Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора

Система содержит два идентичных канала 1 и 2 с параллельными оптическими осями 3, 4. Каждый канал содержит оптический панорамный блок 5, выполненный в виде первой выпуклой преломляющей поверхности 6, первой выпуклой отражающей поверхности 11, совмещенной с апертурной диафрагмой 12, второй вогнутой отражающей поверхности 13, плоской преломляющей поверхности 9, за которой расположена задняя фокальная плоскость 10 блока 5, в которой установлена полевая диафрагма 14, совмещенная с приемником излучения 15. Центры кривизны преломляющих 6, 9 и отражающих 11,13 поверхностей каналов расположены на оптических осях 3 и 4 соответственно. Их световые отверстия выполнены в виде секторов, у которых вершины центральных углов α расположены на оптической оси, значения α равны и выбраны так, что центральные углы секторов одноименных поверхностей и диафрагм каналов составляют суммарный угол 360°. Совпадающие центральные углы секторов поверхностей 6, 11 и апертурной диафрагмы расположены симметрично относительно оптической оси канала совпадающим центральным углам секторов поверхностей 13, 9 и полевой диафрагмы. Технический результат - увеличение углового поля до близкого к полусфере путем полного устранения темнового поля вокруг оптической оси и ограничения относительного отверстия системы. 3 ил.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и используется в обзорно-панорамных оптико-электронных приборах и системах, преобразующих трехмерное панорамное пространство в угловом поле, близком к полусфере, в плоское изображение на приемнике излучения и работающих как в видимом, так и в ИК-диапазоне спектра.

Известна оптическая панорамная система с угловым полем, близким к полусфере, описанная в патенте US № 7161746, МПК G02B 13/14, опубл. 14.10.1996, содержащая первую группу линз с отрицательной оптической силой и вторую группу линз с положительной оптической силой, расположенную на некотором расстоянии от первой группы линз вдоль оптической оси.

Недостаток данной панорамной системы заключается в сложности изготовления и юстировки такой системы, больших потерях на поглощение, что снижает технические характеристики системы.

Другая известная составная панорамная система, описанная в патенте СА № 2147333, МПК G02B 9/12, опубл. 13.04.1995, содержит центральную оптическую ось азимутального направления, азимутальный оптический элемент в виде многолинзового объектива, кольцевой элемент, представляющий собой отражающее зеркало.

Недостаток данной панорамной системы заключается в сложности изготовления и юстировки такой системы, больших потерях на поглощение и низкой разрешающей способности.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является одноканальная приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, описанная в свидетельстве РФ на полезную модель № 25947, МПК G02B 13/06, опубл. 27.10.2002 г. и содержащая осесимметричные последовательно установленные вдоль оптической оси оптический панорамный блок с первой выпуклой и второй плоской преломляющими поверхностями, первой выпуклой и второй вогнутой отражающими поверхностями и многоэлементный приемник излучения, расположенный за плоской преломляющей поверхностью оптического панорамного блока в его задней фокальной плоскости.

Недостатком такой системы является наличие темнового поля вокруг оптической оси, не позволяющее обеспечить изображение всех точек панорамного пространства в угловом поле, близком к полусфере, низкая разрешающая способность, обусловленная попаданием внеинформационных пучков лучей на многоэлементный приемник излучения, что ухудшает технические характеристики системы и ограничивает область ее применения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение технических характеристик приемной оптической системы панорамного оптико-электронного прибора за счет увеличения ее углового поля и доведения его до близкого к полусфере путем полного устранения темнового поля вокруг оптической оси и ограничения относительного отверстия системы и выделения информационных пучков лучей, обеспечивающих высокую разрешающую способность системы.

