eng
Выпуск #1/2022
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
Атермализованные телевизионные объективы
Атермализованные телевизионные объективы
Просмотры: 1315
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.1.38.43
Представлена конструкция атермализованных телевизионных объективов для систем наблюдения: 3‑линзовый телеобъектив с относительным отверстием F / 5.6, 7‑линзовый апохромат с относительным отверстием F / 4 и 9‑линзовый объектив c относительным отверстием F / 2.8. При расчете объективов учтена совокупность факторов, которые влияют на величину расчетного разрешения объектива: размер сенсора, фокусное расстояние, относительное отверстие. Но в реальном производстве при сборке конструкции объектива не всегда можно достичь расчетного качества изображения. Рассмотрена чувствительность оптических схем к допускам конструкции.
Представлена конструкция атермализованных телевизионных объективов для систем наблюдения: 3‑линзовый телеобъектив с относительным отверстием F / 5.6, 7‑линзовый апохромат с относительным отверстием F / 4 и 9‑линзовый объектив c относительным отверстием F / 2.8. При расчете объективов учтена совокупность факторов, которые влияют на величину расчетного разрешения объектива: размер сенсора, фокусное расстояние, относительное отверстие. Но в реальном производстве при сборке конструкции объектива не всегда можно достичь расчетного качества изображения. Рассмотрена чувствительность оптических схем к допускам конструкции.
Теги: athermalization optical transfer function television lenses атермализация оптическая передаточная функция телевизионные объективы
Атермализованные телевизионные объективы
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Представлена конструкция атермализованных телевизионных объективов для систем наблюдения: 3‑линзовый телеобъектив с относительным отверстием F / 5.6, 7‑линзовый апохромат с относительным отверстием F / 4 и 9‑линзовый объектив c относительным отверстием F / 2.8. При расчете объективов учтена совокупность факторов, которые влияют на величину расчетного разрешения объектива: размер сенсора, фокусное расстояние, относительное отверстие. Но в реальном производстве при сборке конструкции объектива не всегда можно достичь расчетного качества изображения. Рассмотрена чувствительность оптических схем к допускам конструкции.
Ключевые слова: телевизионные объективы, атермализация, оптическая передаточная функция
Статья получена: 15.10.2021
Статья принята: 29.11.2021
ВВЕДЕНИЕ
Объективы, применямые в современных устройствах, работают в широком диапазоне температур от –50° до 50°. В длиннофокусных объективах компоненты разделены большим воздушным промежутком, и колебания температуры вызывают изменение длины оправ, воздушных промежутков и оптических сил линз, что приводит к смещению плоскости изображения [1, 2]. Для многих оптических систем, которые подвергаются воздействию широкого диапазона температур, изменение температуры оказывает основное влияние на изменение показателя преломления оптического стекла и геометрию элементов линз. Это влияет на свойства изображения объектива и вызывает дополнительные аберрации из-за отклонения параметров конструкции от расчетных значений системы. Поэтому атермализация объективов является одним из ключевых требований, предъявляемых к объективам систем наблюдения [3].
Существует два метода атермализации объективов. Первый метод, метод пассивной атермализации, заключается в применении в конструкции объектива комбинации стекол, обладающих различными коэффициентами температурного расширения, благодаря чему расфокусировка изображения при изменении температуры не превышает нескольких единиц микрометров. Второй метод подразумевает использование подвижки определенной группы линз для стабилизации плоскости изображения, что требует более сложной конструкции объектива из-за необходимости включения в нее большего числа линз и механизма фокусировки. В статье рассматривается применение метода пассивной атермализации.
Одним из параметров, определяющих качество изображения объектива, является относительное отверстие. Чем оно выше, тем большего разрешения можно достичь при оптическом расчете. На практике светосильный объектив с высоким контрастом позволяет получить более детальное изображение удаленного объекта.
С другой стороны, увеличение относительного отверстия в длиннофокусном объективе автоматически приводит к росту диаметров линз и габаритов. При этом точность изготовления линз должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить расчетное разрешение в собранном объективе [4].
КОНСТРУКЦИЯ
На рис. 1 показаны схема и оптические характеристики атермализованных объективов с фокусным расстоянием 300 мм. На представленных графиках оптической передаточной функции видно, что контраст изображения, получаемого с помощью 7‑линзового объектива, заметно выше, чем при использовании 3‑линзового объектива. Основные параметры конструкции рассматривамых объективов приведены в табл. 1.
АПОХРОМАТИЗАЦИЯ
Дифракционная микроструктура в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ), размещенная на одной из поверхностей 3‑линзового объектива, позволяет выполнить его апохроматизацию [5–8]. В результате этого разрешение объектива станет практически таким же, как в 7‑линзовой конструкции. Влияние апохроматизации на величину контраста объективов показано в табл. 2.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Выходные характеристики собранного объектива в значительной степени зависят от конструкции. По этой причине качество изображения, достигнутое при расчете, не всегда можно обеспечить в реальном производстве. Сравним два варианта конструкции объектива. Обе конструкции имеют разную чувствительность к допускам (децентрировке и наклону линз):
В табл. 3 дано сравнение двух вариантов объективов по чувствительности к децентрировке и наклону линз при учете расчетных параметров по разрешению и контрасту. Данные табл. 3 показывают, что 2‑линзовый объектив менее чувствителен к децентрировке и наклону линз (примерно в 5 раз). Это означает, что конструкция 2‑линзового объектива более предпочтительна для производства, несмотря на то, что расчетный контраст объектива ниже.
Атермализация
В табл. 4 приведены марки стекол каталога Ohara [9], которые были использованы при создании атермализованных объективов с фокусным расстоянием 300 мм. В табл. 4 указаны: nD – показатель преломления, νD – число Аббе и αD – коэффициент температурного расширения оптического стекла.
Результат стабилизации положения плоскости изображения 3‑линзового и 7‑линзового объективов с фокусным расстоянием 300 мм при изменении рабочих температур от –50° до 50° иллюстрируют графики на рис. 3. Графики показывают появление смещения фокуса на пространственной частоте 80 лин / мм. Расфокусировка изображения при изменении температуры не превышает нескольких единиц микрометров.
Объектив с фокусным расстоянием 100 мм
Вид и характеристики атермализованного объектива с фиксированным фокусом 100 мм и относительным отверстием F / 2,8 показаны на рис. 4. Объектив рассчитан для сенсора 4 / 3" и имеет разрешение 160 лин / мм. Для пиксела размером 3 мкм разрешение камеры с этим объективом составит 24 мегапиксела.
Заключение
Определенная комбинация стекол и применение ДОЭ позволяют создать атермализованный телевизионный объектив с высоким разрешением и стабилизацией плоскости изображения. Длина фокусного расстояния объектива и величина относительного отверстия зависят от технологических возможностей производства изготовления линз большого диаметра и оборудования, обеспечивающего высокую точность при сборке объектива и контроле его выходных характеристик.
REFERENCES
Medvedev A., Grinkevich A., Knyazeva S. Objective Athermalization Of Sighting And Observation Systems As An Instrument To Ensure Functioning Of Armor And Tank Weapons. Photonics Russia. 2016; 56(2): 94–108.
Shishkin I. P., Shkadarevich A. P. Television Lenses for Surveillance Systems. Photonics Russia. 2020; 14 (1): 96–105. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.96.104.
Reshidko D., Nakanato M., Sasián J. Ray Tracing Methods for Correcting Chromatic Aberrations in Imaging Systems. International Journal of Optics. 2014;10:351584. DOI: 10.1155/2014/351584.
Minigazimov R. I., Mitrofanov S. S. Development of a Materialized Lens for the Control System of Large-Sized Objects. Opticheskii Zhurnal. 2020; 87(4): 336–43. DOI: 10.17586/1023-5086-2020-87-04-36-43.
Japanese Patent 5392618. Achromatic athermal lens system and optical apparatus with the same / Sudo Kenta. 2014–01–22.
Xie Hongbo, Ren D., Wang Ch., Mao Ch., Yang Lei. Design of high-efficiency diffractive optical elements towards ultrafast mid-infrared timestretched imaging and spectroscopy. Journal of Modern Optics. 2018; 65(3): 255–261. DOI: 10.1017/9781108625388.008
Werdehausen D., Burger S., Staude I., Pertsch T., Decker M. Dispersion-engineered nanocomposites enable achromatic diffractive optical elements. Optica. 2019;6(8): 1031–1038. https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001031.
