ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ВИДИМОЙ И БЛИЖНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
OBJECTIVE LENS FOR VISIBLE AND NEAR INFRARED SPECTRUM

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам для видимой и ближней ИК-области спектра, и может быть использовано совместно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОПами) в приборах ночного видения и в современных цифровых приборах, предназначенных для обнаружения и опознавания объектов наблюдения при пониженной освещенности.
Известен объектив для приборов ночного видения по патенту RU №2218585, МПК G02B 13/14, 9/60, 2003 г., содержащий установленные по ходу луча два компонента, первый из которых включает положительную двухлинзовую склейку, положительный одиночный мениск и отрицательную двухлинзовую склейку, а второй компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, и параллельной пластины. Показатели преломления материалов для линз объектива превышают 1,65. Основным недостатком известного объектива является большое количество линз и большая номенклатура используемых марок стекол.
Наиболее близким к заявляемому объективу по технической сущности (прототипом) является объектив для ближней ИК-области спектра, выполненный в виде установленных по ходу луча двух компонентов, первый из которых состоит из одиночной положительной плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к предмету, склейки из положительной двояковыпуклой и отрицательной двояковогнутой линзы, обращенной выпуклостью к предмету, и плосковогнутой линзы, обращенной вогнутостью к изображению. Второй компонент включает плосковыпуклую линзу и мениск, обращенные выпуклостями к предмету [RU №2276799, МПК G02B 13/14, 9/60, 2004 г.].
Таким образом, прототип имеет 5 элементов, среди которых одна склейка. Этот объектив имеет по отношению к первому аналогу меньшее количество элементов и меньшую номенклатуру стекол. Недостатком прототипа является недостаточный угол зрения, невысокое качество изображения, обусловленное низким светопропусканием, падением освещенности изображения при переходе от центра к краю поля зрения и низким значением коэффициентов передачи модуляции, а также низкий спектральный диапазон.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, увеличение угла поля зрения, повышение качества изображения за счет улучшения светопропускания, уменьшения виньетирования и увеличения коэффициента передачи модуляции, расширение рабочего спектрального диапазона объектива.
Поставленная задача достигается тем, что в объективе для видимой и ближней ИК-области спектра, содержащем установленные последовательно на оптической оси первый компонент, включающий три элемента, и второй компонент, в первом компоненте первый элемент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, обращенной более выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй элемент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, а третий элемент выполнен в виде отрицательной двояковогнутой линзы, обращенной более пологой поверхностью к пространству предметов, второй компонент выполнен в виде несимметричной двояковыпуклой линзы 4, обращенной более пологой поверхностью к пространству изображений, и в объектив введен третий компонент, выполненный в виде отрицательной плоскоковогнутой линзы, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений. Линзы первого и второго элементов первого компонента и линза второго компонента выполнены из стекла с показателем преломления, не превышающим 1,65, третья линза первого компонента выполнена из стекла с показателем преломления не менее 1,8, а линза третьего компонента выполнена из стекла с показателем преломления, равным примерно 1,5. Апертурная диафрагма расположена на вогнутой поверхности третьего элемента первого компонента.
Еще одной особенностью заявляемого объектива является то, что второй компонент установлен с возможностью его перемещения вдоль оптической оси для осуществления внутренней настройки на точное расстояние до объекта.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг.1 изображена оптическая схема заявляемого объектива,
на фиг.2 - график кривизны,
на фиг.3 - график дисторсии,
на фиг.4 - график продольной сферической аберрации,
на фиг.5, 6, 7 представлены графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива при дистанции до объекта ∞, 10 м и 5 м соответственно.
На фиг.2 кривые представлены для длин волн: 486 нм, 656 нм и 852 нм, а на фиг.4 - для длин волн 486 нм, 588 нм и 852 нм. При этом кривые для длины волны 486 им показаны пунктирной линией, кривые для длины волны 656 нм и 588 нм показаны сплошной линией, кривые для длины волны 852 нм показаны штрих-пунктирной линией. Буквы М и S на фиг.2, 5, 6, 7 указывают на меридиональное (М) и саггитальное (S) сечение. На фиг.5, 6, 7 кривые представлены для длин волн: 486-852 нм.
Объектив для видимой и ближней ИК-области спектра (фиг.1) содержит три компонента. Первый компонент включает три оптических элемента, первый из которых по ходу луча выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы 1, обращенной более выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй - в виде положительного мениска 2, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и третий - в виде отрицательной двояковогнутой линзы 3, обращенной более пологой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент выполнен в виде несимметричной двояковыпуклой линзы 4, обращенной более пологой поверхностью к пространству изображений. Этот компонент установлен с возможностью его перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент выполнен в виде отрицательной плосковогнутой линзы 5, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений.
