Инфракрасный телескоп для дальней ик-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями
Владельцы патента RU 2400786:
Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (RU)
Изобретение может быть использовано в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке. Телескоп имеет неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром и входной зрачок, совмещенный при большем увеличении с первой линзой. Телескоп содержит положительный объектив, включающий первый положительный, второй и третий отрицательные мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости выходного зрачка, и окуляр, включающий четвертый положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к выходному зрачку, и пятый неподвижный положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости выходного зрачка. Третий и четвертый мениски имеют по два фиксированных положения и малые подвижки в этих положениях. Параметры телескопа связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения. Технический результат - упрощение конструкции, снижение себестоимости, повышение коэффициента пропускания за счет уменьшения количества линз в системе, уменьшение внутренних фоновых шумов и снижение влияния эффекта Нарцисса. 6 табл., 6 ил.
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к инфракрасным (ИК) телескопическим (афокальным) системам со сменой увеличения и может быть использовано в оптических системах тепловизоров.
В тепловизорах смена углового увеличения телескопической системы позволяет обеспечить при наблюдении пространства предметов как минимум два увеличения: при малом увеличении и соответственно широком поле осуществляется поиск объектов наблюдения; при большом увеличении и узком поле - распознавание объектов.
Известны оптические системы инфракрасных телескопов для дальней ИК-области спектра, в которых смена увеличения осуществляется путем перемещения компонентов вдоль оптической оси (ЕПВ №0278777, 1988. Dual magnification infra-red telescope). Оптическая система этого телескопа, обеспечивающая двукратное изменение увеличения, содержит 10 линз. Основной недостаток - большое количество линзовых компонентов, снижающее коэффициент пропускания излучения, наличие паразитных бликов от большого числа преломляющих поверхностей, сложность конструкции и высокая себестоимость.
Предложен инфракрасный телескоп для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями, отличающимися по величине не менее чем в два раза, имеющий неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа и входной зрачок, совмещенный при большем увеличении с первой линзой телескопа. Телескоп содержит положительный объектив, включающий расположенные на малом расстоянии друг относительно друга по ходу лучей первый положительный, второй отрицательный и третий отрицательный мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости выходного зрачка, и окуляр, включающий четвертую по ходу лучей в телескопе линзу и пятый неподвижный компонент. Третий отрицательный мениск и четвертая линза для смены увеличения имеют по два фиксированных положения на оптической оси, в которых расстояния между соответствующими вершинами преломляющих поверхностей третьего отрицательного мениска и четвертой линзы отличаются между собой, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, второй отрицательный мениск выполнен из материала с большей величиной дисперсии, чем у материала первого положительного мениска. Все преломляющие поверхности являются сферическими. Отношение радиусов кривизны второй поверхности четвертой линзы и первой поверхности первого положительного мениска по абсолютной величине не менее 0,2. В телескопе выполняется соотношение:
где Ф1, Ф2 - оптические силы соответственно первого положительного, второго отрицательного менисков.
Четвертая линза выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости выходного зрачка. Пятый неподвижный компонент выполнен в виде одиночной линзы, имеющей форму положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости выходного зрачка. Линзы окуляра выполнены из материала одной марки, при этом имеют место следующие соотношения:
где Ф4, Ф5 - оптические силы соответственно четвертого и пятого положительных менисков;
R9, R10 - радиусы первой и второй по ходу лучей преломляющих поверхностей пятого положительного мениска;
- удаление выходного зрачка от последней поверхности телескопа.
Предлагаемый инфракрасный телескоп для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями позволяет при сохранении угловых увеличений телескопа и дифракционного качества изображения обеспечить более высокие технические характеристики: упростить конструкцию, снизить себестоимость, повысить коэффициент пропускания за счет уменьшения количества линз в системе, уменьшить внутренние фоновые шумы и снизить влияние эффекта Нарцисса за счет уменьшения паразитных бликов от меньшего числа преломляющих поверхностей, особенно от последних по ходу лучей преломляющих поверхностей.