Chen W. T., Zhu A. Y., Sanjeev V., Khorasaninejad M., Shi Z., Lee E., Capasso F. A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the. Nature Nanotechnology. 2018;13: 220–226. https://www.nature.com/articles/s41565-017-0034-6.
OHARA. Optical Glass Catalogue Excellent. https://oharacorp.com/catalog.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т. н, в.н.с., shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. ф.‑ м. н., в.н.с., 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 атермализованных телевизионных объективов для систем наблюдения: 3‑линзовый телеобъектив с относительным отверстием F / 5.6, 7‑линзовый апохромат с относительным отверстием F / 4 и 9‑линзовый объектив c относительным отверстием F / 2.8. При расчете объективов учтена совокупность факторов, которые влияют на величину расчетного разрешения объектива: размер сенсора, фокусное расстояние, относительное отверстие. Но в реальном производстве при сборке конструкции объектива не всегда можно достичь расчетного качества изображения. Рассмотрена чувствительность оптических схем к допускам конструкции.
Ключевые слова: телевизионные объективы, атермализация, оптическая передаточная функция
Статья получена: 15.10.2021
Статья принята: 29.11.2021
ВВЕДЕНИЕ
Объективы, применямые в современных устройствах, работают в широком диапазоне температур от –50° до 50°. В длиннофокусных объективах компоненты разделены большим воздушным промежутком, и колебания температуры вызывают изменение длины оправ, воздушных промежутков и оптических сил линз, что приводит к смещению плоскости изображения [1, 2]. Для многих оптических систем, которые подвергаются воздействию широкого диапазона температур, изменение температуры оказывает основное влияние на изменение показателя преломления оптического стекла и геометрию элементов линз. Это влияет на свойства изображения объектива и вызывает дополнительные аберрации из-за отклонения параметров конструкции от расчетных значений системы. Поэтому атермализация объективов является одним из ключевых требований, предъявляемых к объективам систем наблюдения [3].
Существует два метода атермализации объективов. Первый метод, метод пассивной атермализации, заключается в применении в конструкции объектива комбинации стекол, обладающих различными коэффициентами температурного расширения, благодаря чему расфокусировка изображения при изменении температуры не превышает нескольких единиц микрометров. Второй метод подразумевает использование подвижки определенной группы линз для стабилизации плоскости изображения, что требует более сложной конструкции объектива из-за необходимости включения в нее большего числа линз и механизма фокусировки. В статье рассматривается применение метода пассивной атермализации.
Одним из параметров, определяющих качество изображения объектива, является относительное отверстие. Чем оно выше, тем большего разрешения можно достичь при оптическом расчете. На практике светосильный объектив с высоким контрастом позволяет получить более детальное изображение удаленного объекта.
С другой стороны, увеличение относительного отверстия в длиннофокусном объективе автоматически приводит к росту диаметров линз и габаритов. При этом точность изготовления линз должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить расчетное разрешение в собранном объективе [4].
КОНСТРУКЦИЯ
На рис. 1 показаны схема и оптические характеристики атермализованных объективов с фокусным расстоянием 300 мм. На представленных графиках оптической передаточной функции видно, что контраст изображения, получаемого с помощью 7‑линзового объектива, заметно выше, чем при использовании 3‑линзового объектива. Основные параметры конструкции рассматривамых объективов приведены в табл. 1.
АПОХРОМАТИЗАЦИЯ
Дифракционная микроструктура в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ), размещенная на одной из поверхностей 3‑линзового объектива, позволяет выполнить его апохроматизацию [5–8]. В результате этого разрешение объектива станет практически таким же, как в 7‑линзовой конструкции. Влияние апохроматизации на величину контраста объективов показано в табл. 2.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Выходные характеристики собранного объектива в значительной степени зависят от конструкции. По этой причине качество изображения, достигнутое при расчете, не всегда можно обеспечить в реальном производстве. Сравним два варианта конструкции объектива. Обе конструкции имеют разную чувствительность к допускам (децентрировке и наклону линз):
- 3‑линзовый телеобъектив (рис. 1a, слева) – 1 и 2 линза разделены малым воздушным промежутком (0,3–0,5мм);
- 2‑линзовый объектив (рис. 2) – две склеенные линзы разделены большим воздушным промежутком (70–80мм).
