ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПЛЕКСИРОВАННАЯ СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ, РАБОТАЮЩАЯ В УФ, ВИДИМОЙ И ИК ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА Российский патент 2007 года по МПК G02B23/06 G02B17/08 

Настоящее изобретение относится к области приборостроения наблюдательных систем и может быть использовано в самых различных областях науки и техники, в частности для построения комплексированных систем обнаружения и распознавания объектов, в астрономии и дистанционном зондировании поверхности Земли и ее атмосферы из космоса, при построении охранных систем и т.д.

При построении вариообъективов УФ диапазона для каналов обнаружения в качестве аналогов использовались отечественные объективы, «Уфар-1», «Уфар-2», соответственно, а также зарубежный аналог H16Z7516PDC (см. каталоги фирмы Rock-2000 (wwvv.rock2000.com)).

В качестве приемников излучения в отличие от приемников, примененных в прототипе, предполагается использование приемников, формирующих изображения. Среди них могут быть названы отечественные и зарубежные аналоги: Матричные фотоприемники 128х128 на основе слоев HgCdTe и многослойных гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs (Прикладная физика, 2000, №5, с.70-79), фокально-плоскостные кремниевые и ИК-матрицы, ЭОПы, чувствительные до λ=1,8 мкм (Волков В. Г., Ковалев А. В., Федчишин В. Г. Тепловизионные приборы нового поколения. Журнал Специальная техника, ОАО ХК "ЭЛЕКТРОЗАВОД" 2000 г.), кремниевые матричные приемники с расширенным спектральным диапазоном 0,2-1,1 мкм и числом приемных элементов 1000х1000. (ТС281, 1036×1010-PIXEL CCD IMAGE SENSOR (или ТС217, 1158×488))

Общеизвестны способы комплексирования каналов обнаружения и распознавания. В качестве прототипа универсального объектива нами использована конструкция оптико-электронного устройства с оптическим визиром (см. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 8555408 А), [1]. В прототипе используется устройство с оптическим визиром, содержащее расположенные на оптической оси по ходу излучения основной объектив, приемник лучистой энергии, включенный в измерительную схему, и окуляр, при этом основной объектив выполнен в виде двух сферических зеркал с центральными отверстиями.

Несмотря на некоторое сходство схемных решений объективов устройства по изобретению SU 8555408 А и универсального объектива для предлагаемых комплексированных систем сравниваемые схемы отличаются как по достигаемым целям, так и по принципам построения двухзеркального объектива канала распознавания.

Недостатками схемных решений прототипа являются:

- Оптическое устройство изобретения SU 8555408 А предназначено для измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спектра, а предлагаемое семейство универсальных (сочленяемых) объективов предназначено для построения комплексированных систем обнаружения и распознавания объектов. Другими словами, по изобретению SU 8555408 А двухзеркальный объектив изобретения - анаберрационная оптическая система, собирающая энергию в точку на оси (одноэлементный приемник излучения),

- Найденное схемное решение в прототипе пригодно только для решения задач наведения и измерения энергетических характеристик и не позволяет расширить схемные решения на задачи создания семейства объективов с целью обеспечения всего типоряда обзорно-поисковых и наблюдательных систем, а именно:

Табл.1№п/пТип комплексированных систем1.носимые системы наблюдения2.возимые системы наблюдения3.бортовые системы наблюдения4.стационарные системы наблюдения

Целью изобретения является увеличение дальностей обнаружения и достижение возможности распознавания при полном устранении параллакса по каждому из каналов при их одновременной работе.

- Поставленная цель по созданию базовой компоновки объективов каналов обнаружения и распознавания, обеспечивающей безпараллаксный прием, достигнута тем, что в качестве основного узла универсального объектива выбран канал обнаружения, выполняемый в виде вариообъектива с подвижными элементами. Общая компоновка вариообъектива с защитным корпусом далее размещается в теневой зоне центрального виньетирования двухзеркального особо светосильного узкопольного объектива канала распознавания. А сам двухзеркальный объектив предлагаемых универсальных объективов выполняется в виде сверхсветосильной высококачественной системы формирования изображений на приемниках, представляющих собой многоэлементные матричные приемники излучения (апланатическая оптическая система).

