ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК G02B17/08 G02B26/10 

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может найти применение в аналогичных приборах, например, в тепловизорах.

Входная оптическая система определяет, в основном энергетические и частотные характеристики оптико-электронного прибора. Известна двухканальная оптическая (сканирующая) система, в которой благодаря параллельному соединению выходов двух приемников удалось величину Сигнал/Шум (С/Ш) повысить в раз [1] Известна двухканальная система с двумя совмещенными приемниками и с двумя телескопическими системами [2] Известна оптическая система [3] прототип с двусторонним приемником излучения, обеспечивающим сокращение габаритов, однако в силу того, что в каждый момент к предмету обращена только одна сторона чувствительного элемента (другая сторона закрыта обтюратором) энергетического выигрыша по сравнению с односторонним приемником не происходит.

Цель изобретения заключается в выявлении новых возможностей оптических приборов, увеличении отношения С/Ш, в дальнейшем сокращении их габаритов, а также расширении поля зрения и функциональных возможностей.

Цель достигается благодаря тому, что в оптической системе, содержащей два фокусирующих элемента, оптические оси которых направлены на приемник излучения с двух сторон, первое и второе зеркала, расположенные под углом к оптическим осям фокусирующих элементов:
обеспечен одновременный прием двух пучков лучей, направленных от удаленного источника излучения по двум параллельным осям;
фокусирующие элементы совмещены в одном первом объективе, по обе стороны которого в сходящихся пучках лучей установлены контротражатели;
контротражатели выполнены на центральных частях наружных поверхностей объектива;
фокусирующие элементы выполнены зеркальными;
дополнительно имеется двухканальная телескопическая система, содержащая второй объектив, с разных сторон которого наклонно к его оптической оси установлены третье и четвертое зеркала, выполненные с отверстиями на оптической оси второго объектива, за которыми расположены соответственно третий и четвертый объективы, оптически сопряженные через соответственно пятое и шестое зеркала с первым и вторым зеркалами;
приемник выполнен иммерсионным с двумя торцевыми линзами;
чувствительный элемент иммерсионного приемника расположен внутри прозрачного хладоагента;
дополнительно содержит N расположенных между первым и вторым зеркалами устройств, оптические оси которых направлены параллельно друг другу;
третий и четвертый объективы выполнены зеркальными, третье и четвертое зеркала выполнены с двухсторонним отражающим покрытием;
в третьем и четвертом зеркалах выполнены дополнительные отверстия и введены дополнительные телескопические системы, оптически сопряженные через дополнительные зеркала с приемником излучения.

Цель достигается также благодаря тому, что в оптической системе, содержащей два фокусирующих элемента, оптические оси которых направлены на приемник с двух сторон, первое и второе зеркала, расположенные под углом к оптическим осям, модулятор, установленный на оптической оси, и индикатор изображения, связанный с выходом приемника через электронный блок:
электронный блок выполнен двухканальным, а индикатор изображения снабжен двумя соединенными между собой отклоняющими системами;
фокусирующие элементы совмещены в одном первом объективе, по обе стороны которого в сходящихся пучках лучей установлены контротражатели;
фокусирующие элементы выполнены зеркальными;
индикатор изображения выполнен в виде двухканального кинескопа с общим экраном;
наклонно к экрану индикатора установлены параллельно друг к другу зекало и полупрозрачное зеркало;
дополнительно имеется двухканальная телескопическая система, содержащая второй объектив, с разных сторон которого наклонно к его оптической оси установлены третье и четвертое зеркала, выполненные с отверстиями на оптической оси второго объектива, за которыми расположены соответственно третий и четвертый объективы, оптически сопряженные через соответственно пятое и шестое зеркала с первым и вторым зеркалами, при этом модулятор установлен вблизи отверстия третьего или четвертого зеркала;
первое, второе или третье, четвертое зеркала выполнены способными изменять свое положение относительно оптических осей соответственно первого или второго объектива.

Изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1, а показана часть оптической системы используемая самостоятельно либо совместно с двухканальной телескопической системой фиг. 1,е. Далее на фиг. 1 показаны: б) двусторонний зеркально-линзовый объектив с установленным внутри фотоприемником; в) иммерсионный двухлинзовый приемник; г) иммерсионный приемник с чувствительным элементом, расположенным внутри прозрачного баллона с хладагентом. Это варианты узла с элементами 11 и 12 как факторы возможного развития оптической системы; д) схема установки дополнительного зеркала 9'; 1 и 2 плоские зеркала с отверстиями; 3 входной объектив; 4 и 6 коллиматоры; 5 5' и 5₁, 5'₁ изображения предмета с иллюстрацией их смещения; 7 10 плоские зеркала; 11 и 12 объективы; 13 - фокальная плоскость; 14 предмет, удаленный от оптической системы; 15 - иммерсионный приемник с двумя линзами, 16 чувствительный элемент (возможно с линзами); 17 держатели элемента; 18 баллон с хладагентом; 19 воронка для залива хладагента.

