ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ПРИБОРА НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
OBJECTIVE LENS FOR NIGHT VISION DEVICE

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам приборов ночного видения (ПНВ), и может быть использовано 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]; Точприбор, T.1, c.259-260 [3]; Патент №2368923, 2009 [4]; Патент №3260269, 2009 [5]]. Для удобства сравнения информация о примерах конкретного исполнения объективов, приведенных в указанных аналогах, сведена в таблицу 1. При этом длина по оси L указана от первой поверхности до плоскости изображений.
p
50,ось
Сравнение характеристик объективов ПИВ проведено по следующему критерию k:
, который составлен по следующему принципу: в числителе указаны характеристики, увеличение которых способствует повышению эксплуатационных показателей, в знаменателе - повышение которых ведет к снижению эксплуатационных показателей ПНВ в целом. А именно: чем выше
, тем больше поле зрение прибора; чем выше f', тем больше масштаб изображения на приемнике и угловое увеличение ПНВ при прочих равных условиях; чем выше D, тем выше дальность обнаружения объектов; чем выше T, тем выше 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 1 все линейные размеры подставлялись в мм, масса - в граммах. Очевидно, что одночисловым критерием невозможно провести оценку всех объективов ПНВ, но применительно к решаемой предлагаемым изобретением задачи такой критерий, на наш взгляд, может быть правомерным для комплексной оценки совокупности сравниваемых характеристик объективов-аналогов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание светосильного объектива ПНВ 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 [3] является низкое качество изображения, ограничивающее их использование с современными ЭОП, а также большая масса объектива.
Недостатком объектива [4] является большая масса и габаритные размеры объектива, снижающие эксплуатационные показатели ручных, переносных ПНВ.
Недостатком объектива [5] является большое виньетирование наклонных пучков, низкое качество изображения, позволяющее использовать их только с ЭОП нулевого поколения.
Исходя из анализа аналогов, в качестве наиболее близкого аналога принят объектив для ПНВ [2], который по совокупности характеристик и устройству оптической схемы в наибольшей мере близок к предлагаемому объективу. Его описание и анализ недостатков приводятся ниже.
Наиболее близкий по технической сущности к заявляемому устройству аналог - линзовый объектив для прибора ночного видения - состоит из оптически связанных, расположенных по ходу лучей первой положительной линзы, второго компонента, склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третьей отрицательной линзы, четвертой положительной линзы, пятого отрицательного мениска, при этом линзы объектива выполнены из стекол с показателями преломления выше 1,65.
В наиболее близком аналоге первая линза выполнена плосковыпуклой, второй компонент является положительным, третья линза выполнена плоско-вогнутой, четвертая линза выполнена выпуклоплоской, пятый отрицательный мениск ориентирован к четвертой положительной линзе своей выпуклой поверхностью. Расстояние по оси между третьей и четвертой линзами составляет 0,5 от фокусного расстояния, между остальными - выполнено малым. Диаметр второго компонента составляет 0,88 от диаметра первой линзы. Между оптическими силами линз и компонентов примера конкретного исполнения наиболее близкого аналога выполняются следующие соотношения:
1
2
3
4
5
где φ, φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы соответственно первой линзы, второго компонента, третьей, четвертой и пятой линз.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Стекла, из которых выполнены линзы объектива - наиболее близкого аналога имеют коэффициенты линейного расширения в диапазоне (7÷8)·10 градус, величина температурного изменения показателя преломления
стекол первой положительной линзы и двояковыпуклой линзы второго компонента находится в диапазоне (1÷3)·10 градус, остальных линз объектива - в диапазоне (6÷9)·10 градус.
Объектив имеет угловое поле 2ω=9°, фокусное расстояние f'=100 мм, относительное отверстие 1:2, массу 184 г (по световым диаметрам), длину по оси 115 мм. Коэффициент передачи контраста на частоте 30 лин/мм составляет для точки на оси 0,8, для точек по полю - 0,74.
Недостатками наиболее близкого аналога являются: 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 до +50°C 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.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении относительного отверстия, повышении углового поля, уменьшении массы при сохранении величины диаметра входного зрачка, в обеспечении термонерастраиваемости и сохранении высокого качества изображения в диапазоне температур эксплуатации от -50 до +50°C без введения дополнительных подвижек объектива, его компонентов или ЭОП. Кроме того расчет объектива выполнен с учетом влияния подложки фотокатода ЭОП.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога первая положительная линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью в сторону второго компонента, второй компонент выполнен отрицательным, третья отрицательная линза выполнена в форме мениска, четвертая положительная линза выполнена двояковыпуклой, при этом третий и пятый мениски обращены своими вогнутыми преломляющими поверхностями в сторону четвертой двояковыпуклой 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 все линзы объектива выполнены из стекол, коэффициенты линейного расширения которых находятся в диапазоне (5÷10)·10 градус, средняя для рабочего диапазона температур ΔΤ величина температурного изменения показателя преломления
стекол первой положительной линзы и двояковыпуклой линзы второго компонента находится в диапазоне (-2÷0)·10 градус, остальных линз объектива - в диапазоне (0÷4)·10 градус, и между относительными оптическими силами выполняется соотношение:
1
2
3
4
5
где φ, φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы соответственно первой линзы, второго компонента, третьей, четвертой и пятой линз.
