УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА СО СТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G02B23/00 G02B15/12 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано, например, в наблюдательных и прицельных приборах с матрицами чувствительных элементов приемных устройств.

Известна оптическая схема формирования инфракрасного изображения по патенту US 5.136.421, содержащая афокальную систему (АС) Кеплера, собирающую световой поток от объекта, сканирующее зеркало, оптическую систему для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость фотоприемного устройства (ФПУ) с охлаждаемой диафрагмой. Система предназначена для формирования изображения, а также для формирования тестовых полей в фоточувствительной плоскости.

Недостатками данного устройства являются:

- схематичность и сложность оптической системы,

- относительно большая длина оптической системы.

Известна также оптическая система по патенту US 6,181,486 В1, которая по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, состоящая из оптической системы в виде афокальной переносящей изображение системы. АС выполнена из двух двухлинзовых компонентов. Переносящая изображение система выполнена из двух компонентов, первый из которых двухлинзовый, а второй - однолинзовый.

Признаки аналога, общие с заявляемым изобретением:

- АС Кеплера, состоящая из двух компонентов,

- система двойного переноса изображения из АС Кеплера в плоскость ФПУ, состоящая из двух компонентов,

- сопряженность входного зрачка, совпадающего с первой поверхностью первой линзы и охлаждаемой диафрагмой фотоприемника.

Недостатками известного аналога являются:

- недостаточное относительное отверстие 1:2,9,

- вторая линза первого компонента АС Кеплера имеет значительные габариты.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание компактной оптической системы с высокими рабочими характеристиками.

Технический результат заключается в увеличении относительного отверстия до 1:1,83 без увеличения количества элементов оптической системы (для узкопольного варианта), с сохранением качества получаемого изображения.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения, содержащем каналы узкого и широкого поля зрения, состоящие из последовательно установленных по оси афокальной системы (АС) Кеплера, собирающей световой поток от объекта, сканирующего зеркала, оптической системы для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость, фотоприемного устройства (ФПУ) с охлаждаемой диафрагмой,

- в устройстве узкого поля зрения первый компонент АС Кеплера выполнен из одной линзы, второй - из двух линз,

- каждая линза второго компонента повернута на 180° вокруг оси, перпендикулярной оптической оси системы,

- в устройстве широкого поля зрения после первого компонента АС Кеплера вставлены/удалены три линзы,

- оптическая система для двойного переноса изображения из АС Кеплера в фоточувствительную плоскость выполнена в виде первого компонента из одной линзы и установленного перед ФПУ второго компонента из одной линзы, в который добавлены две линзы для переноса изображения в фоточувствительную плоскость.

Указанный технический эффект достигается всей совокупностью существенных признаков, в том числе выполнением первого компонента АС из одной линзы с асферической поверхностью, что позволило отказаться от второй линзы. Качество изображения обеспечено введением в АС второго компонента из двух линз, каждая из которых повернута на 180° вокруг оси, перпендикулярной оптической оси системы, совместно с системой двойного переноса изображения. Кроме того, выполнение оптической системы для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость в виде первого компонента из одной линзы, второго компонента с двумя добавленными линзами, установленными перед ФПУ, позволило оптимизировать блики от оптических элементов и так называемый «нарцисс» от фотоприемной площадки. Введение или отсутствие после первого компонента АС Кеплера трех дополнительных линз позволяет изменять широкий угол поля зрения на узкий угол поля зрения.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная оптическая схема устройства для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения.

Конструктивные параметры предложенных устройств приведены в таблицах 1-4:

- таблицы 1, 2 - первый вариант исполнения,

- таблицы 3, 4 - второй вариант исполнения.

Устройство для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения содержит последовательно по оси установленные, для широкого угла поля зрения, фронтальную асферическую линзу 1, далее три линзы 2, 3, 4, которые формируют промежуточное изображение в области тестовых полей 6(1) и 6(2) с помощью зеркального блока 5, далее по ходу луча установлены линзы 7, 8 второго компонента системы Кеплера, а затем в плоскости выходного зрачка ⌀ 30 мм установлено сканирующее зеркало (на фигуре не показано), далее система переноса изображения, состоящая из линз 9, 11, 12, 13, которая переносит промежуточное изображение в плоскость ФПУ. Пластина 10, колеблющаяся в пределах небольшого угла в плоскости, перпендикулярной оптической оси, осуществляет чересстрочное сканирование изображения в плоскости ФПУ.

