Размещено на http://www.allbest.ru/

Кольцевые линзы в широкоугольных оптических системах

типа «рыбий глаз»

Правдивцев А.В.

Научно-исследовательская группа «Конструктивная Кибернетика»

E-mail: avp@rdcn.ru, Тел.: +7 (916) 439-22-99

Рассмотрено применение кольцевых линз в фронтальной части сверхширокоугольных оптических систем типа «рыбий глаз». Кольцевые линзы позволяют убрать ряд проблемных мест в конструкции. Рассмотрены варианты оптических систем с непрерывным полем зрения и полем, имеющим разрыв.

Широкоугольные оптические системы (ОС) имеют обширное применение в различных областях. Разработка матричных приёмников излучения больших размерностей позволяет получить приемлемое мгновенное поле зрения пикселя. Однако при создании подобных систем, разработчик сталкивается с рядом сложностей [1, 2]. Один из путей решения - применение кольцевых линз во фронтальной части подобных систем [2].

a)

b)

Рис. 1. Варианты оптических систем с панорамными кольцевыми линзами.

Известны разработки систем с применением панорамных кольцевых линз (panoramic annular lens), основанных на полном внутреннем отражении. Особенностью подобных систем является «слепая» зона в области оптической оси - система обладает цилиндрическим полем зрения (Рис. 1a, 1b) [3]. Несмотря на это, подобные варианты нашли свое применение в проекционных панорамных системах и системах наблюдения. В случае если требуется широкоугольная ОС с непрерывным полем, такое решение неприменимо.

Постановка задачи. Для оценки принципиальной возможности реализации решения на основе кольцевых линз было необходимо разработать ОС и выполнить сравнение с «классическим» вариантом, как по качеству системы, так и по технологическим характеристикам.

Для решения данной задачи были разработаны системы со следующими характеристиками: угловое поле зрения 220° вписано в матричный приемник излучения размером 36х36 мм, относительное отверстие 1:4, спектральный диапазон 440-680 нм. Рассмотрено три варианта, обладающих одинаковым качеством (величина полихроматической частотно-контрастной характеристики на частоте 35 лин/мм во всех системах не менее 0.7): «классическая» ОС, и два случая ОС основанные на кольцевых линзах - с непрерывным полем зрения и полем с зазором (ширина слепой зоны в этом случае составила 2.4є) [2].

Анализ результатов. Использование кольцевых линз позволяет частично избавиться от некоторых проблемных мест в конструкции обычных систем [1]: величина заготовок для фронтальных линз в случае сверхширокоугольных систем, уменьшение веса системы. Кроме того, при удалении кольцевых линз, оптическая система может работать как более узкоугольная (с ухудшением качества вне центрального поля зрения).

Рис. 2. Оптическая система типа «рыбий глаз с использованием кольцевых линз»

кольцевой линза широкоугольный оптический

Применение кольцевых линз позволила уменьшить вес оптических элементов на 20% (и более в зависимости от выбранных материалов). Использование линз из пластика во фронтальной области привело к дальнейшему снижению веса (до 60%). Для обеспечения непрерывного поля зрения во фронтальных линзах пришлось использовать асферические поверхности.

В процессе оптимизации были получены требования к оценочной функции для системы с непрерывным угловым полем. Для того чтобы не было заметно влияния кольцевых линз на качество системы, система должна иметь одинаковый ход дисторсии для внешнего и внутренних полей в области пересечения, согласование полей должно выполняться на основе высоты луча, соответствующему центру масс пятна; кроме того, вид функции рассеяния точки (ФРТ) должен быть похожим.

Форма ФРТ в области пересечения полей для случая системы с непрерывным полем зрения, формируется из совокупности ФРТ для внешнего и внутреннего полей. На рисунке 3 приведен пример для случая, когда система не обладает требуемым уровнем коррекции по дисторсии и форме ФРТ. В этом случае, несмотря на одинаковый среднеквадратичный размер пятна рассеяния на краю для внешнего и внутреннего поля, в области перекрытия размер пятен превышает ожидаемые значения. Кроме того, наблюдается значительное искажение вида пятна в области пересечения. Это может привести к усложнению алгоритмов обнаружения объектов в поле зрения (для автоматизированных систем) и искажению изображения в зоне нерезкости (может быть критично для изображающих фотографических объективов).

Рис. 3. Вид ФРТ для системы с непрерывным полем зрения: a, d - внутреннее и внешнее поле соответственно, b, d - промежуточные поля.

Приведенные выше требования должны выполняться и в изготовленной системе. Оценка технологичности конструкций показала, что наиболее простой в изготовлении и сборке является «классическая» система со сплошными линзами. Наиболее сложной - система с непрерывным полем зрения (применение асферических поверхностей приводит к дополнительным требованиям по юстировке фронтальных линз). Следует отметить, что применение кольцевых линз ведет к ужесточению требований к их позиционированию: смещение в поперечном направлении вызовет несимметричность поля зрения в области перекрытия полей. Кроме того, системы с кольцевыми линзами предъявляют повышенные требования к качеству оптического стекла для последующей части системы.

Заключение

В работе рассмотрено принципиальная возможность применения кольцевых линз в широкоугольных оптических системах. Подобное решение имеет ряд преимуществ, но для полноценного использования необходимо решить технологические вопросы, связанные с изготовлением подобных элементов и использованием систем в сборе.

Разработка систем с непрерывным полем зрения и кольцевыми линзами имеет ряд описанных особенностей. Выполнение специфических требований к качеству подобных систем должно быть обеспечено не только в процессе разработки, но и на этапе сборки-юстировки.

В дальнейшем планируется дополнительно оценить вклад внутренних частей и краев кольцевых линз на качество изображения.

Литература

1) Chadwick B. Martin. Design issues of a hyper-field fisheye lens. Proc. of SPIE Vol. 5524. 2004, с. 84-92.

2) A. V. Pravdivtsev. Ring lenses in wide angle optical systems. Technical digest of 9-th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication. 2014, pp. 159-160.

3) Tao Ma, Jingchi Yu, Pei Liang, and Chinhua Wang. Design of a freeform varifocal panoramic optical system with specified annular center of field of view. Optic Express, Vol. 19, №5, 2011, pp. 3843-3853.

Размещено на Allbest.ru