ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G02B9/34 G02B13/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в приборах ночного видения с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП), в частности с ЭОП нулевого поколения, имеющими катод сферической формы. Рынок приборов ночного видения в последние десятилетия получил стремительное развитие, причем спрос повысился как на приборы ночного видения военного назначения, работающие с ЭОП второго и третьего поколений, так и на гражданские приборы, к которым относятся не только любительские приборы нулевого и первого поколений, но и военные системы, адаптированные для нужд служб спасения, для обеспечения сотрудников правоохранительной системы и охраны, также относящиеся к приборам нулевого поколения. Значительным по количеству выпускаемых изделий является рынок приборов ночного видения, работающих совместно с ЭОП нулевого поколения, имеющими катод сферической формы. Возможность применения ЭОП нулевого поколения, имеющих катод сферической формы, была весьма ограничена из-за расфокусировки в точках, удаленных от центра катода. Эта задача была в принципе решена за счет применения объективов, имеющих кривизну изображения, совпадающую с кривизной катода, но при этом оптика получается сложной, состоящей из большого количества элементов. Применение же более простых объективов приводит к большим искажениям по краям изображения, обусловленным значительной кривизной поля зрения. Так, известен объектив для приборов ночного видения по патенту RU №2218585, МПК G02B 13/14, 9/60, 2003 г., содержащий установленные по ходу луча положительную двухлинзовую склейку, положительный одиночный мениск, отрицательную двухлинзовую склейку и два мениска, обращенных выпуклостями друг к другу.

Этот линзовый объектив успешно может быть использован совместно с ЭОП второго и третьего поколений, однако его применение совместно с ЭОП нулевого поколения, имеющими катод сферической формы, не обеспечивает высокого качества изображения, поскольку дает четкое изображение только в центре, с искажением и меньшим разрешением по краям из-за значительной кривизны поля зрения. Таким образом, недостатком известного объектива при использовании совместно с ЭОП нулевого поколения, имеющими катод сферической формы, является низкое качество изображения.

Другой недостаток известного объектива - большое количество линз и большая номенклатура используемых марок стекол. Этот недостаток является также существенным, поскольку в основном именно на использовании ЭОП нулевого поколения, имеющих катод сферической формы, строится сегмент рынка носимых и переносных приборов ночного видения.

Наиболее близким к заявляемому объективу по технической сущности (прототипом) является объектив для приборов ночного видения, выполненный в виде установленных по ходу луча пяти элементов, первый из которых выполнен в виде одиночной положительной плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к предмету, второй - в виде склейки из положительной двояковыпуклой и отрицательной двояковогнутой линз, обращенной выпуклостью к предмету, а третий представляет собой плосковогнутую линзу, обращенную вогнутостью к изображению, четвертый и пятый - плосковыпуклую линзу и мениск соответственно, обращенные выпуклостями к предмету [RU №2276799, МПК G02B 13/14, 9/60, 2004 г.].

Этот линзовый объектив имеет по отношению к первому аналогу меньшее количество элементов и меньшую номенклатуру стекол, однако качество изображения при работе с ЭОП нулевого поколения, имеющими катод сферической формы, остается низким по причинам, указанным выше при описании объектива по патенту RU №2218585.

Таким образом, задачей изобретения является создание объектива для приборов ночного видения, который обеспечивает высокое качество изображения при совместной работы с ЭОП нулевого поколения, имеющими катод сферической формы, и который имеет при этом малое количество элементов.

Поставленная задача достигается тем, что в объективе для приборов ночного видения, содержащем установленные по ходу луча первый элемент в виде одиночной положительной плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к предмету, второй элемент в виде склейки из положительной двояковыпуклой и отрицательной двояковогнутой линз, обращенной выпуклостью к предмету, третий элемент выполнен в виде одиночного положительного мениска, выпуклой поверхностью положительной линзы обращенного к предмету, а четвертый - в виде симметричной двояковогнутой линзы. Таким образом, объектив содержит всего четыре элемента.

Сущность изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена оптическая схема линзового объектива прибора ночного видения;

на фиг.2 - график частотно-контрастной характеристики (ЧКХ);

на фиг.3 - графики лучевых аберраций, при этом на фиг.3а даны графики лучевых аберраций для осевого пучка лучей (ω=0°), а на фиг.3б и 3в - для внеосевых пучков лучей двух наклонов (ω=4,5° и ω=6,5° соответственно);

на фиг.4 - график кривизны и астигматизма;

на фиг.5 - график дисторсии;

на фиг.6 - график продольного хроматизма.

Объектив для прибора ночного видения (фиг.1) содержит четыре оптических элемента, первый из которых по ходу луча выполнен в виде одиночной положительной плосковыпуклой линзы 1, обращенной выпуклостью к предмету, второй - в виде склейки 2 из положительной двояковыпуклой и отрицательной двояковогнутой линз, обращенной выпуклостью к предмету, третий элемент выполнен в виде одиночного положительного мениска 3, выпуклой стороной обращенного к предмету, четвертый - в виде симметричной двояковогнутой линзы 4.

