eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.4.314.319
Представлена конструкция объективов ночных приборов: линзовые объективы с фокусным расстоянием 26 мм, 80 мм, 150 мм, зеркально-линзовый объектив с фокусом 200 мм и зум объектив с переменным фокусным расстоянием 24–80 мм. Применение в составе объективов марок стекол с низкой дисперсией существенно повышает их разрешающую способность. Конструкция оптимальна с точки зрения чувствительности к допускам на линзы и может быть успешно использована при массовом производстве.
Представлена конструкция объективов ночных приборов: линзовые объективы с фокусным расстоянием 26 мм, 80 мм, 150 мм, зеркально-линзовый объектив с фокусом 200 мм и зум объектив с переменным фокусным расстоянием 24–80 мм. Применение в составе объективов марок стекол с низкой дисперсией существенно повышает их разрешающую способность. Конструкция оптимальна с точки зрения чувствительности к допускам на линзы и может быть успешно использована при массовом производстве.
Теги: lemt scientific and technical center of belomo minsk republic of belarus зум объектив объективы ночных приборов
Объективы ночных приборов
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Представлена конструкция объективов ночных приборов: линзовые объективы с фокусным расстоянием 26 мм, 80 мм, 150 мм, зеркально-линзовый объектив с фокусом 200 мм и зум объектив с переменным фокусным расстоянием 24–80 мм. Применение в составе объективов марок стекол с низкой дисперсией существенно повышает их разрешающую способность. Конструкция оптимальна с точки зрения чувствительности к допускам на линзы и может быть успешно использована при массовом производстве.
Ключевые слова: объективы ночных приборов, зум объектив
Статья поступила: 17.05.2024
Статья принята: 06.06.2024
Введение
Объективы приборов ночного видения предназначены для работы в широком спектральном диапазоне (400–900 нм). На рис. 1 показана спектральная характеристика фотокатода электронно-оптического преобразователя поколений 2+ и 3+. В идеальном случае объектив должен быть адаптирован для обоих поколений.
Одним из главных параметров объективов является светосила. Чем выше светосила, тем большего разрешения можно достичь при оптическом расчете, а светосильный объектив с высоким контрастом позволяет получить более детальное изображение удаленного объекта.
Во всех представленных объективах применены марки стекол с низкой дисперсией (серии ЛК), что позволяет добиться максимально высокого качества изображения (разрешения) при минимальном количестве линз.
С другой стороны, конструкция объективов для массового производства должна быть оптимальной с точки зрения влияния (чувствительности) конструктивных параметров на выходные характеристики (качество изображения) объектива при сборке. Наиболее чувствительными параметрами являются допуски на толщину линз и воздушные промежутки, децентрировку и наклон, а также на показатель преломления и дисперсию. Форма линз также оказывает существенное влияние на чувствительность. Например, если фронтальная линза имеет двояковыпуклую форму, то допуск на толщину такой линзы может быть в 2–3 раза строже, чем для линзы, выполненной в форме мениска.
Конструкция
На рисунках 2–5 показаны вид объективов и графики оптической передаточной функции.
7‑линзовый широкоугольный объектив с фокусом 26 мм представляет собой хорошо известную схему объектива Гелиос, дополненную одной линзой со стороны пространства изображений. Апертурная диафрагма расположена в воздушном промежутке между склейками. Особенностью конструкции объектива является то, что обе склейки могут быть выполнены одинаковыми, что очень удобно для производства. Угловое поле зрения объектива 40°, а линейное – 18 мм.
На рис. 3 показан объектив с фокусом 80 мм. Его конструкция также оптимальна с точки зрения количества линз – их всего 5. Объектив обладает ровным качеством изображения в пределах поля зрения 13° при светосиле F/1,6, а его длина на 20% больше фокусного расстояния.
На рис. 4 показан объектив с фокусом 150 мм. Помимо простоты конструкции отличительной особенностью объектива является внутренняя фокусировка на ближнюю дистанцию с помощью подвижки 2‑го компонента. Объектив выполнен компактным (длина 175 мм) и термостабилизированным (благодаря применению специальной комбинации стекол). Качество изображения объектива практически не меняется при перефокусировке с бесконечности до 25 м. Величина подвижки составляет ~3 мм.
При создании приборов с большим увеличением (5–8 крат) используют длиннофокусные объективы, а это сопряжено с увеличением габаритов и веса. В таких случаях целесообразно рассмотреть зеркально-линзовую конструкцию. На рис. 5 приводится пример объектива с фокусом 200 мм, отличительной особенностью которого является компактность и высокое разрешение (160 лин / мм). Подвижка последней линзы обеспечивает внутреннюю фокусировку на ближнюю дистанцию.
