Оптическая система с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ик диапазона спектра



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

 


Владельцы патента RU 2419113:

Терешин Евгений Александрович (RU)
Хацевич Татьяна Николаевна (RU)

Система может быть использована в тепловизорах на основе охлаждаемых матричных приемников. Система состоит из двух компонентов с промежуточным изображением между компонентами и апертурной диафрагмы между вторым компонентом и плоскостью изображений. Первый компонент выполнен из двух менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, а второй - из пяти линз. Преломляющие поверхности линз - сферические. Линзы выполнены из двух материалов. Оптические силы первого и второго менисков первого компонента составляют (1,9÷2,7) и -(1,8÷1,0) от оптической силы первого компонента, их материалы имеют показатели преломления не ниже 3,4 и 4,0, а коэффициенты средней дисперсии отличаются не менее чем в 2 раза. Выполняется соотношение: -f′f′2/f′1≥р′, где f′1, f′2, f′ - фокусные расстояния соответственно первого, второго компонентов и всей системы; р′ - расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображений. Технический результат - повышение качества изображения в пределах всего поля зрения, повышение относительного отверстия, исключение асферических поверхностей, уменьшение числа марок материалов, повышение светораспределения по полю, расширение спектрального диапазона, уменьшение диаметра первого компонента, обеспечение плоского промежуточного изображения. 17 ил., 1 табл.

 

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.

Для уменьшения паразитного излучения от элементов конструкции и достижения максимальных характеристик тепловизионного прибора оптическая система должна иметь вынесенную в пространство изображений апертурную диафрагму. При сопряжении с охлаждаемым матричным приемником теплового излучения роль этой диафрагмы выполняет охлаждаемая диафрагма приемника. Несимметричность оптической системы относительно апертурной диафрагмы приводит к усложнению оптической системы и требует поиска новых схемных решений, не поддающихся аналитическим методам решения, но позволяющих обеспечить такую степень коррекции аберраций, при которой достигается оптимальное соответствие между качеством изображения, даваемого оптической системой, и параметрами приемника теплового излучения. В современных охлаждаемых матричных приемниках ИК излучения с целью минимизации фоновой составляющей величина расстояния от охлаждаемой диафрагмы до плоскости чувствительных площадок выполняется небольшой и может достигать 10 мм, что увеличивает несимметричность оптической системы, особенно при больших значениях фокусных расстояний.

К числу требований, предъявляемых к оптическим системам тепловизоров на основе современных охлаждаемых матричных приемников теплового излучения, кроме вышеуказанных, относятся требования высокого относительного отверстия; ограничения диаметров линз (не более диаметра входного зрачка); обеспечения равномерно высокого качества изображения в пределах всего поля зрения, величина которого определяется параметрами матричного приемника теплового излучения и оптической системы; малой величины дисторсии; обеспечения равномерности облученности всех точек изображения; наличия промежуточного изображения для возможности калибровки тепловизора и (или) ввода дополнительных каналов в тепловизионном приборе и в целом технологичности и низкой стоимости оптической системы.

Известна оптическая система, которая может быть использована для среднего ИК диапазона спектра [Патент US 6423969 B1, 2002 г.], состоящая из двух компонентов, включающих 6 линз, и апертурной диафрагмы, расположенной между вторым компонентом и плоскостью изображений. Система имеет фокусное расстояние 188 мм, относительное отверстие 1:2, содержит сферические преломляющие поверхности, при этом расстояние от апертурной диафрагмы (охлаждаемой диафрагмы приемника) до плоскости изображений равно 50 мм. Недостатком аналога является отсутствие промежуточного изображения между компонентами, большая величина расстояния между апертурной диафрагмой и плоскостью изображения, большой диаметр первого компонента, превышающий диаметр входного зрачка системы, что приводит к увеличению габаритов и массы оптической системы.

