N-КАНАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК G02B27/00 G02B17/08 

Изобретение относится к оптотехнике и может быть использовано при создании приборов для получения изображений, например, тепловизоров. Известны обычные одноканальные оптические системы, создающие изображения с помощью объективов, одной из главных характеристик которых является светосила определяющая энергетические возможности приборов. Большая светосила возможна лишь при большом входном зрачке, диаметр d которого ограничивается допустимыми аберрациями. С другой стороны, требование большой разрешающей способности ограничивает возможности уменьшения фокусного расстояния f' (1-с.100). В результате даже у лучших объективов
Известен тепловизор, содержащий два канала (тракта), различающиеся по разрешающей способности и чувствительности (каналы "ЦЕЛЬ" и "КАРТА"), что связано с наличием в фокусе объектива приемника, содержащего ряд (линейку малых и один большой чувствительный элемент (2). Однако, одноканальный объектив далеко не всегда обеспечивает получение одновременно качественного и высоко контрастного изображения. Кроме того, наличие большого чувствительного элемента и боковое его расположение требуют расширения поля зрения объектива, что усложняет и удорожает последний. Известен тепловизор с двухсторонним фотоприемником (3).

Известны двухканальные оптические системы, содержащие по два, с разными диаметрами, объектива и систему плоских зеркал (4, 5). Эти зеркала усложняют устройство и увеличивают его габариты. Кроме того, увеличение пропускаемого потока ограничено диаметром большого объектива.

Задачей изобретения является снижение габаритов и требований к широте поля зрения объектива, а также увеличение пропускаемого потока и обнаружительной способности системы.

Указанный технический результат, достигается благодаря тому, что в N-канальной оптической системе, содержащей установленные софокусно два объектива, имеющие разные диаметры:
объектив с большим диаметром выполнен линзовым;
перед объективом большего диаметра расположена переменная апертурная диафрагма;
в плоскости изображения объективов установлен фотоприемник, имеющий чувствительные элементы разных размеров;
чувствительный элемент большего размера выполнен с отверстием, в котором размещен чувствительный элемент малого размера;
чувствительный элемент большего размера выполнен из чувствительных элементов меньшего размера, имеющих общий сигнальный выход;
имеется вторая 2-х канальная оптическая система, содержащая два объектива, при этом плоскости изображения 2-х объективных систем совмещены друг с другом и в этом месте расположен двухсторонний фотоприемник, а перед каждой парой объективов, наклонно к оптической оси установлено плоское зеркало.

На фиг. 1 показана 2-х канальная оптическая система; на фиг. 2 - фотоприемник с чувствительными элементами разных размеров; на фиг. 3 - фотоприемник с линейкой чувствительных элементов, имеющих отдельные выходы и общий выход; на фиг. 4 4-х канальная оптическая система с двухсторонним приемником; на фиг. 5 схема подключения чувствительных элементов; на фиг. 1 схема содержит: 1,2 первый и второй линзовые объективы, имеющие диаметры d и D, общее фокусное расстояние и общую фокальную плоскость 3, совпадающую, в данном случае, с плоскостью изображения. 4 апертурная диафрагма (переменная); на фиг. 2: имеется большой чувствительный элемент 5, который ограничивает, расположенный внутри, малый чувствительный элемент 6; на фиг. 3: Э₁-Э_n линейка чувствительных элементов, связанных через фильтр нижних частот Ф с общим выходом, а через резистор R с источником питания, имеющим напряжение U. R₁-R_n нагрузочные резисторы, общий выход которых связан с другим полюсом источника питания. C₁-C_n ряд конденсаторов, образующий вместе с рядом резисторов элементарные фильтры верхних частот; на фиг. 4: плоские зеркала; 1, 2, 1', 2' линзовые объективы, 8 двухсторонний фотоприемник.

Действие N-канальной и, в частности, 2-х канальной оптической системы рассмотрено применительно к тем объектам, для изображения которых она предназначена. Например, если говорить о земной или водной поверхностях, то там одну группу составляют объекты сравнительно крупные: элементы ландшафта морские течения и т. п. которые рассматриваются либо самостоятельно, либо образуют фон, на котором расположены относительно мелкие объекты наблюдения очаги лесных пожаров, выходы термальных вод, здания, сооружения и т.д. Регистрируемый яркостный или температурный контрасты имеют определенную статистическую закономерность распределения (2-с. 6-8). Первая группа объектов характеризуется по преимуществу сравнительно большими размерами, но относительно слабыми контрастами, а вторая сравнительно малыми размерами, но более высокими контрастами. Примеры разработок оптических приборов показывают, что с одним объективом очень трудно создать прибор, оптимально регистрирующий потоки от двух указанных групп объектов.

Рассмотрим возможности, которые предоставляет для этого схема фиг. 1. Если ее использовать в самолетном тепловизоре, т.е. при больших дистанциях визирования, то изображения предметов будут располагаться в фокальной плоскости 3. Одно изображение, причем высокого качества, создается первым объективом, имеющим, например, а другое вторым объективом, имеющим причем сравнительно низкого качества. Учитывая однако то, что энергетические и частотные свойства этих объективов взаимообратны, изображение полученное при совместном действии обоих объективов будет отличаться и высоким качеством, и высоким контрастом. Особенно это может проявиться при раздельной регистрации этих изображений. Соотношение между качеством и контрастностью изображения может регулироваться с помощью апертурной диафрагмы 4. Качество изображения, создаваемое объективом 2, неудовлетворительное для мелких, может оказаться приемлемым для крупных объектов, имеющих низкие альбедо или температуру, что как раз и побуждает использование такого суперсветосильного объектива, каким является объектив 2.

Известно, что изображения в оптико-электронных приборах создаются в результате преобразования оптических сигналов в электрические при помощи ряда чувствительных элементов. Ели улучшение качества изображения требует уменьшений размера элемента, то повышения С/Ш требует увеличения этого размера (6). Поэтому, в одном приемнике целесообразно сочетать чувствительные элементы разных размеров, особенно при наличии двух объективов, при котором светосильный объектив с соответствующим качеством изображения (при большом кружке рассеяния), обеспечивает хорошую освещенность большого чувствительного элемента.

На фиг. 2 в отличии от известного случая (2), большой элемент занимает центральную зону, что существенно сокращает требования к расширению поля зрения, а это упрощает объектив.

На фиг. 3 большой площадки, как таковой, вообще не требуется, т.к. ее роль выполняет электрически объединенный ряд малых площадок, одновременно формирующих изображение высокого качества. Во время работы оптической системы осуществляется пространственная фильтрация сигналов, которая дополняется электрической фильтрацией, в результате чего ширина полосы частот усилителя, а следовательно и шумовая полоса сигнала, сокращается. В одном оптическом канале за счет ограничения снизу, а в другом за счет ограничения сверху. Сокращение полосы, в свою очередь, способствует увеличению отношения С/Ш и повышению контраста изображения, дополнительно к тому эффекту, который обусловлен площадью большого элемента.

На фиг. 5 показан еще один вариант системы, в котором параллельно первому большому чувствительному элементу включен второй большой чувствительный элемент Э₂, благодаря чему суммарная площадь элемента, а следовательно и отношение С/Ш во втором оптическом канале возрастет. Возможно и последовательное включение указанных элементов, а также выполнение второго большого элемента из чувствительных элементов меньшего размера.

Эффект от сокращения полосы в канале с большим чувствительным элементом может быть ниже ожидаемого, вследствие более высокой спектральной плотности шума из-за вклада его низкочастотной составляющей, пропорциональной величине I/F, где F текущее значение частоты сигнала. Это характерно для некоторых типов фотоприемников.

Дальнейшее увеличение отношения С/Ш возможно на пути увеличения числа оптических каналов до 4-х, при использовании двухстороннего фотоприемника, как это показано на фиг. 4. При этом предполагается, что отрезки оптической оси направлены от зеркал 7 и 7' параллельно друг другу на предмет, достаточно удаленный от оптической системы, из-за чего влиянием базы t можно пренебречь. Поток от предмета к фотоприемнику 8 будет следовать по четырем параллельным ветвям 7'- 2',7'-1',7-2, 7-1. По сравнению со схемой фиг. 1 это удваивает поток, следующий к приемнику и, следовательно, увеличивает отношение С/Ш.

Таким образом, технико-экономическая эффективность изобретения сводится не только к сокращению габаритов системы и требований к полю зрения объектива в одном случае, но и к увеличению отношения С/Ш в другом случае.

Источники информации
1. Г.Л.Хекфорд, Инфракрасное излучение, М Л, Энергия, 1964 г.

2. Оптико-механическая промышленность, N 3, 1973, с. 4.

3. Авторское свидетельство СССР N 1390592, кл. G 02 B 26/10, 1988.

4. Авторское свидетельство СССР N 1546927, кл. G 02 B 17/08, 1990.

5. Авторское свидетельство СССР N 1546928, кл. G 02 B 17/08, 1990.

6. П.А.Богомолов и др. Приемные устройства ИК-Систем, М, Радио и связь, 1987, с. 22-25.

Использование: тепловизоры. Сущность изобретения: N-канальная оптическая система содержит установленные софокусно два объектива, имеющие разные диаметры. Объектив большего диаметра выполнен линзовым. Перед объективом большего диаметра расположена переменная апертурная диафрагма. В плоскости изображения объективов установлен фотоприемник с чувствительными элементами разных размеров. Чувствительный элемент большего размера может быть выполнен из чувствительных элементов меньшего размера, имеющих общий сигнальный выход. Система может быть снабжена двумя аналогичными объективами, перед каждой парой объективов наклонно к их оптической оси установлено плоское зеркало, плоскости изображения всех объективов совмещены и в ней установлен двухсторонний фотоприемник. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. N-канальная оптическая система, содержащая установленные софокусно два объектива, имеющие разные диаметры, отличающаяся тем, что объектив с большим диаметром выполнен линзовым. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что перед объективом большего диаметра расположена переменная апертурная диафрагма. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в плоскости изображения объективов установлен фотоприемник с чувствительными элементами разных размеров. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что чувствительный элемент большего размера выполнен с отверстием, в котором расположен элемент меньшего размера. 5. Система по п.3, отличающаяся тем, что чувствительный элемент большего размера выполнен на чувствительных элементах меньшего размера, имеющих общий сигнальный выход. 6. Система по пп.1 5, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена двумя аналогичными объективами, при этом перед каждой парой объективов наклонно к их оптической оси установлено плоское зеркало, плоскости изображением всех объективов совмещены и в ней установлен двусторонний фотоприемник. 7. Система по п.5 или 6, отличающаяся тем, что снабжена вторым чувствительным элементом большего размера, связанным с общим сигнальным выходом.