Линзы 1, 2 и 4 выполнены из стекла с показателем преломления, не превышающим 1,65. Линза 3 выполнена из стекла с показателем преломления не менее 1,8, линза 5 выполнена из стекла с показателем преломления, равным примерно 1,5. Упомянутые компоненты размещены так, что апертурная диафрагма расположена на вогнутой поверхности линзы 3 первого компонента.
Таким образом, заявляемый объектив, хотя и содержит, как и прототип, пять элементов, в нем отсутствует склеенная линза. Все используемые элементы являются одиночными линзами. Это ведет к упрощению конструкции объектива и определяет достаточно высокий коэффициент светопропускания.
Кроме того, второй компонент в виде положительной двояковыпуклой линзы 4 в заявляемой конструкции объектива способен выполнять функцию фокусирующего и компенсирующего элемента одновременно и, следовательно, способен обеспечить во всем диапазоне дистанций до объекта (от ∞ до 5 м) внутреннюю настройку объектива на точное расстояние до объекта, при которой изображение объекта будет наиболее четким и резким.
В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан вариант объектива для фокусного расстояния f=80 мм, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.
Таблица 1
Поверхность
Радиус
Толщина
Стекло
Диаметр
Объект
∞
∞
Nd
Vd
1
64.9
10
1.623
58.2
54.7
2
-379.6
0.3
53.3
3
46.85
8
1.623
58.2
46.3
4
210.8
2.26
43.3
5
-651.6
4
1.805
25.4
41.9
6
52.12
3.24
36.5
Апертурная диафрагма
∞
37.32
36.5
8
61.03
5
1.623
58.2
23.5
9
-91.22
13.65
22.8
10
-26.14
3
1.516
64.1
18.1
11
∞
7.78
18.1
Плоскость изображения
∞
18.3
Объектив работает следующим образом. Свет от предмета, расположенного на большом расстоянии от первого элемента, преломляясь, проходит через элементы 1, 2, 3, 4, 5 и формирует в фокальной плоскости объектива изображение предмета.
Внутренняя настройка объектива на точное расстояние до объекта осуществляется путем подвижки второго компонента (линзы 4). Положение линзы 4 при настройке на расстояния до объекта ∞, 10 м и 5 м приведены в таблице 2.
Таблица 2
Дистанция
∞
10 м
5 м
d7
37,32
36,92
36,34
d9
13,71
14,11
14,69
В этой таблице: d7 - расстояния между поверхностями линз 3 и 4, а d9 - расстояния между поверхностями линз 4 и 5.
-1
Предлагаемый объектив имеет угол поля зрения 2ω=13°, дисторсию - менее 1%, относительное отверстие 1:1.6. Полная длина объектива составляет примерно 1,2 f. Объектив обеспечивает высокое качество изображения, что подтверждается частотно-контрастной характеристикой, представленной на фиг.5, 6, 7. Из этих графиков следует, что объектив имеет высокий коэффициент передачи модуляции на частотах до 100 мм по всему полю зрения, что определяет его высокое разрешение, которое наряду с отсутствием виньетирования обеспечивает одинаково ровное качество изображения по всему полю зрения. При этом значительно расширен рабочий спектральный диапазон (486…852 нм против 660…920 нм у прототипа). Из представленных графиков следует также, что заявляемый объектив имеет более низкую по отношению к прототипу дисторсию (менее 1% вместо 2% в прототипе). Кроме того, в объективе, выполненном в соответствии с изобретением, по сравнению с прототипом, увеличены угол поля зрения (2ω=13°, в прототипе 2ω=9°) и относительное отверстие (1:1,6 вместо 1:2 в прототипе).
Известно, что для объективов, работающих с ЭОПами, параметрами, характеризующими качество изображения, являются широкая область спектра (от 500 до 900 нм), большое относительное отверстие, высокое значение коэффициента передачи модуляции на частоте, определяемой чувствительностью ЭОПа. Заявляемый объектив отвечает этим требованиям.
В то же время высокое разрешение позволяет использовать заявляемый объектив в современных цифровых приборах на базе CCD, у которых размер пикселя <10 um. Прототип для этих целей не может быть применен.
Простота (всего 5 линз и только одна из них в форме мениска и одна линза из флинтового стекла с показателем преломления >1,8 против двух флинтовых линз у прототипа) обеспечивает более легкую и дешевую конструкцию объектива при лучшем светопропускании.
Еще одним преимуществом заявляемого объектива является возможность внутренней фокусировки на точное расстояние до объекта на дистанции от 5 м до ∞. В прототипе такая фокусировка (одним компонентом) заведомо приведет к неприемлемому ухудшению качества изображения.