ТЕЛЕСКОП С ПАНКРАТИЧЕСКОЙ СМЕНОЙ УВЕЛИЧЕНИЯ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2008 года по МПК G02B23/00 G02B13/14 G02B15/16 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к телескопическим (афокальным) системам с панкратической сменой увеличения для дальней инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.

Применение в оптических системах тепловизоров телескопических систем с панкратической сменой увеличения имеет по сравнению с системами с дискретной сменой увеличения, осуществляемой путем ввода (вывода) в оптическую систему дополнительных компонентов или путем перемещения отдельных компонентов системы в два (иногда - три) фиксированных положения, то очевидное преимущество, что в процессе панкратической смены увеличения объект постоянно находится в поле зрения наблюдателя, что повышает эксплуатационные, потребительские качества тепловизора, особенно при поиске и распознавании перемещающихся объектов.

Известны оптические системы телескопов с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра, содержащие 10 и более линз. Например, телескоп с панкратической сменой увеличения [патент США №4659171, 1987] содержит 10 линз и имеет пятикратный перепад увеличений. При этом длина телескопа вдоль оптической оси в 2,9 раза превышает наибольший диаметр линз телескопа. Наличие большого числа поверхностей ведет к снижению коэффициента пропускания системы и к снижению физической светосилы системы в целом. Необходимость повысить коэффициент пропускания, уменьшить массу оптических деталей часто реализуется путем использования асферических поверхностей и дифракционных оптических элементов, что, с одной стороны, позволяет уменьшить количество линз в телескопе, а с другой - снижает технологичность, повышает трудоемкость и стоимость. Вместе с тем в таких системах не всегда в полной мере используются возможности стандартных, сферических поверхностей в части поиска оптимальных соотношений конструктивных параметров системы для коррекции аберраций и достижения требуемого качества при обеспечении технологичности и высоких массогабаритных характеристик.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра [патент США №3947084, 1976 г.], имеющий неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа, содержащий последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный компонент в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, второй отрицательный компонент, состоящий из положительного мениска и отрицательной линзы, третий положительный компонент в виде мениска и четвертый положительный компонент в виде двух менисков, обращенных выпуклостью друг к другу, при этом второй и третий компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси по определенной зависимости, а все преломляющие поверхности телескопа являются сферическими. Положительный мениск первого компонента и отрицательная линза второго отрицательного компонента, выполненная в виде мениска, обращены вогнутостью друг к другу, мениск третьего положительного компонента обращен вогнутостью к плоскости выходного зрачка. Соотношение оптических сил 1, 2, 3, 4 компонентов составляет 2:(-2):0,42:1, а материалом всех линз, кроме отрицательной линзы второго отрицательного компонента, выполненного из селенида цинка, является германий. Перепад увеличений в телескопе шестикратный.

Основными недостатками прототипа является значительная дисторсия и большие массогабаритные характеристики. Так, длина вдоль оптической оси между первой поверхностью и выходным зрачком телескопа превышает в 4,7 раза максимальный диаметр входного зрачка телескопа и более чем в 2 раза - наибольший диаметр линз телескопа, при этом наибольший диаметр линз превышает в 2,3 раза максимальный диаметр входного зрачка телескопа. Этот недостаток ограничивает возможности применения такого телескопа для создания малогабаритных переносных тепловизоров, а также тепловизоров, размещаемых на комплексах при жестких массогабаритных требованиях к ним, в частности - объектах бронетанковой техники, в которых необходимо при ограниченном размере входного окна обеспечить максимальную дальность обнаружения, реализуемую при большей величине фокусного расстояния приемного блока тепловизора.

Относительная дисторсия при максимальном увеличении достигает величины плюс 40%, что ведет к искажению изображения и фактически к снижению заявленной величины углового поля зрения. Большая дисторсия не позволяет использовать такой телескоп в сканирующих тепловизионных системах, использующих режим временной задержки и накопления (ВЗН). Кроме того, шестикратный перепад увеличений при панкратической смене увеличения часто бывает недостаточным для создания оптимальных условий по обнаружению и распознаванию объектов в инфракрасном диапазоне спектра.

