УСТРОЙСТВО ФОКУСИРОВКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК G02B9/06 

Область техники

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

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 №2397517 «Короткофокусный объектив», МПК: G02B 9/28; заявка №2009107328/28, приор. 03.03.2009, опубликовано 20.08.2010, патентообладатель: Открытое акционерное общество "Лыткаринский завод оптического стекла"; автор: Фуфурин В.В. (RU).

Короткофокусный объектив, включающий первую отрицательную линзу, вторую положительную линзу и третий положительный компонент, склеенный из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, отличающийся тем, что первая линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а вторая склеена из положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и двояковыпуклой линзы.

Существенные признаки, общие с признаками изобретения: короткое фокусное расстояние, две положительные линзы.

Недостатком данного устройства является размер области фокусировки. При изготовлении объектива используются 3 марки стекла, в том числе особый крон ОК-4, что усложняет его изготовление. При малом фокусном расстоянии, объектив имеет поле зрение в несколько раз превышающие необходимые значения, что уменьшает помехозащищенность системы локации пространства и усложняет конструкцию системы, поскольку возникает необходимость в использовании «оптического ножа».

Известно также устройство, описанное в патенте РФ №142867 «Объектив», МПК: G02B 9/00, заявка №2014102516/28, приор. 27.01.2014; опубликовано 10.07.2014, патентообладатель: Открытое акционерное общество «Пеленг»; авторы: Кунделева Н.Е. (BY), Поконечный З.И. (BY), Емельянова Т.Е. (BY).

Объектив 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, в отличие от прототипа отрицательная двусклеенная линза силового компонента содержит двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, одиночная отрицательная линза коррекционного компонента выполнена двояковогнутой, причем расстояние между вогнутыми поверхностями одиночного положительного мениска силового компонента и двояковогнутой линзы силового компонента, приведенное к воздуху, составляет 0,5-0,54 фокусного расстояния объектива, коррекционный компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а его оптическая сила по абсолютной величине составляет 4,4-4,55 оптической силы объектива, одиночный положительный мениск силового компонента выполнен из материала с показателем преломления не более 1,5 и числом Аббе не менее 80.

Существенные признаки, общие с признаками изобретения: силовой компонент установлен по ходу луча, положительная двояковыпуклая линза, спектральный диапазон излучения.

Недостатками данного устройства является массо-габаритные характеристики, которые в несколько раз превышают необходимые значения. Фокусное расстояние объектива не позволяет напрямую использовать его в компактных системах лазерной локации. Объектив имеет склеенные линзы, при изготовлении объектива используется несколько марок стекла. Это усложняет конструкцию и изготовление объектива. Также в патенте не приведен размер фокусировочного пятна объектива, что не позволяет оценить параметры используемого фотоприемного устройства.

Из аналогов в качестве прототипа был выбран патент РФ №2650705 «Оптическая система для фокусировки излучения», МПК: G02B 9/12, заявка №2017100500; приор. 09.01.2017, опубликовано 17.04.2018, патентообладатель: Госкорпорация «Росатом», ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина; авторы: Черепко Д.Ю. (RU), Шмыгин В.В. (RU), Киселева С.В. (RU).

Оптическая система для фокусировки излучения, содержит 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.

Существенные признаки, общие с признаками изобретения: силовой компонент, первая положительная линза, вторая положительная плосковыпуклая линза, все элементы силового компонента выполнены из одного материала.

Недостатками данного устройства является сложность юстировки и сборки оптической системы для достижения заявленного технического результата. Наличие линзы - мениска также усложняет изготовление системы. Небольшой размер входного зрачка системы позволяет фокусировать лишь малую часть диффузно-отраженного излучения, что ограничивает применимость системы, а также накладывает ограничения по дальности применения устройств локации пространства. Жесткие ограничения по расположению линз относительно друг друга не позволяют осуществлять регулировку поля зрения системы и размер фокусного расстояния.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение чувствительности устройства, возможность регистрации высокоскоростных объектов в широком оптическом диапазоне, обеспечение простоты юстировки.

Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в уменьшении количества оптических элементов и возможности регулировки расстояния между ними, использовании универсальных марок стекла, увеличении диаметра входного зрачка системы, обеспечении регулировки поля зрения устройства и возможности использования быстродействующего фотоприемника.

Технический результат достигается тем, что устройство фокусировки оптического излучения, содержит силовой компонент, выполненный из одного материала с показателем преломления 1,51÷1,53, и числом Аббе не более 65, состоящий из первой положительной линзы и второй положительной плосковыпуклой линзы. Согласно изобретению, первая положительная линза выполнена двояковыпуклой и обращена меньшим радиусом к пространству предметов, а вторая положительная плосковыпуклая линза обращена плоской поверхностью к пространству изображений. Линзы смонтированы с возможностью изменения расстояния между ними. При этом расстояния между линзами, приведенное к воздуху, расположено в диапазоне 0,3÷0,45 фокусного расстояния устройства. Силовой компонент выполнен из материала с показателем преломления 1,48÷1,51, с возможностью работы в диапазоне излучения 500÷1100 нм и регулирования угла зрения 5÷15 градусов.

Совокупность существенных признаков позволяет упростить конструкцию устройства, использовать дешевый и распространенный материал, обеспечить регулировку расстояния между линзами, увеличить чувствительность и обеспечить простоту юстировки.

Краткое описание фигур чертежа

На фигуре показано устройство фокусировки оптического излучения.

Варианты осуществления изобретения

Как показано на фигуре, устройство фокусировки излучения состоит из входного зрачка 1, первой положительной двояковыпуклой линзы 2, обращенной меньшим радиусом к пространству предметов, второй положительной плосковыпуклой линзы 3, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений, в котором находятся плоскость фотоприемника 4, и пятно фокусировки 5.

Предложенная конструкция позволяет уменьшить количество оптических элементов, а, следовательно, и количество поверхностей, на которых происходят потери. Это позволяет повысить чувствительность системы и всего устройства в целом, также такая конструкция упрощает юстировку системы.

Конструкция из двух не склеенных положительных линз 2 и 3 позволяет увеличить диаметр входного зрачка 1 системы, что повышает чувствительность устройства.

Расстояние между линзами 2 и 3, приведенное к воздуху, выполнено с возможностью изменения в пределах 0,3÷0,45 фокусного расстояния устройства. Это позволяет упростить фокусировку устройства и обеспечить регулировку угла поля зрения.

Регулировка поля зрения устройства позволяет осуществлять настройку устройства для регистрации определенного типа объектов, что позволяет повысить чувствительность устройства.

Все элементы устройства выполнены из универсальных материалов с показателем преломления 1,48÷1,53 и числом Аббе не более 65. Это позволяет обеспечить работу устройства в широком оптическом диапазоне излучения от 500 нм до 1100 нм.

Были проведены расчеты в системе автоматизированного проектирования оптических систем, результаты которых представлены в таблице на фиг. 2. Было определенно, что при изготовлении линз из материала с показателем преломления 1,48÷1,53 и числом Аббе не более 65 диаметр пятна фокусировки не выходит за пределы нескольких миллиметров при изменении расстояния между линзами в пределах 0,3÷0,45 фокусного расстояния устройства. Это позволяет использовать быстродействующий фотоприемник и, следовательно, осуществлять регистрацию высокоскоростных объектов.

Совокупность существенных признаков, описывающих конструкцию устройства фокусировки оптического излучения и проведенные расчеты, показывают возможность работы устройства в широком оптическом диапазоне, а использование быстродействующего фотоприемника позволяет регистрировать высокоскоростные объекты.

Устройство фокусировки оптического излучения работает следующим образом. Параллельный пучок света проходит через входной зрачок 1 устройства диаметром 32 мм, совпадающий с первой поверхностью двояковыпуклой линзы 2.

