ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2015 года по МПК G02B5/20 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, конкретно к оптическим фильтрам, и может быть использовано в проекционных объективах, объективах, формирующих изображение объектов, находящихся на конечном расстоянии, например, для дискретного уменьшения количества света, попадающего в устройства переноса изображения, формируемого рентгеновским электронно-оптическим преобразователем (РЭОП) или другим электронно-оптическим преобразователем (ЭОП), на ПЗС-матрицу.

Также изобретение может использоваться для изготовления фильтров низких пространственных частот.

Известен нейтральный светофильтр (JP 20110250157 20111115; JP 20120229093 20121016), выполненный из оптически прозрачного материала в виде плоскопараллельного диска, на одной из плоскостей которого нанесено покрытие, отражающее или поглощающее излучение. Причем покрытие выполнено таким образом, что для каждой точки фильтра коэффициент отражения или пропускания зависит не от величины радиусов-векторов, исходящих из центра окружности образующей одну из поверхностей диска, а от угловой координаты этого радиуса в плоскости диска. Такой фильтр для решения задачи заявки может быть использован следующим образом: поместить фильтр в плоскость апертурной диафрагмы объектива, произвести перефокусировку объектива или пересчет оптической системы с целью компенсации введения дополнительного оптического элемента и, осуществляя вращение фильтра вокруг центра окружности, образующей его диск, получить требуемые значения уменьшения освещенности. Недостатками данной конструкции являются:

- невозможность совместить одновременное использование ирисовой апертурной диафрагмы и фильтра без нарушения симметрии светораспределения в изображении,

- необходимость изменения конструкции объектива для обеспечения установки фильтра.

Известен оптический фильтрующий элемент US 2005163501 (А1) - 2005-07-28), устанавливаемый в плоскости апертурной диафрагмы и выполненный из двух: нейтрального светофильтра и оптически непрозрачной пластины, имеющих сложную геометрическую форму и имеющих возможность вращения и перемещения друг относительно друга. Такой оптический фильтрующий элемент для решения задачи заявки может быть использован если, одновременно, выполнено следующее условие:

в месте расположения апертурной диафрагмы в объективе апертурные лучи не имеют наклона к оптической оси. В этом случае введение и выведение оптического фильтрующего элемента не потребует перефокусировки объектива.

Недостатками данной конструкции являются:

- невозможность совместить одновременное использование ирисовой апертурной диафрагмы и оптического фильтрующего элемента без нарушения симметрии светораспределения в изображении,

- необходимость изменения конструкции объектива для обеспечения установки оптического фильтрующего элемента.

Известна конструкция оптического фильтрующего элемента низких пространственных частот (JP 2002006127 (А) - 2002-01-09). Этот оптический фильтрующий элемент конструктивно исполнен в виде линзы, устанавливаемой вблизи дискретного приемника изображения, например ПЗС-матрицы. Причем линза имеет в себе или на своих радиусах периодическую структуру, шаг и вид которых определяется пространственно-частотными характеристиками приемника изображения. Недостатками такой конструкции являются: высокие требования к качеству материала линзы (пузырность, свильность, включения) и высокие требования к качеству полированных поверхностей линзы (царапины, выколки), и тем выше, чем выше задняя апертура объектива и меньше размер пикселя приемника изображения, с которыми будет использоваться оптический фильтрующий элемент. Также такой оптический фильтрующий элемент будет значительно влиять на аберрации объектива, что будет требовать аберрационного расчета для каждого конкретного объектива, или оптический фильтрующий элемент будет использоваться с несветосильными объективами.

