Оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра Российский патент 2025 года по МПК G02B27/10 

Изобретение относится к оптическим системам и может использоваться в качестве насадки, разделяющей лучи по различным диапазонам ИК-области спектра в телевизионных или тепловизионных приборах.

Известны призмы для разделения пучков лучей, склеенные из двух или более призменных блоков («Справочник конструктора оптико-механических приборов». Под ред. В.А. Панова, Ленинград, 1980, стр. 188).

Недостатком применения таких призм в качестве спектроделителей являются их большие габариты и вес. Кроме того, в дальней ИК-области спектра применение таких призм затруднено из-за отсутствия клея, прозрачного в этой области.

Известно применение в качестве спектроделителя наклонной спектро-делительной пластины, расположенной в параллельном пучке лучей (Патент США №5022723).

Недостатками этой системы являются обязательное наличие пластины с большим световым диаметром и необходимость использования двух отдельных объективов, приводящая к увеличению габаритов прибора в целом.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра, описанная в патенте на изобретение РФ №2353959 и выбранная нами в качестве прототипа. Описанная система содержит пластину со спектроделительным покрытием, установленную под углом 45° к оптической оси в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива, компенсатор аберраций состоит из двух линз, первая по ходу лучей из которых положительная с выпуклой первой поверхностью, вторая поверхность которой цилиндрическая, вторая линза компенсатора плосковогнутая, обращенная вогнутостью к изображению и смещенная в меридиональной плоскости по направлению, перпендикулярному оптической оси.

Недостатком указанной оптической системы спектроделителя является то, что компенсатор аберраций имеет сложную конструкцию. Для точной установки линз друг относительно друга требуется сложная юстировка. Кроме того, цилиндрические линзы технологически сложны в изготовлении. Другим недостатком указанной системы спектроделителя является то, что она не предназначена для работы в ближней и средней ИК-области спектра. В описании представлены только два варианта оптической системы спектроделителя - для областей 3-5 мкм и 8-14 мкм.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции компенсатора аберраций и расширение области спектра в сторону ближней и средней ИК-области.

Поставленная задача решается оптической системой спектроделителя для ИК-области спектра, включающей пластину со спектроделительным покрытием, установленную под углом 45° к оптической оси в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива, компенсатор аберраций, расположенный за пластиной по ходу прошедших лучей и выполненный в виде двух деталей из материала, прозрачного для оптического излучения в рабочем интервале длин волн, при этом новым является то, что пластина выполнена в виде клина с двумя рабочими поверхностями, сходящимися под углом, а угол между рабочими поверхностями пластины лежит в плоскости падения лучей на пластину, каждая из двух деталей компенсатора аберраций выполнена в виде клина с двумя преломляющими поверхностями, сходящимися под углом, клинья установлены под углом к оптической оси, углы между преломляющими поверхностями клиньев лежат в плоскости падения лучей на пластину и ориентированы по разные стороны от оптической оси.

Угол между рабочими поверхностями пластины со спектроделительным покрытием α₁ находится в диапазоне 0,03÷0,3° (град.). Угол между рабочими поверхностями каждого клина компенсатора аберраций α₂ и α₃ находится в диапазоне 0,8÷8,0°, (град.). Угол наклона каждого клина компенсатора аберраций к оптической оси β₂ и β₃ находится в диапазоне 3,0÷30,0° (град.). Кроме того, пластина и компенсатор аберраций выполнены из одного и того же материала.

Также возможно дополнительное выполнение этой системы, когда перед пластиной со спектроделительным покрытием дополнительно установлена еще одна такая же пластина со спектроделительным покрытием, и за первой пластиной по ходу отраженных лучей дополнительно установлен еще один компенсатор аберраций, такой же, как и первый компенсатор аберраций.

Заявленная оптическая система спектроделителя позволяет упростить конструкции компенсатора аберраций и расширить рабочий диапазон спектра сторону ближней и средней ИК-области. Введение второй пластины и второго компенсатора аберраций позволяет использовать оптическую систему спектроделителя одновременно в трех различных диапазонах: ближней, средней и дальней ИК-области спектра.

Представленное решение проиллюстрировано графическими материалами - фиг. 1-5, где на фиг. 1 изображена пластина со спектроделительным покрытием, на фиг. 2 - компенсатор аберраций, выполненный в виде двух деталей, каждая из которых является клином с двумя преломляющими поверхностями, на фиг. 3, 4 и 5 показана оптическая схема спектроделителя для трех конкретных вариантов выполнения.