Для переключения канала широкого поля зрения на канал узкого поля зрения три дополнительные линзы 2, 3, 4 убираются. ФПУ имеет защитное стекло и апертурную диафрагму ⌀ 7,2 мм, которые позиционно не обозначены. При этом сохранены локализация плоскости изображения и величина относительного отверстия, а также достигнуто сопряжение входных зрачков с охлаждаемой диафрагмой фотоприемника.

Работает устройство следующим образом.

Излучение от объекта собирается фронтальной линзой 1 с вставленными или удаленными линзами 2, 3, 4. Формируется изображение, которое через второй компонент из линз 7, 8 направляется на сканирующее зеркало (не показано), расположенное в выходном зрачке ⌀ 30 мм, и далее на линзу 9, которая совместно с линзами 7, 8 переносит изображение в плоскость вблизи пластинки 10 чересстрочного сканера, которое вторым компонентом системы переноса изображения 11, 12, 13 через защитное стекло и апертурную диафрагму формируется в плоскости фотоприемника. Тестовые поля 6(1), 6(2) через зеркальный блок 5 и далее через 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, защитное стекло и апертурную диафрагму переносятся в плоскость ФПУ.

В плоскости ФПУ сохраняется локализация изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения как для широкого поля зрения с тремя дополнительными линзами первого компонента АС Кеплера, так и для узкого поля зрения с удаленными тремя дополнительными линзами. При этом сохраняется сопряженность входного зрачка и охлаждаемой апертурной диафрагмы ⌀ 7,2 мм, а также качество изображения.

Устройство для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения имеет следующие характеристики.

Вариант 1

Угловое поле ω_y и ω_z

узкое 4°×3,02° широкое 18°×14,5°

Относительное отверстие 1:n=1:1,83

Фокусное расстояние

узкое 150,1 мм широкое 32,7 мм

Спектральная область λ₁-λ₂=8,5÷10,5 мкм

Диаметр входного зрачка

узкое 84 мм широкое 17 мм

Вариант 2

Угловое поле ω_y и ω_z

узкое 3°×2,25° широкое 9°×6,75°

Относительное отверстие 1:n=1:1,83

Фокусное расстояние

узкое 198,4 мм широкое 66,7 мм

Спектральная область λ₁-λ₂=8,5÷10,5 мкм

Диаметр входного зрачка

узкое 105 мм широкое 37 мм

Конструктивное исполнение представлено в таблицах 1 и 2 (вариант 1), в таблицах 3, 4 (вариант 2).

Качество изображения представлено в таблице 5 варианта 1, в таблице 6 варианта 2 - при различных температурах окружающей среды.

Таким образом, новое компоновочное решение позволило решить поставленную задачу: построить изображение в фоточувствительной плоскости с тем же количеством элементов оптической системы и качеством изображения, но с уменьшенным фокусным расстоянием и увеличенным относительным отверстием 1:1,83.

Таблица 1 Радиус, мм Толщина, мм Материал Световой диаметр, мм r₁=100,024 d₁=6,75 Ge 85 r₂=130,451* d₂=15     r₃=-34,121 d₃=3 Ge 21 r₄=-66,220 d₄=42,89     r₅=55,716 d₅=6 Ge 41 r₆=1534,6 d₆=4     r₇=-74,051** d₇=4 Ge 34 r₈=-181,55 d₈=54,06     r₉=60,39 d₉=11,64 ZnSe 24 r₁₀=42,66 d₁₀=19,45     r₁₁=∞ d₁₁=6 Ge 45 r₁₂=-107,89 d₁₂=85,02     r₁₃=79,62 d₁₃=4,6 Ge 39 r₁₄=123,726*** d₁₄=54,6     r₁₅=∞ d₁₅=3,0 ZnSe 22 r₁₆=∞ d₁₆=47,55     r₁₇=∞ d₁₇=3,4 ZnSe 37 r₁₈=80,17 d₁₈=3,8     r₁₉=671,4 d₁₉=5,7 Ge 37 r₂₀=-111,43 d₂₀=0,2     r₂₁=32,81 d₂₁=7,1 Ge 37 r₂₂=40,27 d₂₂=18,08     r₂₃=∞ d₂₃=2,5 Ge 20 r₂₄=∞ d₂₄=15,605     r₂₅=∞     11,4 * Асферическая поверхность y²=263,528x-1,378x²   ** Асферическая поверхность y²=-146,864x-2,3378x²-0,9928x³ *** Асферическая поверхность y²=250,04x-2,9712x²+0,21x³