Оптические силы элементов объектива связаны следующими соотношениями:

φ₁=(0,2÷0,4)φ₀; φ₂=(0,3÷0,6)φ₀; φ₃=-(0,7÷1,4)φ₀; φ₄=-(3÷6)φ₀,

где φ₀ - оптическая сила объектива;

φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ - оптические силы элементов объектива.

Оптические силы линз второго элемента 2 объектива связаны следующими соотношениями:

φ₂₁=(1,5÷4)φ₂; φ₂₂=-(1.5÷3,5)φ₂,

где φ₂ - оптическая сила второго элемента 2 объектива;

φ₂₁, φ₂₂ - оптические силы линз второго элемента 2 объектива.

При этом радиусы кривизны поверхности третьего элемента 3, обращенной к четвертому элементу 4, и поверхностей четвертого элемента 4 находятся в следующей зависимости:

R₇=-R₈=R₉.

Объектив работает следующим образом. Свет от предмета, расположенного на большом расстоянии от первого элемента, преломляясь, проходит через элементы 1, 2, 3, 4 и формирует в фокальной плоскости объектива изображение предмета.

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан вариант объектива для фокусного расстояния f=70 мм и входной апертуры D=50 мм, конструктивные параметры которого приведены в таблице.

Поверхность Радиус Толщина Марка стекла Диаметр STO 119.12 6 BK8 52 2 ∞ 0.4   52 3 44.06 12 TK14 50 4 -248.9 4.5 TF10 50 5 93.76 55.1   44 6 18.196 12 TK14 16 7 23.01 2.2   14 8 -23.01 3 BF27 14 9 23.01 0.3   15 10 30 1.2 LK3 15 11 30     16

Объектив имеет угловое поле зрения 2ω=13°, относительное отверстие 1:1.4, и высокое качество изображения, что подтверждается графиками, представленными на фиг.2-6.

На всех упомянутых графиках кривые представлены для четырех длин волн - 0,486; 0,587; 0,656; 0,852 мкм, при этом кривые для длины волны 0,486 мкм показаны сплошной линией, для 0,587 мкм - коротким пунктиром, 0,656 мкм - длинным пунктиром, 0,852 мкм - штрихпунктирной линией. Диапазон шкал по осям ординат соответствует входящему диаметру объектива.

Как видно из графиков, объектив, выполненный в соответствии с изобретением, характеризуется следующими параметрами:

- хроматическая аберрация не превышает 0,02 мм во всем диапазоне спектра и поля зрения (фиг.6);

- сферическая аберрация на зоне зрачка m=0,707 ΔS′<0,025 мм (фиг.3);

- меридиональная кривизна ΔХ′m<0,05 мм (фиг.4);

- сагиттальная кривизна ΔX′s<0,05 мм (фиг.4);

- дисторсия <0,3% (фиг.5);

Полихроматический коэффициент передачи модуляции (КПМ) в изображении синусоидальной миры абсолютного контраста на пространственной частоте N=40 мм^-1 (фиг.2) в спектральном интервале длин волн от 486 до 852 нм составляет:

- для осевой точки предмета - от 0,3 до 0,4;

- для края поля:

- меридиональное сечение - от 0,17 до 0,2;

- сагиттальное сечение - от 0,17 до 0,2.

Как видно из конкретного примера воплощения изобретения, заявленный объектив имеет высокое качество изображения в области повышенных пространственных частот при работе совместно с ЭОП нулевого поколения, имеющим катод сферической формы.

Это стало возможным благодаря тому, что расчетная поверхность изображения объектива имеет сферическую форму, совпадающую с формой катода, и тем самым обеспечивается значительное уменьшение аберраций и в особенности устраняется кривизна поля зрения, а также обеспечивается получение высоких значений полихроматических частотно-контрастных характеристик с учетом спектральной эффективности фотокатода в области повышенных пространственных частот. При этом объектив согласно изобретению имеет относительно простую оптику, включающую всего 4 элемента (вместо 5 в прототипе) и меньшее количество линз (5 вместо 6 в прототипе).

Объектив может быть использован с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП), в частности с ЭОП нулевого поколения, имеющими катод сферической формы. Объектив содержит установленные по ходу луча первый элемент в виде одиночной плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к предмету, второй элемент, выполненный в виде склейки из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, обращенной выпуклостью к предмету, третий элемент в виде одиночного положительного мениска, выпуклой поверхностью обращенного к предмету, и четвертый элемент - в виде симметричной двояковогнутой линзы. Технический результат - повышение качества изображения в области повышенных пространственных частот при совместной работе с ЭОП нулевого поколения, имеющими катод сферической формы. 1 табл., 6 ил.

Объектив для приборов ночного видения, содержащий установленные по ходу луча первый элемент, выполненный в виде одиночной положительной плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к предмету, второй элемент, выполненный в виде склейки из положительной двояковыпуклой и отрицательной двояковогнутой линз, обращенной выпуклостью к предмету, а также третий и четвертый элементы, отличающийся тем, что третий элемент выполнен в виде одиночного положительного мениска, выпуклой поверхностью обращенного к предмету, а четвертый - в виде симметричной двояковогнутой линзы.