Далее пучок света преломляется через поверхности линзы 2, плосковыпуклой линзы 3 и фокусируется в плоскости изображения, где расположена плоскость фотоприемника 4 в виде пятна фокусировки 5. Взаимное расположение линз 2 и 3, материалы, из которых они изготовлены, возможность регулировки расстояния между линзами и большой размер входного зрачка устройства позволяют повысить чувствительность системы и использовать быстродействующий фотоприемник для регистрации диффузно-отраженного излучения от высокоскоростных объектов.

В результате проведенных расчетов в системе автоматизированного проектирования оптических систем, были выявлены закономерности изменения диаметра пятна фокусировки в зависимости от угла поля зрения 2W (на фиг. 1) в пределах от 5 до 15 градусов, которые приведены в таблице на фиг. 3.

Таким образом, изменения угла поля зрения 2W в пределах от 5 до 15 градусов не приводит к существенному увеличению диаметра пятна фокусировки, что позволяет использовать быстродействующий фотоприемник в указанном диапазоне поля зрения.

Существенные признаки в совокупности описывают конструкцию оптической системы, с уменьшенным количеством оптических элементов по сравнению с прототипом, с возможностью регулировки расстояния между линзами, использованием легкодоступных марок стекла.

Это позволяет решить задачу увеличения чувствительности устройства, возможность регистрации высокоскоростных объектов в широком оптическом диапазоне, обеспечение простоты юстировки.

Промышленная применимость

Возможно использование изобретения в неконтактных датчиках, лазерных дальномерах и в устройствах лазерной локации пространства. Предложенный вариант реализации оптической системы был применен в устройстве лазерной локации пространства, где показал свою работоспособность в ходе проведенных испытаний устройства.

Планируется применение изобретения в лазерной системе обнаружения объектов, описанной в патенте, РФ №2672528, «Оптическое устройство обнаружения объектов» МПК G01S 17/02, F42C 13/02; опубликовано: 15.11.2018, автор(ы): Черепко Д.Ю. (RU), Шмыгин В.В. (RU).

Устройство фокусировки оптического излучения содержит силовой компонент, выполненный из одного материала и состоящий из первой двояковыпуклой линзы, обращенной меньшим радиусом к пространству предметов, и второй плосковыпуклой линзы, обращенной плоской поверхностью к пространству изображений. Линзы смонтированы с возможностью изменения расстояния между ними, приведенного к воздуху, в диапазоне 0,3÷0,45 фокусного расстояния устройства. Силовой компонент выполнен из материала с показателем преломления 1,48÷1,53 и числом Аббе не более 65 с возможностью работы в диапазоне излучения 500÷1100 нм и регулирования угла зрения 5÷15 градусов. Технический результат - уменьшение количества оптических элементов и возможность регулировки расстояния между ними, использование универсальных марок стекла, увеличение диаметра входного зрачка системы, обеспечение регулировки поля зрения устройства и возможность использования быстродействующего фотоприемника. 3 ил.

Устройство фокусировки оптического излучения, содержащее силовой компонент, выполненный из одного материала и состоящий из первой положительной линзы и второй положительной плосковыпуклой линзы, отличающееся тем, что первая положительная линза выполнена двояковыпуклой и обращена меньшим радиусом к пространству предметов, а вторая положительная плосковыпуклая линза обращена плоской поверхностью к пространству изображений, линзы смонтированы с возможностью изменения расстояния между ними, при этом расстояние между линзами, приведенное к воздуху, выполнено с возможностью изменения в диапазоне 0,3÷0,45 фокусного расстояния устройства; силовой компонент выполнен из материала с показателем преломления 1,48÷1,53 и числом Аббе не более 65 с возможностью работы в диапазоне излучения 500÷1100 нм и регулирования угла зрения 5÷15 градусов.