eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
Длиннофокусные зеркально-линзовые объективы
Длиннофокусные зеркально-линзовые объективы
Просмотры: 836
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.152.158
Представлена конструкция длиннофокусных зеркально-линзовых объективов для видимого и инфракрасного диапазона: VIS, SWIR, MWIR и LWIR. Фронтальная группа у всех объективов одинаковая – 2 зеркала, причем первое (prime) зеркало выполнено диаметром 150 мм. Диаметр зеркала был выбран исходя из требований к светосиле объектива и возможности изготовления зеркала в производстве. Кроме того, одинаковый диаметр основного зеркала при необходимости позволяет объединить несколько каналов (ТВ и SWIR, ТВ и LWIR) в один. В статье описывается телевизионный и SWIR объектив с фокуcом 600 мм и относительным отверстием F / 4, MWIR объектив с фокусом 400 мм и относительным отверстием F / 4 и LWIR объектив с фокусом 250 мм и относительным отверстием F / 1.6. Приведены варианты построения зеркально-линзового зум и мультиканального объективов с фокусом 400–800 мм и относительным отверстием F / 5 – F / 10.
Представлена конструкция длиннофокусных зеркально-линзовых объективов для видимого и инфракрасного диапазона: VIS, SWIR, MWIR и LWIR. Фронтальная группа у всех объективов одинаковая – 2 зеркала, причем первое (prime) зеркало выполнено диаметром 150 мм. Диаметр зеркала был выбран исходя из требований к светосиле объектива и возможности изготовления зеркала в производстве. Кроме того, одинаковый диаметр основного зеркала при необходимости позволяет объединить несколько каналов (ТВ и SWIR, ТВ и LWIR) в один. В статье описывается телевизионный и SWIR объектив с фокуcом 600 мм и относительным отверстием F / 4, MWIR объектив с фокусом 400 мм и относительным отверстием F / 4 и LWIR объектив с фокусом 250 мм и относительным отверстием F / 1.6. Приведены варианты построения зеркально-линзового зум и мультиканального объективов с фокусом 400–800 мм и относительным отверстием F / 5 – F / 10.
Теги: long-focal length catadioptric lens multi-channel lens mwir and lwir mwir и lwir observation devices swir vis zoom lens длиннофокусный зеркально-линзовый объектив зум объектив мультиканальный объектив приборы наблюдения
Длиннофокусные зеркально-линзовые объективы
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Представлена конструкция длиннофокусных зеркально-линзовых объективов для видимого и инфракрасного диапазона: VIS, SWIR, MWIR и LWIR. Фронтальная группа у всех объективов одинаковая – 2 зеркала, причем первое (prime) зеркало выполнено диаметром 150 мм. Диаметр зеркала был выбран исходя из требований к светосиле объектива и возможности изготовления зеркала в производстве. Кроме того, одинаковый диаметр основного зеркала при необходимости позволяет объединить несколько каналов (ТВ и SWIR, ТВ и LWIR) в один. В статье описывается телевизионный и SWIR объектив с фокуcом 600 мм и относительным отверстием F / 4, MWIR объектив с фокусом 400 мм и относительным отверстием F / 4 и LWIR объектив с фокусом 250 мм и относительным отверстием F / 1.6. Приведены варианты построения зеркально-линзового зум и мультиканального объективов с фокусом 400–800 мм и относительным отверстием F / 5 – F / 10.
Ключевые слова: длиннофокусный зеркально-линзовый объектив, зум объектив, мультиканальный объектив, VIS, SWIR, MWIR и LWIR, приборы наблюдения
Статья поступила: 13.02.2024
Статья принята:11.03.2024
Введение
Применение длиннофокусных объективов в приборах наблюдения дает возможность максимально приблизить объект, идентифицировать его и определить точную дальность. С другой стороны, сложность объектива определяет габариты и параметры управления всего оптико-электронного комплекса наблюдения. Светосила, как известно, существенно влияет на разрешение объектива, расчитанного для того или иного спектрального диапазона.