Уменьшение диаметра линз не осуществимо из-за реализуемого в оптической системе распределения оптических сил компонентов, которое приводит к тому, что положение входного зрачка имеет значительное несовпадение с положением первого компонента телескопа, а следовательно, уменьшение диаметра первого компонента неизбежно связано со значительным виньетированием наклонных пучков лучей и снижением освещенности изображения к краю зрения. Так, ограничение диаметра первой линзы до размера входного зрачка ведет к снижению светораспределения на краю поля в 5 раз по сравнению с осевой точкой изображения, что является недопустимым для оптических систем тепловизоров. Кроме того, принятые в прототипе распределение оптических сил, формы и материалы линзовых компонентов приводит к отступлению от ортоскопического закона построения изображения и значительной положительной дисторсии при положениях компонентов, соответствующих наибольшему увеличению.

Необходимо принимать во внимание, что улучшение массогабаритных характеристик, уменьшение дисторсии или повышение кратности перепада увеличений в любой новой схеме инфракрасного телескопа должно осуществляться при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю и одновременном соблюдении специфического для сканирующих тепловизоров требования по ограничению до приемлемой величины эффекта Нарцисса от преломляющих поверхностей.

Предлагаемый телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра решает задачу повышения технических характеристик: уменьшения массогабаритных характеристик, снижения дисторсии, повышения перепада увеличений до 10 раз при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю и одновременном соблюдении требования по ограничению эффекта Нарцисса от преломляющих поверхностей телескопа.

Предложен телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра, имеющий неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа. Телескоп содержит последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный компонент в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, второй отрицательный компонент, состоящий из положительного мениска и отрицательной линзы, третий положительный компонент в виде мениска и четвертый положительный компонент в виде двух менисков, обращенных выпуклостью друг к другу. Второй и третий компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси по определенной зависимости. Все преломляющие поверхности телескопа являются сферическими. В первый компонент дополнительно введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенный на малом расстоянии за положительным мениском. Положительный мениск второго компонента обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка, отрицательная линза второго компонента выполнена в виде двояковогнутой линзы, мениск третьего положительного компонента обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка. Отрицательный мениск первого компонента, первые мениски второго и четвертого компонентов выполнены из селенида цинка, а остальные линзы - из германия. В телескопе имеют место следующие соотношения:

где D - наибольший диаметр линз телескопа;

D_P - диаметр входного зрачка телескопа при максимальном увеличении;

L - длина вдоль оптической оси между первой поверхностью и выходным зрачком телескопа;

ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ_{4 -} оптические силы первого, второго, третьего и четвертого компонентов телескопа соответственно;

ϕ₆ - оптическая сила отрицательного мениска первого компонента.

Предлагаемый телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра позволяет обеспечить более высокие технические характеристики: уменьшить массогабаритные характеристики и уменьшить дисторсию, обеспечить перепад увеличений до 10 раз при сохранении дифракционного качества изображения и приемлемой величине эффекта Нарцисса.

Более высокие технические характеристики телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра по сравнению с прототипом обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:

- в первый компонент дополнительно введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенный на малом расстоянии за положительным мениском, положительный мениск второго компонента обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка, отрицательная линза второго компонента выполнена в виде двояковогнутой линзы, мениск третьего положительного компонента обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка;

- отрицательный мениск первого компонента, первые мениски второго и четвертого компонентов выполнены из селенида цинка, отрицательная линза второго компонента выполнена из германия;

- в телескопе имеют место соотношения (1).

Введение в первый положительный компонент отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенного на малом расстоянии за положительным мениском и выполненного из ZnSe - материала с большей дисперсией, чем у материала положительного мениска, при соблюдении указанного в (1) соотношения оптических сил ϕ₆ и ϕ₁, позволяет устранить хроматизм положения в телескопе.

