ИНФРАКРАСНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2015 года по МПК G02B13/14 G02B15/14 G02B23/04 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в оптико-электронных системах обнаружения и распознавания объектов, в охранных системах.

Известны полностью отражательные оптические системы с дискретно изменяемым угловым полем зрения (см. патенты EP 1679538 A1, публ. 12.07.2006 г., US 6084727 A, публ. 04.07.2000 г.), в которых изменение полей зрения осуществляется системой переключающихся плоских зеркал. Также известны линзовые оптические системы с дискретно и непрерывно изменяемым фокусным расстоянием (см. патенты RU 2460101, публ. 20.12.2011 г, RU 2400784, публ. 27.09.2010 г., RU 2310217, публ. 10.11.2007 г.), в которых дискретное изменение фокусного расстояния осуществляется вводом в оптический тракт дополнительной линзовой группы или перемещением одного из компонентов, а непрерывное изменение фокусного расстояния осуществляется одновременным перемещением двух компонентов.

В указанных системах кратность изменения фокусного расстояния (углового поля зрения) не превышает 9^× $$(M=f_{\max }^{\text{'}}/f_{\min }^{\text{'}})$$ , при этом значение максимального фокусного расстояния не превышает 500 мм.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой оптической системе, выбранной в качестве прототипа, является инфракрасная система переднего обзора (см. патент EP 1335176 A1, МПК⁷ G02B 13/14, опубл. 13.08.2003 г.), включающая два канала, работающие со своими входными окнами и взаимодействующие с помощью плоских зеркал:

- первый канал узкого поля зрения;

- второй канал среднего и широкого полей зрения.

Первый канал содержит афокальную насадку, состоящую из входного объектива и окулярной части, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство. Второй канал также содержит афокальную насадку, состоящую из входного объектива и окулярной части, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство. Входные объективы афокальных насадок являются отдельными для первого и второго каналов, при этом в первом канале входной объектив имеет фиксированное значение поля зрения (фокусного расстояния), а во втором канале поле зрения (фокусное расстояние) входного объектива дискретно изменяется, причем изменение осуществляется вводом в оптический тракт или выводом из него подвижных линзовых групп. Окулярная часть афокальных насадок, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство являются общими для первого и второго каналов. Переключение потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, а также изменение полей зрения во втором канале осуществляются с помощью устройства, содержащего подвижное плоское зеркало и две подвижные линзовые группы. При вводе подвижного зеркала в оптический тракт система переключается на работу в первом канале в режиме узкого поля зрения; при выводе из оптического тракта подвижного зеркала и вводе первой подвижной линзовой группы система переключается на работу во втором канале в режиме среднего поля зрения; при выводе из оптического тракта подвижного зеркала и вводе второй подвижной линзовой группы система переключается на работу во втором канале в режиме широкого поля зрения.

Система-прототип работает в спектральном диапазоне 8-10 мкм, диаметр входного зрачка (D₀) составляет 220,2 мм.

С учетом того, что в указанном спектральном диапазоне нецелесообразно применение оптических схем с диафрагменным числом, превышающим значение 2,8 (K=f′/D₀), максимальное фокусное расстояние системы-прототипа не превышает 620 мм.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение кратности изменения фокусного расстояния инфракрасной системы за счет расширения диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения, что обеспечит увеличение дальности обнаружения и повышение пространственного разрешения системы.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасной системе, состоящей из первого канала, содержащего последовательно установленные афокальную насадку и фокусирующий объектив, второго канала, содержащего входной объектив, и общих для первого и второго каналов последовательно установленных проекционного объектива и фотоприемного устройства, а также устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, в первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, а во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием, при этом устройство переключения потоков излучения установлено перед проекционным объективом.

А также тем, что афокальная насадка первого канала выполнена в виде двух отражательных элементов.

А также тем, что фокусирующий объектив первого канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и вогнуто-выпуклой линз, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остается неизменным, и неподвижной положительной плоско-выпуклой линзы.

А также тем, что входной объектив второго канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и двояковогнутой линз, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз и неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы.

А также тем, что проекционный объектив выполнен в виде положительной выпукло-вогнутой линзы.