На рис. 1а показана зависимость светосилы объектива от спектрального диапазона и размера пиксела. Очевидно, что при переходе в длинноволновую область спектра требуется увеличивать светосилу, чтобы получить приемлемое разрешение объектива. Но увеличение относительного отверстия в длиннофокусном объективе автоматически приводит к росту диаметров линз и габаритов. При этом точность изготовления линз и механических деталей должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить расчетное разрешение в собранном объективе. Создание оптимальной конструкции длиннофокусных зеркально-линзовых объективов для широкого применения и было целью настоящей работы.
Телевизионный объектив
Объектив играет ключевую роль в телевизионном канале и в комбинации с подобранным сенсором обеспечивает требуемую дальность обнаружения. Дальность обнаружения зависит и от величины фокусного расстояния объектива и от светосилы.
Размер пиксела и диагональ сенсора также оказывают влияние на величину дальности обнаружения – для большего пиксела и ограниченного поля зрения можно рассчитать объектив с характеристиками, близкими к теоретическому пределу. На практике длиннофокусный светосильный объектив с высоким контрастом изображения позволяет получить более детальное изображение удаленного объекта.
На рис. 1b–1c показан вид зеркально-линзового телевизионного объектива и график оптической передаточной функции. Первое зеркало диаметром 150 мм – асферическое, второе зеркало – плоское, установленное под углом 45°, далее следует группа из 3-х линз, обеспечивающая исправление хроматических и полевых аберраций. Объектив с фокусным расстоянием 600 мм и относительным отверстием 1 : 4 предназначен для сенсора 1″ (диагональ 16 мм) и имеет угловое поле зрения 1,5°. Как видно из графика, разрешение объектива составляет 80 лин / мм при контрасте 0,5.
SWIR объектив
С появлением сенсоров, работающих в широком спектральном диапазоне 0,8–1,6 µm, появился и новый класс объективов. Пример зеркально-линзового объектива с фокусным расстоянием 600 мм и относительным отверстием 1 : 4 приведен на рис. 2. Конструктивно объектив выполнен по известной схеме Максутова (Кассагрена) и отличается тем, что первое зеркало диаметром 150 мм имеет сферическую форму, второе зеркало плоское, а третье зеркало установлено под углом 45°, что значительно сокращает габариты объектива. С учетом широкого спектрального диапазона использование зеркал в составе объектива позволяет легко его ахроматизировать, что непросто было бы сделать в схеме, состоящей только из линз.
LWIR объектив
Объективы, работающие в длинноволновой области инфракрасного диапазона 8–12 µm, активно применяются в современных приборах наблюдения. На рис. 3а представлен вид длиннофокусного объектива с фокусным расстоянием 250 мм и относительным отверстием 1 : 1,6. Первое зеркало диаметром 150 мм асферическое, а второе зеркало плоское.
График на рис. 3c показан для пространственной частоты 30 лин / мм, что соответствует разрешению пиксела с размером 12–17 µm.
На рис. 3b приведен другой вариант объектива с 2‑кратным зеркальным экстендером. В экстендере первое зеркало диаметром 150 мм асферическое, а второе зеркало – сфера.
MWIR объектив
Пример длиннофокусного объектива, предназначеного для средневолновой области инфракрасного диапазона 3–5 µm, приведен на рис. 4. Особенностью конструкции такого типа линзовых объективов, представленных на рынке, является наличие дифракционных, асферических элементов и охлаждаемых болометров (сенсоров). Кроме того, апертурная диафрагма объектива должна быть расположена за последней линзой, а ее диаметр должен быть согласован с рабочей апертурой болометра (cold stop). На рис. 4а представлен вид длиннофокусного объектива с фокусным расстоянием 400 мм и относительным отверстием 1 : 4. Оба зеркала (первое диаметром 150 мм) и две линзы – асферические. Качество изображения объектива показано на рис. 4b. Фокусировка на ближнюю дистанцию осуществляется с помощью последней линзы. На рис. 4c приведен другой вариант объектива с переменным фокусом 20–400мм с 2‑кратным зеркальным экстендером. В экстендере первое зеркало диаметром 150 мм асферическое, а второе зеркало – сфера.
Зум и мультиканальный объектив
Двухзеркальную конструкцию можно использовать при проектировании объективов с переменным фокусом и мультиканальных объективов. На рис. 5а–b представлен вид зум-объектива с фокусом 400–800 мм. Изменение фокусного расстояния осуществляется с помощью перемещения 2-х групп линз. Фронтальное зеркало выполнено диаметром 80 мм, что сделано из соображений оптимального сочетания основных параметров объектива: диапазон фокусных расстояний (400–800 мм), габариты (<250 мм), поле зрения (2–1°), разрешение (80 лин / мм). На рис. 6а–c показан вариант объединения двух спектральных каналов (тв и SWIR) с использованием светоделительной призмы (x-cube) и даны их оптические характеристики.