Выполнение второго компонента в виде последовательно расположенных положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости входного зрачка, и отрицательной двояковогнутой линзы, выполненных соответственно из селенида цинка и германия - материалов с показателями преломления соответственно 2,4 и 4,0 и отличающимися дисперсиями, а также выполнение первого мениска четвертого компонента из селенида цинка позволяет регулировать величины хроматизма второго компонента и четвертого компонентов с целью их взаимной компенсации.

Соблюдение соотношений (1) в совокупности с указанным в отличительных признаках выполнением форм линз позволяет реализовать между вторым и третьим компонентами телескопа ход главных лучей, близкий к телецентрическому, что способствует обеспечению малой величины дисторсии, допустимой при визуальном восприятии тепловизионного изображения оператором, а также для использования в сканирующих тепловизионных системах, работающих в режиме ВЗН.

Одновременное выполнение указанных соотношений (1) позволяет осуществить распределение оптических сил компонентов и их взаимное расположение таким образом, что при устранении аберраций обеспечивается такое положение входного зрачка телескопа, при котором уменьшаются диаметры линз, а также его длина вдоль оптической оси, и, как следствие, уменьшается масса телескопа; обеспечивается высокая технологичность изделия, обусловленная применением только сферических преломляющих поверхностей.

Предлагаемая совокупность отличительных признаков позволяет обеспечить в телескопе с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра качество изображения, близкое к дифракционному, уменьшить дисторсию, ограничить влияние эффекта Нарцисса, обеспечить малую массу и габаритные размеры и вместе с тем увеличить перепад увеличений до десяти раз.

Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной самими заявителями зависимости между оптическими силами, формой, материалами линз телескопа, а также продольными и поперечными габаритными размерами телескопа. Авторам не известны оптические системы телескопов с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра, в которых были бы реализованы указанные признаки.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг.1 - оптическая схема телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра;

фиг.2 - частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области для различных увеличений;

фиг.3 - дисторсия телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области для различных увеличений.

На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая схема телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра. Оптическая система содержит расположенные по ходу лучей 1, 2, 3, 4 компоненты. Положительный компонент 1 состоит из положительного мениска 5 и отрицательного мениска 6, обращенных вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа и расположенных на малом расстоянии друг относительного друга. Отрицательный подвижный компонент 2 включает положительный мениск 7, обращенный выпуклостью к плоскости выходного зрачка, и двояковогнутую линзу 8. Подвижный положительный компонент 3 имеет форму мениска, обращенного выпуклостью к плоскости выходного зрачка. Положительный компонент 4 выполнен в виде двух менисков 9, 10, обращенных выпуклыми сторонами друг к другу. Линзы 5, 8, 3, 10 выполнены из германия, линзы 6, 7, 9 - из селенида цинка. Преломляющие поверхности всех линз выполнены сферическими. В телескопе выполняются вышеприведенные соотношения (1). Выходной зрачок телескопа расположен за компонентом 4.

Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленного объекта, проходя последовательно компоненты 1, 2, 3, 4, выходит из выходного зрачка телескопа параллельными пучками. Компоненты 2 и 3 перемещаются вдоль оптической оси, при этом их перемещения взаимозависимы. В процессе перемещения указанных компонентов меняется угловое увеличение телескопа, качество изображения телескопа остается дифракционно ограниченным.

В качестве конкретного примера исполнения телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра в таблице приведены конструктивные параметры телескопа, имеющего следующие характеристики: максимальное увеличение γ₁=8,94^х с угловым полем в пространстве предметов 2ω₁=3°; минимальное увеличение γ₂=0,89^х с угловым полем в пространстве предметов 2ω₂=31°10'; диаметр выходного зрачка D'=15,4 мм, величина которого остается постоянной при изменении углового увеличения в диапазоне от γ₁ до γ₂.