Более высокие технические характеристики предлагаемого инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:
- четвертая линза выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости выходного зрачка,
- пятый неподвижный компонент выполнен в виде одиночной линзы, имеющей форму положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости выходного зрачка,
- линзы окуляра выполнены из материала одной марки, при этом имеют место вышеприведенные соотношения (2).
Выполнение пятого неподвижного компонента в виде одиночной линзы, имеющей форму положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости выходного зрачка, позволяет уменьшить количество линз в этом компоненте и тем самым упростить конструкцию, снизить себестоимость, повысить коэффициент пропускания.
Выполнение четвертой линзы в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости выходного зрачка, вместе с соблюдением соотношения 
позволяет при уменьшении количества линз в системе сохранить высокую степень коррекции полевых аберраций и сохранить дифракционное качество изображения для двух значений угловых увеличений телескопа.
Ориентация четвертого и пятого менисков вышеуказанным образом позволяет сохранить высокую степень коррекции аберраций широких пучков лучей для двух значений угловых увеличений телескопа.
Выполнение соотношения 
позволяет уменьшить эффект Нарцисса от последней поверхности телескопа, т.к. плоскость приемника в обратном ходе, отразившись от десятой поверхности, проецируется во входной зрачок фокусирующего объектива, не сопряженный оптически с задней фокальной плоскостью фокусирующего объектива (плоскостью приемника).
Выполнение соотношения 
позволяет уменьшить эффект Нарцисса и паразитные блики от последнего мениска телескопа, обеспечив тем самым высокое качество изображения.
Авторам не известны оптические системы инфракрасных телескопов для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями, отличающимися по величине не менее чем в два раза, имеющих неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа и входной зрачок, совмещенный при большем увеличении с первой линзой телескопа, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому данная система инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями обладает существенными отличиями.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1а - оптическая схема инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями для узкого поля;
Фиг.1б - оптическая схема инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями для широкого поля;
Фиг.2а - частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) инфракрасного телескопа (узкое поле);
Фиг.2б - ЧКХ инфракрасного телескопа (широкое поле);
Фиг.3а - дисторсия инфракрасного телескопа (узкое поле);
Фиг.3б - дисторсия инфракрасного телескопа (широкое поле).
На фиг.1a и 1б изображена предлагаемая оптическая схема инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями для узкого и широкого полей в пространстве предметов.
Телескоп содержит пять одиночных линз 1-5, расположенных по ходу лучей. Выходной зрачок телескопа располагается по ходу лучей после последней линзы 5. При этом первый положительный мениск 1, второй отрицательный мениск 2 и третий отрицательный мениск 3 обращены вогнутыми поверхностями к плоскости выходного зрачка и образуют положительный объектив 6, а четвертый положительный мениск 4, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости выходного зрачка, и пятый положительный мениск 5, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости выходного зрачка, образуют положительный окуляр 7. Третий отрицательный мениск и четвертый положительный мениск для обеспечения смены увеличения имеют по два фиксированных положения на оптической оси, в которых расстояния между соответствующими вершинами преломляющих поверхностей третьего отрицательного мениска и четвертой линзы отличаются между собой, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, второй отрицательный мениск выполнен из материала с большей величиной дисперсии, чем у материала первого положительного мениска. Все преломляющие поверхности являются сферическими. Отношение радиусов кривизны второй поверхности четвертого мениска и первой поверхности первого положительного мениска по абсолютной величине не менее 0,2. В оптической системе телескопа имеют место вышеприведенные соотношения (1) и (2). При расположении линз в соответствии с фиг.1а в телескопе обеспечивается узкое поле, а в соответствии с фиг.1б - широкое поле. Входной зрачок в положении линз, обеспечивающих узкое поле, совпадает с первым мениском. Положение выходного зрачка и его размер остаются постоянными как в узком, так и в широком поле.
Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленного объекта, проходя последовательно линзы 1-5 телескопа, выходит из выходного зрачка телескопа параллельными пучками. При этом в фиксированных положениях линз 3 и 4, соответствующих схеме, представленной на фиг.1а, обеспечивается узкое поле обзора в пространстве предметов (т.е. большее угловое увеличение телескопа), а в фиксированных положениях, соответствующих схеме, представленной на фиг.1б, - широкое поле обзора в пространстве предметов (т.е. меньшее угловое увеличение телескопа).
Для осуществления термокомпенсации в условиях реальных температур эксплуатации и для перефокусировки на конечные расстояния до объектов наблюдения используются малые по величине подвижки компонентов 3 и (или) 4 вдоль оптической оси в фиксированных положениях.
В качестве конкретного примера исполнения в таблице 1 приведен пример реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями.
| Таблица 1 | |||||
| Параметры примера реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями, отличающимися по величине в три раза (γ1=8,54x; 2ω1=3°49//; γ2=2,83х; 2ω2=10°30/D′=10,2 мм) | |||||
| Наименование или номер элемента в соответствии с фиг.1а и 1б | Номер линз в соответствии с фиг.1а и 1б | Относительная оптическая сила | Расстояние вдоль оптической оси в соответствии с фиг.1а | Расстояние вдоль оптической оси в соответствии с фиг.1б | Материал линз |
| Входной зрачок | 0 | -0,48 | |||
| 6 | 1 | 2,210 | 0,034 | 0,034 | Ge |
| 2 | -0,249 | 0,277 | 0,371 | ZnSe | |
| 3 | -4,143 | 0,320 | 0,059 | Ge | |
| 7 | 4 | 5,779 | 0,059 | 0,225 | Ge |
| 5 | 3,720 | 0,095* | 0,095* | Ge | |
| *Расстояние до выходного зрачка. |
В таблице приняты следующие обозначения:
γ1 - угловое увеличение телескопа при положениях линз, соответствующих схеме на фиг.1а (узкое поле обзора);
2ω1 - угловое поле в пространстве предметов при увеличении γ1;
γ2 - угловое увеличение телескопа при положениях линз, соответствующих схеме на фиг.1б (широкое поле обзора);
2ω2 - угловое поле в пространстве предметов при увеличении γ2,
D′ - диаметр выходного зрачка телескопа.
Относительная оптическая сила линз телескопа и расстояния вдоль оптической оси между линзами указаны, исходя из следующей нормировки: эквивалентное фокусное расстояние f системы телескопа с узким полем обзора, снабженного дополнительным объективом, имеющим фокусное расстояние 25 мм, установленным после объектива так, что его входной зрачок совпадает с выходным зрачком телескопа, равна минус 1.
Как следует из таблицы 1, в конкретном примере реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями расстояние от последней линзы до выходного зрачка телескопа равно 0,095 |f|, расстояние до входного зрачка в телескопе с узким полем равно 0, т.е. входной зрачок в этом положении совпадает с первой линзой телескопа. При этом 
что удовлетворяет условию (2), а отношение радиусов кривизны второй поверхности четвертого мениска и первой поверхности первого положительного мениска по абсолютной величине составляет 0,29, что более 0,2. Общая длина вдоль оптической оси от первой поверхности до выходного зрачка телескопа составляет 0,92 |f|. Угловые увеличения телескопа при положениях линз, соответствующих фиг.1а и 1б, отличаются в 3 раза.
Точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси под конкретные значения показателей преломления и конкретные значения угловых увеличений инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями, отличающимися по величине не менее чем в два раза, имеющего неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа и входной зрачок, совмещенный при большем увеличении с первой линзой телескопа, устанавливаются стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ для оптических расчетов.