Поставленная задача достигается тем, что известная приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, содержащая последовательно установленные вдоль оптической оси ее канала оптический панорамный блок с первой выпуклой и второй плоской преломляющими поверхностями, первой выпуклой и второй вогнутой отражающими поверхностями, задней фокальной плоскостью, расположенной за его плоской преломляющей поверхностью и многоэлементный приемник излучения, снабжена по крайней мере одним идентичным первому каналом, размещенным на оси, параллельной оптической оси первого канала, и в каждый канал дополнительно введены апертурная диафрагма, установленная вдоль его оптической оси после первой выпуклой преломляющей поверхности оптического панорамного блока, и полевая диафрагма, установленная после его второй плоской преломляющей поверхности, апертурная диафрагма совмещена с первой выпуклой отражающей поверхностью оптического панорамного блока, а полевая диафрагма совмещена с многоэлементным приемником излучения и установлена в задней фокальной плоскости оптического панорамного блока, при этом в каждом канале апертурная, полевая диафрагмы, две преломляющие и две отражающие поверхности оптического панорамного блока с центрами кривизны на оптической оси канала выполнены внеосевыми, а световые отверстия каждой преломляющей и отражающей поверхностей, апертурной и полевой диафрагм выполнены в виде секторов с одинаковыми значениями центральных углов α и с вершинами этих углов на оптической оси канала, причем значение центральных углов α выбрано меньше или равным 180° из условия, что центральные углы секторов световых отверстий на каждой из одноименных поверхностей оптического панорамного блока, апертурной и полевой диафрагм всех каналов составляют суммарный угол 360°, совпадающие между собой центральные углы секторов световых отверстий первых выпуклых преломляющей и отражающей поверхностей оптического панорамного блока, апертурной диафрагмы расположены симметрично относительно оптической оси канала совпадающим между собой центральным углам секторов световых отверстий его вторых вогнутой отражающей, плоской преломляющей поверхностей и полевой диафрагмы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена двухканальная приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, а на фиг.2 - вид по стрелке А в канале 1 и на фиг.3 - вид по стрелке В в канале 2.

Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора содержит два идентичных канала 1 и 2, каждый из которых размещен на параллельных между собой оптических осях 3 и 4. Каждый канал содержит последовательно установленные вдоль своей оси оптический панорамный блок 5, выполненный в виде первой выпуклой внеосевой преломляющей поверхности 6, на которую направлен информационный поток 7 вдоль главного луча 8, плоской внеосевой преломляющей поверхности 9, за которой расположена задняя фокальная плоскость 10 оптического панорамного блока 5, первой выпуклой внеосевой отражающей поверхности 11, совмещенной с внеосевой апертурной диафрагмой 12, второй вогнутой внеосевой отражающей поверхности 13, внеосевую полевую диафрагму 14, совмещенную с многоэлементным приемником излучения 15 и установленную в задней фокальной плоскости 10 оптического панорамного блока 5. Центры кривизны преломляющих 6, 9 и отражающих 11, 13 поверхностей оптического панорамного блока 5 канала 1 расположены на оптической оси 3, а канала 2 - на оптической оси 4. Световые отверстия первой преломляющей поверхности 6 в каналах 1 и 2 так же как и каждой одноименной поверхности оптического панорамного блока 5, апертурной 12 и полевой 14 диафрагм в обоих каналах выполнены в виде секторов 16 и 17 с центральными углами α, равными 180°, вершины которых 18 и 19 расположены на оптических осях 3 и 4 соответственно. Вместе центральные углы секторов световых отверстий обоих каналов составляют суммарный угол 360°, при этом сектора световых отверстий первых поверхностей блока преломляющей 6 и отражающей 11 и апертуной диафрагмы 12 в канале 1 расположены выше оптической оси 3, а в канала 2 - ниже оптической оси 4.

Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора может быть выполнена с большим, чем два числом каналов при условии, что центральные углы α секторов световых отверстий на каждой одноименной поверхности оптического панорамного блока 5, апертурной 12 и полевой 14 диафрагм всех каналов составляют суммарный угол 360°.

Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора может быть выполнена с одинаковыми или разными многоэлементными приемниками излучения 15, установленными в каждый канал 1, 2, либо с одним многоэлементным приемником излучения 15 при условии, что полевые диафрагмы 14 всех каналов расположены в одной плоскости и совмещены с приемником излучения 15, перекрывающим световые отверстия полевых диафрагм 14 всех каналов 1, 2.

Оптический панорамный блок 5 может быть выполнен из оптических материалов с показателем преломления от 1,4 до 4,0, прозрачных в различных спектральных диапазонах от видимого до ИК-диапазона спектра, а его преломляющие 6, 9 и отражающие 11, 13 поверхности могут быть выполнены как поверхности второго, так и более высоких порядков.

Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора работает следующим образом.