В табл. 3 дано сравнение двух вариантов объективов по чувствительности к децентрировке и наклону линз при учете расчетных параметров по разрешению и контрасту. Данные табл. 3 показывают, что 2‑линзовый объектив менее чувствителен к децентрировке и наклону линз (примерно в 5 раз). Это означает, что конструкция 2‑линзового объектива более предпочтительна для производства, несмотря на то, что расчетный контраст объектива ниже.
Атермализация
В табл. 4 приведены марки стекол каталога Ohara [9], которые были использованы при создании атермализованных объективов с фокусным расстоянием 300 мм. В табл. 4 указаны: nD – показатель преломления, νD – число Аббе и αD – коэффициент температурного расширения оптического стекла.
Результат стабилизации положения плоскости изображения 3‑линзового и 7‑линзового объективов с фокусным расстоянием 300 мм при изменении рабочих температур от –50° до 50° иллюстрируют графики на рис. 3. Графики показывают появление смещения фокуса на пространственной частоте 80 лин / мм. Расфокусировка изображения при изменении температуры не превышает нескольких единиц микрометров.
Объектив с фокусным расстоянием 100 мм
Вид и характеристики атермализованного объектива с фиксированным фокусом 100 мм и относительным отверстием F / 2,8 показаны на рис. 4. Объектив рассчитан для сенсора 4 / 3" и имеет разрешение 160 лин / мм. Для пиксела размером 3 мкм разрешение камеры с этим объективом составит 24 мегапиксела.
Заключение
Определенная комбинация стекол и применение ДОЭ позволяют создать атермализованный телевизионный объектив с высоким разрешением и стабилизацией плоскости изображения. Длина фокусного расстояния объектива и величина относительного отверстия зависят от технологических возможностей производства изготовления линз большого диаметра и оборудования, обеспечивающего высокую точность при сборке объектива и контроле его выходных характеристик.
REFERENCES
Medvedev A., Grinkevich A., Knyazeva S. Objective Athermalization Of Sighting And Observation Systems As An Instrument To Ensure Functioning Of Armor And Tank Weapons. Photonics Russia. 2016; 56(2): 94–108.
Shishkin I. P., Shkadarevich A. P. Television Lenses for Surveillance Systems. Photonics Russia. 2020; 14 (1): 96–105. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.96.104.
Reshidko D., Nakanato M., Sasián J. Ray Tracing Methods for Correcting Chromatic Aberrations in Imaging Systems. International Journal of Optics. 2014;10:351584. DOI: 10.1155/2014/351584.
Minigazimov R. I., Mitrofanov S. S. Development of a Materialized Lens for the Control System of Large-Sized Objects. Opticheskii Zhurnal. 2020; 87(4): 336–43. DOI: 10.17586/1023-5086-2020-87-04-36-43.
Japanese Patent 5392618. Achromatic athermal lens system and optical apparatus with the same / Sudo Kenta. 2014–01–22.
Xie Hongbo, Ren D., Wang Ch., Mao Ch., Yang Lei. Design of high-efficiency diffractive optical elements towards ultrafast mid-infrared timestretched imaging and spectroscopy. Journal of Modern Optics. 2018; 65(3): 255–261. DOI: 10.1017/9781108625388.008
Werdehausen D., Burger S., Staude I., Pertsch T., Decker M. Dispersion-engineered nanocomposites enable achromatic diffractive optical elements. Optica. 2019;6(8): 1031–1038. https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001031.
Chen W. T., Zhu A. Y., Sanjeev V., Khorasaninejad M., Shi Z., Lee E., Capasso F. A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the. Nature Nanotechnology. 2018;13: 220–226. https://www.nature.com/articles/s41565-017-0034-6.
OHARA. Optical Glass Catalogue Excellent. https://oharacorp.com/catalog.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т. н, в.н.с., shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. ф.‑ м. н., в.н.с., 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