В качестве наиболее близкого аналога выбрана конструкция по патенту на изобретение (ЕР 2511761 (А2) - 2012-10-17), содержащая оптический элемент - нейтральный светофильтр, выполненный в виде линзы с положительной преломляющей силой и расположенный в ходе лучей между объективом и изображением. Благодаря формулам, содержащимся в описании и, исходя из известных характеристик объектива, в заднем отрезке которого будет размещаться оптический фильтрующий элемент, можно заранее рассчитать оптические характеристики светофильтра (радиус поверхности). Эта конструкция может использоваться с любым объективом, обладающим величиной заднего отрезка, достаточной для размещения конструкции. Преимуществами наиболее близкого аналога являются: возможность использования конструкции светофильтра без вмешательства в конструкцию объектива, возможность введения и выведения оптического фильтрующего элемента из хода лучей без перефокусировки объектива, т.е. с сохранением качества изображения. Однако недостатками такой конструкции являются: высокие требования к качеству материала линзы (пузырность, свильность, включения) и высокие требования к качеству полированных поверхностей линзы (царапины, выколки), и тем выше, чем выше задняя апертура объектива и выше пространственная частота изображения. Также такой оптический фильтрующий элемент будет значительно влиять на аберрации объектива, что будет требовать аберрационного расчета для каждого конкретного объектива или оптический фильтрующий элемент будет использоваться с несветосильными объективами.

Задачей настоящего изобретения является разработка оптического фильтрующего элемента, обладающего следующими качествами:

- возможность использования конструкции оптического фильтрующего элемента без вмешательства в конструкцию объектива,

- возможность введения и выведения оптического фильтрующего элемента из хода лучей без перефокусировки объектива,

- работоспособность с линзами невысокого качества имеющими (пузырность, свильность, включения), а также царапины или выколки на поверхности,

- универсальность, обеспечение возможности использования с различными объективами без необходимости проведения аберрационного расчета.

Раскрытие изобретения

Технический результат в заявляемом оптическом фильтрующем элементе, обладающий положительной оптической преломляющей силой и заданными параметрами, имеющем два положения: введен или выведен из хода излучения, ДОСТИГАЕТСЯ тем, что оптический фильтрующий элемент выполнен с возможностью расположения как между объективом и изображением, так и между объектом и объективом без изменения его фокусного расстояния, которое рассчитано по формуле

f′_F=(S+d)·(S+d-δ)/δ,

где S - расстояние по оптической оси между объектом или изображением и оптическим фильтрующим элементом;

d - толщина оптического фильтрующего элемента по оптической оси,

а величина δ рассчитывается по формуле

δ=d·(n-1)/n,

где n - показатель преломления материала оптического фильтрующего элемента для основной длины волны рабочего спектрального диапазона.

Достигаемыми техническими результатами заявляемого оптического фильтрующего элемента являются:

- универсальность установки одного и того же оптического фильтрующего элемента как между объективом и изображением, так и между объектом и объективом. Возможность размещения оптического фильтрующего элемента в ходе лучей без вмешательства в конструкцию объектива, благодаря его установке в большем переднем или заднем рабочем отрезке объектива,

- универсальность установки оптического фильтрующего элемента в любой объектив, если позволяют конструктивные особенности фильтра (толщина, диаметр) и характеристики объектива (поле зрения, величина переднего или заднего рабочего отрезка, рабочий спектральный диапазон),

- малое влияние на качество изображения (аберрации, светорассеяние) и возможность использования со светосильными объективами, благодаря возможности установки элемента в рабочем отрезке с малыми апертурами и его большими значениями фокусных расстояний,

- возможность одновременного или поочередного использования оптического фильтрующего элемента и ирисовой (другой) диафрагмы без дополнительных фокусировок объектива,

- в случае выполнения оптического фильтрующего элемента нейтральным обеспечена возможность изменять распределение освещенности по плоскости изображения благодаря положительной преломляющей силе оптического фильтрующего элемента, его разной толщине в центре на краю и, следовательно, разной величине его светопропускания по высоте,

- возможность использования оптического фильтрующего элемента в качестве спектрального, частотно-пространственного,

- возможность создания несимметрии в изображении, формируемом объективом без нарушения его аберрационного качества, благодаря наложению на это изображение свойств заданных элементом и при размещении его близко к объекту или изображению.

Перечень поясняющих чертежей

Сущность изобретения и возможность его промышленного применения поясняется примерами конкретного выполнения, которые показаны на фиг.1-6.

На фиг.1 показана принципиальная оптическая схема проекционного объектива (описан в патенте РФ №2473932) с применением заявляемого оптического фильтрующего элемента для двух вариантов места установки фильтра - между объектом и объективом и между объективом и изображением.