Таблица 2 Радиус, мм Толщина, мм Материал Световой диаметр, мм r₁=100,024 d₁=6,75 Ge 85 r₂=130,451* d₂=128,95     r₃=60,39 d₃=11,64 ZnSe 24 r₄=42,66 d₄=19,45     r₅=∞ d₅=6 Ge 45 r₆=-107,89 d₆=85,02     r₇=79,62 d₇=4,6 Ge 39 r₈=123,726** d₈=54,6     r₉=∞ d₉=3,0 ZnSe 22 r₁₀=∞ d₁₀=47,55     r₁₁=∞ d₁₁=3,4 ZnSe 37 r₁₂=80,17 d₁₂=3,8     r₁₃=671,4 d₁₃=5,7 Ge 37 r₁₄=-111,43 d₁₄=0,2     r₁₅=32,81 d₁₅=7,1 Ge 37 r₁₆=40,27 d₁₆=18,08     r₁₇=∞ d₁₇=2,5 Ge 20 r₁₈=∞ d₁₈=15,605     r₁₉=∞     11,4 * Асферическая поверхность y²=263,528x-1,378x² ** Асферическая поверхность y²=250,04x-2,9712x²+0,21x³

Таблица 3 Радиус, мм Толщина, мм Материал Световой диаметр, мм r₁=140,6 d₁=9 Ge 105 r₂=188,944* d₂=15     r₃=-102,8 d₃=5 Ge 44 r₄=-128,82 d₄=90,56     r₅=30,2 d₅=4 Ge 33,4 r₆=39,45 d₆=6,5     r₇=-134,307** d₇=4 Ge 28 r₈=-248,3 d₈=40,67     r₉=60,39 d₉=11,64 ZnSe 24 r₁₀=42,66 d₁₀=19,45     r₁₁=∞ d₁₁=6 Ge 45 r₁₂=-107,89 d₁₂=85,02     r₁₃=79,62 d₁₃=4,6 Ge 39 r₁₄=123,726*** d₁₄=54,6     r₁₅=∞ d₁₅=3,0 ZnSe 22 r₁₆=∞ d₁₆=47,55     r₁₇=∞ d₁₇=3,4 ZnSe 37 r₁₈=80,17 d₁₈=3,8     r₁₉=671,4 d₁₉=5,7 Ge 37 r₂₀=-111,43 d₂₀=0,2     r₂₁=32,81 d₂₁=7,1 Ge 37 r₂₂=40,27 d₂₂=18,08     r₂₃=∞ d₂₃=2,5 Ge 20 r₂₄=∞ d₂₄=15,605     r₂₅=∞     11,4 * Асферическая поверхность y²=380,878x-1,40176x² ** Асферическая поверхность y²=-266,676x-6,932x²-10,7x³ *** Асферическая поверхность y²=250,04x-2,9712x²+0,21x³

Таблица 4 Радиус, мм Толщина, мм Материал Световой диаметр, мм r₁=140,6 d₁=9 Ge 105 r₂=188,944* d₂=165,73     r₃=60,39 d₃=11,64 ZnSe 24 r₄=42,66 d₄=19,45     r₅=∞ d₅=6 Ge 45 r₆=-107,89 d₆=85,02     r₇=79,62 d₇=4,6 Ge 39 r₈=123,726** d₈=54,6     r₉=∞ d₉=3,0 ZnSe 22 r₁₀=∞ d₁₀=47,55     r₁₁=∞ d₁₁=3,4 ZnSe 37 r₁₂=80,17 d₁₂=3,8     r₁₃=671,4 d₁₃=5,7 Ge 37 r₁₄=-111,43 d₁₄=0,2     r₁₅=32,81 d₁₅=7,1 Ge 37 r₁₆=40,27 d₁₆=18,08     r₁₇=∞ d₁₇=2,5 Ge 20 r₁₈=∞ d₁₈=15,605     r₁₉=∞     11,4 * Асферическая поверхность y²=380,878x-1,40176x² ** Асферическая поверхность y²=250,04x-2,9712x²+0,21x³

