ИНФРАКРАСНЫЙ ТЕЛЕСКОП С ДВУМЯ УВЕЛИЧЕНИЯМИ Российский патент 2001 года по МПК G02B23/00 G02B13/14 

Изобретение относится к ИК оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах.

В тепловизионных системах, как правило, необходимо иметь два увеличения. Большое увеличение обеспечивает опознавание объекта на максимальной дальности в узком поле зрения, а малое увеличение обеспечивает поиск объекта в широком поле зрения. Известны конструкции ИК телескопов [1,2], в которых смена увеличения осуществляется путем введения дополнительной системы линз. Такие системы имеют увеличенное число линз, что обуславливает усложнение конструкции, веса и стоимости.

Из теории оптических систем известно, что можно рассчитать оптическую систему, в которой один из компонентов имеет два фиксированных положения на оптической оси, при этом система имеет два требуемых увеличения и одинаковые положения плоскостей предмета и изображения при двух увеличениях. Это можно обеспечить тогда, когда объектив телескопа содержит первый линзовый компонент, второй линзовый компонент, имеющий два фиксированных положения на оптической оси, и третий линзовый компонент [3].

Наиболее близким по технической сущности является инфракрасный телескоп с двумя увеличениями, состоящий из объектива, имеющего расположенные по ходу лучей первый положительный линзовый компонент, выполненный из двух линз, второй отрицательный линзовый компонент для смены увеличения, имеющий два фиксированных положения на оптической оси, а также малую подвижку вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, третий положительный линзовый компонент, выполненный из трех линз, четвертый линзовый компонент в виде отрицательной линзы, и окуляра, выполненного из трех линз [4]. При этом телескоп имеет в общей сложности девять линз, что обуславливает усложненную конструкцию и вес. Телескоп при этом также имеет высокую стоимость. Использование для атермализации только подвижки компонента для смены увеличения или одного из неподвижных компонентов объектива неэффективно, а дополнительная подвижка первого положительного линзового компонента трудно осуществима из-за больших габаритов первого положительного линзового компонента.

Задачей изобретения является повышение качества изображения и уменьшение числа линз телескопа.

Сущность изобретения состоит в том, что в инфракрасном телескопе с двумя увеличениями, состоящем из объектива, включающего расположенные по ходу лучей первый положительный линзовый компонент, второй отрицательный линзовый компонент для смены увеличения, имеющий два фиксированных положения на оптической оси, а также малую подвижку вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, третий положительный линзовый компонент, четвертый отрицательный линзовый компонент, и окуляра, в отличие от прототипа первый положительный линзовый компонент объектива выполнен в виде асферической линзы с дифракционным оптическим элементом, третий положительный линзовый компонент объектива выполнен в виде положительной линзы, первая поверхность которой асферическая, окуляр выполнен в виде положительной асферической линзы, третий и/или четвертый линзовый компонент имеют подвижку вдоль оптической оси, и при этом имеют место следующие соотношения:
R₅/|R₆|≅0,5,
|R₈|/R₁≥0,2,
где R₅ - радиус кривизны первой поверхности третьего линзового компонента, R₆ - радиус кривизны второй поверхности третьего линзового компонента, R₈ - радиус кривизны второй поверхности четвертого линзового компонента, R₁ - радиус кривизны первой поверхности первого линзового компонента.

Положительная асферическая линза с дифракционным оптическим элементом выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой стороной к изображению.

Дифракционный оптический элемент выполнен в виде киноформа.

Положительная асферическая линза окуляра выполнена в виде двояковыпуклой линзы.

Между четвертым линзовым компонентом объектива и окуляром установлена диафрагма.

Первый компонент должен иметь хорошую коррекцию сферической аберрации и хроматизма положения, так как расположен вблизи входного зрачка. Для коррекции сферической аберрации первый компонент выполняется в виде положительной асферической линзы, которая, в частности, может иметь форму мениска, обращенного вогнутой стороной к изображению.

Для систем, работающих в области спектра 8-12 мкм, в качестве основного оптического материала применяют германий, который имеет наилучшее сочетание характеристик. Однако для ахроматизации систем в данном спектральном диапазоне требуется использовать еще один материал с дисперсией, отличающейся от дисперсии германия, например селенид цинка, сульфид цинка или стекло типа ИКС. Дополнительная линза из другого материала увеличивает сложность, вес и стоимость системы. В предлагаемом телескопе для ахроматизации в данном спектральном диапазоне используется дифракционный оптический элемент (ДОЭ). Дифракционный оптический элемент имеет дисперсию, очень сильно отличающуюся от дисперсии рефракционных оптических элементов. Это позволяет иметь маленькую оптическую силу ДОЭ и использовать его в виде коррекционного элемента. В оптических системах ДОЭ выполняется в виде киноформа. Причем киноформ может быть сформирован на поверхности линзы. В предлагаемом телескопе киноформ сформирован на поверхности первого компонента.

