ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ ПРИБОРА НОЧНОГО ВИДЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G02B9/60 G02B13/14 

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 наблюдения при пониженной освещенности. Предлагаемый линзовый объектив может быть использован как в пассивных, так и в активно-импульсных ПНВ, включая прицелы ночного видения, совместно с ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений.

Известны линзовые объективы ПНВ (Волков В.Г., Бабинцев В.Ф., Кощавцев Н. Ф. Оптические системы приемной части активно-импульсных оптико-электронных приборов наблюдения //Вопросы оборонной техники. Серия 11. Вып.1-2 (140-141) Москва, 1994. - с. 22-29), предназначенные для работы в спектральном диапазоне, соответствующем чувствительности фотокатода ЭОП, и имеющие соотношение между фокусным расстоянием и угловым полем, определяемое диаметром фотокатода ЭОП, используемого совместно с объективом в ПНВ. Объективы различаются по своим конструктивным схемам, состоят из 5-7 линз.

Основным недостатком этих объективов является низкая разрешающая способность. Качество изображения, даваемого объективами ПНВ, оценивается частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) в плоскости фотокатода ЭОП. Лучший по качеству из упомянутых выше объективов (там же, с. 24, 26, рисунок 1, таблица 1) состоит из двухсклеенного компонента и пяти одиночных линз, ахроматизирован в спектральном диапазоне 0,7-0,9 мкм, имеет фокусное расстояние 131 мм, относительное отверстие 1:1,1, угловое поле 8,2^o, массу 2,2 кг и для него коэффициент передачи контраста для пространственных частот 15 и 30 мм^-1 соответственно составляет 0,781 и 0,541 (для точки на оси) и 0,620 и 0,222 (для края поля зрения). Для объектива, худшего по качеству (там же, с. 24, 26, рисунок 4, таблица 1), коэффициент передачи контраста для тех же частот составляет соответственно 0,60 и 0,30 (для точки на оси) и 0,25 и 0,12 (для края поля зрения). Использование таких объективов в ПНВ совместно с ЭОПами 2, 2+ и 3-го поколений, имеющих разрешение 50-60 мм^-1, не позволяет в полной мере реализовать преимущества последних.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является линзовый объектив ПНВ, содержащий установленные по ходу луча силовой и коррекционный компоненты, при этом силовой компонент включает в себя положительные двухлинзовую склейку и одиночный мениск (Патент России 2105333, 1998).

Основным недостатком прототипа является низкое качество изображения. Проверочный расчет объектива показал, что коэффициент передачи контраста для пространственных частот 25 и 50 мм^-1 для точки на оси составляет соответственно 0,7 и 0,4 и падает практически до нуля на частоте 20 мм^-1 для углового поля, соответствующего диаметру фотокатода ЭОП, равному 18 мм. При этом значения коэффициентов передачи контраста для края фотокатода практически остаются такими же низкими при снижении относительного отверстия до 1: 4 и менее. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что основное влияние на снижение качества изображения, даваемого данным объективом, оказывают полевые аберрации, прежде всего астигматизм, кривизна изображения и хроматизм увеличения. Поэтому такой объектив не может быть применен в ПНВ совместно с ЭОПами 2, 2+ и 3-го поколений, имеющих разрешение 50-60 мм^-1, так как вследствие мультипликативности частотно-контрастных характеристик элементов ПНВ результирующая ЧКХ будет ограничена низкой частотно-контрастной характеристикой объектива, что не позволит в полной мере реализовать преимущества ЭОП последних поколений для достижения максимальной дальности обнаружения объектов наблюдения.

Необходимое улучшение качества изображения в этой системе невозможно обеспечить из-за наличия больших остаточных аберраций, из которых наибольшее значение имеют астигматизм, кривизна изображения и хроматизм увеличения.

Предложен линзовый объектив ПНВ, содержащий установленные по ходу луча силовой и коррекционный компоненты, при этом силовой компонент включает в себя положительные двухлинзовую склейку и одиночный мениск, в силовой компонент дополнительно введена отрицательная двухлинзовая склейка, установленная после одиночного мениска, а коррекционный компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, и плоскопараллельной пластинки, при этом показатели преломления материалов линз объектива превышают 1,65.