Таблица 5 ω_y°×ω_z° Диаметр пятна рассеяния (мкм) при Е=80% к числу пар линий/мм при контрасте 50% поле 4°×3,018° t=-40°C t=+20°С t=+65°С 2,0×0,0000 56/15,5 64/12 80/10 2,0×0,7545 61/12,5 76/10 94/8,3 2,0×1,5090 92/7,2 100/6,5 130/5,3 1,0×0,0000 43/21,5 40/21 46/19,5 1,0×0,7545 51/17,0 50/17 56/14,5 1,0×1,5090 79/8,5 74/9,8 90/7,8 0,0×0,0000 48/20,0 34/22 34/22 0,0×0,7545 50/16,8 40/19 44/17,8 0,0×1,5090 77/8,5 65/12 76/10   поле 18°×14,51° 9,0×0,0000 58/15 58/16 88/8,3 9,0×3,6275 60/13,3 64/15 93/8,5 9,0×7,2550 99/6,4 80/9,4 108/7,7 4,5×0,0000 70/16,3 46/20,5 66/12,3 4,5×3,6275 68/14,0 49/17,5 74/11,5 4,5×7,2550 92/7,1 68/11,5 88/9,4 0,0×0,0000 71/17,0 34,5/22,5 58/17,1 0,0×3,6275 72/13,6 44/18,8 64/14,3 0,0×7,2550 94/7,0 64/12 80,5/10,2

Таблица 6 ω_y°×ω_z° Диаметр пятна рассеяния (мкм) при Е=80% к числу пар линий/мм при контрасте 50% поле 3°×2,25° t=-40°C t=+20°C t=+65°С 1,50×0,0000 51/18 47/19 54/17,6 1,50×0,5625 56/14,8 52/16 60/14,6 1,50×1,1250 89/7,3 68/11 80/10,4 0,75×0,0000 42/21 40/21 47/19,9 0,75×0,5625 50/16,8 44/18,5 48/18,1 0,75×1,1250 83/7,8 64/12 64/12,6 0,00×0,0000 42/21,5 36/21,5 42/20,8 0,00×0,5625 50/16,5 41/19 41/18,9 0,00×1,1250 82/7,8 62/12,3 59/13,8   поле 9°×6,75° 4,50×0,0000 55/17 59/14,3 72/12,6 4,50×1,6875 60/13,4 68/11,5 82/10,6 4,50×3,3750 85/7,8 86/8,0 104/7,4 2,25×0,0000 49/20 41/21,5 46/19,6 2,25×1,6875 53/16,4 48/17,5 52/16,7 2,25×3,3750 82/8,4 70/10,3 75/10,1 0,00×0,0000 50/19,8 34/22,4 34/21,8 0,00×1,6875 52/16,2 42/19,6 41/19,0 0,00×3,3750 80/8,5 66/11,8 65/11,6

Изобретение может быть использовано в наблюдательных и прицельных приборах с матрицами чувствительных элементов приемных устройств. Устройство содержит каналы узкого и широкого поля зрения, состоящие из последовательно установленных по оси афокальной системы (АС) Кеплера, собирающей световой поток от объекта, сканирующего зеркала, оптической системы для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость, фотоприемного устройства (ФПУ) с охлаждаемой диафрагмой. В устройстве узкого поля зрения первый компонент АС Кеплера выполнен из одной линзы, второй - из двух линз. Каждая линза второго компонента повернута на 180° вокруг оси, перпендикулярной оптической оси системы. В устройстве широкого поля зрения после первого компонента АС Кеплера дополнительно установлены, с возможностью удаления, три линзы. Оптическая система для двойного переноса изображения из АС Кеплера в фоточувствительную плоскость выполнена в виде первого компонента из одной линзы и установленного перед ФПУ второго компонента, в который добавлены две линзы для переноса изображения в фоточувствительную плоскость. Технический результат - увеличение относительного отверстия до 1:1,83 без увеличения количества элементов оптической системы (для узкопольного варианта) с сохранением качества изображения. 1 ил., 6 табл.

Устройство для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения, содержащее каналы узкого и широкого поля зрения, состоящие из последовательно установленных по оси афокальной системы (АС) Кеплера, собирающей световой поток от объекта, сканирующего зеркала, оптической системы для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость, фотоприемного устройства (ФПУ) с охлаждаемой диафрагмой, отличающееся тем, что в устройстве узкого поля зрения первый компонент АС Кеплера выполнен из одной линзы, второй - из двух линз, причем каждая линза второго компонента повернута на 180° вокруг оси, перпендикулярной оптической оси системы, а в устройстве широкого поля зрения после первого компонента АС Кеплера дополнительно установлены с возможностью удаления три линзы, кроме того, оптическая система для двойного переноса изображения из АС Кеплера в фоточувствительную плоскость выполнена в виде первого компонента из одной линзы и установленного перед ФПУ второго компонента, в который добавлены две линзы для переноса изображения в фоточувствительную плоскость.