Известна оптическая система, предназначенная для работы в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм [Патент РФ 2236031, 2004 г.], включающая 4 линзы и сканирующее зеркало, имеющая относительное отверстие 1:1,25. Недостатком оптической системы является отсутствие вынесенной апертурной диафрагмы (выходного зрачка), что не позволяет использовать ее с современными охлаждаемыми матричными приемниками ИК излучения без виньетирования наклонных пучков лучей, снижения освещенности и разрешающей способности по полю, что приводит к снижению технических характеристик тепловизионного прибора в целом.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является оптическая система с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ИК диапазона спектра [Патент US 7136235 B2, 2006. Фиг.1], предназначенная для работы совместно с охлаждаемым матричным приемником теплового излучения, имеющим охлаждаемую диафрагму. Оптическая система состоит из оптически связанных, расположенных по ходу лучей двух компонентов, включающих семь линз, с промежуточным изображением между компонентами и апертурной диафрагмы, расположенной между вторым компонентом и плоскостью изображений. Первый компонент оптической системы включает 5 линз, причем две из 10 преломляющих поверхностей являются асферическими. Второй компонент содержит две линзы, одна из четырех преломляющих поверхностей в нем является асферической. Промежуточное изображение, формируемое первым компонентом, имеет значительную кривизну изображения - является неплоским. Оптическая система имеет фокусное расстояние 100 мм; относительное отверстие 1:3,5; рабочий спектральный диапазон от 4 до 5 мкм. Линзы системы выполнены из пяти марок материалов. Угловое поле, определяемое используемым матричным приемником теплового излучения и фокусным расстоянием оптической системы, составляет 10°. Расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображений составляет 12,7 мм. Диаметр наибольшей линзы - первой линзы оптической системы - по величине больше, чем диаметр входного зрачка оптической системы. Диаметры наклонных пучков лучей в пространстве предметов значительно меньше, чем диаметр осевого пучка лучей.

Итак, недостатками прототипа являются:

1) значительное снижение качества изображения на краю поля по сравнению с центром;

2) низкое относительное отверстие;

3) наличие трех асферических поверхностей;

4) большое число используемых марок материалов (5 материалов) при достаточно узком спектральном интервале (от 4 до 5 мкм);

5) значительное снижение облученности изображения по мере удаления от центра к краю изображения, т.е. низкое светораспределение;

6) большой диаметр первого компонента, превышающий диаметр входного зрачка оптической системы;

7) наличие значительной кривизны промежуточного изображения.

Значительное снижение качества изображения на краю поля по сравнению с центром поля в наиболее близком аналоге вызвано тем, что устройство первого и второго компонентов схемы таково, что размер входного зрачка для наклонных пучков лучей значительно меньше, чем размер входного зрачка для осевого пучка лучей из-за неустраненного аберрационного виньетирования наклонных пучков лучей. В этом случае даже при высокой коррекции аберраций наклонных пучков в дифракционно ограниченной системе значительно возрастает дифракция для наклонных пучков и происходит снижение разрешения по полю по сравнению с центром поля. Повышение относительного отверстия в наиболее близком аналоге невозможно из-за значительных аберраций широких пучков лучей. Отказ от асферических поверхностей в наиболее близком аналоге либо приведет к снижению качества изображения из-за возрастания аберраций широких пучков лучей, либо потребует увеличения числа линз для сохранения заявленного качества изображения. В наиболее близком аналоге не найдены оптимальные соотношения между оптическими силами линз оптической системы и параметрами материалов, позволяющими устранить хроматические аберрации и ограничиться меньшим число марок материалов при достаточно узком спектральном интервале. Расширение спектрального интервала, соответствующего диапазону спектральной чувствительности современных охлаждаемых матричных приемников среднего ИК диапазона спектра, в наиболее близком аналоге приведет к снижению качества изображения из-за возрастания хроматических аберраций. Выравнивание облученности изображения по полю (повышение светораспределения) в наиболее близком аналоге невозможно в силу неустраненных аберраций в зрачках. Уменьшение диаметра первого компонента до диаметра входного зрачка в наиболее близком аналоге затруднено тем, что входной зрачок системы не совмещен с первым компонентом. Выполнение первого компонента в наиболее близком аналоге таково, что в нем не устранена кривизна изображения, а вся нагрузка по коррекции этой аберрации переложена на второй компонент. Изменить коррекцию аберраций невозможно без существенного изменения устройства первого и второго компонентов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание технологичной, экономически эффективной конструкции оптической системы с высокими техническими характеристиками, обеспечивающей возможность сопряжения с современными охлаждаемыми матричными приемниками излучения среднего ИК диапазона.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении качества изображения в пределах всего поля зрения, повышении относительного отверстия оптической системы, в исключении асферических поверхностей, в уменьшении числа используемых марок материалов, в повышении светораспределения по полю, в расширении спектрального диапазона, в уменьшении диаметра первого компонента до диаметра входного зрачка, в обеспечении качественного промежуточного изображения (исключение кривизны поля в плоскости промежуточного изображения).

