СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G02B9/12 G02B9/34 G02B15/22 

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к приборам ночного видения в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности является преломляющая линзовая система для приборов, работающих при низких уровнях освещенности (Х.Соул Электронно-оптическое фотографирование, М. : Воениздат, 1972, с. 110, рис. 4.16 б).

Недостатком этого устройства является сложность конструктивного исполнения прибора ночного видения при фокусировке на близко расположенные предметы подвижной всей оптической системы объектива (А.Н. Изнар. Электронно-оптические приборы. М. : Машиностроение, 1977, с. 100), а при исполнении с жестко встроенным объективом (даже на гиперфокальном расстоянии) не обеспечивается резкое видение предметов на малых расстояниях от прибора (расчет подвижек, гиперфокального расстояния и глубины резкости (С.В. Кулагин. Проектирование фото и кино приборов, М.: Машиностроение, 1976, с. 68, 75-77). Это обусловлено конструктивными особенностями данного объектива, малыми величинами глубины резкости при высокой светосиле объектива, необходимой для обеспечения дальности видения ночного прибора.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции при фокусировке на близко расположенные предметы за счет неподвижной установки последнего компонента объектива.

Эта цель достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем три компонента, последний компонент выполнен в виде положительной линзы, имеющей оптическую силу, равную 0,8-1,2 оптической силы объектива, расположен на расстоянии от плоскости изображения, равном 0,05-0,2 фокусного расстояния объектива (F), и его толщина составляет (0,1-0,3) F, а расстояние между вторым и третьим компонентами составляет (0,75-0,95) F.

Конструктивное исполнение светосильного объектива показано на фиг. 1. Здесь содержатся первый компонент 1, второй компонент 2 и третий компонент 3. параметры варианта исполнения светосильного объектива приведены в табл. 1.

Параметры такого объектива.

Расчетная длина волны - 656 нм;
Рабочий спектральный диапазон - 546-900 нм;
Фокусное расстояние F - 84,77 мм;
Относительное отверстие - 1:1,2;
Линейное поле зрения - 24 мм.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Последний компонент 3, компенсирующий астигматизм и кривизну поверхности изображения аналогично объективам, построенным по схеме типа "Таир" (Вычислительная оптика. Справочник. Под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение, 1984, с. 363), устанавливается на расстоянии от плоскости изображения, равном (0,05-0,2) F, выполнен в виде положительной линзы с оптической силой, равной 0,8-1,2 оптической силы объектива и имеет толщину D6 = (0,1-0,3) F. Фокусировка на близко расположенные предметы осуществляется подвижкой первых двух компонентов 1 и 2 - увеличением расстояния D5 между компонентами 2 и 3, которое в начальном положении (в положении "бесконечность") составляет (0,75-0,95) F.

Оба компонента 1 и 2 перемещаются вместе и при фокусировке на ближнюю дистанцию 4 м фокусное расстояние объектива остается в пределах допуска - 3%. Такое изменение фокусного расстояния не оказывает практического влияния на изменение общего увеличения прибора ночного видения, допуск на которое достигает 10%.

Расчет гиперфокального расстояния (P_гип) для приведенного варианта конструктивного исполнения светосильного объектива дает величину P_гип = F² / (K•d_доп) = 120 м, передний план резкости P_гип/2=60 м (где K=1,2 - знаменатель относительного отверстия, а d_доп - диаметр допустимого пятна нерезкости, определяемый разрешающей способностью фотокатода - Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов и др.. Теория оптических систем М.: Машиностроение, 1981, с. 254 - и при рабочей разрешающей способности фотокатода 20 линий/мм, равный 0,05 мм). Как следует из этого расчета, при такой светосиле объектива для резкого видения предметов, расположенных на расстоянии ближе 60 м, необходима фокусировка. Задаваясь критерием качества - величиной полихроматической частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и учитывая: толщину защитного стекла фотокатода, равную 0,6 мм; спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотокатода и светопропускания объектива - 0,8 на длине волны 546 нм, 1 на 656 нм, 0,1 на 900 нм; пространственную частоту 20 линий/мм, получаем следующие расчетные значения (положение плоскости установки - на расстоянии, равном 0,06 мм от плоскости Гаусса):
положение бесконечность:
точка на оси - ЧКХ = 62%
точка поля 18,5 мм - ЧКХм = 33%
фокусировка всей оптической системой объектива на 4 м:
точка на оси - ЧКХ = 36%
точка поля 18,5 мм - ЧКХм = 12%
фокусировка первыми двумя компонентами на 4 м:
точка на оси - ЧКХ = 42%
точка поля 18,5 мм - ЧКХм = 22%
Как видно из расчетов, фокусировка первыми двумя компонентами обеспечивает приемлемое качество изображения, при этом также уменьшаются астигматизм (на 17%), кривизна поля (на 10%) и дисторсия (на 20%), а фокусное расстояние незначительно увеличивается (на 3%).

Для второго варианта объектива наиболее близким по технической сущности является преломляющая линзовая система для приборов, работающих при низких уровнях освещенности (Х. Соул. Электронно-оптическое фотографирование. М.: Воениздат, 1972, с.110, рис. 4.16 а).

