Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения - RU2603449C1
Код документа: RU2603449C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов различного назначения с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами.
Известна инфракрасная система с двумя полями зрения (см. патент CN 103149667 А, МПК7 G02B 13/00, опубл. 12.06.2013 г.), в которой изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом подвижного компонента, при этом максимальное фокусное расстояние f′max составляет 240 мм, минимальное f′min - 60 мм, длина L - 260 мм. Кратность изменения фокусного расстояния M=f′max/f′min=4 и коэффициент телеукорочения TL=L/f′max=1,08.
Также известна инфракрасная система с дискретно изменяемым фокусным расстоянием (см. патент RU 2481602 С1, МПК7 G02B 15/02, опубл. 10.05.2013 г.), в которой изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом подвижного компонента, при этом максимальное фокусное расстояние f′max составляет 200 мм, минимальное f′min=70 мм, длина L=215 мм. Кратность изменения фокусного расстояния М=2,86 и коэффициент телеукорочения TL=1,075.
Указанные системы имеют малое значение максимального фокусного расстояния и большое значение коэффициента телеукорочения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой оптической системе, принятой за прототип, является оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения (см. патент на полезную модель RU 149238 U1, МПК7 G02B 13/14, опубл. 27.012.2014 г.), состоящая из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую отрицательную и вторую положительную выпукло-вогнутые линзы и третью положительную вогнуто-выпуклую линзу, подвижного второго компонента, содержащего первую и вторую отрицательные вогнуто-выпуклые линзы и третью положительную двояковыпуклую линзу, неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную и вторую отрицательную вогнуто-выпуклые линзы, третью положительную выпукло-вогнутую линзу и четвертую положительную вогнуто-выпуклую линзу, и фотоприемного устройства. Изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом подвижного второго компонента в оптический тракт в пространстве между неподвижными первым и вторым компонентами. Оптическая система работает с относительным отверстием 1:4, в узком поле зрения фокусное расстояние объектива f′max=230 мм, в широком поле зрения - f′min=34 мм, длина L=159,7 мм, при этом коэффициент телеукорочения TL=L/f′max=0,69. Кратность изменения фокусного расстояния (поля зрения) M=f′max/f′min=6,76. Элементарное поле зрения при максимальном значении фокусного расстояния составляет γ=30/f′max=0,13 мрад (формат матрицы фотоприемного устройства 320×240 с размером элемента 30 мкм). Оптическая система имеет достаточно высокое качество изображения в узком и широком полях зрения.
Недостатком указанной оптической системы является малое значение максимального фокусного расстояния, что не обеспечивает достаточного разрешения тепловизионного прибора из-за большого элементарного поля зрения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение фокусного расстояния при сохранении значения коэффициента телеукорочения и качества изображения.
Указанная цель достигается тем, что в оптической системе тепловизионного прибора с двумя полями зрения, состоящей из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую отрицательную и вторую положительную выпукло-вогнутые линзы и третью отрицательную линзу, подвижного второго компонента, установленного с возможностью ввода-вывода в оптический тракт и содержащего первую отрицательную и вторую вогнуто-выпуклые линзы и третью положительную линзу, неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу, вторую отрицательную и третью положительную линзы, и фотоприемного устройства, отличающаяся тем, что в неподвижном первом компоненте третья линза выполнена выпукло-вогнутой, в подвижном втором компоненте вторая линза выполнена положительной, третья линза выполнена вогнуто-выпуклой, в неподвижном третьем компоненте вторая линза выполнена выпукло-вогнутой, а третья линза выполнена двояковыпуклой.
На чертеже представлена схема оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения.
Оптическая система состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента I, содержащего первую отрицательную 1, вторую положительную 2 и третью отрицательную 3 выпукло-вогнутые линзы, подвижного второго компонента II, содержащего первую отрицательную 4, вторую положительную 5 и третью положительную 6 вогнуто-выпуклые линзы, неподвижного третьего компонента III, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу 7, вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу 8 и третью положительную двояковыпуклую линзу 9, и фотоприемного устройства 10 с охлаждаемой диафрагмой 11. Подвижный второй компонент II установлен с возможностью ввода-вывода в оптический тракт.
В таблице 1 приведены технические характеристики системы, работающей в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.
Конструктивные параметры системы приведены в таблице 2.
В таблице 3 приведены расчетные значения концентрации энергии, характеризующие качество изображения объектива.
В узком поле зрения, соответствующем максимальному фокусному расстоянию, оптическая система работает следующим образом: излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через линзы 1-3 неподвижного первого компонента I и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзы 7-9 неподвижного третьего компонента III и попадает в фотоприемное устройство 10, в плоскости чувствительных элементов которого формируется изображение, при этом охлаждаемая диафрагма 11 фотоприемного устройства 10 выполняет функцию апертурной диафрагмы системы.
В широком поле зрения, соответствующем минимальному фокусному расстоянию, излучение проходит через линзы 1-3 неподвижного первого I и 4-6 подвижного второго II компонентов и фокусируется в той же плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзы 7-9 неподвижного третьего компонента III и попадает в фотоприемное устройство 10, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов и охлаждаемая диафрагма 11 фотоприемного устройства 10 является апертурной диафрагмой системы.
Изменение поля зрения (фокусного расстояния) оптической системы осуществляется вводом-выводом подвижного второго компонента II в оптический тракт в пространстве между неподвижными первым I и третьим III компонентами.
Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения работает с относительным отверстием 1:4, в узком поле зрения фокусное расстояние f′max=400 мм, в широком поле зрения - f′min=130 мм, длина L=245 мм, при этом коэффициент телеукорочения TL=L/f′max=0,61. Кратность изменения фокусного расстояния (поля зрения) М=f′max/f′min=3. Элементарное поле зрения составляет γ=30/f′max=0,075 мрад (формат матрицы фотоприемного устройства 320×240 с размером элемента 30 мкм).
Таким образом, выполнение оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет увеличить максимальное фокусное расстояние, уменьшив при этом значение элементарного поля зрения в 1,73 раза, а значение коэффициента телеукорочения в 1,13 раза, что позволяет повысить разрешение тепловизионного прибора при сохранении качества изображения.
Реферат
Оптическая система тепловизионного прибора состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую отрицательную, вторую положительную и третью отрицательную выпукло-вогнутые линзы, подвижного второго компонента, содержащего первую отрицательную, вторую положительную и третью положительную вогнуто-выпуклые линзы, неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу, вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу и третью положительную двояковыпуклую линзу, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой. Подвижный второй компонент установлен с возможностью ввода-вывода в оптический тракт. Технический результат - увеличение фокусного расстояния при сохранении значения коэффициента телеукорочения и качества изображения. 1 ил., 3 табл.
