Двухспектральная оптическая система

Авторы патента:

Медведев Александр Владимирович (RU)

G02B13/14 - для инфракрасных или ультрафиолетовых лучей (G02B 13/16 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2436136:

Гринкевич Александр Васильевич (RU)
Медведев Александр Владимирович (RU)
Князева Светлана Николаевна (RU)

Система может быть применена в теплотелевизионных приборах. Система содержит общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов. Общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск. Второй компонент оптического канала в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении (0,5÷0,9) мкм - отрицательная линза, третий - положительный мениск, четвертый - отрицательный мениск, пятый - положительная линза. Второй компонент оптического канала в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении (8,0÷14,0) мкм - отрицательная линза. Толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению: d3<0,1(d2+d4), где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием; d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием; d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм. Технический результат - увеличение светосилы обоих каналов и упрощение технологии при сохранении высоких оптических характеристик. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к теплотелевизионным приборам в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Известна двухспектральная оптическая система для работы в теплотелевизионных приборах в двух спектральных диапазонах - от 0,4 до 0,9 мкм и от 3,0 до 5,0 мкм (И.Л.Гейхман, В.Г.Волков. «Видение и безопасность». Москва, ОАО «Типография «Новости», 2009 год, стр.556, рис.7.3.1 в), содержащая общий входной канал из двух компонентов, последовательно расположенных по ходу луча - отрицательного мениска и положительной линзы, плоское зеркало с дихроичным покрытием, пропускающим один спектральный диапазон и отражающим другой, а также два оптических канала, работающих в различных спектральных диапазонах.

В отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении, перед фотоприемником установлен оптический канал, предназначенный для работы в спектральном диапазоне (0,4÷0,9) мкм и состоящий из последовательно расположенных положительной двояковыпуклой линзы, положительной линзы, склейки из отрицательной и положительной линз, поворотного зеркала и фотоприемника.

В проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении перед фотоприемником установлен оптический канал, предназначенный для работы в спектральном диапазоне (3,0÷5,0) мкм и состоящий из последовательно расположенных положительного мениска, двух положительных линз, поворотного зеркала и фотоприемника.

Недостатком этой оптической системы является невысокая светосила в канале (3,0÷5,0) мкм, равная 1:2, и значительное число оптических деталей в этом канале, что еще более уменьшает его физическую светосилу, а также невысокая светосила в канале (0,4÷0,9) мкм, равная 1:1,8 и наличие в нем склеенной линзы, что усложняет технологию его изготовления.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы обоих каналов, изменение спектрального диапазона тепловизионного канала на диапазон (8,0÷14,0) мкм в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении и упрощение оптического производства до стандартных освоенных серийных технологий с сохранением высоких оптических характеристик.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в двухспектральной оптической системе, содержащей общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, в отличие от известного, общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск, при этом второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,5÷0,9) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы, третий компонент этого канала выполнен в виде положительного мениска, четвертый - в виде отрицательного мениска, пятый - в виде положительной линзы, второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, а толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:

d3<0,1(d2+d4),

где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;

d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;

d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм.

Такая оптическая система содержит меньшее число оптических деталей в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, не имеет склеенных оптических поверхностей и обеспечивает более высокую светосилу каждого из каналов.

Оптическая схема двухканальной системы показана на чертеже.

Двухканальная оптическая система содержит общий входной канал, состоящий из положительной менисковой линзы 1, плоского зеркала 2 с дихроичным покрытием, пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм и отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм, оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении, состоящий из положительной двояковыпуклой линзы 3, отрицательной линзы 4, положительного мениска 5, отрицательного мениска 6, положительной линзы 7, оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, состоящий из положительной линзы 8, отрицательной линзы 9 и положительной линзы 10.

Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице.

Конструктивные параметры оптической системы
Радиусы	Толщины	Марка стекла	Световые диаметры
Общий входной канал
R1=475,3	d1=8,0	ZnS	90
R2-517,6	90
	d2=50,0
Зеркало с дихроичным покрытием
R3=плоскость	d3=3,0	ZnS	-
R4=плоскость	-
	d4=52,0	для отраженного канала (0,5÷0,9) мкм
	d4′=27,0	для проходящего канала (8,0÷14,0) мкм
Оптический канал спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм
R5=55,59	d5=11,0	CaF2	42,0
R6=-66,68	42,0
	d6=4,0
R7=-58,08	d7=4,5	ТФ8	40,0
R8=859,0	40,0
	d8=0,5
R9=43,55	d9=8,0	ТК21	40,0
R10=147,57	40,0
	d10-39,0
R12=18,072	d11=2,5	ТФ8	20,0
R13=10,351	16,0
	d12=1,9
R14=11,117	d13=9,9	ТК21	17,0
R15=20,42	12,0
	d14=5,2478
R16=плоскость	d15=1,0	К8	8,0
R17 = плоскость		(стекло фотоприемника)	7,0
	d16=1,3
R18 = плоскость		чувствительные элементы фотоприемника	6,0
Оптический канал спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм
R19=118,85	d19=7,0	Ge	105,5
R20=160,69	103,2
	d20=8,4
R21=731,1	d21=10,0	ZnSe	102,0
R22=449,8	98,0
	d22=95,0
R23=35,95	d23=5,6	Ge	37,5
R24=35,56	33,0
	d24=17,6
R25 = плоскость	d25=1,0	Ge (стекло фотоприемника)	18,0
R26 = плоскость	17,5
	d26=1,3
R27 = плоскость		чувствительные элементы фотоприемника	16,0

Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:

- расчетная длина волны	0,8 мкм;
- рабочий спектральный диапазон	(0,5÷0,9) мкм;
- фокусное расстояние	59,85 мм;
- линейное поле зрения	6,0 мм;
- относительное отверстие	1:1,4

Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:

- расчетная длина волны	11,0 мкм;
- рабочий спектральный диапазон	(8,0÷14,0) мкм;
- фокусное расстояние	109,1 мм;
- линейное поле зрения	16,0 мм;
- относительное отверстие	1:1,2

Принцип действия оптической системы заключается в следующем.

Первый компонент 1, выполненный в виде положительного мениска, в сочетании со вторым компонентом 2, выполненным в виде зеркала с дихроичным покрытием, является единым входным окном для обоих каналов, работающих в различных спектральных диапазонах.

Оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении выполнен из трехкомпонентной силовой части 3, 4 и 5, которая создает необходимую оптическую силу канала, и двухкомпонентного компенсатора полевых аберраций 6 и 7, компенсирующего кривизну поверхности изображения в спектральном диапазоне (0,5÷0,9) мкм.

Оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении выполнен из трех компонентов 8, 9 и 10, из которых компонент 9 выполнен в виде отрицательной линзы, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм, при этом толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:

d3<0,1(d2+d4),

где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;

d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;

Оптическая схема двухспектральной системы позволяет при соблюдении толщины зеркала в соответствии с формулой уменьшать его габариты до размеров, при которых диаметр отраженного светового пучка вписывается в них без зарезания, а проходящий пучок проходит через зеркало центральной частью, при этом краевая часть пучка проходит вне зеркала, не снижая качества изображения.

Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:

- толщину защитного стекла 11 (или 12) фотоприемника, равную 1,0 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длинах волн 0,5 мкм, 0,7 мкм и 0,9 мкм, 1,0 на длинах волн 8,0 мкм, 11 мкм и 14 мкм;

- пространственную частоту ~70 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,5÷0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 6,5 мкм),

- пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷14,0) мкм с размером чувствительного элемента, равным 25 мкм),

получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:

- для оптического канала спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:

- для точки на оси	КПК=43%
- для точки поля 2,0 мм от центра
изображения	КПК_М=40%
	КПК_С=47%
- для точки поля 3,0 мм от центра
изображения	КПК_М=50%
	КПК_С=43%

- для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:

- для точки на оси	КПК=52%
- для точки поля 5,0 мм от центра
изображения	КПК_М=55%
	КПК_С=58%
- для точки поля 8,0 мм от центра
изображения	КПК_М=50%
	КПК_С=61%

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает хорошее (канал 0,5÷0,9 мкм) и отличное (канал 8,0÷14,0 мкм) качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих общий входной канал и два фотоприемника:

- телевизионную ПЗС матрицу спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 6,5 мкм;

- микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм с размером пикселя 25 мкм.

Двухспектральная оптическая система, содержащая общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, отличающаяся тем, что общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск, при этом второй компонент оптического канала в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении (0,5÷0,9) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, третий компонент этого канала выполнен в виде положительного мениска, четвертый - в виде отрицательного мениска, пятый - в виде положительной линзы; второй компонент оптического канала в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении (8,0÷14,0) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, а толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:
d3<0,1(d2+d4),
где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;
d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;
d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм.

Объектив для видимой и ближней ик-области спектра // 2421764

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам для видимой и ближней ИК-области спектра, и может быть использовано совместно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОПами) в приборах ночного видения и в современных цифровых приборах, предназначенных для обнаружения и опознавания объектов наблюдения при пониженной освещенности.

Оптическая система с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ик диапазона спектра // 2419113

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для средней инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения, чувствительных в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм.

Солнечно-слепой объектив // 2417388

Светосильный объектив // 2413261

Четырехлинзовый объектив // 2412455

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических системах, например в визуальных и в ИК-системах. .

Светосильный объектив // 2411556

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам, и может использоваться в качестве объектива в цифровых наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС-матрице, в том числе в современных приборах ночного видения, фото- и видеокамерах, проекционных приборах.

Светосильный объектив // 2411555

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к специальным объективам, работающим в дальнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в тепловизионных приборах.

Двухспектральный инфракрасный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой // 2410733

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения, чувствительных в пределах спектральных диапазонов от 3 до 5 мкм и от 8 до 12 мкм.

Светосильный объектив для тепловизора // 2403598

Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием // 2442196

Изобретение относится к ИК оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах

Светосильный объектив для инфракрасной области спектра // 2449327

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в тепловизионных приборах, приемники которых чувствительны в инфракрасной (ИК) области спектра, в частности в диапазоне спектра =8-14 мкм

Оптическая система для тепловизионных приборов // 2449328

Изобретение относится к технике формирования изображений, в частности к оптическим системам оптико-электронных приборов формирования и обработки инфракрасных изображений (ИК), в которых актуальна задача коррекции тепловизионного изображения, связанная с компенсацией постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов, и может быть использовано для разработки и создания тепловизорных систем и приборов различного назначения с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ)

Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в двух ик-спектральных областях // 2463633

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в качестве объектива тепловизионных приборов для наблюдения и опознавания объектов по тепловому излучению

Пластмассово-линзовый объектив апохромат // 2464600

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может использоваться как объектив цифровых фотоаппаратов мобильных телефонов или массовых видеокамер наблюдения, работающих в режиме «день-ночь», т.е

Двухдиапазонный инфракрасный светосильный объектив // 2475787

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в технологических установках по проверке параметров матричных приемников теплового излучения, применяемых в тепловизорах

Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты) // 2477502

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам для инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизорах, построенных на основе матричных фотоприемных устройств (МФПУ), не требующих охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм

Двухспектральный объектив с дискретно изменяемым фокусным расстоянием // 2481602

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано в тепловизорах

Двухдиапазонный инфракрасный объектив // 2503047

Объектив может использоваться в тепловизионных приборах с матричными приемниками, регистрирующими изображение в фиксированной плоскости. Объектив содержит четыре компонента. Первый и четвертый - в виде положительных менисков из одинакового материала, обращенных вогнутостями к плоскости изображений. Относительная оптическая сила первого компонента - от 0,6 до 0,8. Второй компонент - в виде двояковогнутой линзы. Третий компонент - в виде двух положительных менисков, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Второй компонент и второй мениск третьего компонента выполнены из материалов, отличных от материала первого и четвертого компонентов, и имеют в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм коэффициенты средней дисперсии, отличающиеся более чем в 5 раз, при квазиравных величинах коэффициентов частных дисперсий. Относительные оптические силы компонентов в объективе в соответствии с их расположением по ходу лучей составляют соответственно: (0,6÷0,8); -(0,5÷0,6); (0,6÷0,7); -(0,2÷0,3); (0,9÷1,0). Технический результат - возможность регистрации теплового изображения в диапазонах 3-5 мкм и 8-12 мкм при неизменном положении плоскости изображения и уменьшение диаметров компонентов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Светосильный объектив ик-области // 2506616

Объектив может быть использован для работы в ИК-диапазоне длин волн в тепловизионных приборах. Объектив содержит четыре компонента: первый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, второй - одиночный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, третий - одиночный мениск, четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Первый и четвертый компоненты выполнены из германия, второй и третий компоненты - из селенида цинка. Второй компонент выполнен положительным, третий - в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Фокусные расстояния компонентов удовлетворяют следующим условиям: F1/F0=1,2±1,5; F0/F2=0÷0,05; |F3|/F0=1,6÷1,9; F4/F0=0,4÷0,6; где F1, F2, F3, F4, F0 - фокусные расстояния первого, второго, третьего, четвертого компонентов и объектива соответственно. Технический результат - повышение качества изображения объектива при большом относительном отверстии и поле зрения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.