ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ВИДИМОЙ И БЛИЖНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2011 года по МПК G02B13/14 G02B9/60 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам для видимой и ближней ИК-области спектра, и может быть использовано совместно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОПами) в приборах ночного видения и в современных цифровых приборах, предназначенных для обнаружения и опознавания объектов наблюдения при пониженной освещенности.

Известен объектив для приборов ночного видения по патенту RU №2218585, МПК G02B 13/14, 9/60, 2003 г., содержащий установленные по ходу луча два компонента, первый из которых включает положительную двухлинзовую склейку, положительный одиночный мениск и отрицательную двухлинзовую склейку, а второй компонент выполнен в виде двух менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, и параллельной пластины. Показатели преломления материалов для линз объектива превышают 1,65. Основным недостатком известного объектива является большое количество линз и большая номенклатура используемых марок стекол.

Наиболее близким к заявляемому объективу по технической сущности (прототипом) является объектив для ближней ИК-области спектра, выполненный в виде установленных по ходу луча двух компонентов, первый из которых состоит из одиночной положительной плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к предмету, склейки из положительной двояковыпуклой и отрицательной двояковогнутой линзы, обращенной выпуклостью к предмету, и плосковогнутой линзы, обращенной вогнутостью к изображению. Второй компонент включает плосковыпуклую линзу и мениск, обращенные выпуклостями к предмету [RU №2276799, МПК G02B 13/14, 9/60, 2004 г.].

Таким образом, прототип имеет 5 элементов, среди которых одна склейка. Этот объектив имеет по отношению к первому аналогу меньшее количество элементов и меньшую номенклатуру стекол. Недостатком прототипа является недостаточный угол зрения, невысокое качество изображения, обусловленное низким светопропусканием, падением освещенности изображения при переходе от центра к краю поля зрения и низким значением коэффициентов передачи модуляции, а также низкий спектральный диапазон.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, увеличение угла поля зрения, повышение качества изображения за счет улучшения светопропускания, уменьшения виньетирования и увеличения коэффициента передачи модуляции, расширение рабочего спектрального диапазона объектива.

Поставленная задача достигается тем, что в объективе для видимой и ближней ИК-области спектра, содержащем установленные последовательно на оптической оси первый компонент, включающий три элемента, и второй компонент, в первом компоненте первый элемент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, обращенной более выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй элемент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, а третий элемент выполнен в виде отрицательной двояковогнутой линзы, обращенной более пологой поверхностью к пространству предметов, второй компонент выполнен в виде несимметричной двояковыпуклой линзы 4, обращенной более пологой поверхностью к пространству изображений, и в объектив введен третий компонент, выполненный в виде отрицательной плоскоковогнутой линзы, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений. Линзы первого и второго элементов первого компонента и линза второго компонента выполнены из стекла с показателем преломления, не превышающим 1,65, третья линза первого компонента выполнена из стекла с показателем преломления не менее 1,8, а линза третьего компонента выполнена из стекла с показателем преломления, равным примерно 1,5. Апертурная диафрагма расположена на вогнутой поверхности третьего элемента первого компонента.

Еще одной особенностью заявляемого объектива является то, что второй компонент установлен с возможностью его перемещения вдоль оптической оси для осуществления внутренней настройки на точное расстояние до объекта.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

на фиг.1 изображена оптическая схема заявляемого объектива,

на фиг.2 - график кривизны,

на фиг.3 - график дисторсии,

на фиг.4 - график продольной сферической аберрации,

на фиг.5, 6, 7 представлены графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива при дистанции до объекта ∞, 10 м и 5 м соответственно.

На фиг.2 кривые представлены для длин волн: 486 нм, 656 нм и 852 нм, а на фиг.4 - для длин волн 486 нм, 588 нм и 852 нм. При этом кривые для длины волны 486 им показаны пунктирной линией, кривые для длины волны 656 нм и 588 нм показаны сплошной линией, кривые для длины волны 852 нм показаны штрих-пунктирной линией. Буквы М и S на фиг.2, 5, 6, 7 указывают на меридиональное (М) и саггитальное (S) сечение. На фиг.5, 6, 7 кривые представлены для длин волн: 486-852 нм.

Объектив для видимой и ближней ИК-области спектра (фиг.1) содержит три компонента. Первый компонент включает три оптических элемента, первый из которых по ходу луча выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы 1, обращенной более выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй - в виде положительного мениска 2, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, и третий - в виде отрицательной двояковогнутой линзы 3, обращенной более пологой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент выполнен в виде несимметричной двояковыпуклой линзы 4, обращенной более пологой поверхностью к пространству изображений. Этот компонент установлен с возможностью его перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент выполнен в виде отрицательной плосковогнутой линзы 5, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений.

Линзы 1, 2 и 4 выполнены из стекла с показателем преломления, не превышающим 1,65. Линза 3 выполнена из стекла с показателем преломления не менее 1,8, линза 5 выполнена из стекла с показателем преломления, равным примерно 1,5. Упомянутые компоненты размещены так, что апертурная диафрагма расположена на вогнутой поверхности линзы 3 первого компонента.

Таким образом, заявляемый объектив, хотя и содержит, как и прототип, пять элементов, в нем отсутствует склеенная линза. Все используемые элементы являются одиночными линзами. Это ведет к упрощению конструкции объектива и определяет достаточно высокий коэффициент светопропускания.

Кроме того, второй компонент в виде положительной двояковыпуклой линзы 4 в заявляемой конструкции объектива способен выполнять функцию фокусирующего и компенсирующего элемента одновременно и, следовательно, способен обеспечить во всем диапазоне дистанций до объекта (от ∞ до 5 м) внутреннюю настройку объектива на точное расстояние до объекта, при которой изображение объекта будет наиболее четким и резким.

