ТЕЛЕСКОПИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G02B17/08 G02B23/00 G02B13/14 

Предлагаемая телескопическая система для ИК-излучения относится к области оптического приборостроения и может быть использована в тепловизионных системах, работающих в инфракрасной области спектра излучения.

Известны системы для инфракрасного спектра излучения, которые построены с применением линзовых объективов [2] (примеры 2-5). Однако, как правило, подобные системы имеют большие продольные размеры в сравнении с системами, выполненными на основе зеркально-линзовых объективов, имеющими аналогичные характеристики [1, 2] Этот недостаток не позволяет применять подобные системы в компактных по длине приборах.

Известна компактная оптическая система для инфракрасного спектра излучения, которая построена на основе зеркально-линзового объектива [1] К недостаткам данной системы следует отнести то, что зеркально-линзовый объектив имеет недостаточную светосилу (D/f^'=1:2) и при этом система имеет незначительное угловое поле в пространстве предметов (2,38^o х 3,22^o).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемым решениям является инфракрасная оптическая система, построенная на основе зеркально-линзового объектива [2] (пример 1). Инфракрасная оптическая система состоит из зеркально-линзового объектива и окуляра, причем объектив содержит по ходу лучей отрицательный линзовый мениск, обращенный вогнутостью к предмету, выпуклое вторичное зеркало, которое является частью второй поверхности мениска, и компенсатор полевых аберраций, выполненный в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, а окуляр имеет трехлинзовую конструкцию. Данная система содержит пять преломляющих элементов, выполненных из германия, что ведет к удорожанию конструкции и увеличению ее массы. При этом зеркально-линзовый объектив имеет незначительную светосилу (D/f^'=1:2.1), а расходимость излучения в пучках лучей после окуляра составляет порядка 34^'.

Задачей группы изобретений является создание телескопической системы для ИК-излучения высокого качества уменьшенной длины и массы.

Технический результат уменьшение количества преломляющих элементов до четырех при увеличении светосилы и уменьшении расходимости выходящего пучка.

Сущность изобретения по первому варианту заключается в тон, что телескопическая система для ИК-излучения состоит из зеркально-линзового объектива и окуляра, причем объектив содержит по ходу лучей отрицательный линзовый мениск, обращенный вогнутостью к предмету, первичное зеркало с вогнутой отражающей поверхностью, выполненное с отверстием в центральной части, выпуклое вторичное зеркало и компенсатор полевых аберраций, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и в отличие от известной системы, в объективе вторичное зеркало расположено на более близком расстоянии от первичного зеркала, чем вторая поверхность отрицательного мениска, при этом удовлетворяются условия, при которых расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности первичного зеркала составляет 0.5.0.6 фокусного расстояния объектива и оптическая сила компенсатора аберраций составляет 0.8.1.6 оптической силы объектива, а окуляр состоит из двух одиночных линз.

В телескопической системе для ИК-излучения по второму варианту, состоящей из зеркально-линзового объектива и трехлинзового окуляра, причем объектив содержит по ходу лучей отрицательный линзовый мениск, обращенный вогнутостью к предмету, первичное зеркало с вогнутой отражающей поверхностью, выполненное с отверстием в центральной части, и выпуклое вторичное зеркало, в отличие от известной в объективе вторичное зеркало расположено на более близком расстоянии от первичного зеркала, чем вторая поверхность отрицательного мениска, при этом удовлетворяются условия, при которых расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности первичного зеркала составляет 0.3.0.6 фокусного расстояния объектива.

При этом по меньшей мере одно из двух зеркал или оба зеркала в зеркально-линзовом объективе могут быть выполнены асферическими.

На фиг.1 представлен пример оптической схемы телескопической системы для ИК-излучения, состоящей из зеркально-линзового объектива с компенсатором полевых аберраций, выполненным в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и двух-линзового окуляра (первый вариант).

На фиг.2 представлен пример оптической схемы телескопической системы для ИК-излучения, состоящей из зеркально-линзового объектива без компенсатора полевых аберраций и трехлинзового окуляра (второй вариант).

