Компактные пластмассово-линзовые вариообъективы с дифракционными линзами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компактные пластмассово-линзовые

вариообъективы с дифракционными линзами

Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, З.А. Сидякина, С.А. Степанов

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,

Пенза, Россия. Телефон:(8412) 929478. E-mail: grey@pguas.ru

Представлены схемы и оптические характеристики компактных пластмассово-линзовых вариообъективов, отличительной особенностью которых является то, что одна из поверхностей линз объектива выполнена с дифракционным микрорельефом. Обсуждены особенности объективов с точки зрения современных технологических возможностей изготовления их элементов и влияния побочных дифракционных порядков на качество формируемого изображения.

Современные методы формообразования на основе прецизионной штамповки позволяют с требуемой оптической точностью относительно просто формировать и тиражировать поверхности пластмассовых рефракционных линз (РЛ) практически любой формы, а при необходимости - штамповать эти поверхности с дифракционным микрорельефом и даже осуществлять их просветление [1]. С учетом уникальных дисперсионных и аберрационных свойств дифракционных линз (ДЛ) это открывает возможность не только демонстрации широких потенциальных возможностей рефракционно-дифракционных оптических систем, но и их практической реализации, прежде всего, в системах, предназначенных для массовых технических средств связи, а также фото- и видеорегистрации (мобильных телефонов, массовых видеокамер охранных устройств, автомобильных видеорегистраторов и т.д.). Ниже приводятся схемы и оптические характеристики компактных пластмассово-линзовых вариообъективов, РЛ которых выполнены из технологичных и коммерчески доступных оптических пластмасс двух наиболее распространенных марок: полиметилметакрилата и поликарбоната. При этом одна из поверхностей РЛ каждого из вариообъективов выполнена с дифракционным микрорельефом.

Для работы в видимом спектральном диапазоне авторами рассчитан компактный пластмассово-линзовый вариообъектив, состоящий из четырех РЛ, с микроструктурой ДЛ, выполненной на задней поверхности второй РЛ [2]. Оптическая схема этого вариообъектива представлена на рис. 1, а его изменяемые при зуммировании параметры сведены в табл. 1. При расчете рабочий спектральный диапазон вариообъектива считался ограниченным синей F - и красной C - линиями в спектре атома водорода (=0,48613 мкм и =0,65626 мкм). Длина вариообъектива (т.е. расстояние от фронтальной поверхности первой линзы до плоскости изображения) при всех его конфигурациях остается неизменной и составляет 12,4 мм. Фокусное расстояние вариообъектива изменяется от =3,44 мм до =8,17 мм. В табл. 2 представлены данные о полихроматическом разрешении в изображении, формируемом рассчитанным вариообъективом в пяти конфигурациях. Что же касается его дисторсии, то она во всех конфигурациях не превышает 5%.

Для работы в режиме «день-ночь» рассчитан компактный пластмассово-линзовый вариообъектив, состоящий из восьми РЛ, с микроструктурой ДЛ, выполненной на задней поверхности четвертой РЛ [3]. Оптическая схема этого вариообъектива представлена на рис. 2, а его изменяемые при зуммировании параметры сведены в табл. 3. Здесь напомним, что режим «день-ночь» предполагает три варианта освещения объекта: естественное дневное освещение, сумеречное освещение и искусственное освещение инфракрасным (ИК) прожектором [4]. При естественном дневном освещении для обеспечения правильной цветопередачи используется светофильтр, отсекающий ультрафиолетовую (УФ) и ИК-составляющие спектра [5]. В результате рабочий спектральный диапазон вариообъектива считают ограниченным длинами волн и . В случае сумеречного освещения используется расширенный спектральный диапазон, охватывающий не только видимую, но и ближнюю ИК области спектра (=0,48613 мкм, 0,9 мкм). Наконец, в ночное время используется искусственная ИК-подсветка с помощью светодиодного прожектора. Для охранных систем видеонаблюдения в прожекторах используются светодиоды с центральной длиной волны квазимонохроматической линии, начиная с =0,8 мкм [6, 7].

(а)

(б)

(в)

пластмассовый линза вариообъектив дифракционный

Рис. 1. Оптическая схема компактного пластмассово-линзового рефракционно-дифракционного вариообъектива, предназначенного для работы в видимом спектральном диапазоне: (а) - широкоугольная конфигурация, соответствующая =3,44 мм; (б) - промежуточная конфигурация, соответствующая =5,17 мм; (в) - телеконфигурация, соответствующая =8,17 мм. 1? ДЛ; 2- апертурная диафрагма; 3 ? плоскопараллельная стеклянная пластина.

(а)

(б)

(в)

Рис. 2. Оптическая схема компактного пластмассово-линзового рефракционно-дифракционного вариообъектива, предназначенного для работы в режиме «день-ночь»: (а) - широкоугольная конфигурация, соответствующая =3,41 мм; (б) - промежуточная конфигурация, соответствующая =5,18 мм; (в) - телеконфигурация, соответствующая =8,19 мм. 1 - апертурная диафрагма; 2 ? ДЛ; 3 - плоскопараллельная стеклянная пластина.