Недостатком этого устройства является сложность конструктивного исполнения прибора ночного видения при фокусировке на близко расположенные предметы подвижкой всей оптической системы объектива, а при исполнении с жестко встроенным объективом (даже на гиперфокальном расстоянии) не обеспечивается резкое видение предметов на малых расстояниях от прибора. Это обусловлено конструктивными особенностями данного объектива и малыми величинами глубины резкости при высокой светосиле объектива, необходимой для обеспечения дальности видения ночного прибора.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции при фокусировке на близко расположенные предметы за счет неподвижной установки последнего компонента объектива.

Эта цель достигается тем, что в светосильном объективе, содержащем четыре компонента, последний компонент выполнен в виде положительной линзы, имеющей оптическую силу, равную 0,8-1,2 оптической силы объектива, расположен на расстоянии от плоскости изображения, равном 0,05-0,2 фокусного расстояния объектива (F), и его толщина составляет (0,1-0,3) F, а расстояние между третьим и четвертым компонентами составляет (0,75-0,95) F.

Конструктивное исполнение светосильного объектива показано на фиг.2. Здесь содержатся первый компонент 1, второй компонент 2, третий компонент 3 и четвертый компонент 4. Параметры варианта исполнения светосильного объектива даны в табл. 2.

Параметры такого объектива.

Расчетная длина волны - 656 нм;
Рабочий спектральный диапазон - 546-900 нм;
Фокусное расстояние F - 34,94 мм;
Относительное отверстие - 1:1;
Линейное поле зрения - 16 мм.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Последний компонент 4, компенсирующий астигматизм и кривизну поверхности изображения аналогично объективам, построенным по схеме типа "Таир", устанавливается на расстоянии от плоскости изображения, равном (0,05-0,2) F, выполнен в виде положительной линзы с оптической силой, равной 0,8-1,2 оптической силы объектива и имеет толщину D7=(0,1-0,3) F. Фокусировка на близко расположенные предметы осуществляется подвижкой первых компонентов 1, 2 и 3 - увеличением расстояния D6 между компонентами 3 и 4, которое в начальном положении (в положении "бесконечность") составляет (0,75-0,95) F.

Компоненты 1, 2 и 3 перемещаются вместе и при фокусировке на ближнюю дистанцию 2 м фокусное расстояние объектива остается в пределах допуска - 3,4%. Расчет гиперфокального расстояния дает величину P_гип=24,5 м, передний план резкости P_гип/2 = 12,25 м. При светосиле объектива 1:1 для резкого видения предметов, расположенных на расстоянии ближе 12,25 м, необходима фокусировка. При этом полихроматическая частотно-контрастная характеристика имеет следующие расчетные значения (положение плоскости установки - на расстоянии, равном минус 0,05 мм, от плоскости Гаусса):
положение бесконечность:
точка на оси - ЧКХ = 63%
точка поля 18,5 мм - ЧКХм = 21%
фокусировка всей оптической системой объектива на 2 м:
точка на оси - ЧКХ = 55%
точка поля 13 мм - ЧКХм = 8%
фокусировка первыми двумя компонентами на 2 м:
точка на оси - ЧКХ = 64%
точка поля 13 мм - ЧКХм = 21%
Как видно из расчетов, фокусировка первыми тремя компонентами обеспечивает приемлемое качество изображения, при этом также уменьшаются астигматизм (на 4,5%) и дисторсия (на 18,7%), а фокусное расстояние незначительно увеличивается (на 3,4%).

Положительный эффект от предлагаемых технических решений заключается в упрощении конструкции при фокусировке светосильным объективом на близко расположенные предметы, уменьшение трудоемкости при изготовлении и сборке приборов ночного видения.

Использование: в качестве объективов в приборах ночного видения. Сущность изобретения: объектив содержит три компонента, последний компонент удален от второго компонента и неподвижен, а фокусировка осуществляется подвижкой первых двух компонентов. В варианте четырехкомпонентного объектива фокусировка осуществляется подвижкой первых трех компонентов. При этом толщина последнего компонента, его оптическая сила, воздушные промежутки и фокусное расстояние объектива взаимосвязаны между собой. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Светосильный объектив, содержащий три компонента, первый из которых двухсклеенная линза, состоящая из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, а второй и третий положительные мениски, обращенные вогнутостью к изображению, отличающийся тем, что первые два компонента установлены с возможностью совместного перемещения вдоль оси, а третий компонент выполнен в виде одиночной линзы, имеющей оптическую силу, равную 0,8 1,2 оптической силы объектива, и расположен на расстоянии от плоскости изображения, равном (0,05 0,2) F, при этом толщина третьего компонента составляет (0,1 0,3) F, а расстояние между вторым и третьим компонентами составляет (0,75 0,95)F, где F фокусное расстояние объектива. 2. Объектив, содержащий четыре компонента, первый из которых - двояковыпуклая линза, второй отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, третий положительная линза и четвертый положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, отличающийся тем, что первые три компонента установлены с возможностью перемещения вдоль оси, третий компонент выполнен в виде выпуклоплоской линзы или мениска, обращенного вогнутостью к изображению, а четвертый в виде одиночной линзы, имеющей оптическую силу, равную 0,8 1,2 оптической силы объектива, при этом четвертый компонент расположен на расстоянии от плоскости изображения, равном (0,05 0,2)F, толщина четвертого компонента составляет (0,1 0,3)F, а расстояние между третьим и четвертым компонентами составляет (0,75 0,95)F, где F фокусное расстояние объектива.