ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВАЯ СИСТЕМА ВСЕСУТОЧНОГО НАБЛЮДЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G02B17/08 G02B13/14 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в инфракрасном диапазоне длин волн, и может быть использовано в различных оптических системах слежения и видеокамерах с формированием изображения на ПЗС-матрице.

Известны работы по расчету объективов для построения телевизионных систем. В публикации заявки на изобретение [1] объектив содержит восемь элементов с вынесенным входным зрачком, на котором размещена апертурная диафрагма, что обеспечило повышение относительного отверстия с одновременным увеличением угла поля зрения, однако этот объектив достаточно нетехнологичен.

В описании изобретения к патенту [2] инфракрасный объектив позволяет плавно изменять фокусное расстояние, в оптической системе из девяти компонентов два из них выполнены асферическими, и такое усложение схемы не приводит к повышению качества изображения.

В описании к патенту [3] описан вариообъектив с переменным фокусным расстоянием, также содержащий девять компонентов и апертурную диафрагму, позволяющий повышать качество изображения на ПЗС-матрице.

К недостаткам всех описанных объективов относится большое количество оптических элементов в схеме, что не обеспечивает высокого качества, особенно требуемого в системах слежения, видеокамерах.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является зеркально-линзовая система с двойным полем зрения [4], которая включает линзовый компонент (в виде положительного мениска) с отверстием в центральной части, первичное зеркало Манжена (в виде отрицательного мениска) с отверстием в центральной части, вторичное зеркало (с возможностью ввода и вывода его из хода лучей), фокальный компонент (в виде положительного мениска), установленный в отверстии первичного зеркала Манжена. Перед линзовым компонентом расположен отрицательный мениск, перед вторичным зеркалом - двуяковыпуклая линза в центральном отверстии линзового компонента. Для малого поля зрения работают линзовый компонент, первичное зеркало Манжена, вторичное зеркало и фокальный компонент, для большого - в работу вводятся отрицательный мениск перед линзовым компонентом, двуяковыпуклая линза, фокальный компонент. Переключение объектива с большего фокусного расстояния на меньшее осуществляется выведением из световых пучков вторичного зеркала.

Авторы указывают, что термокомпенсация обоих каналов производится одновременно за счет "изменения удаления приемника оптического излучения от последнего по ходу лучей компонента объектива".

Однако представляется проблематичным при многократных перемещениях подобного рода сохранение высокого качества изображения и, как следствие, сохранение стабильности характеристик оптического излучения (при наблюдении за объектом, в частности) в плоскости приемного устройства, обеспечивающего прием в ИК-диапазоне длин волн.

Задачей заявляемого изобретения является создание зеркально-линзовой системы наблюдения без использования двух каналов или двух камер наблюдения, с высоким качеством изображаемого объекта независимо от времени суток.

Технический результат - обеспечение работы зеркально-линзовой системы видеонаблюдения в режиме работы независимо от времени суток при сохранении высокого качества изображения и стабильности характеристик оптического излучения в плоскости приемного устройства.

Это достигается тем, что в зеркально-линзовой системе, состоящей по ходу лучей из линзового компонента с отверстием в центральной части, зеркала Манжена, выполненного в виде мениска, фокального компонента, в отличие от известного прототипа, линзовый компонент выполнен в виде двуяковыпуклой линзы, зеркало Манжена выполнено в виде отражательного мениска без отверстия в центральной части, фокальный компонент выполнен из двух положительных линз и установлен в центральном отверстии линзового компонента, за которым по ходу лучей в плоскости наилучшей установки размещена ПЗС-матрица, соединенная с электронной платой видеокамеры, за линзовым компонентом размещена диафрагмирующая маска со светофильтром, причем преломляющие оптические элементы системы выполнены из одной марки стекла. На фиг.1 представлена оптическая схема предложенного объектива.

Зеркально-линзовая система включает в себя линзовый компонент 1, выполненный в виде двуяковыпуклой линзы с отверстием в центральной части, зеркало Манжена 2, выполненное в виде отрицательного мениска и обращенное вогнутостью к изображению без отверстия в центральной части, фокальный компонент 3, выполненный из двух положительных линз и установленный в центральном отверстии линзового компонента 1, за которым по ходу лучей в плоскости наилучшей установки размещена ПЗС-матрица 4, соединенная с электронной платой видеокамеры 5, за линзовым компонентом 1 размещена диафрагмирующая маска со светофильтром 6, причем преломляющие оптические элементы системы выполнены из одной марки стекла.

Объектив работает следующим образом. Световой поток от объекта, расположенного в бесконечности, проходит через линзовый компонент 1, выполненный в виде двуяковыпуклой линзы с отверстием в центральной части, затем через вогнутое зеркало Манжена 2, выполненное в виде отрицательного мениска без отверстия в центральной части, отразившись от его второй зеркальной поверхности, проходит через фокальный компонент 3, выполненный из двух положительных линз и установленный в центральном отверстии линзового компонента 1, за которым он формирует изображение в плоскости наилучшей установки, где размещена ПЗС-матрица 4, соединенная с электронной платой видеокамеры 5, затем с помощью диафрагмирующей маски со светофильтром 6, установленной за линзовым компонентом 1, регулируется его освещенность в зависимости от времени суток. Светофильтр 6 может быть фотохромным, электрохромным или нейтральным, так как объектив за счет применения стекла одной марки является строгим апохроматом.

В соответствии с предложенным решением рассчитан зеркально-линзовый объектив для всесуточного наблюдения.

В реализованной схеме зеркально-линзовый объектив для всесуточного наблюдения выполнен из одной марки стекла и имеет следующие характеристики:

- фокусное расстояние F'=59.2 мм,

- диафрагменное число равно 0.6,

- основная длина волны 0,6 мкм,

- диапазон ахроматизации 0,4-0,9 мкм,

- поле зрения с ПЗС матрицей форматом 0.5 дюйма - 6×4 угловых градуса,

- разрешающая способность в пространстве предметов - 2.5 угл. минут при разрешении телевизионного канала 580 тв. линий.

ТВ камера ночью использует полную светосилу объектива, днем входной зрачок уменьшается до значения диафрагменного числа порядка 0.9.

Полученные значения полностью соответствуют возможностям по разрешению ПЗС матрицы во всех режимах ее работы.

На чертежах приведены графики сферической аберрации и геометрической ЧКХ при использовании полного зрачка в условиях ночной освещенности (фиг.2 и 3 соответственно), при использовании полного зрачка в условиях дневной освещенности (фиг.4 и 5 соответственно).

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан зеркально-линзовый объектив, с помощью которого осуществляется наблюдение за объектом в течение суток с одной камеры.

Опытный образец данной ТВ камеры с объективом меньшей светосилы (диафрагменное число порядка 0.68) был испытан и полностью подтвердил свою работоспособность во всесуточном режиме.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, авторское свидетельство №23001320, МПК: G02В 15/16 от 1995.02.27.

2. Российская Федерация, авторское свидетельство №2299455, МПК: G02В 15/16 от 2007.05.20.

3. Российская Федерация, авторское свидетельство №2289833, МПК: G02В 15/16 от 2005.05.24.

4. Российская Федерация, авторское свидетельство №2292066, МПК: G02В 13/14 от 2007.01.20 -прототип.

Зеркально-линзовая система всесуточного наблюдения может быть использована в оптических системах слежения и видеокамерах с формированием изображения на ПЗС-матрице. Система содержит линзовый компонент в виде двояковыпуклой линзы с отверстием в центральной части, зеркало Манжена, выполненное в виде отрицательного мениска без отверстия в центральной части, и фокальный компонент. Фокальный компонент выполнен из двух положительных линз и установлен в центральном отверстии линзового компонента, за которым по ходу лучей в плоскости наилучшей установки размещена ПЗС-матрица, соединенная с электронной платой видеокамеры. За линзовым компонентом размещена диафрагмирующая маска со светофильтром. Преломляющие оптические элементы системы выполнены из одной марки стекла. Технический результат - обеспечение работы зеркально-линзовой системы независимо от времени суток при сохранении высокого качества изображения и стабильности характеристик оптического излучения в плоскости приемного устройства. 5 ил.

Зеркально-линзовая система всесуточного наблюдения, содержащая линзовый компонент с отверстием в центральной части, зеркало Манжена, выполненное в виде мениска, фокальный компонент, отличающаяся тем, что линзовый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, зеркало Манжена выполнено в виде отрицательного мениска без отверстия в центральной части, фокальный компонент выполнен из двух положительных линз и установлен в центральном отверстии линзового компонента, за которым по ходу лучей в плоскости наилучшей установки размещена ПЗС-матрица, соединенная с электронной платой видеокамеры, за линзовым компонентом размещена диафрагмирующая маска со светофильтром, причем преломляющие оптические элементы системы выполнены из одной марки стекла.