eng
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.8.632.636
Дано описание оптических каналов цифрового многофункционального бинокля. Представлена конструкция компактных и легких: телевизионного объектива с переменным фокусным расстоянием, объективов с внутренней фокусировкой ночного и инфракрасного спектрального диапазона. Показаны варианты построения окулярной части бинокля.
Ключевые слова: многофункциональный бинокль, объектив с переменным фокусным расстоянием, объектив с внутренней фокусировкой, псевдобинокуляр.
Дано описание оптических каналов цифрового многофункционального бинокля. Представлена конструкция компактных и легких: телевизионного объектива с переменным фокусным расстоянием, объективов с внутренней фокусировкой ночного и инфракрасного спектрального диапазона. Показаны варианты построения окулярной части бинокля.
Ключевые слова: многофункциональный бинокль, объектив с переменным фокусным расстоянием, объектив с внутренней фокусировкой, псевдобинокуляр.
Теги: internal focusing lens multifunctional binoculars pseudo-binocular. variable focus (zoom) lens многофункциональный бинокль объектив с внутренней фокусировкой объектив с переменным фокусным расстоянием псевдобинокуляр
Многофункциональный бинокль
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Дано описание оптических каналов цифрового многофункционального бинокля. Представлена конструкция компактных и легких: телевизионного объектива с переменным фокусным расстоянием, объективов с внутренней фокусировкой ночного и инфракрасного спектрального диапазона. Показаны варианты построения окулярной части бинокля.
Ключевые слова: многофункциональный бинокль, объектив с переменным фокусным расстоянием, объектив с внутренней фокусировкой, псевдобинокуляр.
Статья получена: 19.09.2023
Статья принята: 30.11.2023
Введение
Цифровые технологии изменили функциональность современных наблюдательных приборов. С появлением миниатюрных источников света, сенсоров, дисплеев появилась возможность объединять каналы, работающие в разных спектральных диапазонах. Во многих приборах есть функция измерения дальности и вывода информации в поле зрения. Увеличился диапазон кратности и рабочих температур. Приборы стали более компактными и легкими.
Приступая к разработке многофункционального бинокля [1–2] необходимо определить оптимальную конструкцию объектива каждого канала с учетом ряда параметров бинокля: увеличения, поля зрения, разрешения и дальности наблюдения. Исходя из этих параметров определяются необходимое фокусное расстояние объектива, светосила и диапазон фокусировки. Подбирается формат сенсора и дисплея. Все каналы при этом должны быть согласованы между собой. Известно, что детали наблюдаемого объекта, его идентификация существенно зависят от спектрального диапазона и от освещенности окружающей среды. С одной стороны, применение того или иного канала может значительно расширить возможности бинокля в зависимости от условий наблюдения: времени суток, погоды и дальности. С другой стороны, объединение 3–5 оптических каналов в одном приборе ведет к увеличению габаритов и веса.
Телевизионный объектив с переменным фокусным расстоянием
В телевизионном канале современных наблюдательных приборов применяются объективы с переменным фокусным расстоянием. Диапазон изменения фокусного расстояния между коротким фокусом (широкое поле) и длинным фокусом (узкое поле) может достигать 30–90 крат. Такие объективы имеют сложную конструкцию с применением большого количества асферических линз. Для стационарных приборов, где допустимый вес прибора 5–10 кг, применение подобных объективов вполне оправдано. В случае, когда общий вес прибора не должен превышать 1–2 кг необходимо уменьшать габариты объектива, а значит и диапазон фокусных расстояний.
На рис. 1 приведен пример компактного телевизионного объектива с переменным фокусным расстоянием 8–50 мм, который имеет достаточно простую конструкцию для зум-объектива (всего 11 линз) и выполнен без асферических поверхностей. Изменение фокусного расстояния и фокусировка на ближнюю дистанцию производится с помощью перемещения двух групп линз. Длина объектива ~100 мм, а его вес по линзам не превышает 70 г. Объектив обладает большой светосилой (F/1.25 – F/1.4) и разрешением 80 лин / мм, что позволяет использовать его для сенсора c форматом 1 / 2″ (1920×1080).
Объектив ночного видения с внутренней фокусировкой
Объективы ночного видения широко используются в современных наблюдательных приборах. Традиционно они применяются в комбинации с электронно-оптическими преобразователями, работающими в спектральном диапазоне 400–900 нм. Такая конструкция ночного прибора имеет довольно большие габариты, поэтому ее трудно применить в многофункциональном бинокле. Если в качестве чувствительной матрицы применить цифровой сенсор – низкоуровневую (low light) камеру, то можно значительно сократить габариты и вес бинокля.