ТаблицаКонструктивные параметры телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектраПоз.№ повR, ммd, ммМатериалДиаметр, мм151147,26211,501Ge157,42223,7087,86 155,263418,51610,00ZnSe153,44371,44789,46/184,68 144,8275-778,1864,00ZnSe40,26-217,6235,79 38,887-143,2084,00Ge30,08178,61394,61/8,41 29,239-87,3846,00Ge43,810-59,22920,68/11,72 464911-14,4928,52ZnSe38,212-51,90110,00 40,21013192,1105,00Ge39,814492,56643,00 39,0

В таблице позиция линз указана в соответствии с фиг.1; № пов. - номер преломляющей поверхности по ходу луча; R - радиус преломляющих поверхностей; d - толщины линз и воздушных промежутков. Значения толщин указаны для двух крайних положений подвижных компонентов телескопа, соответствующих максимальному γ₁ и минимальному γ₂ увеличениям телескопа. Значение толщины, указанное в последней строке таблицы, соответствует положению апертурной диафрагмы (выходного зрачка) телескопа. Диаметр выходного зрачка D' при любом увеличении телескопа составляет 15,4 мм.

Как следует из таблицы, оптические силы 1, 2, 3 компонентов объектива, отнесенные к оптической силе четвертого компонента, составляют соответственно 0,92; - 4,28; 2,50. Оптические силы отрицательного мениска 6 и компонента 1 связаны соотношением: ϕ₆=-0,14ϕ₁. Наибольший диаметр D линз телескопа составляет 157,4 мм, наибольший диаметр входного зрачка D_P телескопа равен 137,7 мм, т.е. в оптической системе имеет место соотношение D=1,14D_P. Длина L вдоль оптической оси между первой поверхностью и выходным зрачком телескопа составляет 320,4 мм, т.е. в оптической системе имеет место соотношение L=2,33D_P. В примере конкретного выполнения соблюдаются вышеприведенные соотношения (1).

На фиг.2 приведены графики ЧКХ телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра для шести различных угловых увеличений, отнесенные к фокальной плоскости идеального объектива с фокусным расстоянием 25 мм, расположенного по ходу лучей за выходным зрачком телескопа. Отметим, что частоте 50 мм^-1, отнесенной к фокальной плоскости идеального объектива с фокусным расстоянием 25 мм, соответствует частота 3 мин^-1 в пространстве предметов телескопа. На графиках по оси абсцисс отложены значения пространственных частот, в мм^-1, отнесенные к задней фокальной плоскости указанного идеального объектива, по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста. Для анализа выбраны следующие значения угловых увеличений телескопа: 8,94; 7,14; 6,12; 3,67; 2,45; 0,89, указанные на соответствующих графиках. На каждом графике значения ЧКХ приведены для различных точек поля (точка на оси, точка на краю поля и три промежуточные точки), верхняя кривая - дифракционная ЧКХ для точки на оси. Наложение кривых ЧКХ для различных точек поля и их близость к дифракционной ЧКХ свидетельствует о том, что телескоп при различных увеличениях обеспечивает дифракционно-ограниченное качество изображения, что позволяет использовать его, например, в сканирующих тепловизионных системах с современными линейчатыми приемниками инфракрасного излучения. В качестве других критериев, подтверждающих высокое качество изображения в предлагаемом телескопе, можно привести следующие: число Штреля составляет 0,83 для точки на оси; среднеквадратический размер волновой аберрации для точки на оси составляет 0,07 λ, на краю поля - 0,14λ (λ - длина волны излучения, соответствующая середине рабочего спектрального диапазона). Для сравнения отметим, что в телескопе-прототипе для точки на оси число Штреля составляет 0,76; среднеквадратический размер волновой аберрации - 0,17λ [A.Mann. Infrared Optics and Zoom Lenses. - Optical Engineering, Vol. TT42 SPIE PRESS - Bellingham, Washington USA].

На фиг.3 приведены графики дисторсии телескопа с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра для шести различных угловых увеличений: 8,94; 7,14; 6,12; 3,67; 2,45; 0,89, указанные на соответствующих графиках. По оси абсцисс на графиках отложены углы ω в относительных единицах, а по оси ординат - относительная дисторсия, %.

Величина дисторсии в телескопе не превышает

при угловом увеличении 0,89^х - 5%;

при угловом увеличении 2,45^х - 2,5%;

при угловом увеличении 3,67^х - 1%;

при угловом увеличении 6,12^х 1%;

при угловом увеличении 7,14^х 2%;

при угловом увеличении 8,94^х 2,5%,

что является приемлемым для использования предлагаемого телескопа в оптических системах тепловизоров, в том числе в сканирующих тепловизионных системах, использующих режим ВЗН.