Выполнение первой положительной линзы в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью в сторону второго компонента, второго компонента отрицательным, третьей отрицательной линзы - в форме мениска, четвертой положительной линзы двояковыпуклой, ориентация третьего и пятого менисков таким образом, что они обращены своими вогнутыми преломляющими поверхностями в сторону четвертой двояковыпуклой линзы с одновременным соблюдением соотношения (2) позволяет повысить относительное отверстие и угловое поле при сохранении высокого качества изображения и одновременно включить в расчет (учесть) подложку фотокатода ЭОП.
Выполнение расстояния между первой положительной линзой и вторым компонентом не менее 0,3 фокусного расстояния объектива, а расстояния между третьей и четвертой линзами малым по сравнению с фокусным расстоянием объектива позволяет уменьшить массу объектива при сохранении величины диаметра входного зрачка, что связано с тем, что световые диаметры всех линз и компонентов в объективе, кроме первого, в этом случае становятся меньше диаметра входного зрачка.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Выполнение линз объектива из стекол, коэффициенты линейного расширения которых находятся в диапазоне (5÷10)·10 градус, а средняя для рабочего диапазона температур ΔT величина температурного изменения показателя преломления
стекол первой положительной линзы и двояковыпуклой линзы второго компонента находится в диапазоне (-2÷0)·10 градус, остальных линз объектива - в диапазоне (0÷4)·10 градус, при соблюдении соотношения (2) и выполнении расстояния между первой положительной линзой и вторым компонентом не менее 0,3 фокусного расстояния объектива позволяет обеспечить термонерастраиваемость и сохранение высокого качества изображения в диапазоне температур эксплуатации от -50 до +50°C без введения дополнительных подвижек объектива, его компонентов или ЭОП.
Указанная совокупность признаков в устройстве объектива ПНВ позволяет создать светосильный объектив ПНВ 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 изобретательским уровнем. 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.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Объектив для ПНВ (фиг.1) содержит оптически связанные, расположенных по ходу лучей линзы и компоненты 1-5, из которых первый положительный мениск 1 обращен вогнутой поверхностью в сторону второго компонента 2, второй отрицательный компонент 2 склеен из двояковыпуклой линзы 6 и двояковогнутой линзы 7, третий отрицательный мениск 3 и пятый отрицательный мениск 5 обращены своими вогнутыми поверхностями в сторону четвертой двояковыпуклой линзы 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 выше 1,65. Коэффициенты линейного расширения стекол линз 1, 3, 4, 5, 6, 7 находятся в диапазоне (5÷10)·10градус, средняя для рабочего диапазона температур ΔT величина температурного изменения показателя преломления
стекол линз 1 и 6 находится в диапазоне (-2÷0)·10 градус, а линз 3, 4, 5, 7 - в диапазоне (0÷4)·10 градус. Между относительными оптическими силами линз и компонентов в объективе выполняется соотношение (2).
Объектив для ПНВ работает следующим образом. Линзы 1, 6, 7, 3, 4, 5 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 до +50°C обеспечивается высокое качество изображения без введения дополнительных подвижек объектива, его компонентов или ЭОП.
i
i
H
H
Реализация объектива для ПНВ подтверждается примером конкретного исполнения, параметры которого приведены в таблице 2. В таблице 2 приняты следующие обозначения: φ - относительная оптическая сила i-го компонента или линзы в соответствии с позицией на фиг.1; D - диаметр i-го 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. Значения конструктивных параметров в строках таблицы 1, расположенных ниже параметра f', приведены при нормировке эквивалентного фокусного расстояния объектива f'=1.
Таблица 2
Параметры примера конкретного исполнения
Параметр
Значение
f', мм
75
D:f'
1:1,5
2ω, град
13,5
2y, мм
18
Δλ, мкм
0,6-0,9
Масса, г
115
Длина, мм
99
f'<sub>н</sub>
1
2y, отн.ед.