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога первый компонент выполнен из двух линз, имеющих форму менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, а второй компонент - из пяти линз, преломляющие поверхности линз первого и второго компонентов выполнены сферическими; оптические силы первого и второго менисков первого компонента составляют соответственно (1,9÷2,7) и -(1,8÷1,0) от оптической силы первого компонента, а их материалы имеют соответственно показатели преломления не ниже 3,4 и 4,0, при этом коэффициенты средней дисперсии материалов отличаются не менее чем в 2 раза, при близости величин коэффициентов частных дисперсий; линзы второго компонента выполнены из тех же материалов, что и мениски первого компонента, и имеет место следующее соотношение:

где f′1, f′2, f′ - фокусные расстояния соответственно первого, второго компонента и всей оптической системы;

p′ - расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображений.

Выполнение первого компонента из двух линз, имеющих форму менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений, а второго компонента - из пяти линз при соблюдении вышеприведенного соотношения (1) позволяет совместить входной зрачок оптической системы с первым компонентом, уменьшить диаметр первого компонента до диаметра входного зрачка, способствует повышению относительного отверстия и качества изображения в пределах всего поля зрения, а также позволяет значительно уменьшить аберрационное виньетирование в зрачках и, как результат, повысить светораспределение по полю.

Выполнение оптических сил первого и второго менисков первого компонента соответственно (1,9÷2,7) и -(1,8÷1,0) от оптической силы первого компонента, применение в указанных менисках материалов с показателями преломления соответственно не ниже 3,4 и 4,0, коэффициенты средней дисперсии которых отличаются не менее чем в 2 раза, при близости величин коэффициентов частных дисперсий, позволяет обеспечить получение плоского промежуточного изображения, а также способствует минимизации хроматических аберраций и аберраций наклонных пучков лучей и, как результат, позволяет повысить относительное отверстие и качество изображения в пределах всего поля зрения.

Использование для линз первого и второго компонентов материалов с показателями преломления не ниже 3,4 и 4,0 и коэффициентами средней дисперсии, отличающимися не менее чем в 2 раза, при близости величин коэффициентов частных дисперсий позволяет обеспечить высокую степень коррекции хроматических аберраций и расширить спектральный диапазон.

Выполнение преломляющих поверхностей линз первого и второго компонентов сферическими (в совокупности с ранее указанными признаками) позволяет исключить асферические поверхности, повысить технологичность и снизить стоимость изготовления.

Учитывая, что второй компонент имеет при соотношении (1) более высокое относительное отверстие, чем первый компонент, выполнение второго компонента из пяти линз, причем из тех же материалов, что и мениски первого компонента, позволяет обеспечить в нем высокую степень коррекции аберраций, устранить аберрации в зрачках и снизить при этом число используемых материалов в оптической системе до двух.

Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров, позволяющих создать технологичную, экономически эффективную конструкцию оптической системы с высокими техническими характеристиками, обеспечивающую возможность сопряжения с современными охлаждаемыми матричными приемниками излучения среднего ИК диапазона, обеспечив в ней повышение качества изображения в пределах всего поля зрения, повышение относительного отверстия, исключение асферических поверхностей, уменьшение числа используемых марок материалов, повышение светораспределения по полю, расширение спектрального диапазона, уменьшение диаметра первого компонента до диаметра входного зрачка, обеспечение качественного промежуточного изображения.

