ПРОЕКЦИОННЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам приборов ночного видения (ПНВ), и может быть использовано в качестве объектива переноса изображения с экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОП) на ПЗС-матрицу.

Известны проекционные объективы, предназначенные для переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу или в переднюю фокальную плоскость окуляра, например [Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - с.105, рис.45а]. Объектив состоит из 9 компонентов, содержащих 12 линз, имеет числовую апертуру 0,4, линейное увеличение -1^х, линейное поле в пространстве предметов 13 мм, коэффициент пропускания 0,75. Данные о качестве изображения, даваемом объективом, не приводятся. Основным недостатком этого объектива является сложность конструкции и большая длина вдоль оптической оси между плоскостью экрана ЭОП и плоскостью светочувствительной площадки приемника излучения, а также малое линейное поле в пространстве предметов.

Известен также проекционный объектив [Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - с.107, табл.12, система Л46-83-189СКБ ТНВ], обеспечивающий линейное увеличение -0,5^х, линейное поле в пространстве предметов 23 мм, коэффициент пропускания 0,72, длину вдоль оптической оси 111 мм. Объектив обеспечивает на частоте 50 мм^-1 коэффициент передачи модуляции для осевой точки изображения, равный 0,48. Данные о частотно-контрастной характеристике (ЧКХ) для внеосевых точек не приводятся. Основным недостатком этого объектива является недостаточная величина коэффициента передачи модуляции на рабочих частотах современных приемников изображения, а также большая длина вдоль оптической оси между плоскостью экрана ЭОП и плоскостью светочувствительной площадки приемника излучения.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является проекционный светосильный телецентрический объектив [Патент РФ 2233462, публ. 2004 г., МКИ G02B 9/64], включающий первый и второй компоненты, выполненные в виде положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, третий компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, пятый компонент, выполненный в виде двояковыпуклой положительной линзы, шестой компонент, выполненный в виде одиночной положительной линзы, седьмой компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами. Относительные оптические силы φ компонентов 1-7 составляют соответственно φ₁=0,58; φ₂=0,73; φ₃=-0,86; φ₄=-0,76; φ₅=1,17; φ₆=1,03; φ₇=-0,35.

Объектив предназначен для переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу 2/3'', линейный размер которой по горизонту 6,4 мм, объектив имеет фокусное расстояние 21,3 мм, увеличение -0,48^х, числовую апертуру в пространстве предметов 0,13, длину вдоль оптической оси между плоскостью экрана ЭОП и плоскостью ПЗС-матрицы 66 мм. Числовая апертура объектива в пространстве равна 0,13/0,48=0,27. Для линз объектива использованы три марки стекла. Полихроматические коэффициенты передачи модуляции для пространственной частоты 60 мм^-1 составляют 0,84 и 0,6 соответственно на оси и для точки, расположенной на расстоянии 3,2 мм от оптической оси изображения. Значение функции концентрации энергии (ФКЭ) в изображении точки на квадратной площадке, равной пикселю ПЗС-матрицы размером 0,0085×0,0085 мм, не менее 90% в точке на оси и не менее 74% в точке, расположенной на расстоянии 3,2 мм от оптической оси изображения. В пространстве изображений обеспечивается телецентрический ход главных лучей.

Основными недостатками прототипа является неравномерное по полю качество изображения, нетехнологичность оптической системы из-за использования трех марок стекол. Имеет место снижение расчетного качества изображения при изменении линейного увеличения проекционного объектива в небольших пределах (например, ±(5÷10)% от номинального), необходимость которого возникает при юстировке масштаба изображения для достижения оптимального согласования работы всех элементов ПНВ. Кроме того, при указанном увеличении реализуется неполное использование размера изображения на экране ЭОП, что влечет за собой снижение поля зрения ПНВ.

Расчеты показывают, что при числовой апертуре в пространстве предметов, равной 0,13, светосильный проекционный телецентрический объектив обеспечивает значения коэффициентов передачи модуляции для частоты 60 мм^-1 для точки на оси 0,84, для точки изображения, имеющей координату 3,2 мм, 0,6, но для крайних точек поля с координатой 4 мм, соответствующей половине диаметра ПЗС-матрицы 2/3'', коэффициенты передачи модуляции падают до значений 0,3, что более, чем вдвое ниже, чем для точки на оси.

В соответствии с указанными в прототипе значениями параметров объектив оптически сопрягает с ПЗС-матрицей 2/3'' по горизонту линейный размер на экране, равный 13,3 мм (6,4/0,48=13,3 мм), по диагонали - 16,8 мм (8,1/0,48=16,8 мм, здесь 8,1 мм - величина диагонали ПЗС-матрицы 2/3''), оставляя вне ПЗС-матрицы часть изображения на экране ЭОП, имеющего диаметр 18 мм, что приводит к некоторому снижению поля зрения ПНВ, особенно по горизонтали. Для оптического сопряжения диаметра экрана с диагональю ПЗС-матрицы увеличение проекционного объектива должно составлять несколько меньшее по абсолютной величине значение, а именно: 8,1/18=0,45^х, а предельный случай - для сохранения максимального поля зрения по горизонтали соответственно 6,4/18=0,36^х.

При изменении линейного увеличения на ±10% от номинальной величины значения коэффициентов передачи контраста падают для точки на оси до 0,4-0,6, а для внеосевых точек - до 0,1, что свидетельствует об ухудшении качества изображения.

Анализируя параметры проекционного светосильного телецентрического объектива, можно отметить, что имеется некоторое несоответствие между такими заявленными характеристиками, как числовая апертура в пространстве предметов и относительное отверстие. Для приведенных значений конструктивных параметров и положения апертурной диафрагмы между третьим и четвертым компонентами входной зрачок располагается примерно на расстоянии 30-32 мм от первой поверхности. При этом диаметр входного зрачка получается равным 2·0,13·(18+32)=13 мм, а относительное отверстие получается 13:21,3=1:1,6, а не 1:1,2, как заявлено.

Задача изобретения - обеспечение равномерно высокого качества изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3'', повышение технологичности за счет сокращения числа марок стекол до двух и обеспечения возможности согласования масштаба изображения без потери качества изображения для достижения оптимального согласования работы всех элементов ПНВ.

Предложен проекционный светосильный телецентрический объектив, включающий первый и второй компоненты, выполненные в виде положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, третий компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, четвертый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, пятый компонент, выполненный в виде двояковыпуклой положительной линзы, шестой компонент, выполненный в виде одиночной положительной линзы, седьмой компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, апертурную диафрагму, расположенную между третьим и четвертым компонентами. Относительные оптические силы φ₃, φ₅, φ₆ и φ₇ третьего, пятого, шестого и седьмого компонентов составляют соответственно φ₃=-(0,82÷0,90); φ₅=(1,10÷1,30); φ₆=(0,88÷1,05); |φ₇|<0,35. Отрицательный мениск третьего компонента выполнен склеенным из положительной и отрицательной линз, шестой компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Седьмой компонент размещен по ходу лучей перед первым компонентом. Шестой и седьмой компоненты имеют малые подвижки вдоль оптической оси. Относительные оптические силы φ₁, φ₂, φ₄ первого, второго, четвертого компонентов составляют соответственно φ₁=0,60÷0,75; φ₂=0,80÷1,0; φ₄=-(0,65÷0,74), оптические силы положительной и отрицательной линз третьего компонента по абсолютной величине составляют соответственно (1,9÷2,4)|φ₃| и (3,7÷4,3)|φ₃|, расстояние вдоль оптической оси между седьмым и первым компонентом не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива. Первый, второй, пятый, шестой, седьмой компоненты, а также положительная линза третьего компонента и двояковыпуклая линза четвертого компонента выполнены из стекла одной марки, а отрицательные мениски третьего и четвертого компонентов выполнены из стекла другой марки, при этом показатели преломления n_e стекол менее 1,77, а отношение их коэффициентов основных средних дисперсий ν_e превышает 1,7.

Предлагаемый проекционный светосильный телецентрический объектив позволяет обеспечить более высокие технические характеристики: повысить качество изображения внеосевых точек и обеспечить равномерно высокое качества изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3'', повысить технологичность за счет сокращения числа марок стекол до двух и обеспечения возможности согласования масштаба изображения без потери качества изображения.

Более высокие технические характеристики предлагаемого проекционного светосильного телецентрического объектива обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:

- отрицательный мениск третьего компонента выполнен склеенным из положительной и отрицательной линз, при этом оптические силы положительной и отрицательной линз третьего компонента по абсолютной величине составляют соответственно (1,9÷2,4)|φ₃| и (3,7÷4,3)|φ₃|,

- шестой компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений,

- седьмой компонент размещен по ходу лучей перед первым компонентом, при этом расстояние вдоль оптической оси между седьмым и первым компонентом не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива,

- шестой и седьмой компоненты имеют незначительные подвижки вдоль оптической оси;

- относительные оптические силы φ₁, φ₂, φ₄ первого, второго, четвертого компонентов составляют соответственно

φ₁=0,60÷0,75; φ₂=0,80÷1,0; φ₄=-(0,65÷0,74);

- первый, второй, пятый, шестой, седьмой компоненты, а также положительная линза третьего компонента и двояковыпуклая линза четвертого компонента выполнены из стекла одной марки, а отрицательные мениски третьего и четвертого компонентов выполнены из стекла другой марки, при этом показатели преломления n_e стекол менее 1,77, а отношение их коэффициентов основных средних дисперсий ν_e превышает 1,7.

Выполнение отрицательного мениска третьего компонента склеенным из положительной и отрицательной линз с указанным выше соотношением оптических сил позволяет улучшить в проекционном светосильном телецентрическом объективе ахроматическую коррекцию в спектральном диапазоне, соответствующем спектральной характеристике излучения люминофора экрана ЭОП, уменьшить величину хроматизма увеличения и повысить качество изображения внеосевых точек.

Выполнение шестого компонента в виде положительного мениска, ориентированного вогнутой поверхностью к пространству изображений, позволяет уменьшить углы падения лучей внеосевых пучков на преломляющих поверхностях одного из силовых компонентов оптической системы проекционного светосильного телецентрического объектива и улучшить коррекцию аберраций широких наклонных пучков лучей.

Размещение седьмого компонента по ходу лучей перед первым компонентом на расстоянии вдоль оптической оси между ними не более 0,15 фокусного расстояния объектива, а также незначительные подвижки вдоль оптической оси шестого и седьмого компонентов позволяют обеспечить возможность согласования масштаба изображения при сохранении высокого качества изображения в пределах всего поля.

Выполнение компонентов в соответствии с предложенными соотношениями оптических сил, взаимным расположением, формами выполнения линз и ориентацией последних одновременно с использованием двух марок стекол с указанными значениями показателей преломления и коэффициентов дисперсий, соответствующими широко используемым в практике оптического приборостроения оптическим материалам, - в совокупности позволяют достичь следующий технический результат: повысить качество изображения внеосевых точек и обеспечить равномерно высокое качества изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3'', повысить технологичность за счет сокращения числа марок стекол до двух и обеспечения возможности согласования масштаба изображения при сохранении высокого качества изображения и светосилы.

Авторам не известны проекционные светосильные телецентрические объективы, предназначенные для переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому предлагаемый светосильный телецентрический объектив обладает существенными отличиями.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг.1 - Оптическая схема проекционного светосильного телецентрического объектива;

Фиг.2 - Графики хроматизма положения;

Фиг.3 - ЧКХ проекционного светосильного телецентрического объектива для различных точек изображения;

Фиг.4 - ФКЭ проекционного светосильного телецентрического объектива для различных точек изображения.

На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая схема проекционного светосильного телецентрического объектива. Оптическая система объектива содержит линзовые компоненты 1-7 и апертурную диафрагму 8. Первый по ходу лучей компонент 7 имеет форму отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, второй и третий по ходу лучей компоненты 1 и 2 имеют форму положительных менисков, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, четвертый по ходу лучей компонент 3 выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и склеен из положительной линзы 9 и отрицательной линзы 10, пятый по ходу лучей компонент 4 выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, и склеен из двояковогнутой линзы 11 и двояковыпуклой линзы 12, шестой по ходу лучей компонент 5 выполнен в виде двояковыпуклой положительной линзы, седьмой по ходу лучей компонент 6 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Апертурная диафрагма размещена между компонентами 3 и 4. Дополнительно на фиг.1 показано защитное стекло ПЗС-матрицы в виде плоскопараллельной пластинки 13. Значения относительных оптических сил компонентов 1-7 лежат в указанных ниже диапазонах:

Оптические силы положительной линзы 9 и отрицательной линзы 10 в компоненте 3 удовлетворяют следующим соотношениям:

Расстояние вдоль оптической оси между компонентом 7 компонентом 1 не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива. Компоненты 1, 2, 5, 6, 7, а также линзы 9 и 12 выполнены из стекла одной марки, а линзы 10 и 11 выполнены из стекла другой марки, при этом показатели преломления n_e стекол меньше 1,77, а отношение их коэффициентов основных средних дисперсий ν_e превышает 1,7.

Излучение, идущее от каждой точки экрана ЭОП, размещенного в плоскости предметов проекционного светосильного объектива, проходя последовательно компоненты 7, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и защитное стекло 13, фокусируется в соответствующей точке плоскости изображения, с которой совмещается светочувствительная плоскость ПЗС-матрицы. Размещение апертурной диафрагмы 8 между компонентами 3 и 4 в сочетании с указанными выше оптическими силами компонентов 4, 5 и 6 обеспечивают телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений, что создает одинаковые условия освещения всех пикселей ПЗС-матрицы. Размер пятен рассеяния в любой точке изображения согласован с размерами пикселя ПЗС-матрицы, обеспечивая высокий коэффициент передачи контраста и высокие значения функции концентрации энергии. Для обеспечения возможности согласования масштаба изображения в процессе юстировки при сохранении высокого качества изображения и светосилы предусмотрена небольшая подвижка компонента 7 вдоль оптической оси.

Пример конкретного исполнения проекционного светосильного телецентрического объектива приведен в таблице 1 при нормировке f'=1 и линейном увеличении -0,45^х, соответствующем отношению диагонали ПЗС-матрицы к диаметру экрана ЭОП.

Позиции компонентов и диафрагмы указаны в соответствие с фиг.1; № пов. - номер преломляющей поверхности по ходу луча; R - радиус сферических преломляющих поверхностей; d - толщины линз и воздушных промежутков; n_e - показатель преломления; ν_e - коэффициент основной средней дисперсии материала линз.

В качестве марок стекол в приведенном конкретном примере использованы стекла по каталогу Schott марок N-LAK8 (n_e=1,72; ν_e=54) и N-SF4 (n_e=1,76; ν_e=27). Показатели преломления использованных марок стекол не превышают 1,77, а отношение коэффициентов основной средней дисперсии составляет 2. Защитное стекло поз.13 задано из стекла марки К8. Оптическая система легко пересчитывается на аналогичные марки стекол, например, на СТК19 и ТФ4 российского каталога стекол, заданные с точностью 4-6 значащих цифр после запятой, с сохранением всех упомянутых выше соотношений и качества изображения стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ для оптических расчетов.

Как следует из таблицы 1, в конкретном примере проекционного светосильного телецентрического объектива выполняется следующее распределение оптических сил: φ₁=0,70; φ₂=0,88; φ₃=-0,86; φ₄=-0,64; φ₅=1,14; φ₆=0,96; φ₇=-0,26; φ₉=2,0|φ₃| и φ₁₀=-3,8|φ₃|, т.е. соблюдаются вышеприведенные соотношения (1) и (2). Расстояние вдоль оптической оси между седьмым и первым компонентом составляет 0,11, т.е. не превышает 0,15 фокусного расстояния объектива.

Анализ конкретного примера исполнения проведен для объектива со следующими характеристиками: фокусное расстояние 27,2 мм; линейное увеличение -0,45^х; линейное поле в пространстве предметов 18 мм; линейное поле в пространстве изображений 8,1 мм; числовая апертура в пространстве предметов 0,14; числовая апертура в пространстве изображений 0,30; длина вдоль оптической оси между плоскостью предмета и изображения 85 мм.

Поскольку освещенность изображения, создаваемого проекционным объективом, пропорциональна яркости экрана, коэффициенту пропускания объектива и квадрату числовой апертуры в пространстве изображений, то сравнивая с объективом-прототипом, можно отметить, что светосила предлагаемого проекционного объектива не ниже, чем в объективе прототипе. Относительная длина объектива вдоль оптической оси, отнесенная к линейномуразмеру изображения, имеет близкое с объективом-прототипом значение, что свидетельствует о равенстве габаритных размеров.

