ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G02B9/12 

Область техники

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может использоваться как оптическая система с формированием изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике, в неконтактных датчиках цели, где используют излучение оптического диапазона, для определения координаты цели.

Предшествующий уровень техники

Под лазерной локацией понимается режим функционирования лазерного локатора, включающий в себя обзор заданной области пространства (в общем случае - по всем измеряемым координатам), обработку отраженных сигналов, принятие решения о наличии или отсутствии объектов во всей зоне в целом. Для фокусировки диффузно-отраженного от объекта излучения используют объективы или иные оптические системы. Существующие оптические системы имеют большой размер пятна фокусировки, не позволяющий использовать быстродействующие фотоприемные устройства и регистрировать высокоскоростные объекты.

Известно устройство, описанное в патенте РФ №2280235 «Приемо-передающий канал неконтактного датчика цели», МПК F42C 13/02, опубликовано 20.07.2006, авторы: Дунькович С.С. [RU], Ивонин А.Н. [RU], Мальцев В.В. [RU], Фомин М.Р. [RU].

Приемо-передающий канал неконтактного датчика цели включает источник оптического излучения, фокусирующую оптическую систему, фотоприемник, который установлен в фокальной плоскости оптической системы и имеющий, по крайней мере, два чувствительных элемента, расположенных с возможностью регистрации смежных полей наблюдения, и блок сравнения. Указанный канал снабжен установленными за источником излучения коллимирующей и юстировочной оптической системой, которая выполнена в виде пары оптических клиньев, установленных с возможностью независимого перемещения, а также светофильтром, размещенным между фокусирующей оптической системой и фотоприемником.

Недостатком данного устройства является использование фотоприемника с двумя чувствительными элементами и большой размер пятна фокусировки, что не позволяет регистрировать высокоскоростные объекты. Для изменения расстояния идентификации цели необходимо юстировать оптическую систему, установленную перед фокусирующей оптической системой, что не позволяет автоматически регистрировать объекты в режиме реального времени.

Известно также устройство, описанное в патенте №2397517 «Короткофокусный объектив», МПК G02B 9/28, опубликовано 20.08.2010, авторы: Фуфурин В.В. (RU). Короткофокусная оптическая система может быть использована совместно с матричными фотоприемниками. Оптическая система содержит три линзовых компонента. Первый компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Второй - положительная линза, склеенная из положительного мениска и двояковыпуклой линзы. Третий - положительный, склеенный из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска.

Недостатком данного устройства является размер пятна фокусировки. При изготовлении оптической системы используются три марки стекла, в том числе особый крон ОК-4, что усложняет изготовление оптической системы. При малом фокусном расстоянии оптическая система имеет поле зрения, в несколько раз превышающее необходимые значения, что уменьшает помехозащищенность системы локации пространства и усложняет конструкцию системы, поскольку возникает необходимость в использовании дополнительных элементов конструкции, для уменьшения поля зрения системы.

В качестве прототипа был выбран патент РФ №142867 «Объектив», МПК: G02B 9/00, опубликовано 10.07.2014, авторы: Кунделева Н.Е. (BY), Поконечный З.И. (BY), Емельянова Т.Е. (BY).

Оптическая система содержит установленные по ходу луча силовой и коррекционный компоненты. При этом силовой компонент состоит из положительной линзы, склеенной из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, отрицательной двусклеенной линзы и одиночного положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений. Коррекционный компонент состоит из одиночной отрицательной линзы. Между силовым и коррекционным компонентами установлен спектроделительный блок, выполненный с возможностью пропускания излучения в спектральном диапазоне длин волн от 500 нм до 900 нм и отражения излучения длиной волны 1064 нм или 1570 нм.

Недостатком можно считать то, что при изготовлении одиночного положительного мениска силового компонента используют редкий и сложный в производстве материал с показателем преломления не более 1,5 и числом Аббе не менее 80. Фокусное расстояние такой оптической системы не позволяет напрямую использовать его в компактных системах лазерной локации. Оптическая система имеет склеенные линзы, и при ее изготовлении используют несколько марок стекла. Это усложняет конструкцию и технологию изготовления оптической системы.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является возможность регистрации высокоскоростных объектов, уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции и технологии изготовления системы.

Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в уменьшении диаметра пятна фокусировки для использования быстродействующего фотоприемника, уменьшении количества оптических элементов и расстояния между ними, использовании одной марки стекла.

Технический результат достигается тем, что оптическая система для фокусировки излучения, содержащая силовой компонент, состоящий из положительной линзы и одиночного положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, согласно изобретению силовой компонент снабжен второй положительной плосковыпуклой линзой, обращенной выпуклой поверхностью к пространству изображений и расположенной таким образом, что мениск находится между первой и второй линзами. При этом первая и вторая положительные линзы выполнены в виде одиночных линз, а расстояние между вогнутой поверхностью одиночного положительного мениска и плоской поверхностью первой положительной линзы, приведенное к воздуху, составляет 0,4÷0,42 фокусного расстояния оптической системы, все элементы силового компонента выполнены из одного материала с показателем преломления 1,51÷1,53 и числом Аббе не более 70.

Совокупность существенных признаков позволяет упростить конструкцию оптической системы, уменьшить ее размеры, исключить склеенные элементы, использовать дешевый и распространенный материал, уменьшить диаметр пятна фокусировки.

Это позволяет регистрировать высокоскоростные объекты, уменьшить габаритные размеры, упростить конструкцию и технологию изготовления системы.

На фигуре показана оптическая система для фокусировки излучения.

Варианты осуществления изобретения

Как показано на фигуре, оптическая система для фокусировки излучения состоит из первой положительной плосковыпуклой линзы 1, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений, одиночного положительного мениска 2, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и второй положительной плосковыпуклой линзы 3, обращенной выпуклой поверхностью к пространству изображений, в котором находятся плоскость фотоприемника 4 и пятно фокусировки 5.

Предложенная конструкция позволяет уменьшить количество оптических элементов, исключить применение склеенных оптических элементов по сравнению с прототипом, что позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления системы, а также уменьшить диаметр пятна фокусировки.

Расстояние между вогнутой поверхностью одиночного положительного мениска 2 силового компонента и плоской поверхностью первой плосковыпуклой линзы 1 силового компонента, приведенное к воздуху, составляет 0,4÷0,42 фокусного расстояния оптической системы. Все элементы силового компонента выполнены из одного материала с показателем преломления 1,51÷1,53 и числом Аббе не более 70.

Это позволяет работать оптической системе в широком спектральном диапазоне (500÷900 нм). Кроме того, появляется возможность уменьшить расстояние между оптическими элементами, использовать одну марку стекла, что упрощает конструкцию и технологию изготовления системы, уменьшает габаритные размеры и облегчает оптическую систему.

В результате проведенных расчетов в системе автоматизированного проектирования оптических систем были выявлены закономерности изменения диаметра пятна фокусировки в зависимости от расстояния между линзами, показателя преломления и числа Аббе, которые приведены в таблице. На основании полученных результатов были определены: оптимальное расстояние между вогнутой поверхностью одиночного положительного мениска 2 силового компонента и плоской поверхностью плосковыпуклой линзы 1 силового компонента, приведенное к воздуху (0,4÷0,42), показатель преломления (1,51÷1,53) и число Аббе (не более 70) для получения минимального диаметра пятна фокусировки.

Совокупность существенных признаков, описывающих конструкцию оптической системы и проведенные расчеты, отраженные в таблице, создают условия для уменьшения диаметра пятна фокусировки, следовательно, использования быстродействующего фотоприемника, что позволяет регистрировать высокоскоростные объекты.

Оптическая система работает следующим образом. Параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=10° проходит через входной зрачок оптической системы диаметром 18 мм, совпадающий с первой поверхностью плосковыпуклой линзы 1. Далее пучок света преломляется через поверхности линзы 1, положительного мениска 2, линзы 3, фокусируется в плоскости изображения, где расположена плоскость фотоприемника 4 в виде пятна фокусировки 5. Взаимное расположение линз 1, 2, 3, материал, из которого они изготовлены, позволяют уменьшить размер пятна фокусировки 5 излучения до нескольких миллиметров. Это позволяет использовать быстродействующий фотоприемник и регистрировать диффузно-отраженное излучение от высокоскоростных объектов.

Существенные признаки в совокупности описывают конструкцию оптической системы, с уменьшенным количеством оптических элементов по сравнению с прототипом, уменьшенным расстоянием между ними, отсутствием склеенных элементов, использованием одной марки стекла, уменьшением диаметра пятна фокусировки для возможности использования быстродействующего фотоприемника.

Это позволяет решить задачу уменьшения габаритных размеров, упрощения конструкции и технологии изготовления оптической системы, возможность регистрации высокоскоростных объектов.

Промышленная применимость

Возможно использование изобретения в неконтактных датчиках цели, лазерных дальномерах и в устройствах лазерной локации пространства. Предложенный вариант реализации оптической системы был применен в устройстве лазерной локации пространства, описанный в патенте РФ №2516376 «Устройство лазерной локации заданной области пространства», МПК G01S 17/02 (2006.01); опубликовано: 20.05.2014, автор(ы): Подгорнов В.А. (RU), Подгорнов С.В. (RU), Перевалов A.H. (RU), где показал свою работоспособность в ходе проведенных испытаний устройства.

Оптическая система может использоваться для формирования изображения на ПЗС-матрице и фотоприемнике в неконтактных датчиках цели. Оптическая система состоит из плосковыпуклой линзы 1, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений, одиночного положительного мениска 2, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, и плосковыпуклой линзы 3, обращенной выпуклой поверхностью к пространству изображений. Расстояние между вогнутой поверхностью мениска и плоской поверхностью первой линзы, приведенное к воздуху, составляет 0,4÷0,42 фокусного расстояния оптической системы. Все элементы линзы выполнены из одного материала с показателем преломления 1,51÷1,53 и числом Аббе не более 70. Технический результат - уменьшение диаметра пятна фокусировки, количества оптических элементов и расстояния между ними, упрощение конструкции и технологии изготовления за счет использования одной марки стекла. 1 ил., 1 табл.

Оптическая система для фокусировки излучения, содержащая силовой компонент, состоящий из первой положительной плосковыпуклой линзы и одиночного положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, отличающаяся тем, что силовой компонент снабжен второй положительной плосковыпуклой линзой, обращенной выпуклой поверхностью к пространству изображений и расположенной таким образом, что мениск находится между первой и второй линзами, при этом первая и вторая положительные линзы выполнены в виде одиночных линз, а расстояние между вогнутой поверхностью одиночного положительного мениска и плоской поверхностью первой положительной линзы, приведенное к воздуху, составляет 0,4÷0,42 фокусного расстояния оптической системы, все элементы силового компонента выполнены из одного материала с показателем преломления 1,51÷1,53 и числом Аббе не более 70.