Примеры легких и компактных объективов, которые применяются для низкоуровневой камеры, представлены на рис. 2. Оба объектива имеют фокусировку на ближнюю дистанцию до 5 м с сохранением высокого качества изображения. В объективе с фокусным расстоянием 50 мм и относительным отверстием 1 : 1.4 фокусировка осуществляется с помощью подвижки последнего компонента, в объективе c фокусным расстоянием 25мм и относительным отверстием 1 : 0.9 движется последняя линза. Разрешение объективов составляет 40 лин / мм и рассчитаны они для сенсора 1 / 2″ (диагональ 8 мм). Угловое поле зрения объективов 10° и 20°, а вес линз не более 70 г и 45 г.
Тепловизионный объектив с внутренней фокусировкой
Вид тепловизионного объектива с внутренней фокусировкой, работающего в диапазоне 812 мкм представлен на рис. 3. Ахроматизированный тепловизионный объектив [3, 4] имеет 3-линзовую конструкцию, в котором крайние линзы сделаны из германия, а средняя линза выполнена из селенида цинка. Внутренняя фокусировка осуществляется с помощью подвижки средней линзы. Вес линз объектива не превышает 30 г, а его длина 65 мм. Основные характеристики объективов приведены в таблице.
Псевдобинокуляр
Наблюдение удаленных предметов двумя глазами более комфортно и естественно для человека. По этой причине многие производители телескопических приборов используют бинокулярную или псевдобинокулярную схему в конструкции. Псевдобинокулярная схема компактнее и легче и ей дается предпочтение при создании современных цифровых приборов. На рис. 4а показана хорошо известная схема псевдобинокуляра для прибора ночного видения. За счет применения асферики в ней максимально сокращено количество линз и тем самым значительно упрощена конструкция. На рис. 4b показан более компактный вариант псевдобинокуляра с оригинальной компоновкой призм и светоделительной пластины (сплиттера). Оба варианта работают с видимым увеличением 10–15х и выходным зрачком 5–6 мм, дисторсия на превышает 1–2% при поле зрения 40° за окуляром.
Межзрачковое расстояние может изменяться в пределах 58–72 мм за счет перемещения компонентов, находящихся в параллельном ходе лучей (в 1-м варианте это пространство между линзами и призмой, во 2‑м – за счет перемещения правого канала относительно сплиттера).
Заключение
Представленные в статье решения могут найти применение не только при создании многофункциональных биноклей, но и использованы при разработке широкого класса оптических устройств, в которых легкий вес и компактность являются приоритетами.
Литература
https://www.hewei-defense.com/intelligent-multi-function-binocular-product/
https://www.infraredcore.com/quality‑14464832‑multifunctional-uncooled-vox-thermal-imaging-binoculars
Shishkin I. P., Shkadarevich A. P. Achromatized Lenses of Thermal Imagers. Photonics Russia. 2020. Т. 14. № 4. С. 360–367.
Shishkin I. P., Shkadarevich A. P. Thermally Stabilized Thermal Imaging Lenses. Photonics Russia. 2021. Т. 15. № 2. С. 154–159.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н, shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, 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, что у них нет конфликта интересов.
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Дано описание оптических каналов цифрового многофункционального бинокля. Представлена конструкция компактных и легких: телевизионного объектива с переменным фокусным расстоянием, объективов с внутренней фокусировкой ночного и инфракрасного спектрального диапазона. Показаны варианты построения окулярной части бинокля.
Ключевые слова: многофункциональный бинокль, объектив с переменным фокусным расстоянием, объектив с внутренней фокусировкой, псевдобинокуляр.
Статья получена: 19.09.2023
Статья принята: 30.11.2023
Введение
Цифровые технологии изменили функциональность современных наблюдательных приборов. С появлением миниатюрных источников света, сенсоров, дисплеев появилась возможность объединять каналы, работающие в разных спектральных диапазонах. Во многих приборах есть функция измерения дальности и вывода информации в поле зрения. Увеличился диапазон кратности и рабочих температур. Приборы стали более компактными и легкими.
Приступая к разработке многофункционального бинокля [1–2] необходимо определить оптимальную конструкцию объектива каждого канала с учетом ряда параметров бинокля: увеличения, поля зрения, разрешения и дальности наблюдения. Исходя из этих параметров определяются необходимое фокусное расстояние объектива, светосила и диапазон фокусировки. Подбирается формат сенсора и дисплея. Все каналы при этом должны быть согласованы между собой. Известно, что детали наблюдаемого объекта, его идентификация существенно зависят от спектрального диапазона и от освещенности окружающей среды. С одной стороны, применение того или иного канала может значительно расширить возможности бинокля в зависимости от условий наблюдения: времени суток, погоды и дальности. С другой стороны, объединение 3–5 оптических каналов в одном приборе ведет к увеличению габаритов и веса.
