ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
OPTICAL SYSTEM

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к оптическим системам для наблюдения удаленных объектов с формированием изображения на ПЗС-матрице.
Известен прибор для дневного и ночного наблюдения [1], включающий в том числе визирный канал, состоящий из объектива, оптического модуля и окуляра. Недостатком данной конструкции является то, что наблюдение за удаленными объектами осуществляется при помощи окуляра.
Наиболее близким к предлагаемой системе является объектив [2]. Объектив состоит из пяти компонентов и спектроделительного блока, первый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенного из отрицательной и положительной линз, второй компонент выполнен в виде положительной линзы, третий компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент выполнен в виде одиночной положительной линзы, пятый компонент выполнен в виде положительной линзы, склеенной из положительной и отрицательной линз, спектроделительный блок расположен между четвертым и пятым компонентами и выполнен с возможностью пропускания излучения в спектральном диапазоне длин волн от 500 нм до 900 нм и отражения излучения длиной волны 1067 нм или 1570 нм. Данная конструкция обеспечивает высокое качество изображений в спектральном диапазоне 500 нм…900 нм при относительном отверстии 1:1.7, угле поля зрения 2W=3° и возможность фокусирования лазерного излучения длиной волны 1570 нм или 1067 нм. Входной зрачок объектива находится на первой поверхности. Однако недостатком прототипа является то, что данная система не обеспечивает необходимого качества изображения при увеличении поля зрения, увеличении удаления входного зрачка в спектральном диапазоне 500 нм … 900 нм при прохождении излучения через спектроделительный блок.
Задачей изобретения является улучшение качества изображения при увеличении поля зрения и одновременном увеличении удаления входного зрачка.
Оптическая система содержит оптически связанные головной объектив, состоящий из трех компонентов, первый компонент которого выполнен в виде отрицательного мениска, второй и третий компоненты выполнены в виде положительных линз, и спектроделительный блок, в отличие от прототипа, отрицательный мениск первого компонента головного объектива обращен выпуклой поверхностью к пространству предметов, положительные линзы второго и третьего компонентов головного объектива склеены из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, спектроделительный блок выполнен с возможностью пропускания излучения длиной волны 1570 нм или 1067 нм и отражения излучения в спектральном диапазоне длин волн от 500 нм до 850 нм, содержит коллектив и согласующий объектив, расположенные за спектроделительным блоком по ходу отраженного пучка и оптически сопряженные с головным объективом, при этом коллектив расположен в фокальной плоскости головного объектива и выполнен в виде двояковыпуклой линзы, согласующий объектив состоит из шести компонентов, и двух светофильтров, расположенных на переднем отрезке согласующего объектива, первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, пятый и шестой компоненты выполнены в виде двояковыпуклых линз.
В частности, спектроделительный блок выполнен в виде призменного блока, склеенного из призм БР-180° и АР-90°, причем показатель преломления стекол призм не превышает 1,49.
Выполнение первого компонента головного объектива в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, второго и третьего компонентов в виде положительных линз, склеенных из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, позволяет получить высокую степень коррекции сферической аберрации и аберрации внеосевых пучков при увеличенном поле зрения.
Выполнение спектроделительного блока с возможностью пропускания излучения длиной волны 1570 нм или 1067 нм и отражения излучения в спектральном диапазоне длин волн от 500 нм до 850 нм, а также введение коллектива, выполненного в виде двояковыпуклой линзы и размещенного в фокальной плоскости головного объектива, и согласующего объектива, расположенного за спектроделительным блоком по ходу отраженного пучка, позволяет формировать изображение на ПЗС-матрице, причем удаление входного зрачка системы составляет не менее 45 мм от первой поверхности головного объектива. Согласующий объектив состоит из шести компонентов и двух светофильтров, выделяющих спектральный диапазон 575 нм…850 нм и расположенных на его переднем отрезке. Выполнение первого компонента согласующего объектива в виде двояковыпуклой линзы, второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, третьего компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, пятого и шестого компонентов в виде двояковыпуклых линз позволило исправить аберрации осевого пучка и компенсировать полевые аберрации головного объектива при увеличении поля зрения до 2W=9° и увеличении удаления входного зрачка до 45 мм.