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан вариант объектива для фокусного расстояния f=80 мм, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 Поверхность Радиус Толщина Стекло Диаметр Объект ∞ ∞ Nd Vd   1 64.9 10 1.623 58.2 54.7 2 -379.6 0.3     53.3 3 46.85 8 1.623 58.2 46.3 4 210.8 2.26     43.3 5 -651.6 4 1.805 25.4 41.9 6 52.12 3.24     36.5 Апертурная диафрагма ∞ 37.32     36.5 8 61.03 5 1.623 58.2 23.5 9 -91.22 13.65     22.8 10 -26.14 3 1.516 64.1 18.1 11 ∞ 7.78     18.1 Плоскость изображения ∞       18.3

Объектив работает следующим образом. Свет от предмета, расположенного на большом расстоянии от первого элемента, преломляясь, проходит через элементы 1, 2, 3, 4, 5 и формирует в фокальной плоскости объектива изображение предмета.

Внутренняя настройка объектива на точное расстояние до объекта осуществляется путем подвижки второго компонента (линзы 4). Положение линзы 4 при настройке на расстояния до объекта ∞, 10 м и 5 м приведены в таблице 2.

Таблица 2 Дистанция ∞ 10 м 5 м d7 37,32 36,92 36,34 d9 13,71 14,11 14,69

В этой таблице: d7 - расстояния между поверхностями линз 3 и 4, а d9 - расстояния между поверхностями линз 4 и 5.

Предлагаемый объектив имеет угол поля зрения 2ω=13°, дисторсию - менее 1%, относительное отверстие 1:1.6. Полная длина объектива составляет примерно 1,2 f. Объектив обеспечивает высокое качество изображения, что подтверждается частотно-контрастной характеристикой, представленной на фиг.5, 6, 7. Из этих графиков следует, что объектив имеет высокий коэффициент передачи модуляции на частотах до 100 мм^-1 по всему полю зрения, что определяет его высокое разрешение, которое наряду с отсутствием виньетирования обеспечивает одинаково ровное качество изображения по всему полю зрения. При этом значительно расширен рабочий спектральный диапазон (486…852 нм против 660…920 нм у прототипа). Из представленных графиков следует также, что заявляемый объектив имеет более низкую по отношению к прототипу дисторсию (менее 1% вместо 2% в прототипе). Кроме того, в объективе, выполненном в соответствии с изобретением, по сравнению с прототипом, увеличены угол поля зрения (2ω=13°, в прототипе 2ω=9°) и относительное отверстие (1:1,6 вместо 1:2 в прототипе).

Известно, что для объективов, работающих с ЭОПами, параметрами, характеризующими качество изображения, являются широкая область спектра (от 500 до 900 нм), большое относительное отверстие, высокое значение коэффициента передачи модуляции на частоте, определяемой чувствительностью ЭОПа. Заявляемый объектив отвечает этим требованиям.

В то же время высокое разрешение позволяет использовать заявляемый объектив в современных цифровых приборах на базе CCD, у которых размер пикселя <10 um. Прототип для этих целей не может быть применен.

Простота (всего 5 линз и только одна из них в форме мениска и одна линза из флинтового стекла с показателем преломления >1,8 против двух флинтовых линз у прототипа) обеспечивает более легкую и дешевую конструкцию объектива при лучшем светопропускании.

Еще одним преимуществом заявляемого объектива является возможность внутренней фокусировки на точное расстояние до объекта на дистанции от 5 м до ∞. В прототипе такая фокусировка (одним компонентом) заведомо приведет к неприемлемому ухудшению качества изображения.

Объектив содержит три компонента. Первый включает по ходу луча двояковыпуклую линзу 1, обращенную более выпуклой поверхностью к пространству предметов, положительный мениск 2, обращенный выпуклой поверхностью к пространству предметов, и двояковогнутую линзу 3, обращенную более пологой поверхностью к пространству предметов. Второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы 4, обращенной более пологой поверхностью к пространству изображений. Третий - в виде плосковогнутой линзы 5, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений. Показатель преломления линз 1, 2 и 4 не превышает 1,65, линзы 3 - не менее 1,8, линзы 5 - равен примерно 1,5. Апертурная диафрагма расположена на вогнутой поверхности третьей линзы первого компонента. Второй компонент может быть установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Технический результат - упрощение конструкции, увеличение угла поля зрения, повышение качества изображения за счет улучшения светопропускания, уменьшения виньетирования и увеличения коэффициента передачи модуляции, расширение рабочего спектрального диапазона объектива. 1 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.

1. Объектив для видимой и ближней ИК-области спектра, содержащий установленные последовательно на оптической оси первый компонент, включающий три элемента, и второй компонент, отличающийся тем, что в первом компоненте первый элемент выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, обращенной более выпуклой поверхностью к пространству предметов, второй элемент выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к пространству предметов, а третий элемент выполнен в виде отрицательной двояковогнутой линзы, обращенной более пологой поверхностью к пространству предметов, второй компонент выполнен в виде несимметричной двояковыпуклой линзы, обращенной более пологой поверхностью к пространству изображений, и в объектив введен третий компонент, выполненный в виде отрицательной плосковогнутой линзы, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений, причем линзы первого и второго элементов первого компонента и линза второго компонента выполнены из стекла с показателем преломления, не превышающим 1,65, третья линза первого компонента выполнена из стекла с показателем преломления не менее 1,8, линза третьего компонента выполнена из стекла с показателем преломления, равным примерно 1,5, при этом апертурная диафрагма объектива расположена на вогнутой поверхности третьего элемента первого компонента.

2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси для осуществления внутренней фокусировки объектива.