На фиг.2 показана принципиальная оптическая схема примера конкретной реализации оптического фильтрующего элемента с объективом (объектив описан в патенте РФ №2433433).

На фиг.3 - графики относительной освещенности изображения в зависимости от размера предмета для примера конкретной реализации без использования оптического фильтрующего элемента и с использованием оптического фильтрующего элемента

На фиг.4 - графики изменения освещенности в центре поля зрения объектива в зависимости от диаметра апертурной диафрагмы изображения для примера конкретной реализации с использованием оптического фильтрующего элемента и без него.

На фиг.5 - графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива, примененного для примера конкретной реализации без оптического фильтрующего элемента.

На фиг.6 - графики ЧКХ объектива, примененного для примера конкретной реализации с введенным в ход лучей оптическим фильтрующим элементом.

Подробное описание изобретения

Как показано на фиг.1 по ходу оптического излучения от объекта 1 к изображению 5 оптический фильтрующий элемент 2 выполнен в виде плоско-выпуклой линзы, и может быть расположен между объектом 1 и объективом 3, содержащим апертурную диафрагму 4, или между объективом 3 и изображением 5. Оптическому фильтрующему элементу могут быть заданы различные параметры, например следующие: пропускание оптического излучения, зависящее от координаты оптических лучей на входной или выходной поверхности элемента, неравномерное осесимметричное, неравномерное неосесимметричное; пропускание с наложением на изображение периодической или другой структуры, например решетки, рисунка - для случая расположения фильтра близко к объекту; равномерное или неравномерное спектральное пропускание излучения.

На фиг.2 показана принципиальная оптическая схема примера конкретной реализации оптического фильтрующего элемента 2 с проекционным объективом 3. Оптический фильтрующий элемент 2 установлен между объектом 1 и апертурной диафрагмой (входным зрачком) 4 объектива 3 на расстоянии S от объекта 1, равном 10.5 мм, и выполнен в виде плоско-выпуклой линзы с фокусным расстоянием f′_F 232.4 мм, обращенной выпуклостью к изображению, имеющей показатель преломления n=1.5163 для длины волны 0.589 мкм, материалом которой является нейтральное стекло с поглощением излучения 50% при толщине d=1.9 мм.

На фиг.3 для примера конкретной реализации представлены графики относительной освещенности изображения EY/E0 (отношение величины освещенности в любой точке изображения к освещенности в центре изображения) в зависимости от размера предмета Y для объектива без использования оптического фильтрующего элемента (Nominal) и с использованием нейтрального стекла в качестве материала оптического фильтрующего элемента (ND filter). Из графиков видно, что для объектива 3 без оптического фильтрующего элемента 2 разница освещенности изображения для центра поля зрения Y=0 мм и для края поля зрения Y=12.5 мм составляет 1.0-0.75=0.25, а для тех же полей при введенном в ход лучей оптическом фильтрующем элементе разница составляет 1.0-0.94=0.06, что говорит о внесении в объектив свойства равномерности распределения освещенности.

На фиг.4, для примера конкретной реализации, представлены графики изменения освещенности изображения Е/Emax в центре поля зрения объектива в зависимости от диаметра апертурной диафрагмы А-stop. На графике представлены две кривых: ND - для объектива с использованием оптического фильтрующего элемента и AD - без него. Из графиков видно, что одновременное использовании изменяемой апертурной диафрагмы и оптического фильтрующего элемента, позволяет достигать больших изменений освещенности при малых изменениях диаметра диафрагмы, что снижает требования к приводам управления диафрагмой, а также медленнее приближает теоретический предел разрешения объектива в соответствии с известной формулой для вычисления радиуса Эйри (disc Airy)

R=1.22·λ·f/D.