Сравнительные характеристики объективов представлены в таблице.
Заключение
Представленная конструкция длиннофокусных объективов на основе двухзеркальной схемы является оптимальной с точки зрения числа компонентов, габаритных размеров и возможности изготовления в производстве. Все объективы имеют приемлемое качество изображения и могут найти применение в наблюдательных приборах различного назначения.
References
RU 2769088. Зеркально-линзовый объектив. Сокольский М. Н., Краснова Л. О., 28.06.2021.
US 2021 / 0141240. Optical system and optical apparatus. Tatsuro Watanabe etc., May 13, 2021.
US 2014 / 0098277. Catadioptric lens system and image pickup system. Kodai Nagamatsu etc., April 10, 2014.
ОБ АВТОРАХ
Шишкин Игорь Петрович, к.т.н, s 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.
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Представлена конструкция длиннофокусных зеркально-линзовых объективов для видимого и инфракрасного диапазона: VIS, SWIR, MWIR и LWIR. Фронтальная группа у всех объективов одинаковая – 2 зеркала, причем первое (prime) зеркало выполнено диаметром 150 мм. Диаметр зеркала был выбран исходя из требований к светосиле объектива и возможности изготовления зеркала в производстве. Кроме того, одинаковый диаметр основного зеркала при необходимости позволяет объединить несколько каналов (ТВ и SWIR, ТВ и LWIR) в один. В статье описывается телевизионный и SWIR объектив с фокуcом 600 мм и относительным отверстием F / 4, MWIR объектив с фокусом 400 мм и относительным отверстием F / 4 и LWIR объектив с фокусом 250 мм и относительным отверстием F / 1.6. Приведены варианты построения зеркально-линзового зум и мультиканального объективов с фокусом 400–800 мм и относительным отверстием F / 5 – F / 10.
Ключевые слова: длиннофокусный зеркально-линзовый объектив, зум объектив, мультиканальный объектив, VIS, SWIR, MWIR и LWIR, приборы наблюдения
Статья поступила: 13.02.2024
Статья принята:11.03.2024
Введение
Применение длиннофокусных объективов в приборах наблюдения дает возможность максимально приблизить объект, идентифицировать его и определить точную дальность. С другой стороны, сложность объектива определяет габариты и параметры управления всего оптико-электронного комплекса наблюдения. Светосила, как известно, существенно влияет на разрешение объектива, расчитанного для того или иного спектрального диапазона.
На рис. 1а показана зависимость светосилы объектива от спектрального диапазона и размера пиксела. Очевидно, что при переходе в длинноволновую область спектра требуется увеличивать светосилу, чтобы получить приемлемое разрешение объектива. Но увеличение относительного отверстия в длиннофокусном объективе автоматически приводит к росту диаметров линз и габаритов. При этом точность изготовления линз и механических деталей должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить расчетное разрешение в собранном объективе. Создание оптимальной конструкции длиннофокусных зеркально-линзовых объективов для широкого применения и было целью настоящей работы.
Телевизионный объектив
Объектив играет ключевую роль в телевизионном канале и в комбинации с подобранным сенсором обеспечивает требуемую дальность обнаружения. Дальность обнаружения зависит и от величины фокусного расстояния объектива и от светосилы.
Размер пиксела и диагональ сенсора также оказывают влияние на величину дальности обнаружения – для большего пиксела и ограниченного поля зрения можно рассчитать объектив с характеристиками, близкими к теоретическому пределу. На практике длиннофокусный светосильный объектив с высоким контрастом изображения позволяет получить более детальное изображение удаленного объекта.
На рис. 1b–1c показан вид зеркально-линзового телевизионного объектива и график оптической передаточной функции. Первое зеркало диаметром 150 мм – асферическое, второе зеркало – плоское, установленное под углом 45°, далее следует группа из 3-х линз, обеспечивающая исправление хроматических и полевых аберраций. Объектив с фокусным расстоянием 600 мм и относительным отверстием 1 : 4 предназначен для сенсора 1″ (диагональ 16 мм) и имеет угловое поле зрения 1,5°. Как видно из графика, разрешение объектива составляет 80 лин / мм при контрасте 0,5.