Апертурная диафрагма расположена в эквивалентной фокальной плоскости компонентов 4, 5, 6, аберрации главных лучей в сопряженной с ней плоскостью выходного зрачка устранены и в результате обеспечивается телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений.

На фиг.2 приведен график хроматизма положения для длин волн от 0,48 до 0,66 мкм, соответствующих спектральному диапазону излучения экрана ЭОП, подтверждающий наличие ахроматической коррекции аберраций для указанных оптических сил компонентов и примененных марках стекол. Хроматизм положения для длин волн 0,51 и 0,59 мкм, соответствующих относительной спектральной излучательной способности экрана, равной 0,5, равен 0,005 мм.

На фиг.3 приведены графики ЧКХ проекционного светосильного телецентрического объектива, в таблице 2 - результаты расчета коэффициента передачи контраста Т для пространственной частоты 60 мм^-1, отнесенные к плоскости изображений (m - меридиональное сечение; s - сагиттальное сечение).

На фиг.3 по оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 60 мм^-1, отнесенные к плоскости изображений объектива. Верхняя кривая на фиг.3 соответствует дифракционной ЧКХ (обозначение «Дифр.»), остальные кривые - для точки на оси, для точек изображения с координатами y'=2 мм, y'=3,2 мм и y'=4 мм (соответственно обозначены числами 0; 2; 3,2 и 4). Полихроматические ЧКХ рассчитаны при следующих коэффициентах спектральной эффективности для длин волн λ, соответствующих спектральному диапазону излучательной способности экрана ЭОП:

Из графиков фиг.3 и таблицы 2 следует, что для пространственной частоты 60 мм^-1 коэффициенты передачи контраста составляют для точки на оси - не менее 0,82; для точек с координатами y'=2 мм, y'=3,2 мм и y'=4 мм не менее 0,80; 0,78 и 0,70 соответственно.

На фиг.4 приведены графики ФКЭ для различных точек изображения. По оси абсцисс указаны значения радиуса пятна рассеяния, по оси ординат - значения ФКЭ в относительных единицах. Верхняя кривая на фиг.4 соответствует дифракционной ФКЭ (обозначение «Дифр.»), остальные кривые - для точки на оси, для точек с координатами y'=3,2 мм и y'=4 мм (соответственно обозначены числами 0; 3,2 и 4). Из расчетных данных следует, что для различных точек поля изображения в пятне диаметром 8,5 мкм, соответствующем пикселю ПЗС-матрицы, ФКЭ имеет следующие значения:

что свидетельствует о дифракционном качестве изображения, даваемом проекционным светосильным телецентрическим объективом в пределах всего поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3''.

Согласование масштаба увеличения в пределах 10% от номинального значения в процессе юстировки ПНВ с целью максимального сопряжения экрана ЭОП с ПЗС-матрицей производится смещением предметной плоскости. Дополнительные небольшие смещения (до 2 мм) первого компонента и (или) шестого компонента вдоль оптической оси позволяют сохранить для всех точек поля в процессе юстировки высокие коэффициенты передачи контраста, величина которых на краю изображения сохраняется не ниже 0,6÷0,7.

Как видно из конкретного примера расчета, предложенная совокупность отличительных признаков в сравнении с прототипом позволяет обеспечить более высокие технические характеристики предлагаемого проекционного светосильного телецентрического объектива: равномерно высокое качества изображения в пределах прямоугольного поля изображения, определяемого размерами ПЗС-матрицы 2/3'', повышение технологичности за счет сокращения числа марок стекол до двух и обеспечения возможности согласования масштаба изображения без потери качества изображения для достижения оптимального согласования работы всех элементов ПНВ.

Предлагаемый проекционный светосильный телецентрический объектив может быть использован в оптическом приборостроении, конкретно в оптических системах ПНВ в качестве объектива переноса изображения с экрана ЭОП на ПЗС-матрицу без потери качества изображения.

Литература

1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 1999. - 286 с.

2. Патент РФ 2233462, публ. 2004 г., МКИ G02B 9/64 (прототип).