ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В ДВУХ ПОЛЯХ ЗРЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано, например, в авиационных бортовых системах наблюдения с матрицами чувствительных элементов приемных устройств.

Известна оптическая схема устройства для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения, содержащая линзовый объектив, формирующий изображение, и проекционный объектив, переносящий это изображение в плоскость приемника. Устройство позволяет осуществлять изменение полей зрения, путем ввода-вывода группы линз в линзовом объективе, формирующем изображение объекта (1. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 5, 2003, pp 308-302). Устройство обладает высоким качеством изображения, но технологически сложно осуществимо из-за трудностей изготовления большого количества асферических поверхностей, в том числе дифракционных поверхностей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является оптическая система с двойным полем зрения, содержащая зеркально-линзовый объектив с узким полем зрения и линзовый объектив с широким полем зрения (США, патент №4354742, опубл. 19.10.1982 г.).

К недостаткам близкого аналога можно отнести:

1. Афокальность системы.

2. Наличие четырех асферических поверхностей, что повышает трудоемкость изготовления системы в целом.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание технологичной конструкции с высокими рабочими характеристиками.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в минимизации количества оптических элементов с асферическими поверхностями при сохранении высокого качества изображения.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что оптическая система для формирования изображения объекта в двух полях зрения содержит канал узкого поля зрения и канал широкого поля зрения. Канал узкого поля зрения состоит из последовательно установленных по ходу луча вогнутого асферического зеркала с центральным отверстием и переключающегося выпуклого асферического зеркала. Оптические оси каналов совмещены.

Отличие от близкого аналога заключается в том, что на оптическую ось дополнительно установлен линзовый корректор и пятилинзовый проекционный объектив, общие для обоих каналов, переключающийся линзовый объектив, который выполнен с возможностью замены переключающегося выпуклого асферического зеркала. Входные зрачки обоих каналов сопряжены с охлаждающей диафрагмой.

Кроме того, в плоскости промежуточного изображения установлены тестовые поля.

Пример конкретного выполнения заявляемого устройства представлен на фиг.1-5.

Конструктивные параметры предложенного устройства приведены в таблицах 1 и 2.

На фиг.1 представлена общая оптическая схема заявляемой оптической системы.

На фиг.2 показана модуляционно-передаточная функция зеркально-линзового объектива в узком поле зрения.

На фиг.3 показано пятно рассеяния зеркально-линзового объектива с узким полем зрения с выделенным кругом, соответствующим размеру первого минимума диска Эйри.

На фиг.4 показана модуляционно-передаточная функция линзового объектива в широком поле зрения.

На фиг.5 показано пятно рассеяния линзового объектива с широким полем зрения с выделенным кругом, соответствующим размеру первого минимума диска Эйри.

Оптическая система для формирования изображения объекта в двух полях зрения (фиг.1) содержит канал узкого поля зрения и канал широкого поля зрения. В канале узкого поля зрения по ходу луча последовательно установлены вогнутое асферическое зеркало 1 с центральным отверстием, переключающееся выпуклое асферическое зеркало 2, линзовый корректор 3, проекционный объектив, состоящий из линз 4, 5, 6, 7, 8, защитное стекло 9, охлаждаемая диафрагма, фильтр 10. В канале широкого поля зрения по ходу луча последовательно установлены переключающийся линзовый объектив, состоящий из линз 11 и 12, линзовый корректор 3, проекционный объектив, состоящий из линз 4, 5, 6, 7, 8, защитное стекло 9, охлаждаемая диафрагма, фильтр 10. Входной зрачок канала с узким полем зрения находится на вогнутом асферическом зеркале 1, а входной зрачок канала с широким полем зрения находится на линзе 11 переключающегося линзового объектива. Оба канала выполнены с возможностью формирования изображения в одной плоскости. Кроме того, входные зрачки обоих каналов сопряжены с охлаждаемой диафрагмой.

Оптическая система работает следующим образом:

Излучение от объекта в канале с узким полем зрения собирается зеркалами 1, 2, линзовым корректором 3 и далее проекционным объективом, состоящим из линз 4, 5, 6, 7, 8, передается через защитное стекло 9, охлаждаемую диафрагму и фильтр 10 в плоскость изображения. При развороте по стрелке относительно оси О одновременно переключающееся выпуклое асферическое зеркало 2 выводится из хода лучей и заменяется линзовым объективом с линзами 11 и 12. При этом включается канал с широким полем зрения, который, кроме линзового объектива, содержит линзовый корректор 3, проекционный объектив с линзами 4, 5, 6, 7, 8, защитное стекло 9, охлаждаемую диафрагму и фильтр 10. Построение изображения осуществляется в той же плоскости, что и у канала с узким полем зрения.

