Четырехканальная зеркально-линзовая оптическая система - RU2615162C1

Чертежи

Описание

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено для теплотелевизионных приборов и прицелов, используемых в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Известна многоспектральная зеркально-линзовая оптическая система (United States Patent №5,841,574 от Nov. 24, 1998 г.), содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, вторичное выпуклое асферическое зеркало, спектроделитель в виде наклонной плоскопараллельной пластины, установленный перед фокальной плоскостью двухзеркальной системы, децентрированный входной зрачок, использующий неэкранированную часть зеркальной системы, и оптические системы в видимом и ИК каналах. Недостатком этой оптической системы является использование в качестве спектроделителя наклонной плоскопараллельной пластины в сходящемся пучке лучей, что вносит аберрации нецентрированной системы, которые не могут быть скомпенсированы аберрациями центрированной системы и требуют компенсатора с цилиндрической или торической поверхностью. Также такая оптическая система обеспечивает невысокую светосилу в телевизионном и тепловизионном каналах.

Наиболее близкой по технической сущности является трехканальная зеркально-линзовая оптическая система по патенту на полезную модель №136198 от 27.12.2013 г.

Эта трехканальная оптическая система содержит зеркальный объектив, включающий главное вогнутое асферическое зеркало и вторичное выпуклое асферическое зеркало, линзовый компенсатор зеркального объектива для видимого или ближнего ИК диапазона, общий для среднего и дальнего ИК диапазонов трехлинзовый объектив, расположенный так, что его передняя фокальная плоскость совпадает с задней фокальной плоскостью зеркального объектива, первый спектроделитель, выполненный в виде наклонной плоскопараллельной пластинки и расположенный в параллельном пучке лучей после общего объектива. Кроме того, введены линза-коллектив и второй светоделитель, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки и установленный между главным вогнутым и вторичным выпуклым зеркалами перпендикулярно оптической оси, приемник излучения видимого или ближнего ИК диапазона. Также после первого спектроделителя установлены трехлинзовый объектив для дальнего ИК диапазона и приемник излучения дальнего ИК диапазона, объектив для среднего ИК диапазона и приемник излучения среднего ИК диапазона с охлаждаемой диафрагмой.

Недостатком этой оптической системы являются малые угловые поля зрения в пространстве предметов, а также малые значения относительного отверстия всех трех каналов оптической системы и наличие двух асферических поверхностей. Также такая оптическая система содержит небольшое количество одновременно работающих каналов.

Задачей настоящего изобретения является получение изображения на четырех приемниках одновременно, а также увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов оптической системы и уменьшение количества асферических поверхностей.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в зеркально-линзовой оптической системе, содержащей главное вогнутое асферическое зеркало, три спектроделителя и четыре оптических канала для разных спектральных диапазонов, в отличие от известного перед главным вогнутым асферическим зеркалом установлен линзовый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, после главного вогнутого асферического зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность первого компонента которого является спектроделительной поверхностью, пропускающей дальний ИК диапазон и отражающей видимый (ближний ИК), короткий ИК и средний ИК диапазоны, общий для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов двухлинзовый объектив, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую двояковыпуклую линзу, вторую выпукловогнутую линзу, и расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива, а после общего объектива расположен второй спектроделитель, выполненный в виде призмы-кубика, после прохождения которой установлен объектив для среднего ИК диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей две одиночные линзы в форме менисков, причем мениски обращены к плоскости изображения вогнутой стороной, и приемник излучения среднего ИК диапазона с внутренней охлаждаемой диафрагмой, а после отражения от второго спектроделителя призмы-кубика установлены общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов двухлинзовый компенсатор, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую двояковогнутую линзу, вторую двояковыпуклую линзу, третий спектроделитель, выполненный в виде призмы-кубика, после прохождения которой установлен объектив для короткого ИК диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей две одиночные линзы в форме менисков, причем первый мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, а второй - вогнутой, приемник излучения короткого ИК диапазона, а после отражения от третьего спектроделителя призмы-кубика установлены объектив для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей четыре одиночные линзы, первая, третья и четвертая из которых выполнены в форме менисков, вторая - двояковыпуклая линза, причем первый, третий и четвертый мениски обращены к плоскости изображения вогнутой стороной, и приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона, при этом выполняются следующие соотношения:

δ≤±2 дптр;

OC_общ=-(1÷4)⋅ОС_о.к,

где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектива относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива;

OC_общ - оптическая сила общего для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектива;

ОС_о.к - оптическая сила общего для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов компенсатора.

Такая оптическая система обеспечивает одновременную работу четырех каналов, увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов оптической системы и уменьшает количество асферических поверхностей.

Оптическая схема четырехканальной зеркально-линзовой оптической системы показана на фиг. 1.

Четырехканальная зеркально-линзовая оптическая система содержит следующие элементы: зеркально-линзовый объектив А, включающий отрицательный мениск 1 и главное вогнутое асферическое зеркало 2; линзовый компенсатор В зеркально-линзового объектива для дальнего ИК диапазона, включающий отрицательный мениск 3 и положительный мениск 4, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник изображения 5 дальнего ИК диапазона; первый спектроделитель, нанесенный на выпуклой стороне отрицательного мениска 3; общий для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектив С, включающий двояковыпуклую линзу 6 и выпукловогнутую линзу 7; второй спектроделитель 8; объектив D для среднего ИК диапазона, включающий положительный мениск 9 и отрицательный мениск 10, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения среднего ИК диапазона 11; общий для общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов компенсатор Е, включающий двояковогнутую линзу 12 и двояковыпуклую линзу 13; третий спектроделитель 14, объектив F для короткого ИК диапазона, включающий положительный мениск 15, обращенный к плоскости изображения выпуклой стороной, и положительный мениск 16, обращенный к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения короткого ИК диапазона 17; объектив G для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий отрицательный мениск 18, двояковыпуклую линзу 19, отрицательные мениски 20 и 21, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона 22.

Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.

Параметры такого варианта исполнения трехканальной зеркально-линзовой оптической системы следующие:

Угловое поле в пространстве предметов:

Относительное отверстие:

Принцип действия четырехканальной зеркально-линзовой оптической системы заключается в следующем. Излучение от удаленного объекта проходит через линзу 1, выполненную в виде отрицательного мениска, отражается от вогнутого асферического зеркала 2 и попадает на первую спектроделительную поверхность, которой является выпуклая поверхность линзы 3 компенсатора. Прошедшие через первую спектроделительную поверхность лучи после прохождения линз 3 и 4 компенсатора В формируют изображение в плоскости приемника 5. Отраженные от первой спектроделительной поверхности лучи создают изображение в задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива А, а затем преобразовываются в пучки с малой угловой расходимостью с помощью линз 6 и 7 общего объектива С. После общего объектива С пучки лучей с малой угловой расходимостью попадают на второй спектроделитель 8. Прошедшие спектроделитель 8 лучи, проходя через линзы 9 и 10 объектива D, формируют изображение в плоскости приемника 11. Отраженные спектроделителем 8 лучи, проходя через линзы 12 и 13 компенсатора Е, попадают на третий спектроделитель 14. Прошедшие спектроделитель 14 лучи, проходя через линзы 15 и 16 объектива F, формируют изображение в плоскости приемника 17. Отраженные спектроделителем 14 лучи, проходя через линзы 18, 19, 20 и 21 объектива G, формируют изображение в плоскости приемника 22.

Для повышения качества оптического изображения передняя фокальная плоскость общего объектива С смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива А для преобразования проходящих пучков в пучки с малой угловой расходимостью, при этом выполняются следующие соотношения:

δ≤±2 дптр;

OC_общ=-(1÷4)⋅ОС_о.к,

где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектива относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива;

ОС_общ - оптическая сила общего для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектива;

ОС_о.к - оптическая сила общего для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов компенсатора.

Для каждого из каналов задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:

- пространственную частоту ~30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷13,5) мкм с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм);

- пространственную частоту ~33 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (3,0÷5,0) мкм с размером чувствительного элемента, равным 15 мкм);

- пространственную частоту ~25 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (1,0÷1,6) мкм с размером чувствительного элемента, равным 20 мкм);

- пространственную частоту ~50 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,5÷0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 10 мкм).

Получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает приемлемое качество изображения для оптикоэлектронных приборов, использующих общий входной канал и четыре фотоприемника:

- микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм с размером пикселя 17 мкм;

- охлаждаемую фотодиодную матрицу спектрального диапазона (3,0÷5,0) мкм с размером пикселя 15 мкм;

- фотодиодную матрицу спектрального диапазона (1,0÷1,6) мкм с размером пикселя 20 мкм;

- телевизионную КМОП матрицу спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 10 мкм.

Реферат

Оптическая система содержит главное вогнутое асферическое зеркало, перед которым установлен отрицательный мениск, после главного зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность которого является спектроделительной и пропускает дальний ИК диапазон и отражает видимый, короткий ИК и средний ИК диапазоны, общий для видимого, короткого ИК и среднего ИК диапазонов двухлинзовый объектив, передняя фокальная плоскость которого смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива для образования пучков с малой угловой расходимостью. После общего объектива расположен второй спектроделитель, после прохождения которого установлен объектив для среднего ИК диапазона. После отражения от второго спектроделителя установлены общий для видимого и короткого ИК диапазонов двухлинзовый компенсатор и третий спектроделитель, после прохождения которого установлен объектив для короткого ИК диапазона, а после отражения от третьего спектроделителя установлен объектив для видимого диапазона. Технический результат - получение изображения на четырех приемниках одновременно, а также увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов и уменьшение количества асферических поверхностей. 1 ил., 1 табл.

Формула