Предлагаемый линзовый объектив ПНВ позволяет обеспечить более высокие технические характеристики - повысить коэффициент передачи контраста на частотах до 50 мм^-1 в пределах поля зрения, соответствующего диаметрам ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений. Кроме того, введение в систему объектива сменной плоскопараллельной пластинки позволяет без изменения конструктивных параметров линз объектива использовать предлагаемый объектив с различными моделями ЭОП, отличающимися толщиной входного окна, служащего подложкой для фотокатода. Плоскопараллельная пластинка может использоваться для нанесения на нее покрытия-фильтра, выделяющего излучение, соответствующее рабочему спектральному диапазону чувствительности ЭОП.

Более высокие технические характеристики предлагаемого объектива обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:
- в силовой компонент дополнительно введена отрицательная двухлинзовая склейка;
- коррекционный компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклостями друг к другу;
- в коррекционный компонент введена плоскопараллельная пластинка;
- показатели преломления материалов линз объектива превышают 1,65.

Введение в силовой компонент дополнительной отрицательной линзы позволяет уменьшить хроматизм увеличения объектива, так как ее хроматизм увеличения компенсирует хроматизм увеличения остальных положительных линз силового компонента, что способствует достижению высокого коэффициента передачи контраста на рабочих пространственных частотах для внеосевых точек изображения. Выполнение этой линзы склеенной позволяет одновременно обеспечить и малую величину хроматизма положения объектива, что способствует достижению высокого коэффициента передачи контраста на рабочих пространственных частотах для осевых точек изображения.

Разделение коррекционного компонента на две линзы дает возможность распределить оптическую силу коррекционного компонента на отрицательную и положительную, сохранив положительную оптическую силу коррекционного компонента, как и в прототипе, но тем самым уменьшить астигматизм и кривизну изображения объектива в целом. Выполнение коррекционного компонента в виде менисков, обращенных выпуклостью друг к другу, позволяет одновременно влиять и на аберрации широких наклонных пучков коррекционного компонента, уменьшив тем самым необходимость исправления указанных аберраций в силовом компоненте и улучшив их взаимную компенсацию. Уменьшение величин указанных аберраций позволяет повысить коэффициенты передачи контраста на рабочих пространственных частотах для внеосевых точек изображения
Введение в коррекционный компонент плоскопараллельной пластинки позволяет использовать предлагаемый объектив с различными моделями ЭОП, отличающимися толщиной входных окон, служащих подложками для фотокатодов. Как показывают расчеты, на ЧКХ объектива большое влияние оказывает толщина плоскопараллельной пластинки, на которой наносится фотокатод ЭОП. Входные окна в различных моделях ЭОП отличаются по толщине, например в ЭОП типа ЭПМ52Г толщина входного окна составляет 5,6 мм, а типа ЭПМ53 - 1,2 мм. При расчете оптической системы объектива значения его конкретных конструктивных параметров несколько отличаются для использования совместно с ЭОП, имеющими различную толщину входных окон. Это обстоятельство ограничивает возможности модульного принципа разработки ПНВ. В предлагаемом объективе при использовании его с другой моделью ЭОП, отличающегося толщиной входного окна, достаточно только изменить параметры плоскопараллельной пластинки коррекционного компонента без изменения конструктивных параметров линз объектива. Плоскопараллельная пластинка может использоваться для нанесения на нее покрытия-фильтра, выделяющего излучение, соответствующее рабочему спектральному диапазону чувствительности ЭОП.

Использование для линз объектива марок стекол с показателями преломления выше 1,65 позволяет увеличить относительную кривизну сферических поверхностей каждой линзы силового компонента, уменьшить величины углов падения широких наклонных пучков на сферические преломляющие поверхности, что влечет за собой уменьшение поперечных аберраций широких пучков лучей и, как результат, совместно с упомянутым выше уменьшением астигматизма и кривизны изображения способствует достижению высокого коэффициента передачи контраста на рабочих пространственных частотах для всех точек изображения.

Авторам не известны оптические системы объективов ПНВ, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому данная система обладает существенными отличиями.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1 - оптическая схема линзового объектива ПНВ;
Фиг. 2а - графики аберраций объектива для осевого пучка лучей (вариант 1);
Фиг.26 - графики астигматизма и дисторсии (вариант 1);
Фиг.2в - графики аберраций объектива для внеосевых пучков лучей (вариант 1);
Фиг.3 - ЧКХ объектива (вариант 1f'=80 мм; D:f'=1:1,5; 2у'=18 мм);
Фиг.4 - ЧКХ объектива (вариант 2f'=80 мм; D:f'=1:2; 2y'=18 мм);
Фиг.5 - ЧКХ объектива (вариант 3f'=150 мм; D:f'=1:2; 2y'=18 мм).

