ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВАЯ СИСТЕМА Российский патент 2017 года по МПК G02B17/08 G02B23/04 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в двухспектральных оптико-электронных системах.

Известна трехканальная зеркально-линзовая система (см. патент US 6606066 В1, МПК⁷ H01Q 21/00, H01Q 13/00, публ. 29.10.2001 г.), содержащая обтекатель, общее для трех каналов главное вогнутое асферическое зеркало с центральным отверстием, вторичное зеркало с дихроичным покрытием, отражающим излучение инфракрасного спектрального диапазона (первый канал) и пропускающим излучение миллиметрового диапазона длин волн (второй канал). Первый канал, кроме главного и вторичного зеркал, содержит трехлинзовый проекционный объектив и приемник инфракрасного излучения, второй канал - приемник излучения миллиметрового диапазона. Третий (лазерный) канал, кроме главного зеркала, может содержать либо вогнутое асферическое зеркало, либо два линзовых элемента и приемник излучения. Все каналы системы расположены на одной оптической оси.

В первом канале система работает с относительным отверстием 1:2,5, что при работе в дальней инфракрасной области спектра не обеспечивает достаточную светосилу.

Также известен двухканальный зеркально-линзовый объектив (см. патент RU 2335790 С2, МПК⁷ G02B 17/08, опубл. 10.10.2008 г.), содержащий зеркально-линзовый канал видимого диапазона и линзовый тепловизионный канал, расположенный в зоне центрального экранирования зеркально-линзового канала. Канал видимого диапазона содержит восемь оптических элементов и имеет следующие характеристики: спектральный диапазон работы 0,68…0,88 мкм; фокусное расстояние 71 мм; относительное отверстие 1:0,8; угловое поле зрения 8°; длина оптической системы 91,6 мм. Тепловизионный канал содержит три оптических элемента и имеет следующие характеристики: спектральный диапазон работы 8…12 мкм; фокусное расстояние 80 мм; относительное отверстие 1:1,6; угловое поле зрения 13,4°; длина оптической системы 104 мм.

К недостаткам описанной системы можно отнести большие габаритные размеры, обусловленные выбором конструктивного исполнения (общая длина оптической системы более 200 мм).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе, выбранной в качестве прототипа, является многоканальная оптическая система (см. патент ЕР 1862837 А1, МПК⁷ G02B 17/08, G02B 13/14, F41G 7/22, опубл. 03.05.2007 г.), которая содержит обтекатель, выполненный в виде выпукло-вогнутой линзы, первый канал, состоящий из фокусирующего объектива, содержащего главное вогнутое зеркало с центральным отверстием, вторичное выпуклое зеркало, двухлинзовый компенсатор полевых аберраций, первая линза которого выполнена положительной выпукло-вогнутой, а вторая - двояковогнутой, и первого приемника излучения, установленного в центральном отверстии главного зеркала с возможностью вывода из оптического тракта. Второй канал (после вывода первого приемника излучения) содержит фокусирующий объектив первого канала, а также дополнительный проекционный объектив, спектроделитель, выполненный в виде плоскопараллельной пластины, установленной под углом к оптической оси, и два приемника излучения. В зависимости от выбранного материала линз компенсатора и проекционного объектива указанная система может работать одновременно в двух каналах, соответствующих следующим спектральным диапазонам: видимому, ближнему, среднему или дальнему инфракрасному.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее: конструктивное исполнение второго канала с формированием плоскости промежуточного изображения приводит к увеличению габаритных размеров; спектроделитель, расположенный под углом к оптической оси в сходящемся пучке лучей, вносит аберрации, которые сложно исправить. Кроме того, в дальнем инфракрасном диапазоне спектра система работает с относительным отверстием 1:2, что, при использовании неохлаждаемого фотоприемного устройства, например микроболометрической матрицы чувствительных элементов, не обеспечивает достаточную светосилу, определяющую энергетическую способность системы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение энергетической способности двухканальной зеркально-линзовой системы за счет увеличения относительного отверстия в дальнем инфракрасном диапазоне спектра при обеспечении компактности конструкции.