Совокупность всех признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации оптической системы с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ИК диапазона спектра с высокими качеством изображения в пределах всего поля зрения, относительным отверстием и светораспределением по полю, с диаметром первого компонента, не превышающим диаметр входного зрачка, с обеспечением качественного промежуточного изображения, с расширенным спектральным диапазоном на основе только сферических поверхностей и двух марок материалов.

Указанное решение обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны оптические системы с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ИК диапазона спектра, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг.1 - оптическая схема оптической системы с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ИК диапазона спектра;

фиг.2а - графики продольной хроматической аберрации для примера №1;

фиг.2б - графики продольной хроматической аберрации примера №2;

фиг.2в - графики продольной хроматической аберрации для примера №4;

фиг.2г - графики продольной хроматической аберрации для примера №6;

фиг.3а - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) для примера №1;

фиг.3б - ЧКХ для примера №2;

фиг.3в - ЧКХ для примера №4;

фиг.3г - ЧКХ для примера №6;

фиг.4а - функция концентрации энергии (ФКЭ) в пятне для примера №1;

фиг.4б - ФКЭ для примера №2;

фиг.4в - ФКЭ для примера №4;

фиг.4г - ФКЭ для примера №6;

фиг.5а - дисторсия для примера №1;

фиг.5б - дисторсия для примера №2;

фиг.5в - дисторсия для примера №4;

фиг.5г - дисторсия для примера №6,

при этом номера примеров конкретных исполнений указаны в соответствии с нижеприведенной таблицей 1.

Оптическая система с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ИК диапазона спектра (фиг.1) содержит оптически связанные, расположенные по ходу лучей компоненты 1 и 2 и апертурную диафрагму 3, расположенную перед плоскостью изображений. Плоскость промежуточного изображения расположена между компонентами 1 и 2. Компонент 1 выполнен из двух линз 4 и 5, имеющих форму менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений. Оптические силы менисков 4 и 5 составляют соответственно (1,9÷2,7) и -(1,8÷1,0) от оптической силы компонента 1, а их материалы имеют соответственно показатели преломления не ниже 3,4 и 4,0, при этом коэффициенты средней дисперсии материалов отличаются не менее чем в 2 раза, при близости величин коэффициентов частных дисперсий. Компонент 2 включает линзы 6, 7, 8, 9 и 10, выполненные из тех же материалов, что и мениски 4 и 5. Все преломляющие поверхности линз 4-10 являются сферическими. В оптической системе имеет место соотношение (1). Поз.11 в виде плоскопараллельной пластинки дополнительно показано защитное стекло приемника излучения.

Оптическая система работает следующим образом. Линзы 4 и 5 компонента 1 фокусируют инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленных объектов в пределах углового поля, определяемого размерами охлаждаемого матричного приемника среднего ИК излучения и фокусным расстоянием оптической системы, и создают действительное изображение объектов в плоскости промежуточного изображения, которое затем линзами 6-10 через защитное стекло 11 переносится в плоскость изображений оптической системы, обеспечивая для каждой точки объекта фокусировку в пятно малого размера, сопоставимое по величине с пятном рассеяния, обусловленным дифракцией. Плоскость чувствительных элементов матричного приемника ИК излучения (не показан) совмещается с плоскостью изображений объектива, а его охлаждаемая диафрагма - с апертурной диафрагмой 3. Последняя определяет относительное отверстие системы, обеспечивает отсутствие виньетирования для наклонных пучков лучей и минимизирует поступление на приемник фонового ИК излучения.