В плоскости изображения сохраняется локализация скорректированного изображения до дифракционного качества изображения. Изображения входных зрачков каналов строятся на охлаждаемой диафрагме приемника. В плоскости промежуточного изображения устанавливаются тестовые поля (не изображенные на фиг.1). Канал с узким полем зрения имеет следующие характеристики:

фокусное расстояние f'=379,6 мм;

относительное отверстие 1:n=1:2,05;

угол поля зрения 2σ гор.=1,42°; 2σ верт.=1,14°;

спектральная область λ1-λ2=3-5 мкм;

диаметр входного зрачка D_вх=180 мм.

Канал с широким полем зрения обладает следующими характеристиками:

фокусное расстояние f'=138,9 мм;

относительное отверстие 1:n=1:2,05;

угол поля зрения 2σ гор.=3,9°; 2σ верт.=3,11°;

спектральная область λ1-λ2=3-5 мкм;

диаметр входного зрачка D_вх=66 мм.

Конструктивное исполнение представлено в таблицах 1 и 2.

Модуляционно-передаточная функция и функция рассеяния точки (с выделенным кругом, соответствующим размеру первого минимума диска Эйри) представлены на фиг.2 и фиг.3 для канала с узким полем зрения, а на фиг.4 и фиг.5 для канала с широким полем зрения.

Заявляемая оптическая система позволяет скомпенсировать остаточные аберрации промежуточного изображения, которые могут возникнуть в оптической системе, с помощью проекционного объектива, заменяющего общий для обоих каналов двухлинзовый коллимирующий объектив близкого аналога. При этом обеспечивается сохранение плоскости локализации изображения как для канала с узким полем зрения, так и для канала с широким полем зрения. Сопряженность входных зрачков с охлаждаемой диафрагмой позволяет эффективно бороться с фоновыми составляющими, попадающими в плоскость изображения, и осуществлять коррекцию оптической системы до дифракционного качества изображения. Замена выпуклого зеркала Манжена с асферической поверхностью, входящего в состав оптической системы близкого аналога, на переключающееся выпуклое асферическое зеркало и линзовый корректор позволило упростить технологию изготовления.

По сравнению с близким аналогом заявляемая оптическая система формирует изображение с минимальным количеством асферических поверхностей и, таким образом, уменьшает трудоемкость изготовления системы в целом. Несмотря на небольшие размеры, заявляемая оптическая система обеспечивает высокое качество изображения в узком и широком поле зрения.

Изобретение может быть использовано, например, в авиационных бортовых системах наблюдения с матрицами чувствительных элементов. Оптическая система содержит каналы узкого и широкого поля зрения. В канале узкого поля зрения по ходу луча последовательно установлены вогнутое асферическое зеркало с центральным отверстием, переключающееся выпуклое асферическое зеркало, а также являющиеся общими для обоих каналов линзовый корректор, пятилинзовый проекционный объектив, защитное стекло, охлаждаемая диафрагма, фильтр. Для включения канала широкого поля зрения переключающееся выпуклое асферическое зеркало выводится из хода лучей и заменяется переключающимся линзовым объективом. Входные зрачки каналов сопряжены с охлаждаемой диафрагмой. Изображения в обоих каналах строятся в одной плоскости. Входной зрачок канала с узким полем зрения находится на вогнутом асферическом зеркале, а входной зрачок канала с широким полем зрения находится на линзе переключающегося линзового объектива. Технический результат: минимизация количества оптических элементов с асферическими поверхностями при сохранении высокого качества изображения. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

1. Оптическая система для формирования изображения объекта в двух полях зрения, содержащая канал узкого поля зрения из последовательно установленных по ходу луча вогнутого асферического зеркала с центральным отверстием и переключающегося выпуклого асферического зеркала, и канал широкого поля зрения, при этом оси каналов совмещены, отличающаяся тем, что на оптическую ось дополнительно установлен линзовый корректор и пятилинзовый проекционный объектив, общие для обоих каналов, и переключающийся линзовый объектив, который выполнен с возможностью замены переключающегося выпуклого асферического зеркала, входные зрачки обоих каналов сопряжены с охлаждаемой диафрагмой.

2. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что в плоскости промежуточного изображения установлены тестовые поля.