От произвольной точки верхней относительно оптической оси 3 канала 1 части полусферы панорамного пространства предметов в оптический панорамный блок 5 канала 1 вдоль главного луча 8 поступает информационный поток 7 на его первую выпуклую преломляющую поверхность 6, которая собирает этот поток и направляет его в апертурную диафрагму 12, при этом главный луч 8 направлен в вершину первой выпуклой отражающей поверхности 11 на оси 3. Центральный угол и радиус сектора светового отверстия апертурной диафрагмы 12 выполнены такими, что она ограничивает сечение информационного потока 7, обеспечивающее необходимые освещенность и разрешающую способность в изображении на многоэлементном приемнике излучения 15.

Совмещенная с апертурной диафрагмой 12 первая выпуклая отражающая поверхность 11 расходящимся пучком направляет информационный поток 7 на вторую вогнутую отражающую поверхность 13, отразившись от которой, он сходящимся пучком направляется на вторую плоскую преломляющую поверхность 9, преломляется на ней и далее фокусируется в задней фокальной плоскости 10 оптического панорамного блока 5, образуя действительное изображение точки на многоэлементном приемнике излучения 15, а полевая диафрагма 14 ограничивает изображение, формируемое на многоэлементном приемнике излучения 15 в угловом поле канала 1, при этом высоты падения главного луча 8 на поверхности как на первую преломляющую 6, так и на вторую вогнутую отражающую 13 и вторую плоскую преломляющую 9 практически одинаковые.

Выполнение диафрагм: апертурной 12 и полевой 14, а также поверхностей оптического панорамного блока 5: двух преломляющих 6,9 и двух отражающих 11, 13 с центрами кривизны на оптической оси 3 внеосевыми со световыми отверстиями в виде секторов с центральными углами 180° и вершинами этих углов на оптической оси 3 обеспечивает действительное перевернутое изображение верхней относительно оптической оси 3 полусферы панорамного пространства при полном отсутствии темнового поля вокруг оси 3 на многоэлементном приемнике излучения 15 в канале 1 в виде полукруга - сектора с центральным углом 180° и вершиной этого угла на оптической оси 3.

Одновременно от произвольной точки нижней относительно оптической оси 4 канала 2 части полусферы панорамного пространства предметов в оптический панорамный блок 5 канала 2 вдоль главного луча 8 поступает информационный поток 7 на его первую выпуклую преломляющую поверхность 6, расположенную ниже оптической оси 4, которая, как и в канале 1, собирает этот поток и направляет его в апертурную диафрагму 12, при этом главный луч 8 направлен в вершину первой выпуклой отражающей поверхности 11 на оси 4. Центральный угол и радиус сектора светового отверстия апертурной диафрагмы 12 выполнены такими, что она ограничивает сечение информационного потока 7, обеспечивающее необходимые освещенность и разрещающую способность в изображении на многоэлементном приемнике излучения 15.

Совмещенная с апертурной диафрагмой 12 первая выпуклая отражающая поверхность 11 расходящимся пучком направляет информационный поток 7 на вторую вогнутую отражающую поверхность 13, отразившись от которой, он сходящимся пучком направляется на вторую плоскую преломляющую поверхность 9, преломляется на ней и далее фокусируется в задней фокальной плоскости 10 оптического панорамного блока 5, образуя действительное изображение точки на многоэлементном приемнике излучения 15, а полевая диафрагма 14 ограничивает изображение, формируемое на многоэлементном приемнике излучения 15 в угловом поле канала 2, при этом высоты падения главного луча 8 на поверхности как первую преломляющую 6, так и на вторую вогнутую отражающую 13 и вторую плоскую преломляющую 9, как и в канале 1, практически одинаковые.

Выполнение в канале 2 диафрагм: апертурной 12 и полевой 14, а также поверхностей оптического панорамного блока 5: двух преломляющих 6,9 и двух отражающих 11, 13 с центрами кривизны на оптической оси 4 внеосевыми со световыми отверстиями в виде секторов с центральными углами 180° и вершинами этих углов на оптической оси 4 обеспечивает действительное перевернутое изображение нижней относительно оптической оси 4 полусферы панорамного пространства при полном отсутствии темнового поля вокруг этой оси.

Таким образом, приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, состоящая из каналов 1 и 2, одновременно преобразует трехмерное панорамное пространство в угловом поле, близком к полусфере, при полном отсутствии темнового поля вокруг осей 3 и 4 в плоское изображение на двух многоэлементных приемниках излучения.