Фиг. 2. Схема установки модулятора в устройстве фиг. 1, связанного через электронный блок с индикатором изображения; 1, 6, 7 и 16 то же, что и на фиг. 1; 20 модулятор света; 21 синхродатчик; 22 блок управления переключателем 26 (синхронный детектор); 23 предусилитель; 24 и 25 фильтры нижних и верхних частот; 27 и 28 видеоусилители; 29 двухканальный индикатор изображения; 30 отклоняющая система, связанная с генератором импульсов 31; 32 плоское зеркало; 33 полупрозрачное зеркало.

Фиг. 3. Вариант устройства фиг. 1,а с двояковогнутыми зеркалами и с двумя приемниками, имеющими общий выход; 1 и 2 плоские зеркала; 3 блок из четырех объективов, выполненных из двух двояковогнутых зеркал и четырех контротражателей 4, обращенных к двум двусторонним приемникам.

Фиг. 4. Вариант системы фиг. 1,е с телескопической системой, содержащей блок входных объективов, сопряженных с одним двусторонним приемником; 1 и 2
плоские двухсторонние зеркала с отверстиями; 3 блок входных объективов, выполненных на двух двояковогнутых зеркалах; 4 7 зеркальные коллиматоры; 8 11 плоские зеркала; 12 и 13 угловые зеркала; 14 блок двухстороннего объектива и фотоприемника 15, включающий двояковогнутое зеркало и два контротражателя.

Рассмотрим действие оптической системы.

На фиг. 1,а потоки Ф₁ и Ф₂ от удаленного предмета 14 следуют к плоскости 13 параллельно, а затем с двух сторон по элементам 9, 12 и 10, 11. В этой плоскости в данном случае установлен двусторонний приемник выполненный, например, с чувствительным элементом на прозрачной подложке (как в прототипе). Известно, что величина С/Ш пропорциональна эффективной площади входного зрачка объектива. Удвоение потока, воздействующего на приемник Φ_пр = Φ₁ + Φ₂ = 2Φ_1,2 эквивалентно увеличению площади объектива, а следовательно, и удвоению величины С/Ш. Поскольку это не сопровождается изменением размеров-диаметра и фокусного расстояния объектива, а также чувствительного элемента, то здесь такой эффект не приведет к ухудшению качества изображения. Аналогичный эффект можно получить и с устройством фиг. 1,б, если его установить вместо элементов 11 и 12. Очевидно, что габариты при этом сократятся. Дальнейшее усиление эффекта возможно при использовании иммерсионного приемника. В отличие от известного случая, здесь используется не одна, а две линзы, что дает увеличение С/Ш в 2n раз, где n коэффициент преломления материала линзы. На этой основе становится возможным существенное улучшение параметров прибора, в котором используется неохлаждаемый приемник, внутренний шум которого является преобладающим. Одна из возможностей использования охлаждаемых, более чувствительных приемников, показана на фиг. 1,г. Здесь чувствительный элемент помещен в прозрачную среду, например, в жидкий азот, имеющий температуру 77 К. При воздействии на элемент 16 двух потоков будет вырабатываться соответствующий сигнал. Другой важнейший параметр оптической системы разрешающая способность может быть улучшен за счет сокращения поля зрения, без ухудшения энергетических свойств, путем использования в данном случае двух телескопических систем. Однако это повлечет за собой рост габаритов устройства. Уменьшить рост дает возможность схема фиг. 1,е, в которой вместо двух входных объективов используется один общий. Потоки излучения от предмета 14, на который от зеркал 1 и 2 направлены параллельно два отрезка оптической оси, следуют к приемнику, расположенному в плоскости 13 по двум ветвям через элементы Если приемник содержит один элемент или линейный ряд чувствительных элементов, то создание двухмерного изображения возможно путем двухкоординатного, а также однокоординатного (при установке на бортовом носителе) сканирования, например, однострочного, при установке линейки поперек оптической оси объектива, совпадающей с направлением полета носителя. В других случаях необходимо исправить переворот одного из изображений предмета в плоскости 13 путем установки дополнительного плоского зеркала 9', как показано на фиг. 1,д. Следует отметить еще то обстоятельство, что из-за наличия базы t происходит некоторое несовпадение двух изображений предмета, зависящее от его размеров l и высоты полета Н. Рассмотрим случай, при котором протяженный предмет, равномерно излучающая плоскость 14, достаточно удален от объектива 3, имеющего фокусное расстояние f f'. Например, на расстоянии H ≥ 10000 м он будет иметь размеры ав сd f и ас вd l 1000f при наличии базы t 2f. В этих условиях можно считать, что в фокусах объектива 3 будут созданы два одинаковых изображения 5 и 5', совмещенные в плоскости 13 подобно изображениям 5₁ и 5'₁ (см. фиг. 1, е позиция слева). Ошибка в их несовпадений может быть выражена как . В данном случае , чем можно пренебречь и считать оба изображения совпадающими друг с другом, а действия двух потоков на чувствительный элемент равноценным действию одного суммарного потока.