На фиг.5 и фиг.6 для примера конкретной реализации представлены графики частотно-контрастных характеристик изображения соответственно для объектива без фильтрующего оптического элемента и с введенным в передний рабочий отрезок фильтрующим оптическим элементом. Из графиков видно, что для выбранного местоположения S фильтрующего оптического элемента введение и выведение его из хода излучения вызывает незначительное изменение ЧКХ, а именно: при введении оптического фильтрующего элемента абсолютные значения модуляции на пространственной частоте 55 пар линий/мм для центра поля зрения не изменяются, а для края поля зрения изменяются на 0.05 от исходного коэффициента контраста, составляющего для меридионального сечения 0.88 и для сагиттального 0.59.

В зависимости от решаемых задач способы применения оптического фильтрующего элемента могут быть следующими:

- элемент постоянно находится в ходе лучей;

- элемент используется в двух состояниях: периодически вводится и выводится из хода излучения.

Принцип работы, когда оптический фильтрующий элемент введен в ход излучения, поясняется примером конкретной реализации и фиг.2. Излучение от объекта 1 к изображению 5 проходит и преломляется оптическим фильтрующим элементом 2, имеющим вдоль оптической оси толщину материала d, выполненным в данном случае в виде плоско-выпуклой линзы установленной в переднем рабочем отрезке объектива 3 на расстоянии S от объекта, далее излучение проходит апертурную диафрагму 4 объектива 3, причем диаметр апертурной диафрагмы 4 может изменяться, например, с помощью ирисовой диафрагмы, что влияет на величину освещенности изображения, затем проходит через линзы объектива 3 и фокусируется в изображение 5, а благодаря положительной преломляющей силе оптического фильтрующего элемента 2, фокусное расстояние которого рассчитано по формулам заявки, причем введение или выведение его из хода лучей не влияет на фокусировки и качество изображения объектива.

Методика применения оптического фильтрующего элемента следующая.

Средний специалист по расчету оптических систем в соответствии с поставленной перед ним задачей для расчета фокусного расстояния оптического фильтрующего элемента выбирает место положения (дистанция S), толщину d и тип материала фильтра с соответствующим показателем преломления n. 3атем с помощью формул, приведенных в описании, рассчитывает фокусное расстояние фильтра. Далее с помощью любой оптической программы для анализа аберраций определяет наилучшие радиусы кривизны линзы фильтра при условии обеспечения расчетного фокусного расстояния оптического фильтрующего элемента с учетом его местоположения относительно объекта.

Заявляется оптический фильтрующий элемент, в котором достигнут новый технический результат: обеспечена возможность использования его без корректировок конструкции объектива, с которым он будет использоваться, и без ухудшения качества изображения.

Оптический фильтрующий элемент обладает положительной оптической преломляющей силой и имеет два положения: введен или выведен из хода излучения, фильтрующий элемент выполнен с возможностью расположения как между объективом и изображением, так и между объектом и объективом без изменения его фокусного расстояния. Фокусное расстояние фильтрующего элемента определяется по формуле f′_F=(S+d)·(S+d-δ)/δ, где S - расстояние по оптической оси между объектом или изображением и оптическим фильтрующим элементом; d - толщина оптического фильтрующего элемента по оптической оси, а величина δ рассчитывается по формуле δ=d·(n-1)/n, где n - показатель преломления материала оптического фильтрующего элемента для основной длины волны рабочего спектрального диапазона. Технический результат - возможность установки одного и того же фильтрующего элемента как между объективом и изображением, так и между объектом и объективом без нарушения конструкции объектива при сохранении качества изображения. 6 ил.

Оптический фильтрующий элемент, обладающий положительной оптической преломляющей силой и заданными параметрами, имеющий два положения: введен или выведен из хода излучения, отличающийся тем, что оптический фильтрующий элемент выполнен с возможностью расположения как между объективом и изображением, так и между объектом и объективом без изменения его фокусного расстояния, которое рассчитано по формуле
f′_F=(S+d)·(S+d-δ)/δ,
где S - расстояние по оптической оси между объектом или изображением и оптическим фильтрующим элементом;
d - толщина оптического фильтрующего элемента по оптической оси,
а величина δ рассчитывается по формуле
δ=d·(n-1)/n,
где n - показатель преломления материала оптического фильтрующего элемента для основной длины волны рабочего спектрального диапазона.