На фиг. 1 изображена предлагаемая оптическая схема линзового объектива ПНВ. Оптическая система объектива содержит установленные по ходу луча силовой компонент, состоящий из положительной двухлинзовой склейки 1, положительного одиночного мениска 2, отрицательной двухлинзовой склейки 3, и коррекционный компонент, содержащий два мениска 4 и 5, обращенные выпуклостями друг к другу, и плоскопараллельную пластинку 6. Показатели преломления материалов линз объектива превышают 1,65. Плоскопараллельная пластинка 6 является сменной в зависимости от модели ЭОП.

Излучение, идущее от удаленного объекта, проходя последовательно линзы 1-6 объектива, фокусируется последними и образует изображение объекта в плоскости, с которой совмещен фотокатод, нанесенный на входном окне ЭОП. Плоскопараллельная пластинка 6 может использоваться для нанесения на нее покрытия-фильтра, выделяющего излучение, соответствующее рабочему спектральному диапазону чувствительности ЭОП.

В качестве конкретных примеров исполнения приведены три варианта линзового объектива ПНВ.

Таблица 1 - конструктивные параметры объектива - вариант 1 (f'=80 мм; D/f'=1:1,5; 2у'=18 мм);
Таблица 2 - ЧКХ объектива - вариант 1 (f'=80 мм; D:f=1:1,5; 2y'=18 мм);
Таблица 3 - конструктивные параметры объектива - вариант 2 (f'=80 мм; D: f'=1:2; 2y'=18 мм);
Таблица 4 - ЧКХ объектива - вариант 2 (f'=80 мм; D:f'=1:2; 2у'=18 мм);
Таблица 5 - Конструктивные параметры объектива - вариант 3 (f'=150 мм; D:f'=1:2; 2y'=18 мм);
Таблица 6 - ЧКХ объектива - вариант 3 (f'=150 мм; D:f'=1:2; 2у'=18 мм).

В таблице 1 приведены конструктивные параметры объектива (вариант 1), имеющего фокусное расстояние f'=80 мм, относительное отверстие D:f'=1:1,5, линейное поле в пространстве изображений (диаметр фотокатода) 2y'=18 мм, угловое поле в пространстве предметов 22ω=12^o. В таблице 1 позиция линз указана в соответствие с фиг.1; пов. - номер преломляющей поверхности по ходу луча; R - радиус преломляющих поверхностей; d - толщины линз и воздушных промежутков; ЭПМ52Г, ЭПМ53 - модели ЭОП. Все линейные размеры приведены в мм. Апертурная диафрагма совмещена с третьей преломляющей поверхностью. Масса линз объектива составляет 330 г.

При работе объектива совместно с ЭОП типа ЭПМ52Г, толщина входного окна которого равна 5,6 мм, плоскопараллельная пластинка 6 имеет толщину 2 мм (марка стекла К8). При работе объектива совместно с ЭОП типа ЭПМ53, толщина входного окна которого равна 1,2 мм, плоскопараллельная пластинка 6 имеет толщину 6 мм (марка стекла СТК9). Остальные конструктивные параметры оптической системы объектива остаются без изменения, при этом практически не меняется и ЧКХ объектива.

На фиг. 2а, 26 и 2в приведены графики остаточных аберраций объектива (вариант 1).

На фиг. 2а представлены графики аберраций объектива для осевого пучка лучей: цифрами 1, 2, 3 указаны графики поперечной сферической аберрации Δy′ для трех длин волн - 0,78; 0,68 и 0,88 мкм соответственно в зависимости от координаты m на входном зрачке (диапазон шкалы по оси абсцисс соответствует диаметру входного зрачка). Величина поперечной сферической аберрации не превышает 0,016 мм.

Фиг. 2б - графики астигматических отрезков z^/ _m, z^/ _s (в мм) и относительной дисторсии δ (в %) в зависимости от углового поля ω в пространстве предметов. Аберрации узких пучков не превышают следующих значений: астигматизм 0,02 мм, кривизна изображения 0,07 мм, дисторсия 0,5%.

На фиг.2в представлены графики аберраций объектива для внеосевых пучков лучей для двух наклонов (3^o и 6^o) и двух сечений - меридионального и сагиттального: Δy′ и Δx′ - поперечные составляющие аберраций; m и M - координаты на входном зрачке в меридиональной и сагиттальной плоскостях соответственно (диапазоны шкал по осям абсцисс соответствуют диаметру входного зрачка). На каждом из графиков показаны кривые для трех указанных выше длин волн излучения, которые на значительных участках графиков практически совпадают. Наибольший размер геометрической фигуры рассеяния не превышает для середины поля 0,05 мм, для края поля - 0,17 мм. Хроматизм увеличения составляет малую величину - не более 0,007 мм.

Из графиков, представленных на фиг.2а, 2б, 2в, следует, что аберрации объектива малы. Подтверждением этого являются высокие значения коэффициентов передачи контраста в диапазоне пространственных частот, соответствующих разрешению ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений.

В таблице 2 и на фиг.3 приведены ЧКХ для объектива (вариант 1). В таблице 2 приведены коэффициенты передачи контраста в относительных единицах для пространственных частот, отнесенных к плоскости фотокатода ЭОП, в диапазоне от 0 до 50 мм^-1 для точки на оси и для точек на середине и краю поля зрения (для углов наклона внеосевых пучков 3^o и 6^o). Для внеосевых точек изображения коэффициенты передачи контраста приведены для меридионального (М) и сагиттального (S) сечений. На фиг.3 по оси абсцисс отложены значения пространственных частот, отнесенные к плоскости фотокатода ЭОП, в мм^-1; по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста, отн. ед. Графики ЧКХ представлены для точки на оси (обозначение "0^o"), для точек на середине диаметра фотокатода ЭОП (обозначение "3^o") и для точек на краю фотокатода ЭОП (на краю поля зрения) (обозначение "6^o") как для меридионального (м), так и сагиттального сечений (s). Для сравнения на фиг.3 приведена также ЧКХ безаберрационного объектива (обозначение "дифр."). Из графиков фиг.3 и данных таблицы 2 следует, что коэффициенты передачи контраста на частоте 30 мм^-1 на оси составляют 0,76; на половине поля зрения 0,66 (м), 0,71 (s); на краю поля зрения 0,54 (м), 0,56 (s); на частоте и 50 мм^-1 соответственно 0,62; 0,52 (м), 0,57 (s) и 0,36 (м), 0,36 (s), что является вполне приемлемым для работы данного объектива совместно с ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений.

В таблице 3 приведены конструктивные параметры объектива (вариант 2), имеющего фокycнoe расстояние f'= 80 мм, относительное отверстие D:f'=1:2, линейное поле в пространстве изображений (диаметр фотокатода) 2y'=18 мм, угловое поле в пространстве предметов 2ω = 12^o. В таблице 3 приняты обозначения аналогично таблице 1, толщина пластинки 6 (см. фиг.1) указана для ЭОП типа ЭПМ52Г. Апертурная диафрагма совмещена с первой преломляющей поверхностью. Масса линз объектива составляет 153 г.

В таблице 4 и фиг.4 приведены ЧКХ для объектива (вариант 2). Обозначения в таблице 4 и на фиг.4 аналогичны таблице 2 и фиг.3. Из графиков фиг.4 и данных таблицы 4 следует, что коэффициенты передачи контраста на частоте 30 мм^-1 на оси составляют 0,88; на половине поля зрения 0,87 (м), 0,88 (s); на краю поля зрения 0,69 (м), 0,77 (s); на частоте и 50 мм^-1 соответственно 0,76; 0,74 (м), 0,77 (s) и 0,50 (м), 0,54 (s), что является вполне приемлемым для работы данного объектива совместно с ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений.

В таблице 5 приведены конструктивные параметры объектива (вариант 3), имеющего фокусное расстояние f'=150 мм, относительное отверстие D:f'=1:2, линейное поле в пространстве изображений (диаметр фотокатода) 2у'=18 мм, угловое поле в пространстве предметов 2ω = 7^o. В таблице 5 приняты обозначения аналогично таблице 1, толщина пластинки 6 (см. фиг.1) указана для ЭОП типа ЭПМ52Г. Апертурная диафрагма совмещена с третьей преломляющей поверхностью. Масса линз объектива составляет 870 г.