- Схемные различия предлагаемого изобретения и прототипа достигаются за счет введения на приемной выпуклой поверхности объектива асферики высокого порядка, в то время как в изобретении SU 8555408 А основной объектив выполнен в виде двух сферических зеркал с центральными отверстиями,

Задача сочленения объективов в отличие от известных принципов по авторскому свидетельству SU 8555408 А, 25.08.1981 решена за счет выбора (на этапе геометрического моделирования типоряда комплексированных систем) принципов компоновки анаберрационных двухзеркальных систем по уравнениям патента РФ №21556979 и статьи [3], а при окончательном моделировании за счет соблюдения выведенных авторами патента требований к параметрам объективов (1)...(3), изложенных в "Способе создания семейства комплексированных систем наблюдения, распознавания и прицеливания на основе семейства универсальных объективов..."; Заявка №20031253 83/20(027102) от 18.08.2003 г. [4].

В соответствии со способом возможность размещения вариообъектива в теневой чоне зеркального объектива обеспечивается за счет особой конструкции двухзеркального объектива, представляющего собой объемную сборку главного зеркала, выполненного в виде кольцевого асферического сегмента, а внешний глубокий сферический контроотражатель обеспечивает возможность сбора энергии на матричные приемники излучения, при котором лучи образуют кольцевую пустотелую конусную конструкцию с большим углом 2ω сбора энергии (числовая апертура ≥0,5; ).

Реализация предложенного выше способа создания семейства универсальных объективов возможна при соблюдении требования к параметрам объективов каналов обнаружения, определяемого соотношением

где S' - задний отрезок (мм)

D* - диаметр первой линзы вариообъектива с оправой (мм)

Таким образом, предложенный способ создания универсальных объективов заключается в том, что для построения типоряда приемных систем комплексированных приборов наблюдения выбирают парные сборки:

- двухзеркальный объектив с главным асферическим зеркалом выпуклой формы и внешним апланатическим корректором сферической формы, обеспечивающих соотношение

- Варио- или широкоуголный объектив, обеспечивающий соотношения

где - диаметр первой линзы вариообъектива с оправой

D_{внутр.з.о.} - внутренний диаметр кольцевого главного зеркала объектива канала распознавания

S' - задний отрезок варио- или широкоугольного объектива

Сущность изобретения состоит в создании малогабаритной комплексированной системы (фиг.1) с одним или двумя приемниками излучения, работающими в широком диапазоне длин волн ЭМК, достигается путем размещения вариообъектива (фиг.2) в теневой зоне двухзеркального объектива канала распознавания (фиг.3), а защитное окно комплексированной системы представляет собой обтекатель сферической формы с областью прозрачности от 0,235...3 мкм.

При использовании вариообъектива, работающего с УФ диапазоном излучения (0,235-0,4 мкм) и фокально-плоскостными кремниевыми матрицами в канале обнаружения и ИК-матрицами в канале распознавания, данная система может быть использована для задач, связанных со спектрометрическими измерениями земной поверхности, атмосферы или околоземного пространства.

Все вышеуказанное позволило построить как самостоятельные объективы каналов обнаружения и каналов распознавания для комбинированных систем наблюдения, а так же, учитывая возможность их сочленения, предложить семейство универсальных (сочленяемых) объективов для построения комплексированных систем наблюдения, распознавания и целеуказания.

В результате вариообъектив канала обнаружения без виньетирования основных потоков двухзеркального объектива встраивается в конструкцию объектива канала распознавания с союстировкой оптических осей обоих каналов. Такая конструкция обеспечивает беспараллаксный прием как на один, так и на множество приемников излучения (при вынесении световых потоков вариообъектива во внешнюю зону двойного конуса лучей объектива распознавания с помощью зеркал или светоделительных пластин).

Для соблюдения условия беспараллаксного формирования изображений в каждом канале юстировка осуществляется за счет сохранения неизменными по величине задних отрезков 5" вариообъектива как в режиме последовательного приема потоков излучения на один матричный приемник, так и в параллельном режиме, в котором пространственное разнесение потоков каналов на собственные матричные приемники осуществляется с помощью зеркал или светоделителей (либо спектроделителей в задачах спектрофотометрии).

Качество изображения и энергетические характеристики для канала обнаружения и канала распознавания обеспечиваются с помощью традиционных для оптики методов расчетов по каждому каналу раздельно.

Последнее условие позволяет расчленять универсальные объективы на объектив канала распознавания и объективы каналов обнаружения для их раздельного использования в комбинированных системах наблюдения.

Соблюдение условий (1-3) позволяет построить весь типоряд приемных систем для носимых, возимых, бортовых и стационарных комплексов наблюдения и прицеливания.

В качестве базовых параметров каналов обнаружения в табл.2 приводятся достигнутые характеристики вариообъективов видимого и ближнего ИК-диапазонов, а в табл.3 характеристики панкратических (вариообъективов для ультрафиолетовой области спектра) (фиг.2).

Табл.2
Полихроматическая ОПФ (реальная система)f'=7,5f'=120Поле: Wy=19 Ws=0 (град)Поле: Wy=1 Ws=0 (град)Частота 1/ммСечениеЧастота 1/ммСечение 090 09010.0.901.92110.0.875.91020.0.727.83720.0.719.78230.0.559.75930.0.596.68940.0.460.69740.0.526.65250.0.425.65850.0.448.630Поле: Wy=28 Wz=0 (град)Поле Wy=2 Wz=0(град)Частота 1/ммСечениеЧастота
1/ммСечение 090 09010.0.571.92510.0.712.85620.0.606.82620.0.636.69530.0.322.73030.0.498.61040.0.413.65540.0.427.56750.0.311.59250.0.344.492

Табл.3
Полихроматическая ОПФ (реальная система)f'=10f'=100Поле: Wy=0 Wz=0 (град)Поле: Wy=0 Wz=0 (град)Частота1/ммСечениеЧастота
1/ммСечение 04590 0459010.0.880.889.88010.0.914.926.91420.0.754.766.75420.0.820.836.82030.0.719.724.71930.0.784.792.78440.0.667.666.66740.0.767.773.76750.0.598.601.59850.0.725.734.725Поле: Wy=21.7 Wz=0 (град)Поле: Wy=1.9 Wz=0 (град)Частота1/мм СечениеЧастота
1/ммСечение 04590 0 459010.0.780.836.88910.0.673.685.71320.0.527612.82020.0.547.513.58030.0.411.429.74930.0.456.465.56140.0.338.332.70940.0.397.423.48750.0.226.283.68250.0.363.382.402

В табл.4 приведены основные характеристики узкопольного светосильного двухзеркального объектива для систем распознавания (фиг.3).

Табл.4
Полихроматическая ОПФ (реальная система)f'=7,5f'=120Поле: Wy=19 Wz=0 (град)Поле: Wy=.25 Wz=0 (град)Частота 1/ммСечениеЧастота 1/ммСечение 090 09060.0.815.81560.0.786.80170.0.801.80170.0.766.78380.0.788.78880.0.745.76490.0.772.77290.0.724.745100.0.756.756100.0.704.724110.0.739.739110.0.683.704120.0.721.721120.0.663.683130.0.704.704130.0.644.663140.0.688.688140.0.625.644Поле: Wy=28 Wz=0 (град)Поле Wy=2 Wz=0 (град)Частота 1/ммСечениеЧастота
1/ммСечение 090 09060.0.660.70560.0.514.56670.0.615.66370.0.465.50080.0.579.62480.0.421.44490.0.546.58890.0.380.395100.0.515.552100.0.341.352110.0.486.519110.0.304.314120.0.459.487120.0.269.280130.0.433.456130.0.235.250140.0.410.428140.0.204.224

В качестве приемных элементов для построения каналов обнаружения на вариобъективах предполагается использовать высокочувствительный кремниевый матричный приемник с расширенным спектральным диапазоном 0,2-1,1 мкм и числом приемных элементов 1000х1000. Наиболее приемлемой для этих задач матрицей является ПЗС типа:

- ТС281, 1036×1010-PIXEL CCD IMAGE SENSOR (или ТС217, 1158×488),

а в каналах распознавания ЭОПы, чувствительные до λ=1,8 мкм, и фокально-плоскостные кремниевые и ИК-матрицы,

Внутренняя структура конкретных устройств в основном обусловлена выбором материала защитного окна (обтекателя) и типом (областью прозрачности) объективов канала обнаружения.