На чертеже представлена оптическая схема инфракрасной системы с расположением элементов в каналах, соответствующим максимальному фокусному расстоянию.

Инфракрасная система содержит первый канал I, в состав которого входят последовательно установленные вдоль оптической оси афокальная насадка, которая может быть выполнена в виде двух отражательных элементов 1 и 2, плоское зеркало 3, фокусирующий объектив, содержащий последовательно установленные неподвижную положительную выпукло-вогнутую линзу 4, подвижные отрицательные выпукло-вогнутую линзу 5 и вогнуто-выпуклую линзу 6, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остается неизменным, неподвижную положительную плоско-выпуклую линзу 7, плоское зеркало 8, второй канал II, содержащий входной объектив, выполненный в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы 9, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой линзы 10 и двояковогнутой линзы 11, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз 12 и 13, неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы 14, и общие для первого I и второго II каналов последовательно установленные проекционный объектив, содержащий положительную выпукло-вогнутую линзу 15, и фотоприемное устройство 16, а также устройство переключения потоков излучения первого I и второго II каналов на фотоприемное устройство 16, выполненное в виде подвижного плоского зеркала 17 и установленное перед проекционным объективом 15.

Технические характеристики инфракрасной системы, работающей в спектральном диапазоне 3…5 мкм, приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики Первый канал Второй канал Фокусное расстояние, мм 1200/600 400…50 Диаметр входного зрачка, мм 300/150 100…12,5 Коэффициент центрального экранирования 0,25/0,5 - Линейное поле зрения в пространстве изображения, мм 9,6×7,68 9,6×7,68

Конструктивные параметры канала I инфракрасной системы приведены в таблице 2, канала II - в таблице 3.

Таблица 2 № элемента Радиус поверхности, мм Толщина по оси, мм Материал 1 r₁=-1000¹⁾ d₁=-375   2 r₂=-250²⁾ d₂=445   3 r₃=∞/-45° d₃=94   4 r₄=106,86 d₄=7 Кремний r₅=188,59     d₅=50/35   5 r₆=681,8 d₆=4 Германий r₇=84,43     d₇=21,7   6 r₈=-80,81 d₈=4 Германий r₉=-114,22     d₉=10/25   7 r₁₀=∞ d₁₀=6 Кремний r₁₁=-125,9³⁾ 8 r₁₂=∞/-45° d₁₁=28,8   17 (I) r₁₃=∞/-45° d₁₂=141,7   15 r₁₄=45,195 d₁₄=4 Германий r₁₅=181,4^{4) 1), 2), 3)} - асферические поверхности; ⁴⁾ - асферо-дифракционная поверхность

Таблица 3 № элемента Радиус поверхности, мм Толщина по оси, мм Материал 9 r₁=129,06 d₁=10 Кремний r₂=192,93⁵⁾     d₂=66   10 r₃=74,49 d₃=6 Кремний r₄=59,72⁶⁾     d₄=66   11 r₅=-87,93⁷⁾ d₅=4 Германий r₆=137,3     d₆=5,2   12 r₇=99,47 d₇=6 Кремний r₈=459,1     d₈=30,6   13 r₉=28,02 d₉=7 Кремний r₁₀=40,84     d₁₀=1   14 r₁₁=41,77 d₁₁=5 Германий r₁₂=26,38⁸⁾ 17 (II) r₁₃=∞/45° d₁₂=48,4       d₁₃=18,8   15 r₁₄=43,22 d₁₄=4 Германий r₁₅=151,18^{9) 5), 9)} - асферо-дифракционные поверхности; ^{6), 7), 8)} - асферические поверхности

В канале I система работает следующим образом: поток излучения попадает на элемент 1 афокальной насадки, отражается от него, попадает на элемент 2, отражается от него и, отклоняясь плоским зеркалом 3, попадает на первую линзу 4 фокусирующего объектива, проходит через линзы 4, 5, 6, 7 (при этом подвижные линзы 5 и 6 занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f′=1200 мм), отклоняется плоским зеркалом 8 и фокусируется в плоскости промежуточного изображения ППИ (I), затем отклоняется плоским зеркалом 17 устройства переключения потоков излучения каналов, установленным в положении 17 (I), проходит через линзу 15 проекционного объектива и попадает в фотоприемное устройство 16, в плоскости чувствительных элементов которого формируется изображение.

