ДВУХСПЕКТРАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2011 года по МПК G02B13/14 

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к теплотелевизионным приборам в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Известна двухспектральная оптическая система для работы в теплотелевизионных приборах в двух спектральных диапазонах - от 0,4 до 0,9 мкм и от 3,0 до 5,0 мкм (И.Л.Гейхман, В.Г.Волков. «Видение и безопасность». Москва, ОАО «Типография «Новости», 2009 год, стр.556, рис.7.3.1 в), содержащая общий входной канал из двух компонентов, последовательно расположенных по ходу луча - отрицательного мениска и положительной линзы, плоское зеркало с дихроичным покрытием, пропускающим один спектральный диапазон и отражающим другой, а также два оптических канала, работающих в различных спектральных диапазонах.

В отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении, перед фотоприемником установлен оптический канал, предназначенный для работы в спектральном диапазоне (0,4÷0,9) мкм и состоящий из последовательно расположенных положительной двояковыпуклой линзы, положительной линзы, склейки из отрицательной и положительной линз, поворотного зеркала и фотоприемника.

В проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении перед фотоприемником установлен оптический канал, предназначенный для работы в спектральном диапазоне (3,0÷5,0) мкм и состоящий из последовательно расположенных положительного мениска, двух положительных линз, поворотного зеркала и фотоприемника.

Недостатком этой оптической системы является невысокая светосила в канале (3,0÷5,0) мкм, равная 1:2, и значительное число оптических деталей в этом канале, что еще более уменьшает его физическую светосилу, а также невысокая светосила в канале (0,4÷0,9) мкм, равная 1:1,8 и наличие в нем склеенной линзы, что усложняет технологию его изготовления.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы обоих каналов, изменение спектрального диапазона тепловизионного канала на диапазон (8,0÷14,0) мкм в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении и упрощение оптического производства до стандартных освоенных серийных технологий с сохранением высоких оптических характеристик.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в двухспектральной оптической системе, содержащей общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, в отличие от известного, общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск, при этом второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,5÷0,9) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы, третий компонент этого канала выполнен в виде положительного мениска, четвертый - в виде отрицательного мениска, пятый - в виде положительной линзы, второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, а толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:

d3<0,1(d2+d4),

где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;

d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;

d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм.

Такая оптическая система содержит меньшее число оптических деталей в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, не имеет склеенных оптических поверхностей и обеспечивает более высокую светосилу каждого из каналов.

Оптическая схема двухканальной системы показана на чертеже.

Двухканальная оптическая система содержит общий входной канал, состоящий из положительной менисковой линзы 1, плоского зеркала 2 с дихроичным покрытием, пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм и отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм, оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении, состоящий из положительной двояковыпуклой линзы 3, отрицательной линзы 4, положительного мениска 5, отрицательного мениска 6, положительной линзы 7, оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, состоящий из положительной линзы 8, отрицательной линзы 9 и положительной линзы 10.

Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице.

Конструктивные параметры оптической системы Радиусы Толщины Марка стекла Световые диаметры Общий входной канал R1=475,3 d1=8,0 ZnS 90 R2-517,6 90   d2=50,0     Зеркало с дихроичным покрытием R3=плоскость d3=3,0 ZnS - R4=плоскость -   d4=52,0 для отраженного канала (0,5÷0,9) мкм   d4′=27,0 для проходящего канала (8,0÷14,0) мкм Оптический канал спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм R5=55,59 d5=11,0 CaF2 42,0 R6=-66,68 42,0   d6=4,0     R7=-58,08 d7=4,5 ТФ8 40,0 R8=859,0 40,0   d8=0,5     R9=43,55 d9=8,0 ТК21 40,0 R10=147,57 40,0   d10-39,0     R12=18,072 d11=2,5 ТФ8 20,0 R13=10,351 16,0   d12=1,9     R14=11,117 d13=9,9 ТК21 17,0 R15=20,42 12,0   d14=5,2478     R16=плоскость d15=1,0 К8 8,0 R17 = плоскость   (стекло фотоприемника) 7,0   d16=1,3     R18 = плоскость   чувствительные элементы фотоприемника 6,0 Оптический канал спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм R19=118,85 d19=7,0 Ge 105,5 R20=160,69 103,2   d20=8,4     R21=731,1 d21=10,0 ZnSe 102,0 R22=449,8 98,0   d22=95,0     R23=35,95 d23=5,6 Ge 37,5 R24=35,56 33,0   d24=17,6     R25 = плоскость d25=1,0 Ge (стекло фотоприемника) 18,0 R26 = плоскость 17,5   d26=1,3     R27 = плоскость   чувствительные элементы фотоприемника 16,0

Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:

- расчетная длина волны 0,8 мкм; - рабочий спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм; - фокусное расстояние 59,85 мм; - линейное поле зрения 6,0 мм; - относительное отверстие 1:1,4

Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:

- расчетная длина волны 11,0 мкм; - рабочий спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм; - фокусное расстояние 109,1 мм; - линейное поле зрения 16,0 мм; - относительное отверстие 1:1,2

Принцип действия оптической системы заключается в следующем.

Первый компонент 1, выполненный в виде положительного мениска, в сочетании со вторым компонентом 2, выполненным в виде зеркала с дихроичным покрытием, является единым входным окном для обоих каналов, работающих в различных спектральных диапазонах.

Оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении выполнен из трехкомпонентной силовой части 3, 4 и 5, которая создает необходимую оптическую силу канала, и двухкомпонентного компенсатора полевых аберраций 6 и 7, компенсирующего кривизну поверхности изображения в спектральном диапазоне (0,5÷0,9) мкм.

Оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении выполнен из трех компонентов 8, 9 и 10, из которых компонент 9 выполнен в виде отрицательной линзы, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм, при этом толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:

d3<0,1(d2+d4),

где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;

d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;

d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм.

Оптическая схема двухспектральной системы позволяет при соблюдении толщины зеркала в соответствии с формулой уменьшать его габариты до размеров, при которых диаметр отраженного светового пучка вписывается в них без зарезания, а проходящий пучок проходит через зеркало центральной частью, при этом краевая часть пучка проходит вне зеркала, не снижая качества изображения.

Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:

- толщину защитного стекла 11 (или 12) фотоприемника, равную 1,0 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длинах волн 0,5 мкм, 0,7 мкм и 0,9 мкм, 1,0 на длинах волн 8,0 мкм, 11 мкм и 14 мкм;

- пространственную частоту ~70 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,5÷0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 6,5 мкм),

- пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷14,0) мкм с размером чувствительного элемента, равным 25 мкм),

получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:

- для оптического канала спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:

- для точки на оси КПК=43% - для точки поля 2,0 мм от центра   изображения КПК_М=40%   КПК_С=47% - для точки поля 3,0 мм от центра   изображения КПК_М=50%   КПК_С=43%

- для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:

- для точки на оси КПК=52% - для точки поля 5,0 мм от центра   изображения КПК_М=55%   КПК_С=58% - для точки поля 8,0 мм от центра   изображения КПК_М=50%   КПК_С=61%

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает хорошее (канал 0,5÷0,9 мкм) и отличное (канал 8,0÷14,0 мкм) качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих общий входной канал и два фотоприемника:

- телевизионную ПЗС матрицу спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 6,5 мкм;

- микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм с размером пикселя 25 мкм.

Система может быть применена в теплотелевизионных приборах. Система содержит общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов. Общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск. Второй компонент оптического канала в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении (0,5÷0,9) мкм - отрицательная линза, третий - положительный мениск, четвертый - отрицательный мениск, пятый - положительная линза. Второй компонент оптического канала в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении (8,0÷14,0) мкм - отрицательная линза. Толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению: d3<0,1(d2+d4), где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием; d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием; d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм. Технический результат - увеличение светосилы обоих каналов и упрощение технологии при сохранении высоких оптических характеристик. 1 табл., 1 ил.

Двухспектральная оптическая система, содержащая общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, отличающаяся тем, что общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск, при этом второй компонент оптического канала в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении (0,5÷0,9) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, третий компонент этого канала выполнен в виде положительного мениска, четвертый - в виде отрицательного мениска, пятый - в виде положительной линзы; второй компонент оптического канала в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении (8,0÷14,0) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, а толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:
d3<0,1(d2+d4),
где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;
d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;
d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм.