Устройство для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения

Авторы патента:

Киселев Михаил Владимирович (RU)

Козлов Александр Александрович (RU)

Михайлов Василий Николаевич (RU)

G02B23 - Телескопические устройства, например бинокли (измерительные телескопы G01B 9/06); перископы; приборы для просмотра внутренней полости полых тел (диагностические инструменты A61B); видоискатели (объективы G02B 9/00,G02B 11/00,G02B 15/00,G02B 17/00; окуляры G02B 25/00); устройства оптического наведения или прицеливания (неоптические аспекты устройств наведения или прицеливания оружия F41G)

G02B15/12 - телескопического устройства (G02B 15/14 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2460101:

Открытое акционерное общество "Производственное объединение "Уральский оптико-механический завод" имени Э.С.Яламова" (ОАО "ПО "УОМЗ") (RU)

Изобретение может быть использовано в наблюдательных и прицельных приборах с матрицами чувствительных элементов приемных устройств. Устройство содержит каналы узкого и широкого поля зрения, состоящие из последовательно установленных по оси афокальной системы (АС) Кеплера, собирающей световой поток от объекта, сканирующего зеркала, оптической системы для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость, фотоприемного устройства (ФПУ) с охлаждаемой диафрагмой. В устройстве узкого поля зрения первый компонент АС Кеплера выполнен из одной линзы, второй - из двух линз. Каждая линза второго компонента повернута на 180° вокруг оси, перпендикулярной оптической оси системы. В устройстве широкого поля зрения после первого компонента АС Кеплера дополнительно установлены, с возможностью удаления, три линзы. Оптическая система для двойного переноса изображения из АС Кеплера в фоточувствительную плоскость выполнена в виде первого компонента из одной линзы и установленного перед ФПУ второго компонента, в который добавлены две линзы для переноса изображения в фоточувствительную плоскость. Технический результат - увеличение относительного отверстия до 1:1,83 без увеличения количества элементов оптической системы (для узкопольного варианта) с сохранением качества изображения. 1 ил., 6 табл.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано, например, в наблюдательных и прицельных приборах с матрицами чувствительных элементов приемных устройств.

Известна оптическая схема формирования инфракрасного изображения по патенту US 5.136.421, содержащая афокальную систему (АС) Кеплера, собирающую световой поток от объекта, сканирующее зеркало, оптическую систему для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость фотоприемного устройства (ФПУ) с охлаждаемой диафрагмой. Система предназначена для формирования изображения, а также для формирования тестовых полей в фоточувствительной плоскости.

Недостатками данного устройства являются:

- схематичность и сложность оптической системы,

- относительно большая длина оптической системы.

Известна также оптическая система по патенту US 6,181,486 В1, которая по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, состоящая из оптической системы в виде афокальной переносящей изображение системы. АС выполнена из двух двухлинзовых компонентов. Переносящая изображение система выполнена из двух компонентов, первый из которых двухлинзовый, а второй - однолинзовый.

Признаки аналога, общие с заявляемым изобретением:

- АС Кеплера, состоящая из двух компонентов,

- система двойного переноса изображения из АС Кеплера в плоскость ФПУ, состоящая из двух компонентов,

- сопряженность входного зрачка, совпадающего с первой поверхностью первой линзы и охлаждаемой диафрагмой фотоприемника.

Недостатками известного аналога являются:

- недостаточное относительное отверстие 1:2,9,

- вторая линза первого компонента АС Кеплера имеет значительные габариты.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание компактной оптической системы с высокими рабочими характеристиками.

Технический результат заключается в увеличении относительного отверстия до 1:1,83 без увеличения количества элементов оптической системы (для узкопольного варианта), с сохранением качества получаемого изображения.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения, содержащем каналы узкого и широкого поля зрения, состоящие из последовательно установленных по оси афокальной системы (АС) Кеплера, собирающей световой поток от объекта, сканирующего зеркала, оптической системы для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость, фотоприемного устройства (ФПУ) с охлаждаемой диафрагмой,

- в устройстве узкого поля зрения первый компонент АС Кеплера выполнен из одной линзы, второй - из двух линз,

- каждая линза второго компонента повернута на 180° вокруг оси, перпендикулярной оптической оси системы,

- в устройстве широкого поля зрения после первого компонента АС Кеплера вставлены/удалены три линзы,

- оптическая система для двойного переноса изображения из АС Кеплера в фоточувствительную плоскость выполнена в виде первого компонента из одной линзы и установленного перед ФПУ второго компонента из одной линзы, в который добавлены две линзы для переноса изображения в фоточувствительную плоскость.

Указанный технический эффект достигается всей совокупностью существенных признаков, в том числе выполнением первого компонента АС из одной линзы с асферической поверхностью, что позволило отказаться от второй линзы. Качество изображения обеспечено введением в АС второго компонента из двух линз, каждая из которых повернута на 180° вокруг оси, перпендикулярной оптической оси системы, совместно с системой двойного переноса изображения. Кроме того, выполнение оптической системы для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость в виде первого компонента из одной линзы, второго компонента с двумя добавленными линзами, установленными перед ФПУ, позволило оптимизировать блики от оптических элементов и так называемый «нарцисс» от фотоприемной площадки. Введение или отсутствие после первого компонента АС Кеплера трех дополнительных линз позволяет изменять широкий угол поля зрения на узкий угол поля зрения.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная оптическая схема устройства для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения.

Конструктивные параметры предложенных устройств приведены в таблицах 1-4:

- таблицы 1, 2 - первый вариант исполнения,

- таблицы 3, 4 - второй вариант исполнения.

Устройство для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения содержит последовательно по оси установленные, для широкого угла поля зрения, фронтальную асферическую линзу 1, далее три линзы 2, 3, 4, которые формируют промежуточное изображение в области тестовых полей 6(1) и 6(2) с помощью зеркального блока 5, далее по ходу луча установлены линзы 7, 8 второго компонента системы Кеплера, а затем в плоскости выходного зрачка ⌀ 30 мм установлено сканирующее зеркало (на фигуре не показано), далее система переноса изображения, состоящая из линз 9, 11, 12, 13, которая переносит промежуточное изображение в плоскость ФПУ. Пластина 10, колеблющаяся в пределах небольшого угла в плоскости, перпендикулярной оптической оси, осуществляет чересстрочное сканирование изображения в плоскости ФПУ.

Для переключения канала широкого поля зрения на канал узкого поля зрения три дополнительные линзы 2, 3, 4 убираются. ФПУ имеет защитное стекло и апертурную диафрагму ⌀ 7,2 мм, которые позиционно не обозначены. При этом сохранены локализация плоскости изображения и величина относительного отверстия, а также достигнуто сопряжение входных зрачков с охлаждаемой диафрагмой фотоприемника.

Работает устройство следующим образом.

Излучение от объекта собирается фронтальной линзой 1 с вставленными или удаленными линзами 2, 3, 4. Формируется изображение, которое через второй компонент из линз 7, 8 направляется на сканирующее зеркало (не показано), расположенное в выходном зрачке ⌀ 30 мм, и далее на линзу 9, которая совместно с линзами 7, 8 переносит изображение в плоскость вблизи пластинки 10 чересстрочного сканера, которое вторым компонентом системы переноса изображения 11, 12, 13 через защитное стекло и апертурную диафрагму формируется в плоскости фотоприемника. Тестовые поля 6(1), 6(2) через зеркальный блок 5 и далее через 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, защитное стекло и апертурную диафрагму переносятся в плоскость ФПУ.

В плоскости ФПУ сохраняется локализация изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения как для широкого поля зрения с тремя дополнительными линзами первого компонента АС Кеплера, так и для узкого поля зрения с удаленными тремя дополнительными линзами. При этом сохраняется сопряженность входного зрачка и охлаждаемой апертурной диафрагмы ⌀ 7,2 мм, а также качество изображения.

Устройство для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения имеет следующие характеристики.

Вариант 1

Угловое поле ω_y и ω_z

узкое	4°×3,02°
широкое	18°×14,5°

Относительное отверстие 1:n=1:1,83

Фокусное расстояние

узкое	150,1 мм
широкое	32,7 мм

Спектральная область λ₁-λ₂=8,5÷10,5 мкм

Диаметр входного зрачка

узкое	84 мм
широкое	17 мм

Вариант 2

Угловое поле ω_y и ω_z

узкое	3°×2,25°
широкое	9°×6,75°

Относительное отверстие 1:n=1:1,83

Фокусное расстояние

узкое	198,4 мм
широкое	66,7 мм

Спектральная область λ₁-λ₂=8,5÷10,5 мкм

Диаметр входного зрачка

узкое	105 мм
широкое	37 мм

Конструктивное исполнение представлено в таблицах 1 и 2 (вариант 1), в таблицах 3, 4 (вариант 2).

Качество изображения представлено в таблице 5 варианта 1, в таблице 6 варианта 2 - при различных температурах окружающей среды.

Таким образом, новое компоновочное решение позволило решить поставленную задачу: построить изображение в фоточувствительной плоскости с тем же количеством элементов оптической системы и качеством изображения, но с уменьшенным фокусным расстоянием и увеличенным относительным отверстием 1:1,83.