SWIR объектив
С появлением сенсоров, работающих в широком спектральном диапазоне 0,8–1,6 µm, появился и новый класс объективов. Пример зеркально-линзового объектива с фокусным расстоянием 600 мм и относительным отверстием 1 : 4 приведен на рис. 2. Конструктивно объектив выполнен по известной схеме Максутова (Кассагрена) и отличается тем, что первое зеркало диаметром 150 мм имеет сферическую форму, второе зеркало плоское, а третье зеркало установлено под углом 45°, что значительно сокращает габариты объектива. С учетом широкого спектрального диапазона использование зеркал в составе объектива позволяет легко его ахроматизировать, что непросто было бы сделать в схеме, состоящей только из линз.
LWIR объектив
Объективы, работающие в длинноволновой области инфракрасного диапазона 8–12 µm, активно применяются в современных приборах наблюдения. На рис. 3а представлен вид длиннофокусного объектива с фокусным расстоянием 250 мм и относительным отверстием 1 : 1,6. Первое зеркало диаметром 150 мм асферическое, а второе зеркало плоское.
График на рис. 3c показан для пространственной частоты 30 лин / мм, что соответствует разрешению пиксела с размером 12–17 µm.
На рис. 3b приведен другой вариант объектива с 2‑кратным зеркальным экстендером. В экстендере первое зеркало диаметром 150 мм асферическое, а второе зеркало – сфера.
MWIR объектив
Пример длиннофокусного объектива, предназначеного для средневолновой области инфракрасного диапазона 3–5 µm, приведен на рис. 4. Особенностью конструкции такого типа линзовых объективов, представленных на рынке, является наличие дифракционных, асферических элементов и охлаждаемых болометров (сенсоров). Кроме того, апертурная диафрагма объектива должна быть расположена за последней линзой, а ее диаметр должен быть согласован с рабочей апертурой болометра (cold stop). На рис. 4а представлен вид длиннофокусного объектива с фокусным расстоянием 400 мм и относительным отверстием 1 : 4. Оба зеркала (первое диаметром 150 мм) и две линзы – асферические. Качество изображения объектива показано на рис. 4b. Фокусировка на ближнюю дистанцию осуществляется с помощью последней линзы. На рис. 4c приведен другой вариант объектива с переменным фокусом 20–400мм с 2‑кратным зеркальным экстендером. В экстендере первое зеркало диаметром 150 мм асферическое, а второе зеркало – сфера.
Зум и мультиканальный объектив
Двухзеркальную конструкцию можно использовать при проектировании объективов с переменным фокусом и мультиканальных объективов. На рис. 5а–b представлен вид зум-объектива с фокусом 400–800 мм. Изменение фокусного расстояния осуществляется с помощью перемещения 2-х групп линз. Фронтальное зеркало выполнено диаметром 80 мм, что сделано из соображений оптимального сочетания основных параметров объектива: диапазон фокусных расстояний (400–800 мм), габариты (<250 мм), поле зрения (2–1°), разрешение (80 лин / мм). На рис. 6а–c показан вариант объединения двух спектральных каналов (тв и SWIR) с использованием светоделительной призмы (x-cube) и даны их оптические характеристики.
Сравнительные характеристики объективов представлены в таблице.
Заключение
Представленная конструкция длиннофокусных объективов на основе двухзеркальной схемы является оптимальной с точки зрения числа компонентов, габаритных размеров и возможности изготовления в производстве. Все объективы имеют приемлемое качество изображения и могут найти применение в наблюдательных приборах различного назначения.
References
RU 2769088. Зеркально-линзовый объектив. Сокольский М. Н., Краснова Л. О., 28.06.2021.
US 2021 / 0141240. Optical system and optical apparatus. Tatsuro Watanabe etc., May 13, 2021.
US 2014 / 0098277. Catadioptric lens system and image pickup system. Kodai Nagamatsu etc., April 10, 2014.
ОБ АВТОРАХ
Шишкин Игорь Петрович, к.т.н, s 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.
Отзывы читателей