К недостаткам зеркально-линзовой конструкции относится виньетирование центральной зоны входного зрачка. Эффективный диаметр входного зрачка вычисляется по формуле:
Дэфф. = Драсч. × — ,
где Драсч. и Дэфф. – расчетный и эффективный диаметры входного зрачка.
Зум объектив
Расчет зум объектива для ночных приборов представляет непростую задачу. Это связано с необходимостью одновременного выполнения ряда параметров: дапазона фокусных расстояний 24–80 мм, углового поля зрения 40–12° и большой светосилы f / 1,4. Крайние значения фокусных расстояний объектива традиционно используются в ночных приборах: 24 мм – в очках ночного видения (псевдобинокулярах) с увеличением 1×, а 80 мм – в прицелах с 3‑кратным увеличением. Угловое поле зрения определяется диаметром 18 мм чувствительной площадки фотокатода ЭОП 2+ и 3+. Вид объектива для крайних положений фокуса показан на рис. 6. Изменение фокусного расстояния осуществляется с помощью перемещения двух групп линз. Световой диаметр фронтальной линзы 70 мм, а длина объектива 195 мм. Разрешение объектива составляет не менее 40 лин / мм во всем диапазоне фокусных расстояний.
Основные характеристики объективов представлены в табл. 1. В табл. 2 указаны величины допусков на конструктивные параметры. Как можно видеть из таблицы, допуски вполне приемлемы для массового производства, когда в процесс сборки не требуется применять специальные методы и оборудование.
Для сравнения: в схеме объективов с высокой чувствительностью допуск на центрировку линз составляет порядка 5–10 мкм, наклон 0,3–0,5 угловых минут, толщины некоторых линз и воздушных промежутков должны быть выдержаны с точностью ±0,01 мм, показатель преломления 0,0001~0,0002, дисперсия 0,1~0,2%. Для центрировки линз в корпусе оправы в таких случаях используется довольно трудоемкий метод автоколлимации, а для контроля толщины линз – специальный измерительный инструмент.
Заключение
Применение марок стекол с низкой дисперсией позволяет значительно повысить расчетное разрешение объективов. На основе анализа чувствительности различных оптических схем объективов можно выбрать схему, наиболее подходящую для массового производства.
References
Patent RU 2360269. Lens for night vision devices / Shishkin I. P. 27.06.2009.
Patent RU 2421764. Lens for the visible and NIR spectral region / Shishkin I. P. 20.06.2011.
Medvedev A. V., Grinkevich A. V., Knyazeva S. N. Night Vision Goggles and Features of Their Use. Photonics Russia. 2021;15(3):214–227. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2021.15.3.214.226.
https://www.photonics.su/journal/article/9421
https://www.photonics.su/news/11596
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. т. н., НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Вклад членов
авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива. Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Представлена конструкция объективов ночных приборов: линзовые объективы с фокусным расстоянием 26 мм, 80 мм, 150 мм, зеркально-линзовый объектив с фокусом 200 мм и зум объектив с переменным фокусным расстоянием 24–80 мм. Применение в составе объективов марок стекол с низкой дисперсией существенно повышает их разрешающую способность. Конструкция оптимальна с точки зрения чувствительности к допускам на линзы и может быть успешно использована при массовом производстве.
Ключевые слова: объективы ночных приборов, зум объектив
Статья поступила: 17.05.2024
Статья принята: 06.06.2024
Введение
Объективы приборов ночного видения предназначены для работы в широком спектральном диапазоне (400–900 нм). На рис. 1 показана спектральная характеристика фотокатода электронно-оптического преобразователя поколений 2+ и 3+. В идеальном случае объектив должен быть адаптирован для обоих поколений.
Одним из главных параметров объективов является светосила. Чем выше светосила, тем большего разрешения можно достичь при оптическом расчете, а светосильный объектив с высоким контрастом позволяет получить более детальное изображение удаленного объекта.
Во всех представленных объективах применены марки стекол с низкой дисперсией (серии ЛК), что позволяет добиться максимально высокого качества изображения (разрешения) при минимальном количестве линз.
С другой стороны, конструкция объективов для массового производства должна быть оптимальной с точки зрения влияния (чувствительности) конструктивных параметров на выходные характеристики (качество изображения) объектива при сборке. Наиболее чувствительными параметрами являются допуски на толщину линз и воздушные промежутки, децентрировку и наклон, а также на показатель преломления и дисперсию. Форма линз также оказывает существенное влияние на чувствительность. Например, если фронтальная линза имеет двояковыпуклую форму, то допуск на толщину такой линзы может быть в 2–3 раза строже, чем для линзы, выполненной в форме мениска.