Таблица 1
Радиус, мм	Толщина, мм	Материал	Световой диаметр, мм
r₁=100,024	d₁=6,75	Ge	85
r₂=130,451*	d₂=15
r₃=-34,121	d₃=3	Ge	21
r₄=-66,220	d₄=42,89
r₅=55,716	d₅=6	Ge	41
r₆=1534,6	d₆=4
r₇=-74,051**	d₇=4	Ge	34
r₈=-181,55	d₈=54,06
r₉=60,39	d₉=11,64	ZnSe	24
r₁₀=42,66	d₁₀=19,45
r₁₁=∞	d₁₁=6	Ge	45
r₁₂=-107,89	d₁₂=85,02
r₁₃=79,62	d₁₃=4,6	Ge	39
r₁₄=123,726***	d₁₄=54,6
r₁₅=∞	d₁₅=3,0	ZnSe	22
r₁₆=∞	d₁₆=47,55
r₁₇=∞	d₁₇=3,4	ZnSe	37
r₁₈=80,17	d₁₈=3,8
r₁₉=671,4	d₁₉=5,7	Ge	37
r₂₀=-111,43	d₂₀=0,2
r₂₁=32,81	d₂₁=7,1	Ge	37
r₂₂=40,27	d₂₂=18,08
r₂₃=∞	d₂₃=2,5	Ge	20
r₂₄=∞	d₂₄=15,605
r₂₅=∞			11,4
* Асферическая поверхность y²=263,528x-1,378x²
** Асферическая поверхность y²=-146,864x-2,3378x²-0,9928x³
*** Асферическая поверхность y²=250,04x-2,9712x²+0,21x³

Таблица 2
Радиус, мм	Толщина, мм	Материал	Световой диаметр, мм
r₁=100,024	d₁=6,75	Ge	85
r₂=130,451*	d₂=128,95
r₃=60,39	d₃=11,64	ZnSe	24
r₄=42,66	d₄=19,45
r₅=∞	d₅=6	Ge	45
r₆=-107,89	d₆=85,02
r₇=79,62	d₇=4,6	Ge	39
r₈=123,726**	d₈=54,6
r₉=∞	d₉=3,0	ZnSe	22
r₁₀=∞	d₁₀=47,55
r₁₁=∞	d₁₁=3,4	ZnSe	37
r₁₂=80,17	d₁₂=3,8
r₁₃=671,4	d₁₃=5,7	Ge	37
r₁₄=-111,43	d₁₄=0,2
r₁₅=32,81	d₁₅=7,1	Ge	37
r₁₆=40,27	d₁₆=18,08
r₁₇=∞	d₁₇=2,5	Ge	20
r₁₈=∞	d₁₈=15,605
r₁₉=∞			11,4
* Асферическая поверхность y²=263,528x-1,378x²
** Асферическая поверхность y²=250,04x-2,9712x²+0,21x³

Таблица 3
Радиус, мм	Толщина, мм	Материал	Световой диаметр, мм
r₁=140,6	d₁=9	Ge	105
r₂=188,944*	d₂=15
r₃=-102,8	d₃=5	Ge	44
r₄=-128,82	d₄=90,56
r₅=30,2	d₅=4	Ge	33,4
r₆=39,45	d₆=6,5
r₇=-134,307**	d₇=4	Ge	28
r₈=-248,3	d₈=40,67
r₉=60,39	d₉=11,64	ZnSe	24
r₁₀=42,66	d₁₀=19,45
r₁₁=∞	d₁₁=6	Ge	45
r₁₂=-107,89	d₁₂=85,02
r₁₃=79,62	d₁₃=4,6	Ge	39
r₁₄=123,726***	d₁₄=54,6
r₁₅=∞	d₁₅=3,0	ZnSe	22
r₁₆=∞	d₁₆=47,55
r₁₇=∞	d₁₇=3,4	ZnSe	37
r₁₈=80,17	d₁₈=3,8
r₁₉=671,4	d₁₉=5,7	Ge	37
r₂₀=-111,43	d₂₀=0,2
r₂₁=32,81	d₂₁=7,1	Ge	37
r₂₂=40,27	d₂₂=18,08
r₂₃=∞	d₂₃=2,5	Ge	20
r₂₄=∞	d₂₄=15,605
r₂₅=∞			11,4
* Асферическая поверхность y²=380,878x-1,40176x²
** Асферическая поверхность y²=-266,676x-6,932x²-10,7x³
*** Асферическая поверхность y²=250,04x-2,9712x²+0,21x³

