ОБЪЕКТИВ Российский патент 2005 года по МПК G02B9/64 G02B11/34 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться как объектив приборов ночного и дневного видения.

Известен шестилинзовый объектив для приборов ночного видения «Гелиос-ПА» [1], с диаметром входного зрачка 100 мм и относительным отверстием 1:1.5, содержащий четыре оптических компонента. Первый компонент содержит одиночную положительную линзу, второй компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из положительного и отрицательного менисков, третий компонент представляет собой двусклеенную линзу, содержащую двояковогнутую и двояковыпуклую линзы, четвертый компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы. Недостатком объектива является невысокое качество изображения: коэффициенты передачи модуляции (Т) в области спектра 540 нм...900 нм для точки на оси не превышают 0.4 для частоты N=30 мм^-1 и 0.3 для края поля зрения 2W=6°

Наиболее близким к предлагаемому объективу является объектив [2], состоящий из шести компонентов. Первый компонент выполнен в виде одиночного положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Второй компонент содержит одиночный положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Третий компонент представляет собой двусклеенную линзу, содержащую двояковыпуклую и двояковогнутую линзы. Четвертый компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов. Пятый компонент выполнен в виде двусклеенной линзы, содержащей двояковыпуклую и двояковогнутую линзы. Шестой компонент содержит одиночную двояковыпуклую линзу. Данная конструкция объектива обеспечивает высокое качество изображения в широкой области спектра (от 546 нм до 900 нм) для точки на оси: коэффициенты передачи модуляции составляют не менее 0.6 для частоты N=30 мм^-1 и не менее 0.4 для N=60 мм^-1 при фокусном расстоянии объектива 172 мм и относительном отверстии не менее 1:1.7. Однако недостатком прототипа является невысокое значение коэффициентов передачи модуляции (Т) для края поля зрения 2W=6° в широком спектральном диапазоне λ=546 нм...900 нм, не превышающих 0.3 для частоты N=30 мм^-1 и 0.13 для N=60 мм^-1, что не позволяет использовать данный объектив с ЭОПами нового поколения, имеющими размер фотокатода более 18 мм.

Задачей изобретения является увеличение поля зрения объектива, а также повышение качества изображения в широком спектральном диапазоне λ=540 нм...900 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения.

Объектив содержит шесть компонентов, первый из которых выполнен в виде одиночной положительной линзы, второй - в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, шестой компонент - в виде одиночной двояковыпуклой линзы, в отличие от прототипа, первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, положительный мениск второго компонента склеен из плосковыпуклой и плосковогнутой линз, третий компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент содержит двояковыпуклую линзу, пятый компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, расстояние между третьим и четвертым компонентами составляет не менее 0.08 фокусного расстояния объектива, после шестого компонента введен седьмой компонент, содержащий одиночный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и выполненный из стекла с показателем преломления не более 1.48, причем расстояние между шестым и седьмым компонентами составляет не менее 0.36 фокусного расстояния объектива.

Линзы второго компонента могут быть выполнены из стекол, разность коэффициентов линейного расширения которых составляет не более 2×10^-7 град.^-1.

Конструкция первого компонента, состоящего из двояковыпуклой линзы, второго компонента, выполненного в виде двусклеенной линзы, состоящей из плосковыпуклой и плосковогнутой линз, и третьего компонента, содержащего отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, выбор конструкции четвертого и шестого компонентов в виде двояковыпуклых линз, а пятого компонента в виде двояковогнутой линзы обеспечили высокую степень коррекции сферической аберрации и комы, при которой кружок рассеяния не превышает 0.005 мм для точки на оси при относительном отверстии объектива не менее 1:1.7.

Выбор расстояния между третьим и четвертым компонентами не менее 0.08 фокусного расстояния объектива обеспечил коррекцию сферической аберрации и аберраций широких наклонных пучков.

Введение после шестого компонента седьмого компонента, представляющего собой мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, имеющего показатель преломления стекла не более 1.48 и расположенного на расстоянии не менее 0.36 фокусного расстояния объектива от шестого компонента, позволило увеличить поле зрения объектива до 2W=8° за счет высокой коррекции кривизны поля зрения и аберраций широких наклонных пучков. Кривизна поля зрения не превышает - 0.02 мм, а кружок рассеяния не превышает 0.017 мм для края поля зрения.

Такая степень коррекции аберраций позволила получить коэффициенты передачи модуляции Т в области спектра 540 нм...900 нм не менее:

- 0.75 для точки на оси для частоты N=30 мм^-1,

- 0.58 для точки на оси для частоты N=60 мм^-1,

- 0.55 для W=4° для частоты N=30 мм^-1,

- 0.28 для W=4° для частоты N=60 мм^-1.

Выполнение линз второго компонента из стекол, разность коэффициентов линейного расширения которых составляет не более 2×10^-7 град.^-1, обеспечивает малую терморасстраиваемость объектива.

Предлагаемый объектив работает в широком спектральном диапазоне А=540 нм...900 нм, имеет фокусное расстояние 173.6 мм, относительное отверстие 1:1.7, входной зрачок диаметром 100 мм совпадает с первой поверхностью объектива. Высокие значения коэффициентов передачи модуляции для всего поля зрения обеспечивают значительно более высокую контрастность изображения объектов наблюдения по сравнению с прототипом. Увеличение поля зрения до 2W=8° позволяет использовать данный объектив с ЭОПом, имеющим размер фотокатода 25 мм.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого объектива.