Оптический панорамный блок 5 может быть выполнен с различным удалением его задней фокальной плоскости относительно второй плоской преломляющей поверхности 9, но не превышающим полутора фокусных расстояний оптического панорамного блока 5, что обеспечивается подбором оптического материала этого блока 5 и оптических сил его преломляющих и отражающих поверхностей.

Совмещение апертурной диафрагмы с первой выпуклой отражающей поверхностью и подбор оптических сил и форм преломляющих и отражающих поверхностей оптического панорамного блока обеспечили в каждом канале полное заполнение светового отверстия апертурной диафрагмы 12 информационными потоками от всех точек изображаемого пространства, что способствовало выравниванию освещенности в изображении и повышению разрешающей способности, а это улучшает технические характеристики всей системы.

При неизменном положении апертурной диафрагмы 12, совмещенной с первой выпуклой отражающей поверхностью 6, за счет подбора оптических сил первой преломляющей 6 и второй вогнутой отражающей 13 поверхностей оптический панорамный блок 5 можно реализовать с различным удалением выходного зрачка от плоской преломляющей поверхности 9 блока 5, в том числе расположенным в бесконечности и обеспечивающим телецентрический ход главных лучей и на выходе оптического панорамного блока 5, и перед многоэлементным приемником излучения 15, что дополнительно приводит и к повышению разрешающей способности, и к выравниванию освещенности и разрешающей способности по полю при одновременном уменьшении поперечных габаритов всей системы, что также улучшает технические характеристики всей системы.

Практическое равенство радиусов секторов световых отверстий первой и второй преломляющих и второй отражающей поверхностей, пропускающих все лучи информационных потоков от всех точек изображаемого пространства, позволило реализовать конструкцию оптического панорамного блока, включающего внеосевые поверхности, близкую к осесимметричной, что упрощает ее компоновку и повышает устойчивость к динамическим нагрузкам, что повышает технические и эксплуатационные характеристики системы.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает увеличение углового поля системы и доведение его до близкого к полусфере за счет полного устранения темнового поля относительно оптической оси, обеспечивает высокую освещенность и разрешающую способность и их выравнивание по всему полю в изображении на многоэлементном приемнике излучения.

Оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, содержащая последовательно установленные вдоль оптической оси ее канала оптический панорамный блок и многоэлементный приемник излучения, причем оптический панорамный блок выполнен в виде первой выпуклой преломляющей поверхности, направляющей поток на первую выпуклую отражающую поверхность, отражающую его на вторую вогнутую отражающую поверхность, направляющую поток на вторую плоскую преломляющую поверхность, за которой расположена задняя фокальная плоскость оптического панорамного блока, отличающаяся тем, что она снабжена по крайней мере одним идентичным первому каналом, размещенным на оси, параллельной оптической оси первого канала, и в каждый канал дополнительно введены апертурная диафрагма, установленная вдоль его оптической оси после первой выпуклой преломляющей поверхности оптического панорамного блока, и полевая диафрагма, установленная после его второй плоской преломляющей поверхности, апертурная диафрагма совмещена с первой выпуклой отражающей поверхностью оптического панорамного блока, а полевая диафрагма совмещена с многоэлементным приемником излучения и установлена в задней фокальной плоскости оптического панорамного блока, при этом в каждом канале апертурная, полевая диафрагмы, две преломляющие и две отражающие поверхности оптического панорамного блока с центрами кривизны на оптической оси канала выполнены внеосевыми, а световые отверстия каждой преломляющей и отражающей поверхностей, апертурной и полевой диафрагм выполнены в виде секторов с одинаковыми значениями центральных углов α и с вершинами этих углов на оптической оси канала, причем значение центральных углов α выбрано меньше или равным 180° из условия, что центральные углы секторов световых отверстий на каждой из одноименных поверхностей оптического панорамного блока, апертурной и полевой диафрагм всех каналов составляют суммарный угол 360°, совпадающие между собой центральные углы секторов световых отверстий первых выпуклых преломляющей и отражающей поверхностей оптического панорамного блока и апертурной диафрагмы расположены симметрично относительно оптической оси канала совпадающим между собой центральным углам секторов световых отверстий его вторых вогнутой отражающей, плоской преломляющей поверхностей и полевой диафрагмы.