Оптическая система спектроделителя включает в себя пластину 1 со спектроделительным покрытием, установленную под углом 45° к оптической оси в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива, и компенсатор аберраций, расположенный за пластиной по ходу прошедших лучей и выполненный в виде двух деталей 2 и 3 из материала, прозрачного для оптического излучения в рабочем интервале длин волн.

Пластина 1 выполнена в виде клина с двумя рабочими поверхностями, сходящимися под углом, при этом угол между рабочими поверхностями пластины лежит в плоскости падения лучей на пластину. Каждая из двух деталей 1 и 2 компенсатора аберраций выполнена в виде клина с двумя преломляющими поверхностями, сходящимися под углом. Клинья установлены под углом к оптической оси. Углы между преломляющими поверхностями клиньев лежат в плоскости падения лучей на пластину и ориентированы по разные стороны от оптической оси. Пластина 1 и клинья 2 и 3 выполнены из одного и того же материала.

Угол между рабочими поверхностями пластины 1 со спектроделительным покрытием α₁ находится в диапазоне 0,03÷0,3° (град.), угол между рабочими поверхностями каждого клина 2 и 3 компенсатора аберраций α₂ и α₃ находится в диапазоне 0,8÷8,0° (град.), угол наклона каждого клина 2 и 3 компенсатора аберраций к оптической оси β₂ и β₃ находится в диапазоне 3,0÷30,0° (град.).

В частном случае оптическая система спектроделителя включает в себя, кроме указанных выше элементов, вторую пластину 4 со спектроделительным покрытием, установленную перед первой пластиной 1, и второй компенсатор аберраций, расположенный за пластиной 1 по ходу отраженных лучей и выполненный в виде двух деталей 5 и 6 из материала, прозрачного для оптического излучения в рабочем интервале длин волн. Вторая пластина 4 выполнена аналогично первой пластине 1. Второй компенсатор аберраций 5 и 6 выполнен аналогично первому компенсатору 2 и 3. Пластина 4 и клинья 5 и 6 выполнены из одного и того же материала.

Угол между рабочими поверхностями второй пластины 4 со спектроделительным покрытием α₄ находится в диапазоне 0,03÷0,3° (град.), угол между рабочими поверхностями α₅ и α₆ каждого клина 5 и 6 второго компенсатора аберраций α₅ и α₆ находится в диапазоне 0,8÷8,0° (град.), угол наклона каждого клина 5 и 6 второго компенсатора аберраций к оптической оси β₅ и β₆ находится в диапазоне 3,0÷30,0° (град.).

Оптическая система спектроделителя работает следующим образом. Лучи, прошедшие последнюю поверхность объектива, попадают на первую плоскую поверхность пластины 1. Эта поверхность пропускает лучи некоторой ИК-области и отражает лучи другой ИК-области.

В варианте исполнения, изображенном на фиг. 3, пластина 1 пропускает лучи в диапазоне 3-5 мкм и отражает лучи в диапазоне 8-14 мкм, в варианте, изображенном на фиг. 4, пластина 1 пропускает лучи в диапазоне 0,9-1,7 мкм и отражает лучи в диапазоне 0,6-0,9 мкм.

Пропущенные лучи проходят через клинья 2 и 3 и создают изображение A₁B₁ объекта (смотри фиг. 3 и 4) на чувствительной поверхности приемника первого спектрального диапазона. Отраженные лучи создают изображение А₂В₂ объекта на чувствительной поверхности приемника второго спектрального диапазона,

Оптическая система спектроделителя, изображенная на фиг. 5, работает аналогично. Лучи, прошедшие последнюю поверхность объектива, попадают на первую поверхность пластины 4. Эта поверхность отражает лучи некоторого спектрального диапазона. Это может быть видимая область 0,4-0,6 мкм или узкая спектральная область вблизи длины волны лазерного дальномера 1,06 мкм или 1,54 мкм. Пропущенные лучи попадают на первую плоскую поверхность пластины 1. Эта поверхность пропускает лучи в диапазоне 0,9-1,7 мкм и отражает лучи в диапазоне 0,6-0,9 мкм. Пропущенные лучи проходят черед клинья 2 и 3 и создают изображение A₁B₁ объекта (смотри фиг. 5) на чувствительной поверхности приемника первого спектрального диапазона. Отраженные от пластины 1 лучи проходят через клинья 5 и 6 и создают изображение объекта А₂В₂ на чувствительной поверхности приемника второго спектрального диапазона. Отраженные от пластины 4 лучи создают изображение А₃В₃ объекта на чувствительной поверхности приемника третьего спектрального диапазона.

