Трехканальная зеркально-линзовая оптическая система

Авторы патента:

Медведев Александр Владимирович (RU)

Гринкевич Александр Васильевич (RU)

G02B23/04 - для разделения или объединения лучей, например снабженные окулярами для нескольких наблюдений (G02B 23/10 имеет преимущество)

G02B17/08 - катадиоптрические системы

Владельцы патента RU 2617173:

Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" (RU)

Оптическая система содержит главное вогнутое асферическое зеркало, перед которым установлен линзовый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, после главного зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность которого является спектроделительной поверхностью, пропускающей дальний ИК диапазон и отражающей видимый и короткий ИК диапазон, общий для видимого и короткого ИК диапазонов двухлинзовый объектив, расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива для получения пучков с малой угловой расходимостью. После общего объектива расположена спектроделительная призма-кубик, после прохождения которой установлены объектив для короткого ИК диапазона и приемник излучения. После отражения от спектроделительной призмы-кубика установлены объектив для видимого диапазона и приемник излучения. Технический результат - увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов и уменьшение количества асферических поверхностей. 1 ил., 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено для теплотелевизионных приборов и прицелов, используемых в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Известна многоспектральная зеркально-линзовая оптическая система (United States Patent №5,841,574 от Nov. 24, 1998 г.), содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, вторичное выпуклое асферическое зеркало, спектроделитель в виде наклонной плоскопараллельной пластины, установленный перед фокальной плоскостью двухзеркальной системы, децентрированный входной зрачок, использующий неэкранированную часть зеркальной системы, и оптические системы в видимом и ИК каналах. Недостатком этой оптической системы является использование в качестве спектроделителя наклонной плоскопараллельной пластины в сходящемся пучке лучей, что вносит аберрации нецентрированной системы, которые не могут быть скомпенсированы аберрациями центрированной системы и требуют компенсатора с цилиндрической или торической поверхностью. Также такая оптическая система обеспечивает невысокую светосилу в телевизионном и тепловизионном каналах.

Наиболее близкой по технической сущности является трехканальная зеркально-линзовая оптическая система по патенту на полезную модель №136198 от 27.12.2013 г.

Эта трехканальная оптическая система содержит зеркальный объектив, включающий главное вогнутое асферическое зеркало и вторичное выпуклое асферическое зеркало, линзовый компенсатор зеркального объектива для видимого или ближнего ИК диапазона, общий для среднего и дальнего ИК диапазонов трехлинзовый объектив, расположенный так, что его передняя фокальная плоскость совпадает с задней фокальной плоскостью зеркального объектива, первый спектроделитель, выполненный в виде наклонной плоскопараллельной пластинки и расположенный в параллельном пучке лучей после общего объектива. Кроме того, введены линза-коллектив и второй светоделитель, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки и установленный между главным вогнутым и вторичным выпуклым зеркалами перпендикулярно оптической оси, приемник излучения видимого или ближнего ИК диапазона. Также после первого спектроделителя установлены трехлинзовый объектив для дальнего ИК диапазона и приемник излучения дальнего ИК диапазона, объектив для среднего ИК диапазона и приемник излучения среднего ИК диапазона с охлаждаемой диафрагмой.

Недостатками этой оптической системы являются малые угловые поля зрения в пространстве предметов, а также малые значения относительного отверстия всех трех каналов оптической системы и наличие двух асферических поверхностей.

Задачей настоящего изобретения является увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов оптической системы и уменьшение количества асферических поверхностей.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в трехканальной зеркально-линзовой оптической системе, содержащей главное вогнутое асферическое зеркало, два спектроделителя и три оптических канала для разных спектральных диапазонов, в отличие от известного, перед главным вогнутым асферическим зеркалом установлен линзовый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, после главного вогнутого асферического зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность первого компонента которого является спектроделительной поверхностью, пропускающей дальний ИК диапазон и отражающей видимый (ближний ИК) и короткий ИК диапазон, общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов двухлинзовый объектив, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую плоско-выпуклую линзу, вторую выпукло-вогнутую линзу, и расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива, а после общего объектива расположен второй спектроделитель в виде призмы-кубика, после прохождения которой установлены объектив для короткого ИК диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей три одиночные линзы в форме менисков, причем второй мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, и приемник излучения короткого ИК диапазона, а после отражения от второго спектроделителя призмы-кубика установлены объектив для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей пять одиночных линз в форме менисков, причем второй мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, а четвертый и пятый - вогнутой, и приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона, при этом выполняются следующие соотношения:

δ<±1 дптр,

где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов объектива относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива.

Такая оптическая система обеспечивает увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов оптической системы и уменьшает количество асферических поверхностей.

Оптическая схема трехканальной зеркально-линзовой оптической системы показана на фигуре 1.

Трехканальная зеркально-линзовая оптическая система содержит следующие элементы: зеркально-линзовый объектив A, включающий отрицательный мениск 1 и главное вогнутое асферическое зеркало 2; линзовый компенсатор В зеркально-линзового объектива для дальнего ИК диапазона, включающий отрицательный мениск 3 и положительный мениск 4, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник изображения 5 дальнего ИК диапазона; первый спектроделитель, нанесенный на выпуклой стороне отрицательного мениска 3; общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов объектив С, включающий плоско-выпуклую линзу 6 и выпукло-вогнутую линзу 7; второй спектроделитель 8; объектив D для короткого ИК диапазона, включающий отрицательный мениск 9 и положительный мениск 10, обращенные к плоскости изображения выпуклой стороной, положительный мениск 11, обращенный к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения короткого ИК диапазона 12, объектив E для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий отрицательный мениск 13 и положительный мениск 14, обращенные к плоскости изображения выпуклой стороной, плоско-выпуклую линзу 15, положительный мениск 16 и отрицательный мениск 17, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона 18.

Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.

Параметры такого варианта исполнения трехканальной зеркально-линзовой оптической системы следующие:

Диаметр входного зрачка

90 мм

Угловое поле в пространстве предметов:

- канала спектрального диапазона 8-13,5 мкм (LWIR)	4,8°
- канала спектрального диапазона 1-1,6 мкм (SWIR)	4,6°
- канала спектрального диапазона 0,5-0,9 мкм (V+NWIR)	4,6°

Относительное отверстие:

- канала спектрального диапазона 8-13,5 мкм (LWIR)	1:1,33
- канала спектрального диапазона 1-1,6 мкм (SWIR)	1:1,66
- канала спектрального диапазона 0,5-0,9 мкм (V+NWIR)	1:1,66

Принцип действия трехканальной зеркально-линзовой оптической системы заключается в следующем.

Излучение от удаленного объекта проходит через линзу 1, выполненную в виде отрицательного мениска, отражается от вогнутого асферического зеркала 2 и попадает на первую спектроделительную поверхность, которой является выпуклая поверхность линзы 3 компенсатора. Прошедшие через первую спектроделительную поверхность лучи после прохождения линз 3 и 4 компенсатора В формируют изображение в плоскости приемника 5. Отраженные от первой спектроделительной поверхности лучи создают изображение в задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива A, а затем преобразовываются в пучки с малой угловой расходимостью с помощью линз 6 и 7 общего объектива C. После общего объектива С пучки лучей с малой угловой расходимостью попадают на второй спектроделитель 8. Прошедшие спектроделитель 8 лучи, проходя через линзы 9, 10 и 11 объектива D, формируют изображение в плоскости приемника 12. Отраженные спектроделителем 8 лучи, проходя через линзы 13, 14, 15, 16 и 17 объектива E, формируют изображение в плоскости приемника 18.

Для повышения качества оптического изображения передняя фокальная плоскость общего объектива C смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива А для преобразования проходящих пучков в пучки с малой угловой расходимостью, при этом выполняются следующие соотношения:

δ<±1 дптр,

где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего объектива С относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива A.

Для каждого из каналов задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:

- пространственную частоту ~30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷13,5) мкм с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм);

- пространственную частоту ~25 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (1,0÷4,6) мкм с размером чувствительного элемента, равным 20 мкм);

- пространственную частоту ~50 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,5÷0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 10 мкм).

Получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:

1. Для оптического канала (LWIR) спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм:

- для точки на оси	КПК=31%
- для точки поля 3,0 мм от центра
изображения	КПК_M=16%
	КПК_C=29%
- для точки поля 5 мм от центра
изображения	КПК_M=18%
	КПК_C=18%

2. Для оптического канала (SWIR) спектрального диапазона (1,0÷1,6) мкм:

- для точки на оси	КПК=68%
- для точки поля 4,0 мм от центра
изображения	КПК_M=37%
	КПК_C=23%
- для точки поля 6,0 мм от центра
изображения	КПК_M=22%
	КПК_C=19%

3. Для оптического канала (V+NWIR) спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:

- для точки на оси	КПК=49%
- для точки поля 4,0 мм от центра
изображения	КПК_M=10%
	КПК_C=25%
- для точки поля 6,0 мм от центра
изображения	КПК_M=7%
	КПК_C=6%

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих общий входной канал и три фотоприемника:

- микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм с размером пикселя 17 мкм;

- фотодиодную матрицу спектрального диапазона (1,0÷1,6) мкм с размером пикселя 20 мкм;

- телевизионную КМОП матрицу спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 10 мкм.