Для подтверждения заявленных соотношений между параметрами в предлагаемом устройстве в таблице 1 приведены примеры конкретного исполнения оптических систем с фокусными расстояниями 50, 100, 180 и 350 мм и относительными отверстиями 1:2 и 1:3 для применения в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм совместно с охлаждаемыми матричными приемниками излучения. В качестве приемника выбрана конкретная модель приемника: охлаждаемый матричный приемник среднего ИК диапазона спектра, имеющий рабочий спектральный диапазон от 3,6 до 4,9 мкм, линейный размер диагонали чувствительной площадки 7,2 мм и расстояние от охлаждаемой диафрагмы до плоскости чувствительной площадки приемника 10 мм.

Диапазон фокусных расстояний и относительных отверстий оптической системы, реализованный в примерах конкретных исполнений, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к большинству тепловизионных приборов различных классов и областей применения.

Для всех примеров конкретного исполнения приведены параметры оптической схемы: оптические силы линз, фокусные расстояния компонентов, расстояния между компонентами в оптической системе, диаметры и материалы линз. Величина f′ приведена в миллиметрах, значения остальных параметров приведены при нормировке эквивалентного фокусного расстояния оптической системы f′н=-1. При указании оптических сил линз через знак «/» указан диаметр соответствующей линзы.

Таблица 1
Параметры примеров конкретного исполнения
Параметр Номер примера конкретного исполнения
1 2 3 4 5 6 7
-f′, мм 50 100 100 180 180 350 350
D:f′ 1:2 1:2 1:3 1:2 1:3 1:2 1:3
|f′Н| 1 1 1 1 1 1 1
D 0,50 0,50 0,33 0,50 0,33 0,50 0,33
φ1 0,82 1,08 1,08 0,63 0,98 0,92 1,013
φ2 3,26 9,55 9,38 9,56 16,13 30,05 32,51
φ4 2,10/0,51 2,38/0,51 2,34/0,33 1,22/0,50 2,14/0,33 1,78/0,50 1,97/0,35
φ5 -1,45/0,45 -1,46/0,48 -1,43/0,31 -0,67/0,47 -1,35/0,30 -0,96/0,48 -1,08/0,32
φ6 1,21/0,36 -2,73/0,13 -2,91/0,1 7,62/0,14 -8,10/0,06 -13,47/0,04 -29,45/0,04
φ7 2,40/0,36 10,91/0,13 1,05/0,12 5,37/0,20 24,05/0,07 36,69/0,04 20,12/0,06
φ8 -6,05/0,38 -1,69/0,16 -1,45/0,13 7,39/0,20 -29,68/0,07 -43,05/0,05 19,04/0,06
φ9 3,87/0,45 10,77/0,19 10,10/0,15 -9,44/0,15 16,70/0,08 26,91/0,06 -25,76/0,04
φ10 0,80/0,37 4,31/0,17 2,97/0,14 7,19/0,14 5,93/0,08 13,85/0,05 23,46/0,04
p' 0,20 0,10 0,10 0,055 0,055 0,028 0,028
Поз.4 и 5 Si, Ge Si, Ge Si, Ge Si, Ge Si, Ge Si, Ge Si, Ge
Поз.6, 7, 8, 9, 10 Ge, Si, Ge, Si, Si Ge, Si, Ge, Si, Ge Ge, Si, Ge, Si, Ge Ge, Si, Si, Ge, Si Ge, Si, Ge, Si, Ge Ge, Si, Ge, Si, Si Ge, Si, Si, Ge, Si
f′1 1,22 0,92 0,93 1,60 1,019 1,093 0,987
f′2 0,31 0,10 0,11 0,10 0,062 0,033 0,031
dl2 1,43 0,93 0,96 1,65 0,95 1,04 0,93
L 2,45 1,40 1,40 2,11 1,27 1,25 1,14
φ41 2,57 2,20 2,19 1,95 2,18 1,92 1,94
φ51 -1,77 -1,35 -1,33 -1,06 -1,38 -1,05 -1,06
k 1,27 1,09 1,18 1,14 1,11 1,08 1,12

В таблице 1 приняты следующие обозначения: φi - относительная оптическая сила i-й линзы или компонента в соответствии с позицией на фиг.1; d12 - расстояние между компонентами по оптической оси; L - расстояние от первой поверхности мениска поз.4 до плоскости изображений системы; D - диаметр входного зрачка оптической системы. Коэффициент k, введенный для обоснования соотношения (1), рассчитан следующим образом: .

Как следует из таблицы 1 и фиг.1, знаки оптических сил компонентов и входящих в них линз, а также форма линз первого компонента соответствуют заявляемым. В различных примерах конкретного исполнения оптические силы первого и второго менисков первого компонента составляют соответственно (1,92÷2,57) и -(1,77÷1,05) от оптической силы первого компонента, что обосновывает заявленный диапазон изменения оптических сил линз первого компонента.

Мениски первого компонента во всех примерах реализации выполнены из кремния и германия. В указанном рабочем спектральном диапазоне приемника (λ1=3,6 мкм; λ0=4,25 мкм; λ2=4,9 мкм) эти материалы имеют следующие характеристики:

Si 3,427 474,5 0,614
Ge 4,032 218,2 0,616

при этом - показатель преломления; - коэффициент средней дисперсии; - коэффициент частной дисперсии материала. Таким образом, показатели преломления составляют соответственно 3,427 и 4,032, коэффициенты средней дисперсии отличаются в 2,2 раза, коэффициенты частной дисперсии равны с точностью до двух знаков после запятой, т.е. близки по величине, что соответствует заявленным характеристикам материалов в предлагаемой оптической системе.

Как следует из таблицы 1, последовательность материалов и оптические силы в линзах 6-10 компонента 2 в разных примерах конкретных исполнений отличаются, но неизменным остается количество линз - пять линз, и два материала. Конкретные значения конструктивных параметров легко обеспечиваются стандартной оптимизацией, входящей в состав любой современной оптической программы по расчету оптических систем, при использовании указанного числа линз, тех же материалов, что и в линзах 4 и 5 компонента 1, и соблюдении соотношения (1).

Относительные отверстия в различных примерах конкретного исполнения составляют 1:2 и 1:3, что превышает величину относительного отверстия в наиболее близком аналоге.

Во всех примерах конкретного исполнения наибольший диаметр линз практически равен диаметру входного зрачка. Входной зрачок совмещен с первым компонентом оптической системы. Как следует из фиг.1, диаметр наклонного пучка лучей в пространстве предметов практически равен диаметру осевого пучка лучей: разница не превышает 10%. Преломляющие поверхности всех линз объектива являются сферическими.

Рабочий спектральный диапазон во всех примерах конкретного исполнения превышает в 1,3 раза спектральный диапазон в наиболее близком аналоге.

Как следует из таблицы 1, величина коэффициент k для всех примеров конкретного исполнения превышает 1, что соответствует заявленному соотношению (1).

Расчет величины коэффициента k, проведенный по конструктивным параметрам оптической системы, приведенным в наиболее близком аналоге [Патент US 7136235 B2, 2006. Фиг.1], показал, что в нем величина указанного коэффициента составляет 0,7, что лежит за пределами заявленного диапазона в соотношении (1) в предлагаемом устройстве.

Следует отметить, что в таблице 1 приведенные примеры конкретных исполнений имеют различную длину L оптической системы, при этом расстояние d12 между компонентами таково, что позволяет вводить в систему дополнительные зеркала, например, для удобства конструктивной компоновки системы, а также различные устройства, например, для осуществления микросканирования или дискретного изменения фокусного расстояния и поля зрения, что является дополнительным преимуществом заявляемого устройства.

Для подтверждения высокого качества изображения предлагаемой оптической системы для четырех примеров конкретного исполнения, представленных в таблице 1 и имеющих относительное отверстие 1:2, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения.

На фиг.2а, 2б, 2в и 2г приведены графики продольной хроматической аберрации для примеров, имеющих соответственно в таблице 1 номера 1, 2, 4 и 6. Из указанных графиков следует, что в указанных примерах достигается высокая степень коррекции хроматической аберрации: например, в примере №4 (f′=180 мм, 1:2) остаточный продольный хроматизм не превышает 0,0032 мм, что составляет 1/50000 от величины фокусного расстояния.

