Оптико-электронная система определения координат - RU2777463C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в системах поиска, обнаружения и определения координат объектов, излучающих в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра.

Известен «солнечно-слепой» объектив (патент RU 2417388, МПК G02B 13/14, опубл. 27.04.2011 г.), содержащий корпус, в котором установлены входная линза с покрытием на внутренней поверхности, два оптических блока с фокусирующими линзами и фильтрами, снабженными интерференционными покрытиями, кристаллический фильтр с полосой пропускания от 0,22 до 0,32 мкм и фотоприемник.

В оптико-электронных системах определения координат, предназначенных для обнаружения УФ излучения, одним из основных элементов является спектральный фильтр, выделяющий информативную часть излучения и максимально отсекающий фоновую составляющую излучения дневного неба и прямой солнечной засветки. Для эффективной работы системы спектральный фильтр должен обеспечивать высокую степень фильтрации излучения, а его поверхность должна быть равномерно освещена в пределах всего поля зрения. В данном объективе конструкция фильтра обеспечивает спектральную фильтрацию до 10^-16, однако применение в качестве кристаллического фильтра монокристалла одной из солей Туттона, а именно хрупкого и легко растворимого в воде гексагидрата сульфата цезия-никеля, накладывает определенные ограничения при его использовании.

Известна «солнечно-слепая» ультрафиолетовая оптическая система определения координат с большим полем зрения и большой относительной апертурой (патент CN 106405795, МПК G02B 13/00, G02B 13/06, G02B 13/14, G02B 13/18, опубл. 15.02.2017 г.), содержащая тринадцать линз и ультрафиолетовый узкополосный фильтр. Первая линза двояковыпуклая асферическая, вторая и третья линзы двояковогнутые, четвертая и пятая линзы положительные вогнуто-выпуклые асферические, шестая отрицательная выпукло-вогнутая линза, седьмая, девятая и одиннадцатая линзы двояковыпуклые, восьмая и десятая линзы двояковогнутые, двенадцатая и тринадцатая линзы положительные выпукло-вогнутые. Между двенадцатой и тринадцатой линзами установлен ультрафиолетовый узкополосный фильтр, между седьмой и восьмой линзами расположена апертурная диафрагма системы. В качестве материалов линз используются фтористый кальций и кварцевое стекло. Система работает в спектральном диапазоне от 0,26 до 0,28 мкм, фокусное расстояние 8 мм, относительное отверстие 1:1,5, угловое поле зрения 75,2°, длина системы от первой поверхности до плоскости изображения составляет 157 мм. В системе обеспечивается телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений. Равномерность освещенности плоскости изображения >81,6%, при этом равномерность освещенности фильтра не обеспечивается.

Недостатками системы являются большое количество линз, в том числе с асферическими поверхностями, и большая длина. Кроме того, при выбранном положении спектрального фильтра лучи падают на его поверхность под большими углами, что приводит к неравномерному освещению фильтра в переделах всего поля зрения и снижению эффективности работы системы в целом.

Также известно устройство для обнаружения УФ излучения (патент ЕР 1146324, МПК G01J 1/42, G02B 5/20, опубл. 17.10.2001 г.), содержащее последовательно установленные оптическую систему, спектральный фильтр и приемник излучения в виде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Спектральный фильтр подавляет помеховое солнечное излучение вне «солнечно-слепой» области спектра и содержит поглощающие элементы и элементы с интерференционными покрытиями.

Оптическая система выполнена в виде двухэлементной афокальной насадки; угловое поле зрения более ±40°.

Недостатком этого устройства является неопределенность угловых координат излучающего объекта, поскольку ФЭУ не является координатно-чувствительным приемником. Кроме того, афокальная оптическая система, уменьшая углы падения лучей на спектральный фильтр, не обеспечивает необходимую равномерность освещения фильтра по всему полю зрения.