Третий положительный линзовый компонент служит для переноса изображения, сформированного первым положительным линзовым компонентом и вторым отрицательным компонентом для смены увеличения в плоскость предметов окуляра. Для коррекции аберраций широких наклонных пучков третий положительный компонент выполняется в виде положительной линзы, первая поверхность которой асферическая, и имеет место следующее соотношение:
R₅/|R₆|≅0,5;
где R₅ - радиус кривизны первой поверхности третьего линзового компонента, R₆ - радиус кривизны второй поверхности третьего линзового компонента.

При этом первая поверхность третьего компонента выполнена асферической.

Четвертый линзовый компонент служит для коррекции кривизны поля, астигматизма и контроля положения входного зрачка. Для ИК - систем параметром качества изображения является допустимая величина эффекта "Нарцисса". В данной системе наиболее влияющим на эффект "Нарцисса" параметром является второй радиус четвертого компонента. Для устранения эффекта "Нарцисса" должно соблюдаться следующее соотношение:
|R₈|/R₁≥0,2,
где R₈ - радиус кривизны второй поверхности четвертого линзового компонента, R₁ - радиус кривизны первой поверхности первого линзового компонента.

В качестве окуляра используется асферическая положительная линза. Для компенсации аберраций в зрачке линза окуляра выполнена двояковыпуклой.

Так как телескоп должен работать в широком диапазоне температур, необходимо компенсировать терморасстраиваемость телескопа, обусловленную сильной зависимостью показателя преломления германия от температуры. При этом необходимо компенсировать ухудшение качества изображения и поддерживать телескопичность. Выполнить такую компенсацию возможно малой подвижкой по сравнению с подвижкой для смены увеличения второго отрицательного компонента и соответствующей подвижкой третьего и/или четвертого линзового компонента. Эти компоненты имеют малые габариты и вес по сравнению с первым компонентом, поэтому механизмы перемещения получаются компактными. При этом подвижкой второго отрицательного компонента восстанавливается требуемое увеличение, а подвижкой третьего и/или четвертого линзового компонента восстанавливается телескопичность. Для фокусировки на конечную дистанцию можно использовать подвижку третьего или четвертого линзового компонента.

В области 8-12 мкм оптические системы работают по собственному излучению объектов, поэтому требуется защита от паразитного излучения, которое может существенно ухудшить качество изображения. Для исключения паразитных засветок между четвертым линзовым компонентом объектива и окуляром устанавливается диафрагма.

Такое исполнение телескопа позволяет получить систему со следующими характеристиками (см.таблицу 1).

Данные асферических поверхностей см. в таблице 2.

Данные дифракционных поверхности см. в таблице 3.

Толщины d₂ = 107,616 и d₄ = 2,0 обеспечивают увеличение 9,2x и поле зрения 4^o, a d₂ = 93,4 и d₄ = 16,2 обеспечивают увеличение 4,6x и поле зрения 8^o.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена оптическая система телескопа, в которой второй компонент установлен для обеспечения большого увеличения.

На фиг. 2 представлена оптическая система телескопа, в которой второй компонент установлен для обеспечения малого увеличения.

На фиг. 3, 4 представлены графики остаточных аберраций телескопа для двух увеличений 9,2x и 4,6x.

На фиг. 5, 6 представлены графики модуляционной передаточной функции (МПФ) для увеличений 9,2x и 4,6x.

Телескоп с двумя увеличениями (см. фиг. 1,2), состоящий из объектива, включающего расположенные по ходу лучей первый положительный линзовый компонент 1, выполненный в виде положительной асферической линзы с дифракционным оптическим элементом, второй отрицательный линзовый компонент 2 для смены увеличения, выполненный в виде отрицательной линзы, имеющий два фиксированных положения на оптической оси, а также малую подвижку вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, третий положительный линзовый компонент 3, выполненный в виде положительной асферической линзы, четвертый линзовый компонент 4 в виде отрицательной линзы, причем третий и/или четвертый линзовые компоненты имеют подвижку вдоль оптической оси для компенсации температуры и фокусировки, диафрагмы 5 и окуляра 6, выполненного в виде положительной асферической линзы. Для лучшей коррекции аберраций в широких пучках первый линзовый компонент 1 выполнен в виде мениска, обращенного вогнутой стороной к изображению. Для ахроматизации в данном спектральном диапазоне используется дифракционный элемент, выполненный в виде киноформа, сформированного на вогнутой стороне первого линзового компонента, и представляет собой набор кольцевых зон. При этом высота профиля и ширина зоны пропорциональна основной длине волны. В области 8-12 мкм удается сформировать киноформ с непрерывным профилем внутри зоны, имеющий 100% дифракционную эффективность на основной длине волны. Для оптимальной балансировки аберраций при двух увеличениях второй отрицательный линзовый компонент 2 выполнен в виде двояковогнутой линзы. Для коррекции аберраций широких наклонных пучков имеет место следующее соотношение:
R₅/|R₆|≅0,5;
где R₅ - радиус кривизны первой поверхности третьего линзового компонента, R₆ - радиус кривизны второй поверхности третьего линзового компонента.

