Трехканальная зеркально-линзовая оптическая система Российский патент 2017 года по МПК G02B17/08 G02B23/04 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено для теплотелевизионных приборов и прицелов, используемых в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Известна многоспектральная зеркально-линзовая оптическая система (United States Patent №5,841,574 от Nov. 24, 1998 г.), содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, вторичное выпуклое асферическое зеркало, спектроделитель в виде наклонной плоскопараллельной пластины, установленный перед фокальной плоскостью двухзеркальной системы, децентрированный входной зрачок, использующий неэкранированную часть зеркальной системы, и оптические системы в видимом и ИК каналах. Недостатком этой оптической системы является использование в качестве спектроделителя наклонной плоскопараллельной пластины в сходящемся пучке лучей, что вносит аберрации нецентрированной системы, которые не могут быть скомпенсированы аберрациями центрированной системы и требуют компенсатора с цилиндрической или торической поверхностью. Также такая оптическая система обеспечивает невысокую светосилу в телевизионном и тепловизионном каналах.

Наиболее близкой по технической сущности является трехканальная зеркально-линзовая оптическая система по патенту на полезную модель №136198 от 27.12.2013 г.

Эта трехканальная оптическая система содержит зеркальный объектив, включающий главное вогнутое асферическое зеркало и вторичное выпуклое асферическое зеркало, линзовый компенсатор зеркального объектива для видимого или ближнего ИК диапазона, общий для среднего и дальнего ИК диапазонов трехлинзовый объектив, расположенный так, что его передняя фокальная плоскость совпадает с задней фокальной плоскостью зеркального объектива, первый спектроделитель, выполненный в виде наклонной плоскопараллельной пластинки и расположенный в параллельном пучке лучей после общего объектива. Кроме того, введены линза-коллектив и второй светоделитель, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки и установленный между главным вогнутым и вторичным выпуклым зеркалами перпендикулярно оптической оси, приемник излучения видимого или ближнего ИК диапазона. Также после первого спектроделителя установлены трехлинзовый объектив для дальнего ИК диапазона и приемник излучения дальнего ИК диапазона, объектив для среднего ИК диапазона и приемник излучения среднего ИК диапазона с охлаждаемой диафрагмой.

Недостатками этой оптической системы являются малые угловые поля зрения в пространстве предметов, а также малые значения относительного отверстия всех трех каналов оптической системы и наличие двух асферических поверхностей.

Задачей настоящего изобретения является увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов оптической системы и уменьшение количества асферических поверхностей.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в трехканальной зеркально-линзовой оптической системе, содержащей главное вогнутое асферическое зеркало, два спектроделителя и три оптических канала для разных спектральных диапазонов, в отличие от известного, перед главным вогнутым асферическим зеркалом установлен линзовый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, после главного вогнутого асферического зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность первого компонента которого является спектроделительной поверхностью, пропускающей дальний ИК диапазон и отражающей видимый (ближний ИК) и короткий ИК диапазон, общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов двухлинзовый объектив, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую плоско-выпуклую линзу, вторую выпукло-вогнутую линзу, и расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива, а после общего объектива расположен второй спектроделитель в виде призмы-кубика, после прохождения которой установлены объектив для короткого ИК диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей три одиночные линзы в форме менисков, причем второй мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, и приемник излучения короткого ИК диапазона, а после отражения от второго спектроделителя призмы-кубика установлены объектив для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей пять одиночных линз в форме менисков, причем второй мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, а четвертый и пятый - вогнутой, и приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона, при этом выполняются следующие соотношения:

δ<±1 дптр,

где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов объектива относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива.

Такая оптическая система обеспечивает увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов оптической системы и уменьшает количество асферических поверхностей.

Оптическая схема трехканальной зеркально-линзовой оптической системы показана на фигуре 1.

Трехканальная зеркально-линзовая оптическая система содержит следующие элементы: зеркально-линзовый объектив A, включающий отрицательный мениск 1 и главное вогнутое асферическое зеркало 2; линзовый компенсатор В зеркально-линзового объектива для дальнего ИК диапазона, включающий отрицательный мениск 3 и положительный мениск 4, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник изображения 5 дальнего ИК диапазона; первый спектроделитель, нанесенный на выпуклой стороне отрицательного мениска 3; общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов объектив С, включающий плоско-выпуклую линзу 6 и выпукло-вогнутую линзу 7; второй спектроделитель 8; объектив D для короткого ИК диапазона, включающий отрицательный мениск 9 и положительный мениск 10, обращенные к плоскости изображения выпуклой стороной, положительный мениск 11, обращенный к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения короткого ИК диапазона 12, объектив E для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий отрицательный мениск 13 и положительный мениск 14, обращенные к плоскости изображения выпуклой стороной, плоско-выпуклую линзу 15, положительный мениск 16 и отрицательный мениск 17, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона 18.

Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.