Анализ качества изображения примера реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями проведен в программе Zemax для следующих значений: γ1=8,54x; 2ω1=3°49// (узкое поле); γ2=2,83х; 2ω2=10°30/ (широкое поле); D′=10,2 мм, совместно с идеальным объективом, имеющим фокусное расстояние 25 мм, установленным за телескопом. ЧКХ для указанного примера реализации приведены в таблице 2, на фиг.2а (для узкого поля) и в таблице 3, на фиг.2б (для широкого поля).
| Таблица 2 | ||||||
| ЧКХ примера реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями (узкое поле - γ1=8,54х; 2ω1=3°49//; D′=10,2 мм) | ||||||
| Частота, мм-1 | Дифр. | Точка на оси | ω=1° | ω=1°55// | ||
| м | s | м | s | |||
| 10,0 | 0,716 | 0,692 | 0,673 | 0,695 | 0,672 | 0,658 |
| 20,0 | 0,446 | 0,414 | 0,389 | 0,426 | 0,362 | 0,380 |
| 30,0 | 0,212 | 0,186 | 0,169 | 0,196 | 0,151 | 0,188 |
| 40,0 | 0,053 | 0,049 | 0,047 | 0,052 | 0,041 | 0,048 |
| 50,0 | 0,002 | 0,002 | 0,002 | 0,002 | 0,002 | 0,002 |
| Таблица 3 | ||||||
| ЧКХ примера реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями (широкое поле - γ2=2,83х; 2ω2=10°30//; D′=10,2 мм) | ||||||
| Частота, мм-1 | Дифр. | Точка на оси | ω=3°30// | ω=5°15/ | ||
| м | s | м | s | |||
| 10,0 | 0,716 | 0,614 | 0,593 | 0,644 | 0,582 | 0,662 |
| 20,0 | 0,447 | 0,328 | 0,305 | 0,370 | 0,298 | 0,409 |
| 30,0 | 0,214 | 0,189 | 0,178 | 0,200 | 0,170 | 0,196 |
| 40,0 | 0,054 | 0,054 | 0,052 | 0,053 | 0,050 | 0,047 |
| 50,0 | 0,002 | 0,002 | 0,002 | 0,002 | 0,002 | 0,002 |
В таблицах 2 и 3 значения коэффициентов передачи контраста приведены для точки на оси и для двух значений углов ω, соответствующих краю поля зрения и зоне, как для меридионального (m), так и для сагиттального (s) сечений. Коэффициенты передачи контраста указаны в относительных единицах для пространственных частот в диапазоне от 0 до 50 мм-1, отнесенных к фокальной плоскости идеального объектива с фокусным расстоянием 25 мм, расположенного по ходу лучей за выходным зрачком инфракрасного телескопа.
На фиг.2а и 2б по оси абсцисс отложены указанные значения пространственных частот, в мм-1; по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста, отн. ед. Графики ЧКХ представлены для точки на оси (обозначение «О») и для точек на краю поля зрения (обозначение «ω1» или «ω2») как для меридионального (м), так и сагиттального сечений (s). Для остальных точек поля значения ЧКХ расположены между соответствующими значениями для точки на оси и на краю поля и графики таких ЧКХ не приведены на фиг.2а и 2. Для сравнения на фиг.2а и 2б приведена также ЧКХ безаберрационного объектива (обозначение «Дифр.»).
Как следует из таблиц 2, 3 и фиг.2а и 2б, оптическая система инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями в каждом из фиксированных положений линз обеспечивает качество изображения, близкое к дифракционному.
В таблицах 4, 5 приведены значения относительной дисторсии примера реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями, а на фиг.3а, 3б - соответствующие графики дисторсии. По оси ординат отложены углы ω, отн. ед., а по оси абсцисс - относительная дисторсия, %.
| Таблица 4 | |
| Дисторсия примера реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями (узкое поле - γ1=8,54x; 2ω1=3°49//; D′=10,2 мм) | |
| ω, отн. ед. | Относительная дисторсия, % |
| 0,2 | 0,13 |
| 0,4 | 0,54 |
| 0,6 | 1,23 |
| 0,8 | 2,25 |
| 1,0 | 3,65 |
| Таблица 5 | |
| Дисторсия примера реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями (широкое поле - γ2=2,83х; 2ω2=10°30//; D′=10,2 мм) | |
| ω, отн. ед. | Относительная дисторсия, % |
| 0,2 | -0,19 |
| 0,4 | -0,78 |
| 0,6 | -1,75 |
| 0,8 | -3,12 |
| 1,0 | -4,89 |
Величина дисторсии в примере реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями как в положении, соответствующем узкому полю, так и в положении, соответствующем широкому полю, не превышает 5%, что является приемлемым для использования предлагаемого телескопа в оптических системах тепловизоров, содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.