Таблица 4
Радиус, мм	Толщина, мм	Материал	Световой диаметр, мм
r₁=140,6	d₁=9	Ge	105
r₂=188,944*	d₂=165,73
r₃=60,39	d₃=11,64	ZnSe	24
r₄=42,66	d₄=19,45
r₅=∞	d₅=6	Ge	45
r₆=-107,89	d₆=85,02
r₇=79,62	d₇=4,6	Ge	39
r₈=123,726**	d₈=54,6
r₉=∞	d₉=3,0	ZnSe	22
r₁₀=∞	d₁₀=47,55
r₁₁=∞	d₁₁=3,4	ZnSe	37
r₁₂=80,17	d₁₂=3,8
r₁₃=671,4	d₁₃=5,7	Ge	37
r₁₄=-111,43	d₁₄=0,2
r₁₅=32,81	d₁₅=7,1	Ge	37
r₁₆=40,27	d₁₆=18,08
r₁₇=∞	d₁₇=2,5	Ge	20
r₁₈=∞	d₁₈=15,605
r₁₉=∞			11,4
* Асферическая поверхность y²=380,878x-1,40176x²
** Асферическая поверхность y²=250,04x-2,9712x²+0,21x³

Таблица 5
ω_y°×ω_z°	Диаметр пятна рассеяния (мкм) при Е=80% к числу пар линий/мм при контрасте 50%
ω_y°×ω_z°	поле 4°×3,018°
t=-40°C	t=+20°С	t=+65°С
2,0×0,0000	56/15,5	64/12	80/10
2,0×0,7545	61/12,5	76/10	94/8,3
2,0×1,5090	92/7,2	100/6,5	130/5,3
1,0×0,0000	43/21,5	40/21	46/19,5
1,0×0,7545	51/17,0	50/17	56/14,5
1,0×1,5090	79/8,5	74/9,8	90/7,8
0,0×0,0000	48/20,0	34/22	34/22
0,0×0,7545	50/16,8	40/19	44/17,8
0,0×1,5090	77/8,5	65/12	76/10
	поле 18°×14,51°
9,0×0,0000	58/15	58/16	88/8,3
9,0×3,6275	60/13,3	64/15	93/8,5
9,0×7,2550	99/6,4	80/9,4	108/7,7
4,5×0,0000	70/16,3	46/20,5	66/12,3
4,5×3,6275	68/14,0	49/17,5	74/11,5
4,5×7,2550	92/7,1	68/11,5	88/9,4
0,0×0,0000	71/17,0	34,5/22,5	58/17,1
0,0×3,6275	72/13,6	44/18,8	64/14,3
0,0×7,2550	94/7,0	64/12	80,5/10,2

Таблица 6
ω_y°×ω_z°	Диаметр пятна рассеяния (мкм) при Е=80% к числу пар линий/мм при контрасте 50%
ω_y°×ω_z°	поле 3°×2,25°
t=-40°C	t=+20°C	t=+65°С
1,50×0,0000	51/18	47/19	54/17,6
1,50×0,5625	56/14,8	52/16	60/14,6
1,50×1,1250	89/7,3	68/11	80/10,4
0,75×0,0000	42/21	40/21	47/19,9
0,75×0,5625	50/16,8	44/18,5	48/18,1
0,75×1,1250	83/7,8	64/12	64/12,6
0,00×0,0000	42/21,5	36/21,5	42/20,8
0,00×0,5625	50/16,5	41/19	41/18,9
0,00×1,1250	82/7,8	62/12,3	59/13,8
	поле 9°×6,75°
4,50×0,0000	55/17	59/14,3	72/12,6
4,50×1,6875	60/13,4	68/11,5	82/10,6
4,50×3,3750	85/7,8	86/8,0	104/7,4
2,25×0,0000	49/20	41/21,5	46/19,6
2,25×1,6875	53/16,4	48/17,5	52/16,7
2,25×3,3750	82/8,4	70/10,3	75/10,1
0,00×0,0000	50/19,8	34/22,4	34/21,8
0,00×1,6875	52/16,2	42/19,6	41/19,0
0,00×3,3750	80/8,5	66/11,8	65/11,6

Устройство для формирования изображения объекта со ступенчатым изменением поля зрения, содержащее каналы узкого и широкого поля зрения, состоящие из последовательно установленных по оси афокальной системы (АС) Кеплера, собирающей световой поток от объекта, сканирующего зеркала, оптической системы для двойного переноса изображения из АС в фоточувствительную плоскость, фотоприемного устройства (ФПУ) с охлаждаемой диафрагмой, отличающееся тем, что в устройстве узкого поля зрения первый компонент АС Кеплера выполнен из одной линзы, второй - из двух линз, причем каждая линза второго компонента повернута на 180° вокруг оси, перпендикулярной оптической оси системы, а в устройстве широкого поля зрения после первого компонента АС Кеплера дополнительно установлены с возможностью удаления три линзы, кроме того, оптическая система для двойного переноса изображения из АС Кеплера в фоточувствительную плоскость выполнена в виде первого компонента из одной линзы и установленного перед ФПУ второго компонента, в который добавлены две линзы для переноса изображения в фоточувствительную плоскость.

Похожие патенты:

Телевизионный эндоскоп // 2457521

Изобретение относится к области конструирования оптических приборов, в частности к средствам наблюдения внутренних поверхностей полых нагретых тел. .

Дневно-ночной прицел со встроенным каналом подсветки объектов // 2451958

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для прицеливания из стрелкового оружия. .

Способ компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника // 2449491

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

Перебазируемый телескоп с защитным укрытием // 2449330

Изобретение относится к оптическим астрономическим приборам полной заводской готовности, осуществляющим наблюдение искусственных и естественных небесных тел. .

Катадиоптрический телескоп // 2449329

Изобретение относится к области оптической техники и предназначено для визуальных наблюдений и астрофотографических работ с ПЗС-матрицами. .

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).

Способ кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления // 2445644

Изобретение относится к оптическому приборостроению и, в частности, к способам формирования электронного изображения окружающего пространства при его круговом сканировании оптическими системами с фотоприемными устройствами (ФПУ) и может быть использовано при создании сканирующих устройств кругового обзора в системах обнаружения и распознавания объектов.

Визир-дальномер // 2444701

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам наблюдения с измерением дальности до объекта. .

Способ выверки параллельности визирных осей мультиспектральных комплексов // 2443988

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к многоканальным мультиспектральным оптико-электронным приборным комплексам с лазерными дальномерами (далее комплексы), и может найти применение при создании всесуточных систем обнаружения, наблюдения и сопровождения объектов.

Лазерный бинокль-дальномер // 2443976

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. .

Телескопическая система для ближней ик области спектра // 2104571

Изобретение относится к специальным объективам и может использоваться в качестве насадки в ночных зрительных трубах. .

Афокальная широкоугольная насадка // 2078470

Афокальная насадка // 2067309

Анаморфотная афокальная система // 2066061

Изобретение относится к области телевизионной и киносъемочной оптики, а именно, к анаморфотным оптическим системам, предназначенным для преобразования формата изображения, например, 4:3 в 16:9 или в 1:1 и может быть использовано в профессиональной, любительской телекинофотоаппаратуре и, в частности, для вариообъективов передающих телевизионных камер, работающих как при на передающих трубках, например, с размером кадра 8,8 х 6,6 мм2, так и на приборах с зарядовой связью.

Афокальная насадка // 2060521

Афокальная широкоугольная насадка // 2006050

Афокальная насадка // 2004007

Широкоугольная афокальная насадка // 2003144

Объектив с дискретным изменением фокусного расстояния // 1615660

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в телевизионных системах. .

Телескопическая насадка к объективу // 1422204

Изобретение относится к оптическому приборостроению и м.б, использовано для увеличения фокусного расстояния объективов. .

Афокальная насадка для телевизионных камер и фотокамер // 2531851

Афокальная насадка состоит из первого компонента в виде одиночной положительной линзы (1) и второго компонента в виде одиночной отрицательной линзы (4). В первый компонент введен афокальный коррекционный компонент однократного увеличения, расположенный между положительной (1) и отрицательной (4) линзами и выполненный в виде последовательно расположенных вогнуто-выпуклого отрицательного мениска (2) и выпукло-вогнутого положительного мениска (3) с равными оптическими силами, касающимися друг с другом выпуклыми поверхностями. Фокусные расстояния менисков (2) и (3) равны фокусному расстоянию положительной линзы (1) первого компонента: − f 2 ' = f 3 ' = f 1 ' . Расстояние между положительной линзой (1) и точкой касания поверхностей менисков (2) и (3) равно половине фокусного расстояния положительной линзы (1): d 1,2 = 1 2 f 1 ' , расстояние между менисками (2) и (3) равно: d2,3=0. Фокусное расстояние отрицательной линзы (4) второго компонента равно: f 4 ' = − f 1 ' Г , и она удалена от точки касания поверхностей менисков (2) и (3) на расстояние: d 3,4 = f 1 ' 2 Г ( Г − 2 ) , где Г - увеличение афокальной насадки. Технический результат - повышение разрешения в пространстве объектов за счет увеличения углового увеличения. 4 ил., 3 табл.