Выполнение спектроделительного блока в виде призменного блока, склеенного из призм БР-180° и АР-90°, с показателем преломления стекол призм не более 1,49 позволяет сократить габариты системы и получить максимальный коэффициент пропускания.
На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая система.
e
e
На фиг.2 приведены конструктивные параметры оптической системы, включающей головной объектив, спектроделительный блок, коллектив и согласующий объектив, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n - показатель преломления стекол линз для линии e (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии e.
На фиг.3 приведен график поперечной сферической аберрации оптической системы, формирующей изображений на ПЗС-матрице.
На фиг.4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=9° оптической системы.
На фиг.5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на оси оптической системы.
На фиг.6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на краю поля зрения 2W=9° оптической системы.
Частотно-контрастные характеристики оптической системы рассчитаны в соответствии с таблицей коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения, приведенной ниже:
Таблица
λ, нм
575
600
650
750
850
C
0.13
1
0.85
0.37
0.07
x
Оптическая система состоит из головного объектива, содержащего отрицательный мениск 1, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, положительные линзы 2 и 3, склеенные из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, спектроделительный блок 4, выполненный с возможностью пропускания излучения длиной волны 1570 нм или 1067 нм и отражения излучения в спектральном диапазоне длин волн от 500 нм до 850 нм. Спектроделительный блок 4 выполнен в виде призменного блока, склеенного из призм БР-180° и АР-90°. Показатель преломления стекол призм спектроделительного блока 1,4846, что позволило получить максимальный коэффициент пропускания. После спектроделительного блока 4 по ходу отраженного пучка в фокальной плоскости головного объектива расположен коллектив 5, выполненный в виде двояковыпуклой линзы, который оптически сопрягает апертурную диафрагму, совпадающую с первой поверхностью четвертого компонента согласующего объектива, со входным зрачком головного объектива, вынесенного на расстояние не менее 45 мм от его первой поверхности, светофильтры 6, 7, выделяющие спектральный диапазон 575 нм … 850 нм, и согласующий объектив, оптически сопряженный с головным объективом (поз.1, 2, 3) и состоящий из шести компонентов: двояковыпуклой линзы 8, положительного мениска 9, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, отрицательного мениска 10, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, отрицательного мениска 11, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, двояковыпуклых линз 12 и 13. Согласующий объектив имеет увеличение -0,5. Фокусное расстояние головного объектива (1, 2, 3) равно 90,75 мм для длины волны 700 нм. Фокусное расстояние согласующего объектива равно 34,8 мм для длины волны 700 нм.
В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая система, включающая головной объектив, спектроделительный блок, коллектив и согласующий объектив, которая формирует изображение на ПЗС-матрице удаленного объекта. Поле зрения системы составляет 2W=9°, относительное отверстие 1:2.5. Графики аберраций, приведенные на фиг.3 и 4, а также графики полихроматической частотно-контрастной характеристики для точки на оси и для края поля зрения, приведенные на фиг.5 и 6, подтверждают, что оптическая система имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения.
x
Оптическая система работает следующим образом: параллельный пучок лучей от бесконечно удаленного предмета попадает на линзы 1, 2, 3 объектива, преломляется на их поверхностях и, отразившись от спектроделительного покрытия призменного блока 4, фокусируется в фокальной плоскости головного объектива, в которой размещен коллектив 5. Согласующий объектив поз.8-13 переносит это изображение с увеличением -0,5 в плоскость ПЗС-матрицы. Светофильтры 6, 7, расположенные на переднем отрезке согласующего объектива, служат для выделения спектрального диапазона 575 нм … 850 нм.
Источники информации
1. Патент RU №2193789 C2, публикация 2002, МПК G02B 23/00.
2. Патент BY №6385, публикация 2001 г., МПК G02B 9/00 - прототип.