Поставленная задача решается за счет того, что в двухканальной зеркально-линзовой системе, состоящей из расположенных по ходу лучей обтекателя, выполненного в виде выпукло-вогнутой линзы, главного зеркала с центральным отверстием, первого канала, содержащего вторичное зеркало, компенсатор, включающий выпукло-вогнутую положительную и двояковогнутую линзы, и первый приемник излучения и второго канала, содержащего спектроделитель, линзовый компенсатор и второй приемник излучения, главное зеркало выполнено в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы с отражающим покрытием на выпуклой поверхности, спектроделитель выполнен в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы с дихроичным покрытием на выпуклой поверхности, установлен в сходящемся пучке лучей после главного зеркала и одновременно выполняет функции вторичного зеркала первого канала и первой линзы компенсатора второго канала, в компенсатор первого канала дополнительно введены три линзы, первая из которых выполнена двояковогнутой, а вторая и третья выполнены двояковыпуклыми, во втором канале вторая линза компенсатора выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, а третья - положительной вогнуто-выпуклой.

А также тем, что вогнутая поверхность главного зеркала выполнена асферической.

А также тем, что во втором канале вогнутая поверхность третьей линзы компенсатора выполнена асферической.

На чертеже представлена оптическая схема двухканальной зеркально-линзовой системы.

Двухканальная зеркально-линзовая система состоит из расположенных по ходу лучей обтекателя, выполненного в виде выпукло-вогнутой линзы 1, главного зеркала с центральным отверстием, выполненного в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 2, на выпуклую поверхность которой нанесено отражающее покрытие, первого канала I, содержащего спектроделитель 3, компенсатор, включающий первую двояковогнутую линзу 4, вторую плосковыпуклую линзу 5, третью двояковыпуклую линзу 6, четвертую положительную выпукло-вогнутую линзу 7 и пятую двояковогнутую линзу 8, и приемник излучения 9, например ближнего инфракрасного диапазона спектра, второго канала II, содержащего спектроделитель 3, компенсатор, содержащий вторую линзу 10, выполненную отрицательной вогнуто-выпуклой, третью линзу 11, выполненную положительной вогнуто-выпуклой и приемник излучения 12 дальнего инфракрасного диапазона спектра. Спектроделитель 3 установлен в сходящемся пучке лучей после главного зеркала 2 и выполнен в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы с дихроичным покрытием на выпуклой поверхности. Спектроделитель 3 одновременно выполняет функции вторичного зеркала первого канала I и первой линзы компенсатора второго канала II.

Вогнутые поверхности линзы 2 и третьей линзы 11 компенсатора второго канала II выполнены асферическими.

В таблице 1 приведены технические характеристики заявляемой двухканальной зеркально-линзовой системы.

В таблице 2 приведены конструктивные параметры конкретного примера исполнения заявляемой системы.

В таблице 3 приведены соотношения, выполняемые в оптической системе второго канала.

Двухканальная зеркально-линзовая система работает следующим образом. В канале 1 излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через обтекатель 1, отражается от выпуклой поверхности линзы 2, проходит через линзу 2 и попадает на выпуклую поверхность линзы 3. Излучение ближнего инфракрасного диапазона спектра отражается от выпуклой поверхности линзы 3 и попадает на вогнутую поверхность первой линзы 4 компенсатора, проходит линзы 4-8 компенсатора и фокусируется в плоскости чувствительных элементов первого приемника излучения 9. В канале II излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через обтекатель 1, отражается от выпуклой поверхности линзы 2, проходит через линзу 2 и попадает на выпуклую поверхность линзы 3. Излучение дальнего инфракрасного диапазона спектра проходит через линзу 3, являющуюся первой линзой компенсатора, затем проходит через линзы 10 и 11 компенсатора и фокусируется в плоскости чувствительных элементов второго приемника излучения 12.