0,24
D<sub>1</sub>
0,67
φ<sub>1</sub>
0,73
d<sub>1</sub>
0.40
D<sub>2</sub>
0,40
φ<sub>2</sub>
-0,025
d<sub>2</sub>
0,1
D<sub>3</sub>
0,32
φ<sub>3</sub>
-1,82
d<sub>3</sub>
0,07
D<sub>4</sub>
0,34
φ<sub>4</sub>
3,51
d<sub>4</sub>
0,07
D<sub>5</sub>
0,26
φ<sub>5</sub>
-2,14
d<sub>5</sub>
0,09
L/f'
1,32
-6
-6
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-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 стекла, показатели преломления которых равны 1,67; 1,92 и 1,68, т.е. превышают 1,65. У этих стекол имеют температурный коэффициент линейного расширения составляет 7,6·10; 5,9·10 и 8·10 градус, т.е. лежат в диапазоне (5÷10)·10 градус. При этом средняя для рабочего диапазона температур ΔT величина температурного изменения показателя преломления
стекол линз поз.1 и поз.6 составляет -1·10 градус, т.е. попадает в диапазон (-2÷0)·10 градус, а остальных линз 0,2·10 градус и 2,2·10 градус, т.е. попадает в диапазон (0÷4)·10 градус. Все линзы примера конкретного исполнения имеют сферические преломляющие поверхности.
1
В силу того, что расстояние d составляет в примере конкретного исполнения величину 0,4 от фокусного расстояния объектива, уменьшены световые диаметры линз поз.2, 3, 4 и 5 в сравнении с диаметром входного зрачка, что привело к уменьшению массы объектива. При одинаковых размерах входного зрачка по сравнению с наиболее близким аналогом масса объектива уменьшена в 184/115=1,6 раза.
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 0,1 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 y' в плоскости изображений, которой это пятно соответствует. Среднеквадратические размеры радиусов (RMS radius) пятен рассеяния для всех точек поля не превышают 0,0065 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 0,73 до 0,77; для пространственной частоты 50 лин/мм - от 0,50 до 0,56. На фиг.4 графики ЧКХ приведены для трех точек поля: на оси, для точки изображения с координатой 6 мм и точки с координатой 9 мм. Для остальных точек поля графики ЧКХ лежат между приведенными на фиг.4.
Величина дисторсии (фиг.5) для примера конкретного исполнения не превышает 1,3% для края поля зрения.
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 3 приведены характеристики примера конкретного исполнения и наиболее близкого аналога. Одновременно в таблице 3 приведены значения комплексного критерия k, введенного выше в таблице 1 для сравнения аналогов.
Как следует из таблицы 3, величина критерия k для примера конкретного исполнения получается выше, чем в 2 раза, в сравнении с наиболее близким аналогом. Увеличение значения комплексного критерия k является результатом того, что по сравнению с наиболее близким аналогом предлагаемый объектив имеет: более высокое относительное отверстие (1:1,5 вместо 1:2 в наиболее близком аналоге); большее угловое поле (13,5° вместо 9° в наиболее близком аналоге); при одинаковых диаметрах входного зрачка имеет в 1,6 раза меньшую массу и высокое качество изображения.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Далее приводятся и обсуждаются результаты термооптического анализа примера конкретного исполнения для диапазона температур эксплуатации от -50 до +50°C. 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.). При этом для рассматриваемого примера конкретного исполнения могут быть реализованы различные конструктивные исполнения термостабильного объектива. Например, промежутки между поз.2 и 3,3 и 4,5 и 8 (см. фиг.1) выполнены из алюминиевого сплава (22,6·10градус), промежуток между 1 и 2 - из титанового (7·10 градус). Второй вариант конструктивного исполнения: все указанные промежутки выполнены из стали с коэффициентом линейного расширения, равным 14·10 градус. В каждом из этих вариантов качество изображения сохраняется близким к рассчитанному при номинальной температуре 20°C. В таблице 4 приведены значения коэффициентов передачи контраста в рассматриваемом примере конкретного исполнения при температурах эксплуатации -50, -30, 0, +20, +40 и +50°C.
Таблица 4
Качество изображения при различных температурах
Температура, °C
-50
-30
0
20
40
50
Коэффициент передачи контраста при частоте 50 лин/мм:
на оси
0,54
0,54
0,53
0,53
0,52
0,52
по полю, мах
0,59
0,58
0,58
0,56
0,58
0,59
по полю, min
0,50
0,50
0,50
0,50
0,52
0,52
Относительное изменение фокусного расстояния, %
-0,08
-0,05
-0,03
0
0,03
0,04
Результаты термооптического анализа подтверждают сохранение высокого качество изображения в рабочем температурном диапазоне, и как следует из данных таблицы 4, качество изображения является практически одинаковым при изменении температуры эксплуатации, при этом подвижки отбельных линз или всего объектива или приемника отсутствуют. Иными словами в объективе обеспечивается пассивная термокомпенсация. 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 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. Точприбор: Монография: В 3 т. / Отв. ред.-сост. В.В. Малинин. - Новосибирск: Наука, 2011. - Том.1: Оптические и оптико-электронные приборы, системы прицеливания, разведки и наблюдения для сухопутных войск. - 412 с.
4. Патент РФ №2368923, 2009.
5. Патент РФ №3260269, 2009.