Сравнительную оценку качества устранения эффекта Нарцисса в предлагаемой системе и в прототипе наиболее просто можно осуществить по критерию «YNI», результаты расчета которого приведены в таблице 6.
| Таблица 6 | |||
| Значение критерия «YNI» | |||
| Прототип | Пример реализации инфракрасного телескопа для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями | ||
| Номер поверхности по ходу лучей | YNI | Номер поверхности по ходу лучей | YNI |
| 1 | 17.20516 | 1 | 16.30602 |
| 2 | -6.66010 | 2 | -9.67674 |
| 3 | -11.65486 | 3 | -12.56690 |
| 4 | -9.55891 | 4 | -9.69975 |
| 5 | -3.73375 | 5 | -4.52050 |
| 6 | -1.31146 | 6 | -1.43445 |
| 7 | 1.25610 | 7 | 0.49304 |
| 8 | -0.24876 | 8 | -0.14683 |
| 9 | -0.82552 | 9 | 1.19910 |
| 10 | -0.49799 | 10 | 0.52096 |
| 11 | 1.09779 | ||
| 12 | 0.81448 | ||
| Сумма абсолютных величин | 54,8 | Сумма абсолютных величин | 56,6 |
Большее значение критерия «YNI» при меньшем количестве преломляющих поверхностей свидетельствует о снижении влияния эффекта Нарцисса в примере реализации по сравнению с прототипом.
Таким образом, предлагаемый инфракрасный телескоп для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет обеспечить следующие технические преимущества: упрощение конструкции, снижение себестоимости, повышение коэффициента пропускания за счет уменьшения количества линз в системе, уменьшение внутренних фоновых шумов и снижение влияния эффекта Нарцисса.
Реализация технических преимуществ предлагаемого изобретения позволяет использовать его в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.
Литература
1. ЕПВ №0278777, 1988, Dual magnification infra-red telescope.
Инфракрасный телескоп для дальней ИК-области спектра с вынесенным выходным зрачком и двумя увеличениями, отличающимися по величине не менее чем в два раза, имеющий неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа и входной зрачок, совмещенный при большем увеличении с первой линзой телескопа, содержащий положительный объектив, включающий расположенные на малом расстоянии относительно друг друга по ходу лучей первый положительный, второй отрицательный и третий отрицательный мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости выходного зрачка, и окуляр, включающий четвертую по ходу лучей в телескопе линзу и пятый неподвижный компонент, при этом третий отрицательный мениск и четвертая линза для смены увеличения имеют по два фиксированных положения на оптической оси, в которых расстояния между соответствующими вершинами преломляющих поверхностей третьего отрицательного мениска и четвертой линзы отличаются между собой, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, второй отрицательный мениск выполнен из материала с большей величиной дисперсии, чем у материала первого положительного мениска, все преломляющие поверхности являются сферическими, отношение радиусов кривизны второй поверхности четвертой линзы и первой поверхности первого положительного мениска по абсолютной величине не менее 0,2, и выполняется следующее соотношение
где Ф1, Ф2 - оптические силы соответственно первого положительного и второго отрицательного менисков,
отличающийся тем, что четвертая линза выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости выходного зрачка, пятый неподвижный компонент выполнен в виде одиночной линзы, имеющей форму положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости выходного зрачка, линзы окуляра выполнены из материала одной марки, при этом имеют место следующие соотношения:
где Ф4, Ф5 - оптические силы соответственно четвертого и пятого положительных менисков;
R9, R10 - радиусы первой и второй по ходу лучей преломляющих поверхностей пятого положительного мениска;
- удаление выходного зрачка от последней поверхности телескопа.