Конструкция
На рисунках 2–5 показаны вид объективов и графики оптической передаточной функции.
7‑линзовый широкоугольный объектив с фокусом 26 мм представляет собой хорошо известную схему объектива Гелиос, дополненную одной линзой со стороны пространства изображений. Апертурная диафрагма расположена в воздушном промежутке между склейками. Особенностью конструкции объектива является то, что обе склейки могут быть выполнены одинаковыми, что очень удобно для производства. Угловое поле зрения объектива 40°, а линейное – 18 мм.
На рис. 3 показан объектив с фокусом 80 мм. Его конструкция также оптимальна с точки зрения количества линз – их всего 5. Объектив обладает ровным качеством изображения в пределах поля зрения 13° при светосиле F/1,6, а его длина на 20% больше фокусного расстояния.
На рис. 4 показан объектив с фокусом 150 мм. Помимо простоты конструкции отличительной особенностью объектива является внутренняя фокусировка на ближнюю дистанцию с помощью подвижки 2‑го компонента. Объектив выполнен компактным (длина 175 мм) и термостабилизированным (благодаря применению специальной комбинации стекол). Качество изображения объектива практически не меняется при перефокусировке с бесконечности до 25 м. Величина подвижки составляет ~3 мм.
При создании приборов с большим увеличением (5–8 крат) используют длиннофокусные объективы, а это сопряжено с увеличением габаритов и веса. В таких случаях целесообразно рассмотреть зеркально-линзовую конструкцию. На рис. 5 приводится пример объектива с фокусом 200 мм, отличительной особенностью которого является компактность и высокое разрешение (160 лин / мм). Подвижка последней линзы обеспечивает внутреннюю фокусировку на ближнюю дистанцию.
К недостаткам зеркально-линзовой конструкции относится виньетирование центральной зоны входного зрачка. Эффективный диаметр входного зрачка вычисляется по формуле:
Дэфф. = Драсч. × — ,
где Драсч. и Дэфф. – расчетный и эффективный диаметры входного зрачка.
Зум объектив
Расчет зум объектива для ночных приборов представляет непростую задачу. Это связано с необходимостью одновременного выполнения ряда параметров: дапазона фокусных расстояний 24–80 мм, углового поля зрения 40–12° и большой светосилы f / 1,4. Крайние значения фокусных расстояний объектива традиционно используются в ночных приборах: 24 мм – в очках ночного видения (псевдобинокулярах) с увеличением 1×, а 80 мм – в прицелах с 3‑кратным увеличением. Угловое поле зрения определяется диаметром 18 мм чувствительной площадки фотокатода ЭОП 2+ и 3+. Вид объектива для крайних положений фокуса показан на рис. 6. Изменение фокусного расстояния осуществляется с помощью перемещения двух групп линз. Световой диаметр фронтальной линзы 70 мм, а длина объектива 195 мм. Разрешение объектива составляет не менее 40 лин / мм во всем диапазоне фокусных расстояний.
Основные характеристики объективов представлены в табл. 1. В табл. 2 указаны величины допусков на конструктивные параметры. Как можно видеть из таблицы, допуски вполне приемлемы для массового производства, когда в процесс сборки не требуется применять специальные методы и оборудование.
Для сравнения: в схеме объективов с высокой чувствительностью допуск на центрировку линз составляет порядка 5–10 мкм, наклон 0,3–0,5 угловых минут, толщины некоторых линз и воздушных промежутков должны быть выдержаны с точностью ±0,01 мм, показатель преломления 0,0001~0,0002, дисперсия 0,1~0,2%. Для центрировки линз в корпусе оправы в таких случаях используется довольно трудоемкий метод автоколлимации, а для контроля толщины линз – специальный измерительный инструмент.
Заключение
Применение марок стекол с низкой дисперсией позволяет значительно повысить расчетное разрешение объективов. На основе анализа чувствительности различных оптических схем объективов можно выбрать схему, наиболее подходящую для массового производства.
References
Patent RU 2360269. Lens for night vision devices / Shishkin I. P. 27.06.2009.
Patent RU 2421764. Lens for the visible and NIR spectral region / Shishkin I. P. 20.06.2011.
Medvedev A. V., Grinkevich A. V., Knyazeva S. N. Night Vision Goggles and Features of Their Use. Photonics Russia. 2021;15(3):214–227. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2021.15.3.214.226.
https://www.photonics.su/journal/article/9421
https://www.photonics.su/news/11596
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. т. н., НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Вклад членов
авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива. Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Отзывы читателей