Наиболее близкой по технической сущности, принятой за прототип, является оптико-электронная система обнаружения и определения координат источников УФ излучения (патент RU 108151, МПК G01S 3/78, опубл. 10.09.2011 г.). Система содержит расположенные по ходу лучей приемный объектив с широким полем зрения, спектральный фильтр, приемник излучения, выполненный в виде электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с фотокатодом, чувствительным к УФ излучению, проекционный объектив, установленный между приемником излучения и ПЗС-матрицей, к выходу которой подключен блок обработки сигнала. Фотокатод ЭОП совмещен с фокальной плоскостью приемного объектива, плоскость предметов проекционного объектива совмещена с выходным экраном ЭОП, а плоскость изображений совмещена с ПЗС-матрицей. В данной системе спектральный фильтр выполнен из нескольких подложек с нанесенными на их поверхность интерференционными покрытиями. При этом часть подложек изготовлена из кварца, пропускающего УФ излучение, а часть - из цветного стекла, пропускающего излучение в рабочей «солнечно-слепой» области спектра (от 0,19 до 0,29 мкм) и в нерабочей области. Конструкция фильтра обеспечивает спектральную фильтрацию 10^-10-10^-12. Угловое поле зрения устройства 90°×90°; фокусное расстояние приемного объектива 11,6 мм; формат ПЗС-матрицы 1/4".

Недостатками системы являются неравномерность освещенности спектрального фильтра, связанная с большими углами падения лучей на его поверхность (Фиг. 1), а также малая степень фильтрации излучения, что снижает обнаружительную способность и точность определения координат источников излучения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение обнаружительной способности и точности определения координат источников УФ излучения за счет обеспечения равномерной освещенности спектрального фильтра во всей зоне обзора при увеличении степени фильтрации излучения.

Поставленная задача решается за счет того, что в оптико-электронной системе определения координат, содержащей расположенные по ходу лучей обтекатель, приемный объектив, первый спектральный фильтр,

установленный в заднем отрезке приемного объектива, приемник излучения, выполненный в виде электронно-оптического преобразователя, проекционный объектив, ПЗС-матрицу, к выходу которой подключен блок обработки информации, согласно изобретению приемный объектив выполнен в виде последовательно расположенных первого и второго компонентов, в пространстве, между которыми установлен дополнительно введенный второй спектральный фильтр, при этом первый компонент выполнен в виде последовательно расположенных первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй плоско-вогнутой линз, а второй компонент содержит последовательно установленные первую двояковыпуклую линзу, первая поверхность которой совмещена с апертурной диафрагмой, вторую двояковогнутую, третью положительную вогнуто-выпуклую, четвертую двояковыпуклую и пятую выпукло-плоскую линзы.

На фигуре 1 представлена оптическая схема оптико-электронной системы определения координат.

На фигуре 2 представлена оптическая схема приемного объектива с ходом лучей.

Оптико-электронная система определения координат состоит из расположенных по ходу лучей обтекателя 1, приемного объектива 2, выполненного в виде первого компонента I, содержащего первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу 2.1 и вторую плоско-вогнутую линзу 2.2, и второго компонента II, содержащего первую двояковыпуклую линзу 2.3, первая поверхность которой совмещена с апертурной диафрагмой 2.4, вторую двояковогнутую линзу 2.5, третью положительную вогнуто-выпуклую линзу 2.6, четвертую двояковыпуклую линзу 2.7 и пятую выпукло-плоскую линзу 2.8, а также второй спектральный фильтр 2.9 и диафрагму 2.10 установленные в пространстве между первым I и вторым II компонентами, первого спектрального фильтра 3, установленного в заднем отрезке приемного объектива 2, приемника излучения 4, выполненного в виде электронно-оптического преобразователя, проекционного объектива 5, ПЗС-матрицы 6 и блока обработки информации 7, подключенного к выходу ПЗС-матрицы 6.

Диафрагма 2.10 имеет черное матовое покрытие и служит блендой, отсекающей паразитное рассеянное излучение.

В состав блока обработки информации 7 входят модуль считывания сигналов с периферийных устройств и высокопроизводительный вычислитель, формирующий необходимую для потребителя информацию об обнаруженных источниках излучения (на чертеже не показаны).

В таблице 1 приведены технические характеристики заявляемой оптико-электронной системы определения координат.

В таблице 2 приведены конструктивные параметры конкретного примера исполнения приемного объектива заявляемой оптико-электронной системы определения координат.