В этом устройстве конструкция обтекателя является гармоничным продолжением сферы апланатического корректора с областью прозрачности 0.235...3 мкм. Конструкция комплексированной системы устройства 1 размещена в сферической оболочке. Это важное достоинство универсальной конструкции по устройству 1 найдет широкое применение в вертолетных, самолетных и спутниковых системах наблюдения и прицеливания. Особое место эта конструкция должна нанять в ряду систем дистанционного мониторинга, устанавливаемых на малые, микро-, нано- и пикоспутники 3-го - 6-го поколений. Схема объектива распознавания с углами поля зрения 0...1.5° в этом устройстве выбирается в соответствии с формулой способа. В результате построения такой схемы комплексированная система по устройству 1 обеспечит возможность создания обзорно-поисково-прицельного комплекса, в котором обнаружение и распознавание осуществляется в области прозрачности атмосферы от 0,235...3 мкм.

Источники информации

1. Описание изобретения к авторскому свидетельству "Оптико-электронное устройство с оптическим визиром" - SU 8555408 А, опубликовано 15.08.81 г.

2. «Способ создания двухзеркальных анаберрационных и апланатических систем с главным зеркалом в виде сегмента сферы» Мельников Г.С., Ган М.А., Попов А.С. (Патент на изобретение №2155979 по заявке №98114691/28, приоритет от 21.07.1998 г. Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. №11. 1999 г. Патентообладатель Всероссийский научный центр «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»

3. Мельникова Г.С., Попова А.С. Двухзеркальные оптические системы с многократным отражением от главного сферического зеркала. Оптический журнал. Том 66. №7. 1999 г.

4. «Способ создания семейства комплексированных систем наблюдения распознавания и прицеливания, на основе семейства универсальных объективов и комплексированные системы для его реализации». Мельников Г.С и др., заявка №2003125383/20(027102) от 18.08.2003 г.

Комплексированная система содержит канал распознавания и канал обнаружения. Канал распознавания включает двухзеркальный объектив в виде кольцевого сегмента главного зеркала с выпуклой сферической поверхностью и апланатического корректора и приемник излучения канала распознавания. Канал обнаружения включает объектив, расположенный в конусообразной пустотелой области, образованной потоком излучения, принимаемым объективом канала распознавания, и приемник излучения канала обнаружения. Вся конструкция размещена в сферической оболочке, которая одновременно несет в себе поверхность кольцевой зоны апланатического корректора, защитного окна, представляющего собой обтекатель с областью прозрачности 0.235...3 мкм, и устройства крепления приемников излучения каналов обнаружения и распознавания. В качестве объектива канала обнаружения использован широкоугольный УФ вариообъектив с областью прозрачности 0,235...0,4 мкм, сопрягаемый через зеркало, установленное под углом в заднем отрезке, с приемником излучения в виде кремниевого матричного приемника излучения. В узкопольном канале распознавания в качестве приемника излучения установлена либо кремниевая матрица, чувствительная до λ=1,1 мкм, либо ЭОП, чувствительный до λ=1,8 мкм, либо ПЗС матрица среднего ИК диапазона. Технический результат - увеличение дальности обнаружения и обеспечение возможности распознавания при полном устранении параллакса по каждому из каналов при их одновременной работе. 3 ил., 4 табл.

Комплексированная система наблюдения-распознавания объектов, содержащая канал распознавания, включающий двухзеркальный объектив в виде кольцевого сегмента главного зеркала с выпуклой сферической поверхностью и апланатического корректора и приемник излучения канала распознавания, и канал обнаружения, включающий объектив, расположенный в конусообразной пустотелой области, образованной потоком излучения, принимаемым объективом канала распознавания, и приемник излучения канала обнаружения, отличающаяся тем, что вся конструкция размещена в сферической оболочке, которая одновременно несет в себе поверхность кольцевой зоны апланатического корректора, защитного окна, представляющего собой обтекатель с областью прозрачности 0,235...3 мкм, и устройства крепления приемников излучения каналов обнаружения и распознавания, при этом в качестве объектива канала обнаружения использован широкоугольный УФ вариообъектив с областью прозрачности 0,235...0,4 мкм, сопрягаемый через зеркало, установленное под углом в заднем отрезке, с приемником излучения в виде кремниевого матричного приемника излучения, а в узкопольном канале распознавания в качестве приемника излучения установлена либо кремниевая матрица, чувствительная до λ=1,1 мкм, либо ЭОП, чувствительный до λ=1,8 мкм, либо ПЗС матрица среднего ИК диапазона.