Табл. 1. Изменяемые при зуммировании параметры компактного пластмассово-линзового рефракционно-дифракционного вариообъектива, предназначенного для работы в видимом спектральном диапазоне

Табл. 2. Полихроматическое разрешение в изображении, формируемом компактным пластмассово-линзовым рефракционно-дифракционным вариообъективом, предназначенным для работы в видимом спектральном диапазоне

Табл. 3. Изменяемые при зуммировании параметры компактного пластмассово-линзового рефракционно-дифракционного вариообъектива, предназначенного для работы в режиме «день-ночь»

Табл. 4. Полихроматическое разрешение в изображении, формируемом компактным пластмассово-линзовым рефракционно-дифракционным вариообъективом, предназначенным для работы в режиме «день-ночь»

Длина вариообъектива, предназначенного для работы в режиме «день-ночь», при всех его конфигурациях остается неизменной и составляет 24,2 мм. Его фокусное расстояние изменяется от =3,41 мм до =8,19 мм. В табл. 4 представлены данные о полихроматическом разрешении в изображении, формируемом рассчитанным вариообъективом в пяти конфигурациях и трех режимах работы. Что же касается его дисторсии, то она, как и для предыдущего вариообъектива, во всех конфигурациях не превышает 5%.

Приведенные в табл. 1 и 3 данные об угловых полях зрения рассчитанных вариообъективов обеспечивают, при различных значениях их фокусных расстояний, постоянство размера поля изображения =5 мм. Это в совокупности с данными о разрешении вариообъективов, представленными в табл. 2 и 4, дает основание сделать вывод о том, что эти вариообъективы позволяют в полной мере использовать потенциальные возможности формирования высококачественного изображения пятимегапиксельным матричным фотоприёмником формата 1:3,6” [8].

В заключение отметим, что микроструктура ДЛ, входящих в рассчитанные вариообъективы, является низкочастотной: ширина самой узкой зоны Френеля составляет величину порядка 200 мкм. Это, во-первых, позволяет достаточно просто изготовить такие структуры с пилообразным или даже коррелированным рельефом, при котором форма рельефа приведена в соответствие с фазовой задержкой ДЛ [1, 9]. Во-вторых, это дает возможность добиться высокой и практически неизменной дифракционной эффективности ДЛ в рабочем порядке дифракции в пределах всего рабочего спектрального диапазона и углов падения на микроструктуру линзы, изготовив эту микроструктуру с несколькими слоями и рельефами [10-13].

Литература

1. Грейсух Г.И, Ежов Е.Г., Сидякина З.А., Степанов С.А. Расчёт и анализ компактного пластмассово-линзового рефракционно-дифракционного вариообъектива // Компьютерная оптика. 2013. Т.37, №2. С. 210-214.

2. Greisukh G.I., Ezhov E.G., Sidyakina Z.A., Stepanov S.A. Design of plastic diffractive-refractive compact zoom lenses for visible-near-IR spectrum // Appl. Opt.. 2013. V. 52, N23. Р. 5843-5850.

3. http://www.mvcctv.ru/articles/nightview/

4. http://www.hoyafilter.com/hoya/products/generalfilters/uvircut/

5. Чура Н.И. Некоторые аспекты применения ИК-подсветки при видеонаблюдении // Специальная техника. - 2002. - № 3. - С. 35-39.

6. http://www.armosystems.ru/system/ik-podsvetka.ahtm

7. http://sbsurvco.com/ThermosCamera.html

8. Грейсух Г.И, Ежов Е.Г., Калашников А.В., Левин И.А., Степанов С.А. Эффективность рельефно-фазовых дифракционных элементов при малом числе зон Френеля // Оптика и спектроскопия. 2012. Т.113, № 4. С. 468-473.

9. Arieli Y., Ozeri S., Eisenberg N. Design of a diffractive optical element for wide spectral bandwidth // Opt. Lett. 1998. V. 23, N 11. P. 823-824.

10. Kleemann B., SeeЯelberg M., Ruoff J. Design concepts for broadband high-efficiency DOEs // Journal of the European Optical Society - Rapid Publications. 2008. V. 3. P. 08015-108015-16.

11. Грейсух Г.И., Безус Е.А., Быков Д.А., Ежов Е.Г., Степанов С.А. Подавление спектральной селективности двухслойных рельефно-фазовых дифракционных структур // Оптика и спектроскопия. 2009. - Т. 106, №4. C.694-699.

12. Zhao Y.H., Fan C.J., Ying C..F., Liu S.H. The investigation of triple-layer diffraction optical element with wide field of view and high diffraction efficiency // Opt. Com. 2013. V. 295. P. 104-107.

Размещено на Allbest.ru