В таблице 1 ниже приведены рассчитанные конструктивные параметры оптической системы спектроделителя для вариантов, изображенных на фиг. 3 и 4.

В таблице 2 приведены рассчитанные конструктивные параметры оптической системы спектроделителя, изображенного на фиг. 5.

Расчет оптической системы спектроделителя для всех вариантов проводился для 10 точек поля в плоскости изображений. Семь точек поля в меридиональном сечении имеют координаты: X=0,0; Y=-6,2; -5,0; -3,0; 0,0; 3,0; 5,0; 6,2. Три точки в сагиттальном сечении имеют координаты: X=-6,2; -5,0; -3,0; Y=0,0. При расчете учитывались четыре длины волны в рабочей области спектра. Все точки поля и все длины волн принимались с одинаковыми весовыми коэффициентами.

Полученные в результате расчета значения среднеквадратической волновой аберрации W приведены в таблицах 1 и 2. Эти значения в среднем в два раза меньше критерия Марешаля, по которому среднеквадратическая волновая аберрации должна быть меньше 1/14 (Вычислительная оптика. Справочник. Под ред. М.М. Русинова, Ленинград, Машиностроения, 1984, стр. 281).

Таким образом, рассчитанная оптическая система для всех вариантов имеет дифракционное качество изображения.

Положительный эффект предлагаемой оптической системы спектроделителя заключается в том, что она, по сравнению с прототипом, позволяет упростить конструкции компенсатора аберраций и расширить рабочий диапазон спектра, сторону ближней и средней ИК-области.

Предлагаемая оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра предназначена для приборов, работающих одновременно с двумя или тремя отдельными приемниками ИК-области спектра. Она обеспечивает уменьшение габаритов прибора в целом и имеет высокое качество коррекции аберраций в соответственном угловом поле объектива. В настоящее время отработана оптическая схема и выполнен расчет элементов оптической системы спектроделителя, а также исследованы ее характеристики.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается оптической системы спектроделителя для ИК-области спектра. Оптическая система включает пластину со спектроделительным покрытием, установленную под углом 45° к оптической оси в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива, и компенсатор аберраций, расположенный за пластиной по ходу прошедших лучей и выполненный в виде двух прозрачных деталей. Пластина выполнена в виде клина с двумя рабочими поверхностями, сходящимися под углом, который лежит в плоскости падения лучей на пластину. Каждая из двух деталей компенсатора аберраций выполнена в виде клина с двумя преломляющими поверхностями, сходящимися под углом. Клинья установлены под углом к оптической оси, углы между преломляющими поверхностями клиньев лежат в плоскости падения лучей на пластину и ориентированы по разные стороны от оптической оси. Технический результат заключается в упрощении конструкции компенсатора аберраций. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра, включающая пластину со спектроделительным покрытием, установленную под углом 45° к оптической оси в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива, компенсатор аберраций, расположенный за пластиной по ходу прошедших лучей и выполненный в виде двух деталей из материала, прозрачного для оптического излучения в рабочем интервале длин волн, отличающаяся тем, что пластина выполнена в виде клина с двумя рабочими поверхностями, сходящимися под углом, при этом угол между рабочими поверхностями пластины лежит в плоскости падения лучей на пластину, каждая из двух деталей компенсатора аберраций выполнена в виде клина с двумя преломляющими поверхностями, сходящимися под углом, клинья установлены под углом к оптической оси, углы между преломляющими поверхностями клиньев лежат в плоскости падения лучей на пластину и ориентированы по разные стороны от оптической оси.

2. Оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра по п. 1, отличающаяся тем, что пластина и компенсатор аберраций выполнены из одного и того же материала.

3. Оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что угол между рабочими поверхностями пластины со спектроделительным покрытием α₁ находится в диапазоне 0,03÷0,3° (град.), угол между рабочими поверхностями каждого клина компенсатора аберраций α₂ и α₃ находится в диапазоне 0,8÷8,0° (град.), угол наклона каждого клина компенсатора аберраций к оптической оси β₂ и β₃ находится в диапазоне 3,0÷30,0° (град.).

4. Оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра по пп. 1-3, отличающаяся тем, что перед пластиной со спектроделительным покрытием дополнительно установлена еще одна такая же пластина со спектроделительным покрытием.

5. Оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра по пп. 1-4, отличающаяся тем, что за первой пластиной по ходу отраженных лучей дополнительно установлен еще один компенсатор аберраций, такой же, как и первый компенсатор аберраций.