При перемещении линз 5 и 6 фокусирующего объектива на 15 мм относительно занимаемого положения фокусное расстояние дискретно изменяется и принимает значение f′=600 мм, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.

В канале II система работает следующим образом: поток излучения попадает на первую линзу 9 входного объектива, проходит через линзы 9, 10, 11, 12, 13, 14 (при этом подвижные линзы 10 и 11 занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f′=400 мм) и фокусируется в плоскости промежуточного изображения ППИ (II), затем отклоняется плоским зеркалом 17 устройства переключения потоков излучения каналов, установленным в положении 17 (II), проходит через линзу 15 проекционного объектива и попадает в фотоприемное устройство 16, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.

При одновременном перемещении линз 10 и 11 входного объектива (каждая из линз перемещается по своему закону) осуществляется плавное изменение фокусного расстояния до значения f′=50 мм, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.

В таблице 4 приведены некоторые значения переменных воздушных промежутков d₂, d₄, d₆ входного объектива канала II.

Таблица 4 Фокусное расстояние, мм d₂, мм d₄, мм d₆, мм 400 66 66 5,2 200 69,5 47,95 19,75 100 58,3 50,3 28,6 50 31 73 33,2

В канале I максимальное значение фокусного расстояния инфракрасной системы $$f_{\max }^{\text{'}}=1200мм$$ , в канале II минимальное значение фокусного расстояния $$f_{\min }^{\text{'}}=50мм$$ , общая кратность изменения фокусного расстояния $$M=f_{\max }^{\text{'}}/f_{\min }^{\text{'}}=1200/50={24}^{\times }$$ . При этом изменение происходит в три ступени: при перемещении линз 5 и 6 в канале I фокусное расстояние изменяется дискретно, кратность его изменения составляет M₁=1200/600=2^×, при переключении подвижного плоского зеркала 17 из положения 17 (I) в положение 17 (II) фокусное расстояние дискретно изменяется, кратность его изменения составляет M₂=600/400=1,5^×, а при перемещения линз 10 и 11 в канале II фокусное расстояние изменяется плавно и кратность его изменения составляет M₃=400/50=8^×. Общая кратность изменения фокусного расстояния инфракрасной системы M=M₁·M₂·M₃=2·1,5·8=24^×.

Таким образом, выполнение инфракрасной системы в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет увеличить кратность изменения фокусного расстояния за счет расширения диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения, что обеспечивает повышение разрешающей способности и увеличение дальности обнаружения.

Изобретение может быть использовано в оптико-электронных системах обнаружения и распознавания объектов, в охранных системах. Инфракрасная система состоит из первого канала, содержащего последовательно установленные афокальную насадку и фокусирующий объектив, второго канала, содержащего входной объектив, и общих для первого и второго каналов последовательно установленных проекционного объектива и фотоприемного устройства. Система также содержит устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство. В первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием. Во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием. Устройство переключения потоков излучения установлено перед проекционным объективом. Технический результат - увеличение дальности обнаружения и повышение пространственного разрешения системы за счет повышения кратности изменения фокусного расстояния путем расширения диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

1. Инфракрасная система, состоящая из первого канала, содержащего последовательно установленные афокальную насадку и фокусирующий объектив, второго канала, содержащего входной объектив, и общих для первого и второго каналов последовательно установленных проекционного объектива и фотоприемного устройства, а также устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, отличающаяся тем, что в первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, а во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием, при этом устройство переключения потоков излучения установлено перед проекционным объективом.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что афокальная насадка первого канала выполнена в виде двух отражательных элементов.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что фокусирующий объектив первого канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и вогнуто-выпуклой линз, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остается неизменным, и неподвижной положительной плоско-выпуклой линзы.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что входной объектив второго канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и двояковогнутой линз, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз и неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что проекционный объектив выполнен в виде положительной выпукло-вогнутой линзы.