На фиг.2 приведены конструктивные параметры линз объектива и характеристики стекол, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n_е - показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), v - число Аббе для линии е.

На фиг.3 приведен график поперечной сферической аберрации объектива.

На фиг.4 приведены графики аберраций широких наклонных пучков меридионального сечения угла поля зрения 2W=8°.

На фиг.5 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на оси.

На фиг.6 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на краю поля зрения 2W=8°

На фиг.7 приведен график расчетной полихроматической частотно-контрастной характеристики (Т) для точки на краю поля зрения 2W=6°

Частотно-контрастные характеристики объектива рассчитаны в соответствии с таблицей коэффициентов спектральной эффективности актиничного потока излучения, приведенной ниже.

Таблицаλ540650700800900С0.1210.880.690.07

Объектив (фиг.1) состоит из семи компонентов. Первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы 1. Второй компонент содержит положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенный из плосковыпуклой линзы 2 и плосковогнутой линзы 3, причем положительная линза 2 этого компонента выполнена из стекла марки ТК21, имеющего коэффициент линейного расширения 75×10^-7 град.^-1, отрицательная линза 3 выполнена из стекла марки ТФ10 (или его аналога), имеющего коэффициент линейного расширения 77×10^-7 град.^-1, что обеспечивает малую терморасстраиваемость объектива и практически исключает возможность расклейки при термоударе. Третий компонент содержит отрицательный мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов. Четвертый компонент содержит двояковыпуклую линзу 5. Расстояние между третьим и четвертым компонентами - 14 мм, что составляет не менее 0,08 фокусного расстояния объектива. Пятый компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы 6. Шестой компонент содержит двояковыпуклую линзу 7. Седьмой компонент содержит одиночный мениск 8, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений. Знак оптической силы седьмого компонента зависит от расстояния между шестым и седьмым компонентами. При расстоянии между шестым и седьмым компонентами, равным 63 мм, что составляет 0.36 фокусного расстояния объектива, оптическая сила седьмого компонента положительна. Компонент выполнен из стекла марки ЛКЗ (или его аналога), имеющий показатель преломления 1.48.

Объектив рассчитан со светофильтром 9. Объектив работает следующим образом: параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=8° проходит через входной зрачок объектива диаметром 100 мм, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись через поверхности линз 1-8 и светофильтр 9, фокусируется в плоскости изображения, где расположен фотокатод ЭОПа.

Для объективов, работающих с ЭОПами, параметрами, характеризующими качество изображения, являются широкая область спектра (от 540 нм до 900 нм), относительное отверстие, значение коэффициентов передачи модуляции на частоте, определяемой чувствительностью ЭОПа.

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, 6 и 7, подтверждают, что объектив имеет хорошее качество изображения по всему полю зрения, что позволяет получить изображение малоконтрастных объектов.

В предлагаемом объективе выбор конструкции второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенного из плосковыпуклой и плосковогнутой линз, третьего компонента в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертого компонента в виде двояковыпуклой линзы, пятого компонента, выполненного в виде двояковогнутой линзы, введение седьмого компонента, изготовленного из стекла с показателем преломления не более 1.48 и выполненного в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, выбор расстояний между третим и четвертым, а также между шестым и седьмым компонентами позволили увеличить поле зрения объектива, улучшить качество изображения объектива в широком спектральном интервале по всему полю зрения по сравнения с прототипом.

Источники информации

1. Объектив «Гелиос-ПА».Технические условия БЛ3.877.044ТУ, публикация 1973 г.

2. Евразийский патент №000569 В1, публикация 1999 г, МКИ G 02 B 13/16 (прототип).

Объектив содержит семь компонентов, первый из которых выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, второй - в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений и склеенного из плосковыпуклой и плосковогнутой линз, третий компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент содержит двояковыпуклую линзу, пятый компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, шестой компонент - в виде одиночной двояковыпуклой линзы. После шестого компонента введен седьмой компонент, содержащий одиночный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и выполненный из стекла с показателем преломления не более 1,48. Расстояние между третьим и четвертым компонентами составляет не менее 0,08 фокусного расстояния объектива, а расстояние между шестым и седьмым компонентами составляет не менее 0,36 фокусного расстояния объектива. Обеспечивается увеличение поля зрения, а также повышение качества изображения в широком спектральном диапазоне λ=540...900 нм за счет увеличения коэффициентов передачи модуляции по всему полю зрения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил, 1 табл.

1. Объектив, содержащий шесть компонентов, первый из которых выполнен в виде одиночной положительной линзы, второй - в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, шестой компонент - в виде одиночной двояковыпуклой линзы, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, положительный мениск второго компонента склеен из плосковыпуклой и плосковогнутой линз, третий компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, четвертый компонент содержит двояковыпуклую линзу, пятый компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы, расстояние между третьим и четвертым компонентами составляет не менее 0,08 фокусного расстояния объектива, после шестого компонента введен седьмой компонент, содержащий одиночный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений и выполненный из стекла с показателем преломления не более 1,48, причем расстояние между шестым и седьмым компонентами составляет не менее 0,36 фокусного расстояния объектива.2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что линзы второго компонента выполнены из стекол, разность коэффициентов линейного расширения которых составляет не более 2·10^-7 град^-1.