1,50÷1,55; 1,75÷1,80, а коэффициенты основной средней дисперсии соответственно 60÷65; 40÷45; 23÷28; 52÷58; 34÷38; 34÷38; 52÷58; 23÷28. На фиг.1 приведена оптическая схема объектива.
На фиг.2 а и 2 б показаны ЧКХ объектива-прототипа и предлагаемого объектива при нормировке фокусного расстояния ƒ′=1.
На фиг.3 приведена ЧКХ предлагаемого объектива для различных точек поля изображения для примера реализации.
На фиг.4 приведена ФКЭ предлагаемого объектива для различных точек поля изображения в спектральном диапазоне 0,48-0,66 мкм, соответствующем спектральному диапазону излучения экрана ЭОП, для примера реализации.
Проекционный светосильный объектив (фиг.1) содержит шесть оптически связанных компонентов 1-6, расположенных по ходу лучей. Первый положительный компонент 1 выполнен в виде двояковыпуклой линзы. Второй компонент 2 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений. Третий отрицательный компонент 3 выполнен в виде двояковогнутой линзы. Четвертый компонент 4 склеен из двух линз 7 и 8. Линза 7 выполнена двояковыпуклой, линза 8 имеет форму отрицательного мениска. Пятый положительный компонент 5 выполнен в виде двояковыпуклой линзы. Шестой отрицательный компонент 6 выполнен склеенным из двояковыпуклой линзы 9 и двояковогнутой линзы 10. Апертурная диафрагма А.д. расположена между компонентами 3 и 4. Позицией 11 показана плоскопараллельная стеклянная пластинка, являющаяся защитным стеклом ПЗС-матрицы.
В таблицах 1, 2 приведен пример реализации объектива на оптических стеклах, соответствующих указанным сочетаниям показателей преломления и коэффициентов основных средних дисперсий.
Указанные в таблице 1 оптические силы линз 7 и 8 составляют соответственно 1,54 и -0,35 от оптической силы четвертого компонента 4, а оптические силы линз 9 и 10 составляют соответственно 1,87 и -3,6 от оптической силы компонента 6 и соответствуют заявляемому выше диапазону оптических сил.
х
Конструктивные параметры в таблице 2 приведены в пересчете на ƒ′=1 и линейное увеличение -0,45, соответствующее отношению диагонали ПЗС-матрицы к диаметру экрана ЭОП.
Таблица 1Оптические силы, показатели преломления и коэффициенты основных средних дисперсий компонентов проекционного светосильного объектива
Номер компонента (линз) в соответствии с фиг.1
Отношение оптической силы компонента (линзы) к оптической силе объектива
Показатель преломления
Коэффициент основной средней дисперсии
1
0,54
1,52
63,8
2
0,58
1,65
43,4
3
-2,10
1,78
25,6
4 (7/8)
0,93 (1,43/-0,33)
1,57/1,86
55,8/36,6
5
0,80
1,86
36,6
6(9/10)
-0,70 (1,31/-2,52)
1,57/1,78
55,8/25,6
Через знак «/» указаны номера линз и параметры склеенных компонентов.
Таблица 2Конструктивные параметры объектива
Радиус поверхности
Толщина
Марка стекла
0
1,97
2,245
0,26
К8
-1,636
0,06
0,886
0,18
ОФ4
3,836
0,14
-1,005
0,30
ТФ12
0,684
0,22
1,940
0,33
БК10
-0,470
0,20
ТБФ8
-0,684
0,06
1,119
0,20
ТБФ8
-30,400
0,04
0,605
0,26
БК10
-1,324
0,08
ТФ12
0,426
0,47
∞
0,04
К8
∞
0,07
На фиг.2 а и 2 б приведены для сравнения ЧКХ объектива прототипа и предлагаемого объектива, рассчитанные при нормировке ƒ′=1 для всего диапазона пространственных частот и линейного поля в пространстве предметов, равного величине ƒ′. Кривые, обозначенные 0,5 m и 0,5 s, соответствуют меридиональному (m) и сагиттальному (s) сечениям пучков лучей для точки на краю изображения, кривые, обозначенные 0 и 0,3, соответствуют точке на оси и точке с координатой в плоскости изображений, равной 0,3. Кривая с обозначением «Дифр.» соответствует безаберрационной ЧКХ для точки на оси. Числовая апертура в пространстве изображений, квадрат которой является числовой мерой, определяющей освещенность изображения, в заявляемом объективе 0,34, в прототипе - 0,26. Более высокие значения коэффициентов передачи контраста в предлагаемом объективе на соответствующих пространственных частотах, демонстрируемые графиками на фиг.2 б, свидетельствуют о достигнутом повышении качества изображения в заявляемом проекционном светосильном объективе.
Точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси под конкретные значения показателей преломления и коэффициентов основных средних дисперсий набора стекол из конкретных плавок или каталогов производителей стекла, заданных с точностью 4-6 значащих цифр после запятой, устанавливаются стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ для оптических расчетов.
Анализ примера реализации объектива проведен в программе для расчета оптических систем Zemax для фокусного расстояния 18 мм в диапазоне длин волн 0,48 - 0,66 мкм с учетом спектральной эффективности экрана ЭОП для диаметра экрана ЭОП, равного 18 мм, сопрягаемого объективом с ПЗС-матрицей, диагональ которой равна 8 мм. Числовая апертура в пространстве изображений равна 0,30, что является свидетельством сохранения светосилы в заявляемом объективе в сравнении с прототипом.
-1
ЧКХ объектива для этого примера реализации приведены на фиг.3, а ФКЭ - на фиг.4 для различных точек изображения. На графиках указаны значения координат у′ точки изображения в плоскости изображения (0, 3,2 и 4 мм) для меридионального (m) и сагиттального сечений (s), а также безаберрационные ЧКХ (обозначение «дифр»). Из приведенных графиков следует, что коэффициенты передачи контраста для пространственной частоты 60 мм составляют для точки на оси 0,84, для точки изображения с координатой у′=3,2 мм - 0,82, для точки изображения с координатой у′=4 мм - 0,58. ФКЭ в пятне диаметром 0,0085 мм, соответствующем пикселю ПЗС-матрицы, для точек с вышеуказанными координатами у′ соответственно составляют 0,95, 0,93 и 0,79.
Расчетные интегральные характеристики качества изображения, приведенные на фиг.3 и 4, свидетельствуют о высокой степени коррекции монохроматических и хроматических аберраций, достигаемой при соблюдении заявляемых соотношений оптических сил, показателей преломления, коэффициентов основной средней дисперсии и форм компонентов и линз в проекционном светосильном объективе.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной заявителями зависимости между оптическими силами, показателями преломления, коэффициентами основной средней дисперсии и формой компонентов и линз в проекционном светосильном объективе.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявленный объектив обеспечивает качественное изображение для всех точек поля.
Использование предлагаемого проекционного светосильного объектива позволяет повысить качество изображения в ПНВ, в которых применяется оптическое сопряжение экрана ЭОП с ПЗС-матрицей.
Литература
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - 286 с.
2. Патент РФ 2233462, публ. 2004 г., МКИ G02B 9/64.
3. Патент GB №2066504 А, публ. 1980 г., МКИ G 02 В 9/6 (прототип).