Графики ЧКХ для тех же примеров представлены на фиг.3а, 3б, 3в, 3г, графики ФКЭ - соответственно на фиг.4а, 4б, 4в, 4г, графики дисторсии - соответственно на фиг.5а, 5б, 5в, 5г. Из представленных графиков следует, что заявляемая оптическая система обеспечивает высокое качество изображения для каждого из примеров конкретного исполнения, близкое к дифракционному. Так, для примера №6 при коэффициенте передачи контраста 0,1 пространственная частота в плоскости изображений составляет 80 мм-1, что при фокусном расстоянии 350 мм соответствует 28 мрад-1 в пространстве предметов оптической системы. Величина дисторсии в разных примерах конкретных исполнений колеблется от 1,6% (пример 2) до 0,1% (пример 4), что является приемлемым для оптических систем тепловизионных приборов.

Для примеров №3, 5, 7, приведенных в таблице 1 и имеющих меньшее относительное отверстие - 1:3, в оптической системе обеспечивается более высокая степень коррекции аберраций, и поэтому качество изображения также является дифракционно ограниченным.

Анализ качества изображения во всех примерах конкретных исполнений, представленных в таблице 1, подтверждает высокое качество изображения, близкое к дифракционному, и приемлемую для тепловизионных приборов величину дисторсии.

Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемой оптической системы с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ИК диапазона спектра, обладающей совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать технологичную, экономически эффективную конструкцию оптической системы с высокими техническими характеристиками, использовать ее совместно с современными охлаждаемыми матричными приемниками среднего ИК диапазона спектра в тепловизионных приборах.

Литература

1. Патент US 6423969 B1, 2002.

2. Патент РФ 2236031, 2004.

3. Патент US 7136235 B2, 2006.

1. Оптическая система с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ИК диапазона спектра, состоящая из оптически связанных расположенных по ходу лучей двух компонентов, включающих семь линз, с промежуточным изображением между компонентами и апертурной диафрагмы, расположенной между вторым компонентом и плоскостью изображений, отличающаяся тем, что первый компонент выполнен из двух линз, а второй компонент - из пяти линз, преломляющие поверхности линз первого и второго компонентов являются сферическими, линзы первого компонента выполнены в форме менисков, обращенных вогнутой стороной к плоскости изображений; оптические силы первого и второго менисков первого компонента составляют соответственно (1,9÷2,7) и -(1,8÷1,0) от оптической силы первого компонента, а их материалы имеют соответственно показатели преломления не ниже 3,4 и 4,0, при этом коэффициенты средней дисперсии материалов отличаются не менее чем в 2 раза, при близости величин коэффициентов частных дисперсий, линзы второго компонента выполнены из тех же материалов, что и мениски первого компонента, при этом имеет место следующее соотношение:
-f′f′2/f′1≥p′,
где f′1, f′2, f′ - фокусные расстояния соответственно первого, второго компонентов и всей оптической системы;
p′ - расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображений.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптическому приборостроению, конкретно к проекционным объективам с большим относительным отверстием, и может быть использовано, например, в оптических системах переноса изображения с рентгеновского экрана на ПЗС-матрицу.

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.

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.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам приборов ночного видения (ПНВ), и может быть использовано в качестве объектива переноса изображения с экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОП) на ПЗС-матрицу.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к объективам, работающим с ПЗС-приемниками, и может быть использовано для получения информации от внешних объектов.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, конкретно к проекционным объективам с большим относительным отверстием, и может быть использован, например, в оптических системах переноса изображения с рентгеновского экрана на ПЗС-матрицу.

Изобретение относится к широкоугольным объективам с большим относительным отверстием и может быть использовано, например, с приборами с зарядовой связью (ПЗС) для получения визуальной информации о наблюдаемом через объектив объекте.

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

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.

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

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.

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.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к инфракрасным (ИК) телескопическим (афокальным) системам со сменой увеличения для дальней ИК области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.

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.

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
Наверх