Телескопическая система для ИК-излучения по первому варианту (фиг.1) состоит из зеркально-линзового объектива, включающего в себя отрицательный линзовый мениск 1, обращенный вогнутостью к предмету, первичное зеркало 2 с вогнутой отражающей поверхностью, выпуклое вторичное зеркало 3 и компенсатор полевых аберраций 4, выполненный в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению. Вторичное зеркало 3 расположено на более близком расстоянии от первичного зеркала 2, чем вторая поверхность отрицательного мениска 1. Окуляр 5 имеет конструкцию, состоящую из двух одиночных линз.

Телескопическая система по второму варианту (фиг.2) состоит из зеркально-линзового объектива со сферическими зеркалами и трехлинзового окуляра. Зеркально-линзовый объектив включает в себя отрицательный линзовый мениск 6 с вогнутой передней и выпуклой задней поверхностями, первичное зеркало 7 с вогнутой отражающей поверхностью, выпуклое вторичное зеркало 8, которое расположено на более близком расстоянии от первичного зеркала 7, чем вторая поверхность отрицательного мениска 6. Окуляр 9 имеет конструкцию, состоящую из трех одиночных линз.

В соответствии с предложенным решением был выполнен расчет четырех конкретных оптических схем телескопической системы для ИК-излучения. Данные системы рассчитывались для спектрального интервала излучения 8.12 мкм углового поля в пространстве предметов 2ω 5^o. В первом варианте представлены два конкретных примера выполнения телескопической системы для ИК-излучения, состоящей из зеркально-линзового объектива со сферическими зеркалами и двухлинзового окуляра (фиг.1). Первая телескопическая система для ИК-спектра со сферическими зеркалами имеет следующие конструктивные параметры (см. табл.1).

В этом примере увеличение Г=-10^х; фокусное расстояние зеркально-линзового объектива f^'=150 мм и его относительное отверстие D/f^'=1:1,6.

Здесь и далее
r_i радиусы кривизны поверхностей;
d_i толщины оптических элементов и воздушные промежутки;
Ge германий материал, из которого изготовлен данный оптический элемент;
I воздушные промежутки.

Последняя поверхность определяет положение выходного зрачка.

Если зеркально-линзовый объектив содержит асферические зеркала, то телескопическая система для ИК-спектра имеет следующие конструктивные параметры (см. табл.2).

В этом примере увеличение Г=-5^х; фокусное расстояние зеркально-линзового объектива f^'=145,2 мм и его относительное отверстие D/f^'=1:1,45.

Во втором варианте представлены два конкретных примера выполнения телескопической системы для ИК-излучения, состоящей из зеркально-линзового объектива со сферическими зеркалами и трехлинзового окуляра (фиг.2). Телескопическая система для ИК-спектра со сферическими зеркалами имеет следующие конструктивные параметры (см. табл.3).

В этом примере увеличение Г=-5,4^х; фокусное расстояние зеркально-линзового объектива f^'=151,3 мм и его относительное отверстие D/f^'=1:1,16. Если зеркально-линзовый объектив содержит асферические зеркала, то телескопическая система для ИК-спектра имеет следующие конструктивные параметры (см. табл.4).

В этом примере увеличение Г=-10^х; фокусное расстояние зеркально-линзового объектива f^'= 210 мм и его относительное отверстие D/f^'=1:1,6.

В первом варианте инфракрасное излучение, идущее от удаленного предмета, попадает в телескопическую систему для ИК-излучения. Оно проходит через внешний кольцевой участок отрицательного линзового мениска 1 (фиг. 1), преломляется на его поверхностях, отражается от вогнутого первичного зеркала 2 в направлении к выпуклому вторичному зеркалу 3 и, отразившись от него, проходит через компенсатор аберраций 4, выполненный в виде положительного мениска, который размешается в центральном отверстии, предусмотренном в первичном зеркале 2, и строит промежуточное изображение в плоскости 1. Это изображение передается через окуляр 5, создающий на выходе системы параллельные пучки, главные лучи которых проходят через центр выходного зрачка P^'.

Во втором варианте инфракрасное излучение, идущее от удаленного предмета, попадает в телескопическую систему для ИК-излучения. Оно проходит через внешний кольцевой участок отрицательного линзового мениска 6 (фиг. 2), преломляется на его поверхностях, отражается от вогнутого первичного зеркала 7 в направлении к выпуклому вторичному зеркалу 8 и, отразившись от него, строит промежуточное изображение в плоскости 1. Это изображение передается через окуляр 9, создающий на выходе системы параллельные пучки, главные лучи которых проходят через центр выходного зрачка P^'.