В таблице 6 и на фиг.5 приведены ЧКХ для объектива (вариант 3). Обозначения в таблице 6 на фиг.5 аналогичны таблице 2 и фиг.3. Из графиков фиг.5 и данных таблицы 6 следует, что коэффициенты передачи контраста на частоте 30 мм^-1 на оси составляют 0,72; на половине поля зрения 0,69 (м), 0,72 (s); на краю поля зрения 0,58 (м), 0,63 (s); на частоте и 50 мм^-1 соответственно 0,46; 0,50 (м), 0,46 (s) и 0,36 (м), 0,40 (s), что является вполне приемлемым для работы данного объектива совместно с ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений.

Все варианты рассчитаны для работы совместно с ЭОП 2+ и 3-го поколений, спектральная чувствительность которых определила область ахроматизации объектива. В качестве основной принята длина волны 0,78 мкм, в качестве дополнительных - 0,68 и 0,88 мкм. Спектральная эффективность для всех длин волн принята равной 1, что позволяет обеспечить требуемое качество изображения как в пассивном, так и в активно-импульсном режимах при работе с монохроматической подсветкой. Снижение относительного отверстия объектива до 1:2 (варианты 2 и 3) оправдано в тех случаях, когда массогабаритные характеристики ПНВ чрезвычайно важны, например, при работе с рук, а также при использовании активно-импульсного режима ПНВ, в котором уменьшение светосилы объектива может компенсироваться увеличением мощности излучения лазера (Волков В.Г., Бабинцев В.Ф., Кощавцев Н.Ф. Оптические системы приемной части активно-импульсных оптико-электронных приборов наблюдения //Вопросы оборонной техники. Серия 11. Вып.1-2 (140-141) Москва, 1994. - с. 23).

Как видно из конкретных примеров расчета, оптическая схема объектива остается неизменной при расчете по ней объективов с различными фокусными расстояниями и относительными отверстиями в диапазоне 1:1,5-1:2, что свидетельствует о том, что предложенная совокупность отличительных признаков в сравнении с прототипом является устойчивой и позволяет обеспечить более высокие технические характеристики линзового объектива ПНВ - повысить коэффициент передачи контраста на рабочих пространственных частотах в пределах поля зрения, соответствующего диаметрам ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений. Кроме того, предлагаемый линзовый объектив может быть использован без изменения конструктивных параметров линз объектива с различными моделями ЭОП, отличающимися толщиной входного окна, служащего подложкой для фотокатода, путем введения в систему объектива сменной плоскопараллельной пластинки.

Предлагаемый объектив может быть использован совместно с ЭОП 2, 2+ и 3-го поколений как в пассивных, так и в активно-импульсных ПНВ, включая прицелы, для решения задач обнаружения, опознавания объектов наблюдения и прицеливания при пониженной освещенности.

Литература
1. Волков В.Г., Бабинцев В.Ф., Кощавцев Н.Ф. Оптические системы приемной части активно-импульсных оптико-электронных приборов наблюдения //Вопросы оборонной техники. Серия 11. Вып.1-2 (140-141) Москва, 1994.

2. Патент России 2105333, 1998.

Объектив содержит установленные по ходу луча силовой и коррекционный компоненты. Силовой компонент включает в себя положительные двухлинзовую склейку и одиночный мениск, а также отрицательную двухлинзовую склейку, установленную после одиночного мениска. Коррекционный компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, и плоскопараллельной пластинки. Показатели преломления материалов линз объектива превышают 1,65. Обеспечивается повышение коэффициента передачи контраста на частотах до 50 мм^-1 в пределах поля зрения, а также возможность использования объектива с различными моделями ЭОП. 7 ил., 6 табл.

Линзовый объектив прибора ночного видения, содержащий установленные по ходу луча силовой и коррекционный компоненты, при этом силовой компонент включает в себя положительные двухлинзовую склейку и одиночный мениск, отличающийся тем, что в силовой компонент дополнительно введена отрицательная двухлинзовая склейка, установленная после одиночного мениска, а коррекционный компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, и плоскопараллельной пластинки, при этом показатели преломления материалов линз объектива превышают 1,65.