Телевизионный объектив с переменным фокусным расстоянием
В телевизионном канале современных наблюдательных приборов применяются объективы с переменным фокусным расстоянием. Диапазон изменения фокусного расстояния между коротким фокусом (широкое поле) и длинным фокусом (узкое поле) может достигать 30–90 крат. Такие объективы имеют сложную конструкцию с применением большого количества асферических линз. Для стационарных приборов, где допустимый вес прибора 5–10 кг, применение подобных объективов вполне оправдано. В случае, когда общий вес прибора не должен превышать 1–2 кг необходимо уменьшать габариты объектива, а значит и диапазон фокусных расстояний.
На рис. 1 приведен пример компактного телевизионного объектива с переменным фокусным расстоянием 8–50 мм, который имеет достаточно простую конструкцию для зум-объектива (всего 11 линз) и выполнен без асферических поверхностей. Изменение фокусного расстояния и фокусировка на ближнюю дистанцию производится с помощью перемещения двух групп линз. Длина объектива ~100 мм, а его вес по линзам не превышает 70 г. Объектив обладает большой светосилой (F/1.25 – F/1.4) и разрешением 80 лин / мм, что позволяет использовать его для сенсора c форматом 1 / 2″ (1920×1080).
Объектив ночного видения с внутренней фокусировкой
Объективы ночного видения широко используются в современных наблюдательных приборах. Традиционно они применяются в комбинации с электронно-оптическими преобразователями, работающими в спектральном диапазоне 400–900 нм. Такая конструкция ночного прибора имеет довольно большие габариты, поэтому ее трудно применить в многофункциональном бинокле. Если в качестве чувствительной матрицы применить цифровой сенсор – низкоуровневую (low light) камеру, то можно значительно сократить габариты и вес бинокля.
Примеры легких и компактных объективов, которые применяются для низкоуровневой камеры, представлены на рис. 2. Оба объектива имеют фокусировку на ближнюю дистанцию до 5 м с сохранением высокого качества изображения. В объективе с фокусным расстоянием 50 мм и относительным отверстием 1 : 1.4 фокусировка осуществляется с помощью подвижки последнего компонента, в объективе c фокусным расстоянием 25мм и относительным отверстием 1 : 0.9 движется последняя линза. Разрешение объективов составляет 40 лин / мм и рассчитаны они для сенсора 1 / 2″ (диагональ 8 мм). Угловое поле зрения объективов 10° и 20°, а вес линз не более 70 г и 45 г.
Тепловизионный объектив с внутренней фокусировкой
Вид тепловизионного объектива с внутренней фокусировкой, работающего в диапазоне 812 мкм представлен на рис. 3. Ахроматизированный тепловизионный объектив [3, 4] имеет 3-линзовую конструкцию, в котором крайние линзы сделаны из германия, а средняя линза выполнена из селенида цинка. Внутренняя фокусировка осуществляется с помощью подвижки средней линзы. Вес линз объектива не превышает 30 г, а его длина 65 мм. Основные характеристики объективов приведены в таблице.
Псевдобинокуляр
Наблюдение удаленных предметов двумя глазами более комфортно и естественно для человека. По этой причине многие производители телескопических приборов используют бинокулярную или псевдобинокулярную схему в конструкции. Псевдобинокулярная схема компактнее и легче и ей дается предпочтение при создании современных цифровых приборов. На рис. 4а показана хорошо известная схема псевдобинокуляра для прибора ночного видения. За счет применения асферики в ней максимально сокращено количество линз и тем самым значительно упрощена конструкция. На рис. 4b показан более компактный вариант псевдобинокуляра с оригинальной компоновкой призм и светоделительной пластины (сплиттера). Оба варианта работают с видимым увеличением 10–15х и выходным зрачком 5–6 мм, дисторсия на превышает 1–2% при поле зрения 40° за окуляром.
Межзрачковое расстояние может изменяться в пределах 58–72 мм за счет перемещения компонентов, находящихся в параллельном ходе лучей (в 1-м варианте это пространство между линзами и призмой, во 2‑м – за счет перемещения правого канала относительно сплиттера).
Заключение
Представленные в статье решения могут найти применение не только при создании многофункциональных биноклей, но и использованы при разработке широкого класса оптических устройств, в которых легкий вес и компактность являются приоритетами.
Литература
https://www.hewei-defense.com/intelligent-multi-function-binocular-product/
https://www.infraredcore.com/quality‑14464832‑multifunctional-uncooled-vox-thermal-imaging-binoculars
Shishkin I. P., Shkadarevich A. P. Achromatized Lenses of Thermal Imagers. Photonics Russia. 2020. Т. 14. № 4. С. 360–367.
Shishkin I. P., Shkadarevich A. P. Thermally Stabilized Thermal Imaging Lenses. Photonics Russia. 2021. Т. 15. № 2. С. 154–159.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н, shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, 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, что у них нет конфликта интересов.
Отзывы читателей