Трехканальная зеркально-линзовая оптическая система, содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, два спектроделителя и три оптических канала для разных спектральных диапазонов, отличающаяся тем, что перед главным вогнутым асферическим зеркалом установлен линзовый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, после главного вогнутого асферического зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность первого компонента которого является спектроделительной поверхностью, пропускающей дальний ИК диапазон и отражающей видимый (ближний ИК) и короткий ИК диапазон, общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов двухлинзовый объектив, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую плоско-выпуклую линзу, вторую выпукло-вогнутую линзу, и расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива, а после общего объектива расположена спектроделительная призма-кубик, после прохождения которой установлены объектив для короткого ИК диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей три одиночные линзы в форме менисков, причем второй мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, и приемник излучения короткого ИК диапазона, а после отражения от спектроделительной призмы-кубика установлены объектив для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей пять одиночных линз в форме менисков, причем второй мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, а четвертый и пятый - вогнутой, и приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона, при этом выполняются следующие соотношения:

δ≤±1 дптр,

Оптическая система содержит главное вогнутое асферическое зеркало, перед которым установлен отрицательный мениск, после главного зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность которого является спектроделительной и пропускает дальний ИК диапазон и отражает видимый, короткий ИК и средний ИК диапазоны, общий для видимого, короткого ИК и среднего ИК диапазонов двухлинзовый объектив, передняя фокальная плоскость которого смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива для образования пучков с малой угловой расходимостью.

Двухканальная оптико-электронная система // 2606699

Изобретение может быть использовано для головок самонаведения, оптико-электронных систем обнаружения, распознавания и автосопровождения, в частности, в составе бортовой аппаратуры, работающей в нескольких спектральных диапазонах.

Однозрачковая мультиспектральная оптическая система со встроенным лазерным дальномером (варианты) // 2581763

Оптическая система содержит в первом варианте общий входной канал, спектроделительную пластинку, отражающую спектральный диапазон телевизионного канала и пропускающую спектральный диапазон тепловизионного канала, и два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов.

Оптический прицел с лазерным дальномером // 2572463

Прицел содержит основной объектив, спектроделительный куб, отражающий дальномерный канал с фотоприемным устройством, линзовую панкратическую оборачивающую систему и окуляр.

Инфракрасная система // 2542790

Изобретение может быть использовано в оптико-электронных системах обнаружения и распознавания объектов, в охранных системах. Инфракрасная система состоит из первого канала, содержащего последовательно установленные афокальную насадку и фокусирующий объектив, второго канала, содержащего входной объектив, и общих для первого и второго каналов последовательно установленных проекционного объектива и фотоприемного устройства.

Двухканальный космический телескоп для одновременного наблюдения земли и звезд (варианты) // 2541116

Изобретение может использоваться на космических аппаратах дистанционного зондирования Земли при жестких требованиях по координатной привязке получаемых снимков.

Оптический блок для лазерного зондирования облачной атмосферы // 2540137

Оптический блок может быть использован для измерения характеристик облачности, преимущественно, на аэродроме с целью метеообеспечения взлета/посадки информацией о высоте нижней границы облаков.

Прибор ночного видения (варианты) // 2339984

Изобретение относится к оптико-электронной технике, предназначенной для наблюдения ночью и в условиях пониженной освещенности Может закрепляться на шлеме или специальном оголовье и использоваться велосипедистами, водителями для вождения ночью, охотниками, полицейскими, военными, при производстве подводных работ, при изучении жизни ночных животных и т.п.

Прибор наблюдения (варианты) // 2335791

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оптическим системам для наблюдения и слежения за удаленными объектами. .

Способ абсолютных астрономических определений и зеркальный меридианный круг для его осуществления // 2267144

Изобретение относится к области астрометрии. .