В [A.Mann. Infrared Optics and Zoom Lenses. - Optical Engineering, Vol. TT42 SPIE PRESS - Bellingham, Washington USA] проведен анализ телескопа-прототипа по критерию YNI, используемому для оценки влияния эффекта Нарцисса в тепловизионной системе. Сравнение предлагаемого телескопа с телескопом-прототипом свидетельствует о близких величинах этих критериев для них, что свидетельствует об ограничении эффекта Нарцисса в предлагаемом телескопе с панкратической сменой увеличения для дальней ИК-области спектра.

Таким образом, предлагаемый телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК-области спектра, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет при сохранении дифракционного качества изображения и одновременном соблюдении требования по ограничению эффекта Нарцисса от преломляющих поверхностей телескопа обеспечить более высокие технические характеристики: уменьшить массогабаритные характеристики, уменьшить дисторсию, обеспечить перепад увеличений до 10 раз.

Предлагаемый телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра может быть использован в оптических тепловизионных системах, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы, и использующих режим ВЗН.

Литература

1. Патент США №4659171,1987.

2. Патент США №3947084,1976 г.

3. A.Mann. Infrared Optics and Zoom Lenses. - Optical Engineering, Vol. TT42 SPIE PRESS - Bellingham, Washington USA.

Телескоп имеет неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка и содержит последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный компонент в виде положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к выходному зрачку, второй отрицательный компонент из положительного мениска, обращенного выпуклостью к выходному зрачку, и двояковогнутой линзы, третий положительный компонент в виде мениска, обращенного выпуклостью к выходному зрачку, и четвертый положительный компонент в виде двух менисков, обращенных выпуклостью друг к другу. Второй и третий компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Все преломляющие поверхности телескопа являются сферическими. Отрицательный мениск первого компонента, первые мениски второго и четвертого компонентов выполнены из селенида цинка, а остальные линзы - из германия. Технический результат - уменьшение массогабаритных характеристик, снижение дисторсии, повышение перепада увеличений до 10 раз при сохранении дифракционного качества изображения по всему полю и одновременном соблюдении требования по ограничению эффекта Нарцисса. 1 табл., 3 ил.

Телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК-области спектра, имеющий неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа, содержащий последовательно расположенные по ходу лучей первый положительный компонент в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, второй отрицательный компонент, состоящий из положительного мениска и отрицательной линзы, третий положительный компонент в виде мениска и четвертый положительный компонент в виде двух менисков, обращенных выпуклостью друг к другу, при этом второй и третий компоненты установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси по определенной зависимости, а все преломляющие поверхности телескопа являются сферическими, при этом положительный мениск первого положительного компонента, мениск третьего положительного компонента и второй мениск четвертого компонента выполнены из германия, отличающийся тем, что в первый компонент дополнительно введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенный на малом расстоянии за положительным мениском, положительный мениск второго компонента обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка, отрицательная линза второго компонента выполнена в виде двояковогнутой линзы, мениск третьего положительного компонента обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка, при этом двояковогнутая линза второго компонента выполнена из германия, а отрицательный мениск первого компонента, первые мениски второго и четвертого компонентов - из селенида цинка и имеют место следующие соотношения:

D≤1,2D_p, L≤2,4D_p, ϕ₁:ϕ₂:ϕ₃:ϕ4=(0,9÷1,2):(-4÷4,5):(2,2÷2,8):1,

ϕ₆<-0,1ϕ₁,

где D - наибольший диаметр линз телескопа;

D_p - диаметр входного зрачка телескопа при максимальном увеличении;

L - длина вдоль оптической оси между первой поверхностью и выходным зрачком телескопа;

ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄ - оптические силы первого, второго, третьего и четвертого компонентов телескопа соответственно;

ϕ₆ - оптическая сила отрицательного мениска первого компонента.