Инфракрасная система с двумя полями зрения

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами, осуществляющих обнаружение и распознавание объектов. Инфракрасная система с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную и вторую отрицательную выпукло-вогнутые линзы, второго компонента, содержащего двояковогнутую линзу и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего компонента, содержащего двояковыпуклую линзу, четвертого компонента, содержащего первую вогнуто-выпуклую и вторую выпукло-вогнутую положительные линзы, третью отрицательную выпукло-вогнутую и двояковыпуклую линзы, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой. В пространстве между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение. Для фокусных расстояний f'_I и f'_IV первого и четвертого компонентов соответственно и максимального фокусного расстояния системы f'_max выполняются следующие соотношения: 0,6<f'_I/f'_max<0,72; 0,08<f'_IV/f'_max<0,2. За счет конструктивного выполнения инфракрасной системы с двумя полями зрения повышается концентрация энергии при минимальном фокусном расстоянии (в широком поле зрения), что обеспечивает высокое качество изображения системы и улучшает ее обнаружительную способность. 2 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами, осуществляющих обнаружение и распознавание объектов.

Известен объектив с двумя полями зрения для среднего инфракрасного диапазона (см. патент US 6424460 В1, МПК⁷ G02B 15/14, опубл. 23.07.2002 г.) с фокусным расстоянием 160/53 мм и относительным отверстием 1:2,5, в котором смена полей зрения осуществляется перемещением одного из компонентов вдоль оптической оси. Недостатком объектива являются малое фокусное расстояние в узком поле зрения, отсутствие промежуточного изображения, не обеспечивающее минимизацию габаритов входной линзы, и большое количество используемых материалов линз.

Также известен объектив для дальнего инфракрасного диапазона (см. патент RU 2400784 С1, МПК⁷ G02B 13/14, опубл. 27.09.2010 г.), содержащий десять линз с фокусным расстоянием 210/70 мм и относительным отверстием 1:2, смена полей зрения осуществляется перемещением двух компонентов вдоль оптической оси. Недостатками этого объектива являются большое количество линз, наличие двух перемещаемых компонентов и величина их перемещения (для одного из компонентов более 100 мм).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе, принятой за прототип, является система, приведенная в патенте RU 2541420 С1, МПК G02B 13/14, опубл. 10.02.2015 г., состоящая из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего положительную выпукло-вогнутую линзу, второго компонента, содержащего двояковогнутую линзу, третьего компонента, содержащего двояковыпуклую линзу, и четвертого компонента, содержащего первую двояковыпуклую и вторую выпукло-вогнутую положительные линзы. Второй компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси в пространстве между первым и третьим компонентами для осуществления переключения полей зрения, при этом между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение. Линза первого компонента и первая линза третьего компонента выполнены асферо-дифракционными; линзы второго и третьего компонентов выполнены асферическими. Указанная система предназначена для работы в средневолновом инфракрасном диапазоне спектра с относительным отверстием 1:2, в широком поле зрения, соответствующем режиму обнаружения объектов, фокусное расстояние составляет f'_min=107 мм, в узком поле зрения, соответствующем режиму распознавания, фокусное расстояние - f'_max=320 мм, длина от первой поверхности до плоскости чувствительных элементов - L=343 мм. Наличие промежуточного изображения обеспечивает возможность оптимального сопряжения с приемником излучения с охлаждаемой диафрагмой.

В таких системах надежность обнаружения объектов обеспечивается хорошим качеством изображения на краю поля зрения при минимальном фокусном расстоянии (широкое поле зрения), тогда как при максимальном фокусном расстоянии допустимо снижение качества изображения на краю, в связи с тем, что в режиме распознавания работа системы осуществляется центром поля зрения.

В указанной системе концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм в узком поле зрения составляет 74% в центре и 69% на краю поля зрения, в широком - 77% в центре и 40% на краю поля зрения, что недостаточно для обеспечения надежности обнаружения объектов. Ухудшение качества изображения при минимальном фокусном расстоянии обусловлено наличием асферо-дифракционных элементов, которые, обеспечивая уменьшение массы системы и высокое качество изображения в узком поле зрения, являются сложными в изготовлении и повышают стоимость изделия.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение высокого качества изображения инфракрасной системы за счет повышения концентрации энергии на краю поля зрения при минимальном фокусном расстоянии с сохранением габаритных размеров.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасной системе с двумя полями зрения, состоящей из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу, второго компонента, содержащего двояковогнутую линзу и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего, компонента, содержащего двояковыпуклую линзу, четвертого компонента, содержащего первую положительную и вторую положительную выпукло-вогнутую линзы, причем между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение, и фотоприемного устройства, в первом компоненте дополнительно введена вторая отрицательная выпукло-вогнутая линза, в четвертом компоненте первая линза выполнена вогнуто-выпуклой и дополнительно введены третья отрицательная выпукло-вогнутая и четвертая двояковыпуклая линзы, при этом выполняются следующие соотношения:

0,6<f'_I/f'_max<0,72;

0,08<f'_IV/f'_max<0,2,

где f'_I и f'_IV - фокусные расстояния первого и четвертого компонентов;

f'_max - максимальное фокусное расстояние системы.

На фигуре 1 представлена оптическая схема инфракрасной системы с двумя полями зрения.

На фигуре 2 представлены графики функции концентрации энергии (ФКЭ) системы в узком (а) и широком (б) полях зрения.

Инфракрасная система с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси первого компонента I, содержащего первую положительную 1 и вторую отрицательную 2 выпукло-вогнутые линзы, второго компонента II, содержащего двояковогнутую линзу 3 и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего компонента III, содержащего двояковыпуклую линзу 4, четвертого компонента IV, содержащего первую вогнуто-выпуклую 5 и вторую выпукло-вогнутую 6 положительные линзы, третью отрицательную выпукло-вогнутую 7 и двояковыпуклую 8 линзы, и фотоприемного устройства 9 с охлаждаемой диафрагмой 10. В пространстве между третьим III и четвертым IV компонентами формируется промежуточное изображение.

Для фокусных расстояний f'_I и f'_IV первого I и четвертого IV компонентов соответственно и максимального фокусного расстояния системы f'_max выполняются следующие соотношения: 0,6<f'_I/f'_max<0,72; 0,08<f'_IV/f'_max<0,2.

В таблице 1 приведены конструктивные параметры конкретного примера исполнения инфракрасной системы с двумя полями зрения.

В таблице 2 приведены соотношения, выполняемые в заявляемой системе, для фокусных расстояний f'_I и f'_IV первого I и четвертого IV компонентов соответственно и максимального фокусного расстояния системы f'_max для конкретного примера исполнения, приведенного в таблице 1.

В таблице 3 приведены значения переменных воздушных промежутков для двух полей зрения объектива.

В таблице 4 приведены технические характеристики.

В заявляемой инфракрасной системе за счет выбора конструктивного исполнения, при котором отсутствуют асферо-дифракционные элементы, а также выполнения соотношений, приведенных в таблице 2, улучшено качество изображения при минимальном фокусном расстоянии за счет повышения концентрации энергии на краю поля зрения. Как следует из графиков, представленных на фигуре 2, концентрация энергии в кружке диаметром 15 мкм в узком поле зрения составляет 73% в центре и 53% на краю поля зрения, а в широком - 71% в центре и 64% на краю, что выше, чем в прототипе, на 24%. При этом имеет место допустимое снижение концентрации энергии на краю в узком поле зрения.

Инфракрасная система с двумя полями зрения работает следующим образом: поток излучения проходит через линзы 1-4 компонентов I-III системы, преломляясь на каждой поверхности в соответствии с радиусами и материалами линз, и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем линзами 5-8 компонента IV переносится в плоскость чувствительных элементов приемника излучения 9. Диаметр пучка излучения определяется диаметром охлаждаемой диафрагмы 10 приемника излучения 9.

Смена полей зрения (фокусного расстояния) системы осуществляется перемещением линзы 3 второго компонента II вдоль оптической оси в пространстве между линзами 2 и 4 первого I и третьего III компонентов на 25 мм.

Таким образом, в заявляемой инфракрасной системе с двумя полями зрения за счет конструктивного исполнения, при котором отсутствуют асферо-дифракционные элементы, обеспечивается высокое качество изображения за счет повышения концентрации энергии при минимальном фокусном расстоянии в пределах всего поля зрения, при допустимом снижении концентрации энергии на краю поля зрения при максимальном фокусном расстоянии с сохранением габаритных размеров.

Инфракрасная система с двумя полями зрения, состоящая из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу, второго компонента, содержащего двояковогнутую линзу и установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси, третьего компонента, содержащего двояковыпуклую линзу, четвертого компонента, содержащего первую положительную и вторую положительную выпукло-вогнутую линзы, причем между третьим и четвертым компонентами формируется промежуточное изображение, и фотоприемного устройства, отличающаяся тем, что в первом компоненте дополнительно введена вторая отрицательная выпукло-вогнутая линза, в четвертом компоненте первая линза выполнена вогнуто-выпуклой и дополнительно введены третья отрицательная выпукло-вогнутая и четвертая двояковыпуклая линзы, при этом выполняются следующие соотношения:

0,6<f'_I/f'_max<0,72;

0,08<f'_IV/f'_max<0,2,

где f'_I и f'_IV - фокусные расстояния первого и четвертого компонентов;

f'_max - максимальное фокусное расстояние системы.