Как следует из таблицы 1, во втором канале фокусное расстояние системы f'=61,1 мм, диаметр входного зрачка D=50 мм, относительное отверстие А=D:f'=1:1,2. Увеличение относительного отверстия (в прототипе 1:2) обеспечивается выбранным конструктивным исполнением главного зеркала и компенсатора, а также выбранными соотношениями, приведенными в таблице 3.

В случае бесконечно удаленного объекта светосила прибора Е=А². В прототипе Е=0,25, а в заявляемой системе - 0,67, что в 2,7 раза больше.

Выбранное конструктивное исполнение системы, при котором одна из линз выполняет одновременно несколько функций: спектроделителя, вторичного зеркала и линзы компенсатора, позволяет разместить оптические элементы первого и второго каналов системы в пространстве между обтекателем и главным зеркалом, обеспечив тем самым ее компактность. Длина оптической системы от первой поверхности обтекателя до плоскости чувствительных элементов приемника излучения первого канала составляет L=77,7 мм.

В первом канале заявляемой системы выбор материалов главного зеркала и линз компенсатора позволяет, при необходимости, без изменения оптической схемы использовать вместо приемника излучения ближнего инфракрасного диапазона спектра приемник излучения видимого диапазона.

Таким образом, выполнение двухканальной зеркально-линзовой системы в соответствии с предлагаемым техническим решением повышает энергетическую способность во втором канале за счет увеличения относительного отверстия, что позволяет использовать неохлаждаемое фотоприемное устройство, обеспечив при этом компактность конструкции.

Система может быть использована в двухспектральных оптико-электронных системах. Система состоит из расположенных по ходу лучей обтекателя, главного вогнутого зеркала с центральным отверстием в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы с отражающим покрытием на выпуклой поверхности, первого канала, содержащего спектроделитель, компенсатор, первая линза которого выполнена двояковогнутой, вторая - плосковыпуклой, а третья – двояковогнутой, и первый приемник излучения второго канала, содержащего спектроделитель и компенсатор, первая линза которого выполнена положительной вогнуто-выпуклой, вторая - отрицательной вогнуто-выпуклой, а третья - положительной вогнуто-выпуклой, и второй приемник излучения. Спектроделитель - положительная вогнуто-выпуклая линза с дихроичным покрытием на выпуклой поверхности, являющаяся одновременно первой линзой компенсатора второго канала и вторичным зеркалом первого канала. Технический результат - повышение энергетической способности системы за счет увеличения относительного отверстия в дальнем инфракрасном диапазоне спектра при обеспечении компактности конструкции. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Двухканальная зеркально-линзовая система, состоящая из расположенных по ходу лучей обтекателя, выполненного в виде выпукло-вогнутой линзы, главного зеркала с центральным отверстием, первого канала, содержащего вторичное зеркало, компенсатор, включающий выпукло-вогнутую положительную и двояковогнутую линзы, и первый приемник излучения и второго канала, содержащего спектроделитель, линзовый компенсатор и второй приемник излучения дальнего, отличающаяся тем, что главное зеркало выполнено в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы с отражающим покрытием на выпуклой поверхности, спектроделитель выполнен в виде положительной вогнуто-выпуклой линзы с дихроичным покрытием на выпуклой поверхности, установлен в сходящемся пучке лучей после главного зеркала и одновременно выполняет функции вторичного зеркала первого канала и первой линзы компенсатора второго канала, в компенсатор первого канала дополнительно введены три линзы, первая из которых выполнена двояковогнутой, а вторая и третья выполнены двояковыпуклыми, во втором канале вторая линза компенсатора выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, а третья - положительной вогнуто-выпуклой.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что вогнутая поверхность главного зеркала выполнена асферической.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что во втором канале вогнутая поверхность третьей линзы компенсатора выполнена асферической.