Первый спектральный фильтр 3 конструктивно выполнен на пяти подложках с нанесенными на их поверхности интерференционными покрытиями. Часть подложек выполнена из кварца, пропускающего УФ излучение, а часть - из цветного стекла УФС2, пропускающего излучение в рабочей области и поглощающего излучение в нерабочей области. Совокупность интерференционных покрытий и цветного стекла с селективным пропусканием позволяет выделить «солнечно-слепую» область и подавить фоновое излучение.

Второй спектральный фильтр 2.9 выполнен на подложке из кварцевого стекла, на поверхность которой нанесено интерференционное покрытие с выбранным значением коэффициента подавления фонового излучения.

Проекционный объектив 5 может быть выполнен в виде двух компонентов, с расположенной между ними диафрагмой и может содержать в первом компоненте двояковогнутую линзу, положительную вогнуто-выпуклую линзу и склейку из двояковыпуклой и вогнуто-выпуклой линз, а во втором компоненте - склейку из выпукло-вогнутой и двояковыпуклой линз, отрицательную вогнуто-выпуклую и положительную выпукло-вогнутую линзы.

В заявляемой оптико-электронной системе определения координат за счет выбранного конструктивного исполнения приемного объектива 2 обеспечивается телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений, при котором в первый спектральный фильтр 3 лучи направляются под очень малыми углами (Фиг. 2), создавая равномерное освещение его поверхности по всему полю зрения. При этом достигается более высокая, чем в прототипе, степень фильтрации излучения 10^-14-10^-16, что при равномерном освещении первого спектрального фильтра во всей зоне обзора повышает обнаружительную способность и точность определения координат.

Оптико-электронная система определения координат работает следующим образом. Поток излучения от удаленного источника, содержащего УФ составляющую, поступает на обтекатель 1, затем проходит через линзы 2.1-2.8 и второй спектральный фильтр 2.9 приемного объектива 2, при этом диаметр пучка излучения определяется диаметром апертурной диафрагмы 2.4. После чего поток излучения направляется на установленный в заднем отрезке объектива 2 первый спектральный фильтр 3, проходит через него и фокусируется в плоскости фотокатода ЭОП 4, преобразующего излучение «солнечно-слепого» УФ диапазона в видимое излучение, в точке, координаты которой соответствуют угловому положению источника УФ излучения в поле зрения системы. Сформированное на выходном люминесцентном экране ЭОП 4 изображение источника переносится проекционным объективом 5 в плоскость ПЗС-матрицы 6, в результате чего на соответствующем пикселе ПЗС-матрицы 6 вырабатывается электрический сигнал, который передается в блок обработки информации 7. По координатам засвеченного пиксела в блоке обработки информации 7 вычисляются угловые координаты обнаруженного источника УФ излучения. Изображение источника переносится проекционным объективом 5 в плоскость ПЗС-матрицы 6 с уменьшением, кратность которого зависит от размеров фотокатода ЭОП 4 и ПЗС-матрицы 6.

Таким образом, выполнение оптико-электронной системы определения координат в соответствии с предлагаемым техническим решением обеспечивает равномерную освещенность спектрального фильтра во всей зоне обзора при увеличении степени фильтрации излучения, что позволяет повысить обнаружительную способность системы и точность определения координат.

Реферат

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может использоваться в системах поиска, обнаружения и определения координат объектов, излучающих в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. Технический результат состоит в повышении обнаружительной способности системы и точности определения координат за счет равномерной освещенности спектрального фильтра. Для этого система содержит расположенные по ходу лучей обтекатель, приемный объектив, первый спектральный фильтр, установленный в заднем отрезке приемного объектива, приемник излучения, выполненный в виде электронно-оптического преобразователя, проекционный объектив, ПЗС-матрицу, к выходу которой подключен блок обработки информации. Приемный объектив выполнен в виде последовательно расположенных первого и второго компонентов, в пространстве между которыми установлен дополнительно введенный второй спектральный фильтр. При этом первый компонент выполнен в виде последовательно расположенных первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй плоско-вогнутой линз. Второй компонент содержит последовательно установленные первую двояковыпуклую линзу, первая поверхность которой совмещена с апертурной диафрагмой, вторую двояковогнутую, третью положительную вогнуто-выпуклую, четвертую двояковыпуклую и пятую выпукло-плоскую линзы. 2 ил., 2 табл.

Формула