Параметры такого варианта исполнения трехканальной зеркально-линзовой оптической системы следующие:

Диаметр входного зрачка 90 мм

Угловое поле в пространстве предметов:

- канала спектрального диапазона 8-13,5 мкм (LWIR) 4,8° - канала спектрального диапазона 1-1,6 мкм (SWIR) 4,6° - канала спектрального диапазона 0,5-0,9 мкм (V+NWIR) 4,6°

Относительное отверстие:

- канала спектрального диапазона 8-13,5 мкм (LWIR) 1:1,33 - канала спектрального диапазона 1-1,6 мкм (SWIR) 1:1,66 - канала спектрального диапазона 0,5-0,9 мкм (V+NWIR) 1:1,66

Принцип действия трехканальной зеркально-линзовой оптической системы заключается в следующем.

Излучение от удаленного объекта проходит через линзу 1, выполненную в виде отрицательного мениска, отражается от вогнутого асферического зеркала 2 и попадает на первую спектроделительную поверхность, которой является выпуклая поверхность линзы 3 компенсатора. Прошедшие через первую спектроделительную поверхность лучи после прохождения линз 3 и 4 компенсатора В формируют изображение в плоскости приемника 5. Отраженные от первой спектроделительной поверхности лучи создают изображение в задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива A, а затем преобразовываются в пучки с малой угловой расходимостью с помощью линз 6 и 7 общего объектива C. После общего объектива С пучки лучей с малой угловой расходимостью попадают на второй спектроделитель 8. Прошедшие спектроделитель 8 лучи, проходя через линзы 9, 10 и 11 объектива D, формируют изображение в плоскости приемника 12. Отраженные спектроделителем 8 лучи, проходя через линзы 13, 14, 15, 16 и 17 объектива E, формируют изображение в плоскости приемника 18.

Для повышения качества оптического изображения передняя фокальная плоскость общего объектива C смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива А для преобразования проходящих пучков в пучки с малой угловой расходимостью, при этом выполняются следующие соотношения:

δ<±1 дптр,

где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего объектива С относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива A.

Для каждого из каналов задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:

- пространственную частоту ~30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷13,5) мкм с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм);

- пространственную частоту ~25 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (1,0÷4,6) мкм с размером чувствительного элемента, равным 20 мкм);

- пространственную частоту ~50 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,5÷0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 10 мкм).

Получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:

1. Для оптического канала (LWIR) спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм:

- для точки на оси КПК=31% - для точки поля 3,0 мм от центра изображения КПК_M=16% КПК_C=29% - для точки поля 5 мм от центра изображения КПК_M=18% КПК_C=18%

2. Для оптического канала (SWIR) спектрального диапазона (1,0÷1,6) мкм:

- для точки на оси КПК=68% - для точки поля 4,0 мм от центра изображения КПК_M=37% КПК_C=23% - для точки поля 6,0 мм от центра изображения КПК_M=22% КПК_C=19%

3. Для оптического канала (V+NWIR) спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:

- для точки на оси КПК=49% - для точки поля 4,0 мм от центра изображения КПК_M=10% КПК_C=25% - для точки поля 6,0 мм от центра изображения КПК_M=7% КПК_C=6%

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих общий входной канал и три фотоприемника:

- микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм с размером пикселя 17 мкм;

- фотодиодную матрицу спектрального диапазона (1,0÷1,6) мкм с размером пикселя 20 мкм;

- телевизионную КМОП матрицу спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 10 мкм.

Оптическая система содержит главное вогнутое асферическое зеркало, перед которым установлен линзовый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, после главного зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность которого является спектроделительной поверхностью, пропускающей дальний ИК диапазон и отражающей видимый и короткий ИК диапазон, общий для видимого и короткого ИК диапазонов двухлинзовый объектив, расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива для получения пучков с малой угловой расходимостью. После общего объектива расположена спектроделительная призма-кубик, после прохождения которой установлены объектив для короткого ИК диапазона и приемник излучения. После отражения от спектроделительной призмы-кубика установлены объектив для видимого диапазона и приемник излучения. Технический результат - увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов и уменьшение количества асферических поверхностей. 1 ил., 1 табл.

Трехканальная зеркально-линзовая оптическая система, содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, два спектроделителя и три оптических канала для разных спектральных диапазонов, отличающаяся тем, что перед главным вогнутым асферическим зеркалом установлен линзовый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, после главного вогнутого асферического зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность первого компонента которого является спектроделительной поверхностью, пропускающей дальний ИК диапазон и отражающей видимый (ближний ИК) и короткий ИК диапазон, общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов двухлинзовый объектив, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую плоско-выпуклую линзу, вторую выпукло-вогнутую линзу, и расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива, а после общего объектива расположена спектроделительная призма-кубик, после прохождения которой установлены объектив для короткого ИК диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей три одиночные линзы в форме менисков, причем второй мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, и приемник излучения короткого ИК диапазона, а после отражения от спектроделительной призмы-кубика установлены объектив для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей пять одиночных линз в форме менисков, причем второй мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, а четвертый и пятый - вогнутой, и приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона, при этом выполняются следующие соотношения:

δ≤±1 дптр,

где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов объектива относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива.