ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВАЯ СИСТЕМА Российский патент 2018 года по МПК G02B17/08 G02B23/04 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в многоканальных оптико-электронных системах, предназначенных для обнаружения и распознавания объектов наблюдения в видимой и инфракрасной области спектра.

Известен двухканальный зеркально-линзовый объектив (см. патент RU 2256205 С2, МПК⁷ G02B 17/08, 13/16, публ. 10.07.2005, Бюл. №19), содержащий зеркально-линзовый канал прибора ночного видения с электронно-оптическим преобразователем и линзовый тепловизионный канал, расположенный в зоне центрального экранирования зеркально-линзового канала. Зеркально-линзовый канал состоит из четырех компонентов, первый из которых выполнен в виде плоскопараллельной пластины с вырезанной центральной зоной, второй - в виде выпукло-плоской линзы с кольцевым отражающим покрытием на плоской поверхности, третий - в виде мениска, обращенного вогнутыми поверхностями к пространству предметов, с внутренним отражающим покрытием на второй поверхности и вырезанной центральной зоной, четвертый - в виде трех одиночных линз в форме менисков, при этом первый и второй мениски обращены к плоскости изображения вогнутыми поверхностями, а третий мениск - выпуклыми. Линзовый тепловизионный канал состоит из двух компонентов, разнесенных на значительное расстояние для возможности установки поворотного зеркала. Первый компонент линзового тепловизионного канала установлен в отверстии первого компонента зеркально-линзового канала. Спектральный диапазон работы зеркально-линзового канала 0,68…0,88 мкм; фокусное расстояние f'=119 мм; диаметр входного зрачка D=100 мм; эффективное относительное отверстие 1:1,7; угловое поле зрения в пространстве предметов 2ω=8°; линейное поле зрения в пространстве изображений 2у'=18 мм. Длина зеркально-линзового канала составляет 1,3 от его фокусного расстояния. Спектральный диапазон работы линзового тепловизионного канала 8…12 мкм; фокусное расстояние f'=96,64 мм, относительное отверстие 1:1,67; угловое поле зрения в пространстве предметов 2ω=5°50'; линейное поле зрения в пространстве изображений 2у'=9,6 мм; длина линзового тепловизионного канала составляет 1,45f'.

Недостатками этого двухканального зеркально-линзового объектива являются большие габаритные размеры, поскольку между первым и вторым компонентами под углом к оптической оси установлено зеркало большого диаметра, а также большой коэффициент центрального экранирования в зеркально-линзовом канале, существенно снижающий эффективное относительное отверстие.

Также известна двухканальная теплотелевизионная система (см. Dual-band dual field-of-view TVWS prototype // Proc. SPIE 6206, Infrared Technology and Applications XXXII, 62061O, date published 17 May 2006, Fig. 2), содержащая зеркально-линзовый телевизионный канал и зеркально-линзовый тепловизионный канал, расположенный в зоне центрального экранирования телевизионного канала и имеющий с ним общую оптическую ось. Тепловизионный канал состоит из двух компонентов: первый выполнен в виде асферической линзы с небольшой оптической силой, второй - в виде двух зеркал, первое из которых вогнутое, с центральным отверстием, а второе - выпуклое. Конструкция телевизионного канала отличается тем, что содержит дополнительно третий компонент, выполненный в виде одиночной линзы с небольшой оптической силой. Спектральный диапазон работы тепловизионного канала 8…12 мкм; фокусное расстояние f'=52 мм, относительное отверстие 1:1,07; коэффициент центрального экранирования k_эк=0,5; угловое поле зрения в пространстве предметов 2ω=12,8°; линейное поле зрения в пространстве изображений 2у'=11,66 мм; длина тепловизионного канала составляет 60,9 мм. Спектральный диапазон работы телевизионного канала 0,3…0,9 мкм; фокусное расстояние f'=73 мм, относительное отверстие 1:1,07; коэффициент центрального экранирования k_эк=0,75; угловое поле зрения в пространстве предметов 2ω=6°; линейное поле зрения в пространстве изображений 2у'=7,65 мм; длина телевизионного канала составляет 146,1 мм. Тепловизионный канал с широким полем зрения служит для обнаружения цели, телевизионный со сравнительно узким полем - для распознавания.

К недостаткам этой теплотелевизионной системы можно отнести большое значение коэффициента центрального экранирования, что приводит к снижению контраста изображения и ухудшает его качество.

Наиболее близкой к заявляемой системе по технической сущности и количеству совпадающих признаков является двухканальная оптико-электронная система (см. патент RU 44836, МПК⁷ G02B 17/08, публ. 27.03.2005, Бюл. №9), каждый из каналов которой содержит объектив и установленный на его оптической оси фотоприемник. Объектив первого канала выполнен зеркально-линзовым и состоит из двух компонентов, первый из которых содержит главное вогнутое сферическое зеркало с центральным отверстием и вогнуто-выпуклую линзу с отражающим покрытием на вогнутой поверхности, выполняющей функцию вторичного зеркала, а второй (компенсатор полевых аберраций) содержит две положительные выпукло-вогнутые линзы. Объектив второго канала выполнен зеркально-линзовым и состоит из двух компонентов, первый из которых содержит положительную выпукло-вогнутую линзу с закрепленным в центральной части вторичным зеркалом, а второй содержит вогнуто-выпуклую линзу с кольцевым отражающим покрытием на выпуклой поверхности и приклеенные к ее вогнутой и выпуклой поверхностям две линзы компенсатора аберраций. Диаметр каждого из компонентов второго канала не превышает диаметра зоны центрального экранирования объектива первого канала.

В данной двухканальной системе предусмотрена возможность нескольких вариантов работы. В одном варианте оба канала могут быть выполнены телевизионными (0,4…0,95 мкм), в другом - тепловизионными (8…12 или 3…5 мкм), в третьем варианте первый канал может быть выполнен тепловизионным (8…12 мкм), а второй - телевизионным (0,4…0,95 мкм). Для варианта, при котором оба канала выполнены телевизионными или тепловизионными, система может работать с двумя угловыми полями зрения: первый канал - с узким полем зрения, второй - с широким.

Недостатками данной двухканальной системы являются использование сферических поверхностей в главных зеркалах обоих каналов и выполнение двухлинзовым компенсатора аберраций первого канала, что обеспечивает невысокое качество изображения, а также наличие большого числа элементов во втором канале.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества изображения двухканальной зеркально-линзовой системы при расширении спектрального диапазона работы тепловизионного канала и уменьшении числа элементов в телевизионном канале.

Поставленная задача решается за счет того, что в двухканальной зеркально-линзовой системе, состоящей из тепловизионного канала, содержащего первый компонент, выполненный в виде главного вогнутого зеркала с центральным отверстием и вторичного зеркала, второй компонент, содержащий две положительные выпукло-вогнутые линзы и приемник излучения, и телевизионного канала, расположенного в зоне центрального экранирования тепловизионного канала, имеющего с ним общую оптическую ось и содержащего положительную линзу, главное вогнутое зеркало с центральным отверстием и приемник излучения, в тепловизионном канале в первом компоненте главное зеркало и вторичное зеркало выполнены асферическими, во втором компоненте в пространство между двумя положительными выпукло-вогнутыми линзами дополнительно введены положительная и отрицательная вогнуто-выпуклые линзы, причем между первым и вторым компонентами формируется промежуточное изображение, в телевизионном канале главное зеркало выполнено асферическим, а положительная линза выполнена вогнуто-выпуклой с отражающим покрытием в центральной зоне выпуклой поверхности.

А также за счет того, что в тепловизионном канале положительная вогнуто-выпуклая линза выполнена асферической.

А также за счет того, что в телевизионном канале положительная линза выполнена асферической.

На чертеже представлена оптическая схема двухканальной зеркально-линзовый системы с ходом лучей.

Двухканальная зеркально-линзовая система, состоит из тепловизионного канала, содержащего первый компонент I, выполненный в виде главного вогнутого асферического зеркала 1 с центральным отверстием и вторичного выпуклого асферического зеркала 2, второй компонент II, выполненный в виде положительных выпукло-вогнутой 3 и вогнуто-выпуклой 4 линз, отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 5 и положительной выпукло-вогнутой линзы 6, причем между первым и вторым компонентами формируется промежуточное изображение, и приемник излучения 7, и, расположенного в зоне центрального экранирования тепловизионного канала и имеющего с ним общую оптическую ось, телевизионного канала, содержащего положительную вогнуто-выпуклую линзу 8 с отражающим покрытием в центральной зоне выпуклой поверхности, главное вогнутое асферическое зеркало с центральным отверстием 9 и приемник излучения 10. Положительная вогнуто-выпуклая линза 4 тепловизионного канала и положительная вогнуто-выпуклая линза 8 телевизионного канала выполнены асферическими. В тепловизионном канале дополнительно показаны два сменных оптических фильтра 11 и 12.

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

В таблице 2 приведены конструктивные параметры примера конкретного исполнения тепловизионного канала заявляемой системы, в таблице 3 - телевизионного канала.

^{1), 2), 3)} - асферические поверхности.

^{4), 5)} - асферические поверхности.

В таблице 4 приведены расчетные значения функции концентрации энергии (ФКЭ), характеризующие качество изображения двухканальной зеркально-линзовой системы (диаметр пятна рассеяния лучей составляет 30 мкм в тепловизионном канале и 11 мкм в телевизионном канале).

Как следует из таблицы 1, оба канала системы работают с одинаковым угловым полем зрения, позволяющим формировать в разных спектральных диапазонах изображение одного масштаба, что обеспечивает оператору удобство наблюдения.

Приведенные в таблице 4 значения ФКЭ свидетельствуют о том, что оба канала системы имеют качество изображения, близкое к дифракционному пределу в центре поля зрения и достаточно высокое на краю поля зрения. В тепловизионном канале качество изображения в расширенном спектральном диапазоне достигается выбором конструктивного исполнения, при котором в главном и вторичном зеркалах первого компонента используются асферические поверхности, что обеспечивает высокое качество изображения в центре поля зрения. Во втором компоненте вводом положительной и отрицательной вогнуто-выпуклых линз с различной дисперсией материалов (0,0127 для германия и 0,0295 для селенида цинка) обеспечивается коррекция аберраций широких наклонных пучков в пределах всего спектрального диапазона. В телевизионном канале высокое качество изображения в пределах всего поля зрения обеспечивается за счет выполнения главного зеркала и одной из поверхностей положительной линзы асферическими, при этом, по сравнению с прототипом, уменьшено общее число элементов.

Двухканальная зеркально-линзовая система работает следующим образом. В тепловизионном канале излучение от бесконечно удаленного объекта отражается последовательно от главного 1 и вторичного 2 зеркал первого компонента I и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, после чего линзами 3, 4, 5, 6 второго компонента II переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения. Для выделения из спектрального диапазона работы канала 5…11 мкм участков спектра 8…11 или 5…8 мкм предназначены два оптических фильтра 11 и 12, установленные с возможностью ввода/вывода в оптический тракт.

В телевизионном канале излучение от бесконечно удаленного объекта проходит линзу 8, отражается от главного вогнутого зеркала 9 и попадет на центральную часть выпуклой поверхности линзы 8, отражается от нее и фокусируется в плоскости чувствительных элементов приемника излучения 10.

Изображение, сформированное на выходах тепловизионного и телевизионного каналов, выводится либо на общий монитор, либо на два отдельных.

Таким образом, выполнение двухканальной зеркально-линзовой системы в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет повысить качество изображения при расширении спектрального диапазона работы тепловизионного канала и уменьшении числа элементов в телевизионном канале, что позволяет использовать его при создании многоканальных оптико-электронных систем.

Изобретение может быть использовано в многоканальных оптико-электронных системах, предназначенных для обнаружения и распознавания объектов наблюдения в видимой и инфракрасной областях спектра. Система состоит из тепловизионного канала, содержащего первый компонент в виде асферических главного вогнутого зеркала с центральным отверстием и вторичного зеркала, второй компонент, содержащий две положительные выпукло-вогнутые линзы и приемник излучения, и телевизионного канала, расположенного в зоне центрального экранирования тепловизионного канала, имеющего с ним общую оптическую ось и содержащего положительную линзу, асферическое главное вогнутое зеркало с центральным отверстием и приемник излучения. В тепловизионном канале во втором компоненте между двумя положительными выпукло-вогнутыми линзами дополнительно введены положительная и отрицательная вогнуто-выпуклые линзы. Между первым и вторым компонентами формируется промежуточное изображение. В телевизионном канале положительная линза выполнена вогнуто-выпуклой с отражающим покрытием в центральной зоне выпуклой поверхности. Технический результат - повышение качества изображения при расширении спектрального диапазона работы тепловизионного канала и уменьшении числа элементов в телевизионном канале. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

1. Двухканальная зеркально-линзовая система, состоящая из тепловизионного канала, содержащего первый компонент, выполненный в виде главного вогнутого зеркала с центральным отверстием и вторичного зеркала, второй компонент, содержащий две положительные выпукло-вогнутые линзы и приемник излучения, и телевизионного канала, расположенного в зоне центрального экранирования тепловизионного канала, имеющего с ним общую оптическую ось и содержащего положительную линзу, главное вогнутое зеркало с центральным отверстием и приемник излучения, отличающаяся тем, что в тепловизионном канале в первом компоненте главное зеркало и вторичное зеркало выполнены асферическими, во втором компоненте в пространство между двумя положительными выпукло-вогнутыми линзами дополнительно введены положительная и отрицательная вогнуто-выпуклые линзы, причем между первым и вторым компонентами формируется промежуточное изображение, в телевизионном канале главное зеркало выполнено асферическим, а положительная линза выполнена вогнуто-выпуклой с отражающим покрытием в центральной зоне выпуклой поверхности.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в тепловизионном канале положительная вогнуто-выпуклая линза выполнена асферической.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в телевизионном канале положительная линза выполнена асферической.