Эффект увеличения С/Ш может быть и большим, например, при замене линзового объектива зеркальным, который будучи неселективным, не ограничивает спектральную полосу излучения, или при параллельном соединении выходов двух и более систем. Один из примеров такого соединения приведен на фиг. 3. Здесь на выходе двух двусторонних приемников действует напряжение Uc Uc₁ + Uc₂, при этом выигрыш, даваемый в общем случае такой системой, учитывая статистическое выражение шума приемников, можно оценить как увеличение С/Ш в раз, где N число двусторонних объективов (вогнутых зеркал). При иммерсионном приемнике такой выигрыш характеризуется величиной раз, выражая собой повышение эффективности системы. В другом случае (фиг. 4) поток от предмета следует к блоку 3 и далее через отверстия в зеркалах 1 и 2 к объективу 14 и приемнику 15 по четырем параллельным ветвям: . В результате на выходе одного двустороннего приемника образуется сигнал в 2N раз, а при иммерсионном приемнике в 2nN раз превосходящий по энергии сигнал от одноканальной оптической системы. При этом происходит улучшение разрешающей способности, обусловленное параметрами телескопической системы. При воздействии только двух потоков на одну из сторон приемника 15 (через ветви 1 и 2 или 3 и 4) положительный эффект частично сохраняется. Такой режим работы эквивалентен использованию обычного, одностороннего приемника, что доказывает возможность использования предложенной оптической системы по любому из вариантов. Следует отметить, что объективы в блоке 3 могут быть и линзовыми. Рассмотренную систему (фиг. 4) можно сравнить с известной системой многоапертурного синтеза телескопов с прямым формированием изображения, при которой достигается определенное сокращение габаритов. В данном же случае помимо этого происходит повышение величины С/Ш. При этом, в случае использования охлаждаемых приемников, здесь не требуется увеличение мощности холодильного агрегата, иначе это влечет за собой преодоление значительных технико-экономических трудностей.

Для выяснения еще и других преимуществ, обратимся к фиг. 1 и фиг. 2. При параллельном направлении отрезков оптической оси от зеркал 1 и 2, подобно известному случаю, в пространстве предметов образуется стереозона, в которой потоки к приемнику направляются от левой и правой стороны предмета, давая возможность получения стереоизображения. Однако здесь это требует разделения сигналов на выходе приемника, например, по методу частотной селекции модулируемого потока. Для этого на одном из отрезков оптической оси установлен модулятор 20, в данном случае растровый. При этом сигнал с выхода приемника (точнее ФПУ) 16, прошедшего предусилитель 23, разделяют с помощью фильтров 24 и 25. Модулированный сигнал поступает на синхронный детектор 26, связанный с синхродатчиком 21. После восстановления сигнала правого канала, сигналы двух каналов через видеусилители 27 и 28 поступают к управляющим электродам индикатора 29 (двухканальный кинескоп). Развертка полного изображения, формата 2: 1, на экране индикатора производится путем синхронного отклонения двух электронных лучей с помощью элементов 29 и 30. Левое и правое изображения предмета, каждое формата 1:1, совмещаются с помощью зеркала 32 на матовом (полупрозрачном) зеркале 33. Сепарация этих изображений производится известными методами при установке цветовых или поляризационных фильтров, а также при помощи соответствующих очков у наблюдателя. Таким образом, система позволяет с помощью одного приемника получать стереоскопическое, а при желании и стереоцветное изображения. Но возможности системы этим не ограничиваются.

Если путем поворота зеркал 1 и 2 развести отрезки оптической оси на соседние участки предметного поля, то в порядке описанном выше, можно получить на экране индикатора 29 (элементы 32 и 33 тогда не нужны) одно широкое изображение формата 2:1 (подобно широкоформатному кино), которое при равновеликой со стандартным изображением формата 4:3 площади несет в себе большее количество информации. Это объясняется преимущественным распределением предметов наблюдения в горизонтальной плоскости. Если же в одном из плеч схемы фиг. 1, а установить обыкновенную телескопическую систему, а отрезок ее оптической оси направлять в разные точки пространства, то на экране индикатора 29 можно наблюдать одновременно два разномасштабных изображения. Например, участок местности и, крупным планом, интересующий нас объект.

В оптической системе могут использоваться различные приемники: одноэлементные и линейчатые в сочетании с оптико-механическими сканерами, а также твердотельные матрицы на прозрачных подложках (но лучше субматрицы) в сочетании с мультиплексерами.