Таким образом, по первому варианту создана конструкция телескопической системы для ИК-излучения, содержащей не более четырех преломляющих элементов, изготовленных из германия (в зеркально-линзовом объективе первый отрицательный мениск и компенсатор аберраций, в окуляре две линзы), светосила зеркально-линзового объектива повышена до значения D/f^'=1:1,5, а расходимость излучения в пучках на выходе системы уменьшена до значения не более 25^' при угловом поле в пространстве предметов 2ω5^o.

По второму варианту создана конструкция телескопической системы для ИК-излучения, содержащей не более четырех преломляющих элементов, изготовленных из германия (в зеркально-линзовом объективе первый отрицательный мениск, в окуляре три линзы), светосила зеркально-линзового объектива увеличена до значения D/f^'=1:1,2, а расходимость излучения в пучках на выходе системы уменьшена до значения не более 25^' при угловом поле в пространстве предметов 2ω5^o.

Использование; в тепловизионных системах, работающих в инфракрасной области спектра излучения. Сущность изобретения: телескопическая система состоит из зеркально-линзового объектива и окуляра, причем объектив содержит по ходу лучей отрицательный линзовый мениск, обращенный вогнутостью к предмету, первичное зеркало с вогнутой отражающей поверхностью, выполненное с отверстием в центральной части, выпуклое вторичное зеркало и компенсатор полевых аберраций, выполненный в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению. В объективе вторичное зеркало расположено на более близком расстоянии от первичного зеркала, чем вторая поверхность отрицательного мениска, при этом удовлетворяются условия, при которых расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности первичного зеркала составляет 0,3...0,6 фокусного расстояния объектива и оптическая сила компенсатора аберраций составляет 0,8... 1,6 оптической силы объектива, а окуляр состоит из двух одиночных линз. В варианте исполнения телескопической системы отсутствует компенсатор полевых аберраций, а окуляр имеет трехлинзовую конструкцию. В системе по меньшей мере одно из двух зеркал может являться асферическим. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Телескопическая система для ИК-излучения, состоящая из зеркально-линзового объектива и окуляра, причем объектив содержит по ходу лучей отрицательный линзовый мениск с вогнутой передней и выпуклой задней поверхностями, первичное зеркало с вогнутой отражающей поверхностью, выполненное с отверстием в центральной части, выпуклое вторичное зеркало и компенсатор полевых аберраций, выполненный в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, отличающаяся тем, что в объективе вторичное зеркало расположено на более близком расстоянии от первичного зеркала, чем вторая поверхность отрицательного мениска, при этом удовлетворяются условия, при которых расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности первичного зеркала составляет 0,3 0,6 фокусного расстояния объектива, и оптическая сила компенсатора аберраций составляет 0,8 1,0 оптической силы объектива, а окуляр состоит из двух одиночных линз. 2. Cистема по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из двух зеркал в зеркально-линзовом объективе выполнено асферическим. 3. Cистема по п.1, отличающаяся тем, что оба зеркала в зеркально-линзовом объективе выполнены асферическими. 4. Cистема для ИК-излучения, состоящая из зеркально-линзового объектива и трехлинзового окуляра, причем объектив содержит по ходу лучей отрицательный линзовый мениск, обращенный вогнутостью к предмету, первичное зеркало с вогнутой отражающей поверхностью, выполненное с отверстием в центральной части, и выпуклое вторичное зеркало, отличающаяся тем, что в объективе вторичное зеркало расположено на более близком расстоянии от первичного зеркала, чем вторая поверхность отрицательного мениска, при этом удовлетворяются условия, при которых расстояние от вершины отражающей поверхности вто- ричного зеркала до вершины отражающей поверхности первичного зеркала составляет 0,3 0,6 фокусного расстояния объектива. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из двух зеркал в зеркально-линзовом объективе выполнено асферическим. 6. Система по п. 4, отличающаяся тем, что оба зеркала в зеркально-линзовом объективе выполнены асферическими.