При этом первая поверхность третьего линзового компонента 3 выполнена асферической.

Для коррекции астигматизма и кривизны поля четвертый линзовый компонент 4 выполнен в виде мениска, обращенного вогнутой стороной к изображению. Для устранения влияния эффекта "Нарцисса" соблюдается следующее соотношение:
|R₈|/R₁≥0,2,
где R₈ - радиус кривизны второй поверхности четвертого линзового компонента, R₁ - радиус кривизны первой поверхности первого линзового компонента. Четвертый линзовый компонент 4 имеет такую оптическую силу, что входной зрачок при большом увеличении расположен вблизи первого линзового компонента 1, при этом диаметр первого линзового компонента минимальный. Телескоп в данном случае имеет минимальные поперечные размеры.

Для исключения паразитных засветок между четвертым линзовым компонентом объектива и окуляром устанавливается диафрагма. Форма и размеры диафрагмы выбираются в соответствии с формой и размером кадра в плоскости фотоприемника. Для коррекции аберраций в зрачках и дисторсии асферическая линза окуляра 6 выполнена в виде двояковыпуклой линзы. Уравнение асферических поверхностей линз имеет вид:

где ρ²= x²+y², k - квадрат эксцентриситета, a_i - коэффициенты высшего порядка.

Телескоп используется следующим образом. В первом положении второй отрицательный компонент 2 для смены увеличения обеспечивает увеличение телескопа 9,2x. При переключении второго отрицательного компонента 2 для смены увеличения во второе положение обеспечивается увеличение 4,6x. При изменении температуры второй отрицательный компонент 2 для смены увеличения, а также третий и/или четвертый линзовый компонент устанавливаются в предварительно рассчитанные положения для компенсации температурных искажений. Фокусировка телескопа на конечную дистанцию осуществляется перемещением третьего или четвертого линзового компонента в требуемое положение.

Телескоп имеет малые остаточные аберрации и высокие значения модуляционной передаточной функции (фиг. 3-6). Дисторсия составляет менее 2%. Величина эффекта "Нарцисса" не превышает 0,4^oC.

Литература
1. Афокальный линзовый телескоп с двойственным увеличением. Патент США N 4469396.

2. Афокальная линзовая труба с возможностью настройки на два увеличения. Патент Швейцарии N 656013.

3. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М.-Л., Машиностроение, 1966 г.

4. Компактный ИК телескоп двойного увеличения. Патент ЕПВ N 0278777, G 02 B 13/14.

Изобретение относится к ИК оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах. Телескоп состоит из объектива, включающего первый положительный линзовый компонент, второй отрицательный компонент для смены увеличения, имеющий два фиксированных положения на оптической оси в этих фиксированных положениях, третий положительный линзовый компонент, четвертый отрицательный линзовый компонент, и окуляра, в котором имеют место следующие соотношения: R₅/|R₆|≅0,5, |R₈|/R₁≥0,2, где R₅ - радиус кривизны первой поверхности третьего линзового компонента, R₆ - радиус кривизны второй поверхности третьего линзового компонента, R₈ - радиус кривизны второй поверхности четвертого линзового компонента, R₁ - радиус кривизны первой поверхности первого линзового компонента. Технический результат - повышение качества изображения и уменьшение числа линз телескопа. 4 з.п.ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями, состоящий из объектива, включающего расположенные по ходу лучей первый положительный линзовый компонент, второй отрицательный компонент для смены увеличения, имеющий два фиксированных положения на оптической оси, а также малую подвижку вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, третий положительный линзовый компонент, четвертый отрицательный линзовый компонент, и окуляра, отличающийся тем, что первый положительный линзовый компонент объектива выполнен в виде асферической линзы с дифракционным оптическим элементом, третий положительный линзовый компонент объектива выполнен в виде положительной линзы, первая поверхность которой асферическая, окуляр выполнен в виде положительной асферической линзы, третий и/или четвертый линзовый компонент имеет подвижку вдоль оптической оси, при этом имеют место следующие соотношения:
R₅/|R₆|≅0,5,
|R₈|/R₁≥0,2,
где R₅ - радиус кривизны первой поверхности третьего линзового компонента;
R₆ - радиус кривизны второй поверхности третьего линзового компонента;
R₈ - радиус кривизны второй поверхности четвертого линзового компонента;
R₁ - радиус кривизны первой поверхности первого линзового компонента. 2. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями по п.1, отличающийся тем, что положительная асферическая линза с дифрикционным оптическим элементом выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой стороной к изображению. 3. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями по п.1, отличающийся тем, что дифракционный оптический элемент выполнен в виде киноформа. 4. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями по п.1, отличающийся тем, что положительная асферическая линза окуляра выполнена в виде двояковыпуклой линзы. 5. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями по п.1, отличающийся тем, что между четвертым линзовым компонентом объектива и окуляром установлена диафрагма.