Технико-экономическая эффективность изобретения может быть сведена к тому, что показана возможность:
существенного увеличения в оптико-электронных приборах величины сигнал/шум при существующих параметрах приемников и при сокращении габаритов оптической системы, без увеличения мощности холодильных агрегатов в случае использования охлаждаемых приемников;
получения стереоскопических и широкоформатных изображений с одним приемником излучения и с одним индикатором изображения, причем без ухудшения качества картины;
получения яркости изображения протяженного источника большей, чем яркость самого источника, открывая тем самым у приборов новые физико-технические потенции для расширения их практического использования.

Использование: оптико-электронные приборы, сканирующие системы, тепловизоры. Сущность изобретения: оптическая система содержит два фокусирующих элемента, между которыми размещен двусторонний приемник излучения, первое и второе зеркала, размещенные соответственно перед первым и вторым фокусирующими элементами под углом к оптической оси фокусирующих элементов. Оптическая система выполнена с обеспечением одновременного приема фотоприемником двух параллельных пучков от удаленного источника излучения. Фокусирующие элементы могут быть зеркальными. На одной из оптических осей может быть установлен модулятор, при этом выход приемника излучения связан через двухканальный электронный блок с индикатором изображения, снабженным двумя, соединенными между собой отклоняющими системами. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Оптическая система, содержащая два фокусирующих элемента, оптические оси которых направлены на приемник излучения с двух сторон, первое и второе зеркала, расположенные под углом к оптическим осям фокусирующих элементов, отличающаяся тем, что выполнена с обеспечением одновременного приема двух пучков лучей, направленных от удаленного источника излучения по двум параллельным осям. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что фокусирующие элементы совмещены в одном первом объективе, по обе стороны которого в сходящихся пучках лучей установлены контротражатели. 3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что контротражатели выполнены на центральных частях наружных поверхностей объектива. 4. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что фокусирующие элементы выполнены зеркальными. 5. Система по любому из пп. 1 5, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена двухканальной телескопической системой, содержащей второй объектив, с разных сторон которого наклонно к его оптической оси установлены третье и четвертое зеркала, выполненные с отверстиями на оптической оси второго объектива, за которыми расположены соответственно третий и четвертый объективы, оптически сопряженные через соответственно пятое и шестое зеркала с первым и вторым зеркалами. 6. Система по любому из пп. 1 5, отличающаяся тем, что приемник выполнен иммерсионным с двумя торцевыми линзами. 7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что чувствительный элемент иммерсионного приемника расположен внутри прозрачного хладагента. 8. Система по любому из пп. 1 4, 6 и 7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит N расположенных между первым и вторым зеркалами устройств, оптические оси которых направлены параллельно одна другой. 9. Система по п. 5, отличающаяся тем, что третий и четвертый объективы выполнены зеркальными, третье и четвертое зеркала выполнены с двусторонними отражающими покрытиями. 10. Система по п. 5 или 9, отличающаяся тем, что в третьем и четвертом зеркалах выполнены дополнительные отверстия и введены дополнительные двухканальные телескопические системы, оптически сопряженные через дополнительные зеркала с приемником излучения. 11. Оптическая система, содержащая два фокусирующих элемента, оптические оси которых направлены на приемник излучения с двух сторон, первое и второе зеркала, расположенные под углом к оптическим осям, модулятор, установленный на оптической оси, и индикатор изображения, связанный с выходом приемника через электронный блок, отличающаяся тем, что электронный блок выполнен двухканальным, а индикатор изображения снабжен двумя соединенными между собой отклоняющими системами. 12. Система по п. 11, отличающаяся тем, что фокусирующие элементы совмещены в одном первом объективе, по обе стороны которого в сходящихся пучках лучей установлены контротражатели. 13. Система по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что фокусирующие элементы выполнены зеркальными. 14. Система по пп. 11 13, отличающаяся тем, что индикатор изображения выполнен в виде двухканального кинескопа с общим экраном. 15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что наклонно к экрану индикатора установлены параллельно друг к другу зеркало и полупрозрачное зеркало. 16. Система по пп. 11 15, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена двухканальной телескопической системой, содержащей второй объектив, с разных сторон которого наклонно к его оптической оси установлены третье и четвертое зеркала, выполненные с отверстиями на оптической оси второго объектива, за которыми расположены соответственно третий и четвертый объективы, оптически сопряженные через соответственно пятое и шестое зеркала с первым и вторым зеркалами, при этом модулятор установлен вблизи отверстия третьего или четвертого зеркала. 17. Система по пп. 11 15 или 16, отличающаяся тем, что первое, второе или третье, четвертое зеркала выполнены способными изменять свое положение относительно оптических осей соответственно первого или второго объектива.