Четырехканальная зеркально-линзовая оптическая система // 2615162

Устройство для местного освещения // 2608541

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является достижение возможности смешения цветов в расширенном рабочем диапазоне, в том числе осуществление задания установочных параметров масштабирования вне фокуса, часто используемых для получения пятен с размытыми краями.

Двухканальная оптико-электронная система // 2606699

Ахроматический зеркально-линзовый объектив // 2584382

Изобретение может использоваться в оптических системах, работающих в широком спектральном диапазоне. Зеркально-линзовый объектив содержит на входе афокальный компенсатор с близкой к нулю оптической силой, состоящий из обращенного вогнутостью к предмету отрицательного мениска и положительной линзы, выполненных из одного материала, а на выходе - второй отрицательный двухлинзовый компенсатор, содержащий обращенный вогнутостью к изображению отрицательный мениск, являющийся выходным элементом объектива, и расположенный перед ним мениск, выпуклость которого обращена к выпуклости выходного мениска.

Инфракрасный зеркально-линзовый объектив // 2570055

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах на основе охлаждаемых матричных приемников излучения. Объектив состоит из расположенных по ходу лучей первого компонента, содержащего два асферических зеркала, из которых первое имеет центральное отверстие и выполнено вогнутым, а второе - выпуклым, и второго компонента, содержащего первую отрицательную, вторую положительную и третью отрицательную выпукло-вогнутые линзы, при этом оптическая сила второго компонента в целом - положительная.

Зеркальный автоколлимационный спектрометр // 2567447

Изобретение относится к оптическому приборостроению и касается зеркального автоколлимационного спектрометра. Спектрометр состоит из входной щели, объектива и плоской отражательной дифракционной решетки.

Двухканальный зеркально-линзовый объектив // 2556295

Объектив может быть использован в космических телескопах. Объектив содержит первое зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого гиперболического зеркала, линзовый компенсатор аберраций видимого канала из плосковыпуклой и двояковыпуклой линз и отрицательного мениска, второе зеркало в виде внеосевого фрагмента сферического выпуклого зеркала и третье зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала.

Зеркально-линзовый объектив // 2547170

Объектив может быть использован в космических телескопах. Объектив содержит первое зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, линзовый корректор аберраций, выполненный в виде трех одиночных осесимметричных линз из разных оптических материалов: двояковыпуклой, двояковогнутой и положительного мениска, второе зеркало в виде внеосевого фрагмента выпуклого зеркала, обращенного выпуклостью к линзовому корректору аберраций, третье зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, и апертурную диафрагму, совпадающую с оправой первой поверхности второй линзы корректора аберраций.

Объектив коллиматора // 2532244

Объектив может использоваться для работы в видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн. Объектив коллиматора содержит первичное зеркало, на первую по ходу лучей поверхность которого нанесено зеркальное покрытие, вторичное зеркало с зеркальным покрытием на кольцевой периферийной части, причем отражающие поверхности зеркал обращены друг к другу, двухлинзовый оптический элемент, установленный за первичным зеркалом со стороны пространства изображений и состоящий по ходу лучей из одиночной отрицательной линзы, обращенной вогнутой поверхностью к пространству изображений, и одиночной двояковыпуклой линзы.

Оптическая система и датчик для проверки ценных документов с такой оптической системой // 2528036

Изобретение относится к формирующей изображение оптической системе, датчику для проверки ценных документов с такой оптической системой и к способу отображения точки предмета.

Двухканальная зеркально-линзовая система // 2630031

Система может быть использована в двухспектральных оптико-электронных системах. Система состоит из расположенных по ходу лучей обтекателя, главного вогнутого зеркала с центральным отверстием в виде отрицательной вогнуто-выпуклой линзы с отражающим покрытием на выпуклой поверхности, первого канала, содержащего спектроделитель, компенсатор, первая линза которого выполнена двояковогнутой, вторая - плосковыпуклой, а третья – двояковогнутой, и первый приемник излучения второго канала, содержащего спектроделитель и компенсатор, первая линза которого выполнена положительной вогнуто-выпуклой, вторая - отрицательной вогнуто-выпуклой, а третья - положительной вогнуто-выпуклой, и второй приемник излучения. Спектроделитель - положительная вогнуто-выпуклая линза с дихроичным покрытием на выпуклой поверхности, являющаяся одновременно первой линзой компенсатора второго канала и вторичным зеркалом первого канала. Технический результат - повышение энергетической способности системы за счет увеличения относительного отверстия в дальнем инфракрасном диапазоне спектра при обеспечении компактности конструкции. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.