Двухспектральная оптическая система

Авторы патента:

Князева Светлана Николаевна (RU)

Гринкевич Александр Васильевич (RU)

Медведев Александр Владимирович (RU)

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

G02B13/14 - для инфракрасных или ультрафиолетовых лучей (G02B 13/16 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2662033:

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

Двухспектральная оптическая система может быть применена в широкоугольных тепло-телевизионных приборах. Оптическая система содержит общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,6÷0,95) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8÷13,5) мкм, и два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов. Общий входной канал содержит отрицательный мениск, а оптический канал, работающий в спектральном диапазоне (8,0÷13,5) мкм, выполнен двухкомпонентным с расположением апертурной диафрагмы между плоским зеркалом и первым компонентом, оптический канал, работающий в спектральном диапазоне (0,6÷0,95) мкм, выполнен шестикомпонентным с расположением апертурной диафрагмы между пятым и шестым компонентами. Технический результат - увеличение светосилы телевизионного канала и уменьшение количества оптических деталей в тепловизионном канале с расширением углового поля зрения обоих каналов и с сохранением высоких оптических характеристик. 1 ил., 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к широкоугольным тепло-телевизионным приборам в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Известна двухспектральная оптическая система для работы в тепло-телевизионных приборах в двух спектральных диапазонах - от 0,4 до 0,9 мкм и от 3,0 до 5,0 мкм (И.Л. Гейхман, В.Г. Волков «Видение и безопасность». Москва, ОАО «Типография «Новости», 2009 год, стр. 556, рис. 7.3.1в), содержащая общий входной канал из двух компонентов, последовательно расположенных по ходу луча - отрицательного мениска и положительной линзы, плоское зеркало с дихроичным покрытием, пропускающим один спектральный диапазон и отражающим другой, а также два оптических канала, работающих в различных спектральных диапазонах.

В отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении, перед фотоприемником установлен оптический канал, предназначенный для работы в спектральном диапазоне (0,4÷0,9) мкм и состоящий из последовательно расположенных положительной двояковыпуклой линзы, положительной линзы, склейки из отрицательной и положительной линз, поворотного зеркала и фотоприемника.

В проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении перед фотоприемником установлен оптический канал, предназначенный для работы в спектральном диапазоне (3,0÷5,0) мкм и состоящий из последовательно расположенных положительного мениска, двух положительных линз, поворотного зеркала и фотоприемника.

Недостатком этой оптической системы является невысокая светосила в канале (3,0÷5,0) мкм, равная 1:2, и значительное число оптических деталей в этом канале, что еще более уменьшает его физическую светосилу, а также невысокая светосила в канале (0,4÷0,9) мкм, равная 1:1,8 и наличие в нем склеенной линзы, что усложняет технологию его изготовления.

Наиболее близкой по технической сущности является двухспектральная оптическая система (патент RU 2436136 C1, опубл. 10.12.2011), содержащая общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8÷14) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, причем общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск, при этом первый компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,5÷0,9) мкм, выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, второй - в виде отрицательной линзы, третий компонент этого канала выполнен в виде положительного мениска, четвертый - в виде отрицательного мениска, пятый - в виде положительной линзы, первый и третий компоненты оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм, выполнены в виде положительных линз, второй компонент - в виде отрицательной линзы

Недостатком этой оптической системы является малые угловые поля зрения обоих каналов, сложность исполнения тепловизионного канала, содержащего по ходу лучей четыре оптических компонента, а также невысокая светосила телевизионного канала - 1:1,4.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы телевизионного канала до значения 1:1 и уменьшение количества оптических деталей в тепловизионном канале с расширением углового поля зрения обоих каналов и с сохранением высоких оптических характеристик.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в двухспектральной оптической системе, содержащей общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,6÷0,95) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8÷13,5) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, причем второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,6÷0,95) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы, четвертый - в виде отрицательного мениска, первый компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (8,0÷13,5) мкм, выполнен в виде положительной линзы, в отличие от известного, общий входной канал содержит отрицательный мениск, первый компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,6÷0,95) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы, третий и пятый компоненты этого канала выполнены в виде положительных двояковыпуклых линз, при этом канал имеет дополнительный шестой компонент, представляющий собой положительный мениск, и апертурную диафрагму, расположенную между пятым и шестым компонентами, а оптический канал, работающий в спектральном диапазоне (8,0÷13,5) мкм, выполнен двухкомпонентным, второй компонент которого является положительной линзой, причем апертурная диафрагма расположена между плоским зеркалом и первым компонентом оптического канала (8÷13,5) мкм, при этом выполняется следующее соотношение:

где F_ТП - фокусное расстояние оптического канала (8÷13,5) мкм;

F_ТВ - фокусное расстояние оптического канала (0,6÷0,95) мкм;

D_ТП - диагональ фотоприемника оптического канала (8÷13,5) мкм;

D_ТВ - диагональ фотоприемника оптического канала (0,6÷0,95) мкм.

Такая оптическая система содержит меньшее число оптических деталей в тепловизионном канале, работающем в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, и обеспечивает более высокую светосилу телевизионного канала, работающего в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении, а также расширяет угловое поле зрения обоих каналов и с сохранением высоких оптических характеристик.

Оптической схема двухканальной системы показана на фигуре 1.

Двухканальная оптическая система содержит общий входной канал, состоящий из отрицательной менисковой линзы 1, плоского зеркала 2 с дихроичным покрытием, пропускающим спектральный диапазон (8÷13,5) мкм и отражающим спектральный диапазон (0,6÷0,95) мкм, оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, состоящий из апертурной диафрагмы 3, положительной линзы 4, положительной линзы 5 и защитного стекла 6 фотоприемника 7, оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении, состоящий из отрицательной линзы 8, отрицательной линзы 9, положительной двояковыпуклой линзы 10, отрицательного мениска 11, положительной двояковыпуклой линзы 12, апертурной диафрагмы 13, положительного мениска 14 и защитного стекла 15 фотоприемника 16.

Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.

Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:

- расчетная длина волны	0,7 мкм;
- рабочий спектральный диапазон	(0,6÷0,95) мкм;
- фокусное расстояние	6,0 мм;
- линейное поле зрения	4,5 мм;
- угловое поле зрения	~41,1°;
- относительное отверстие	1:1

Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм:

- расчетная длина волны	10,6 мкм;
- рабочий спектральный диапазон	(8,0÷13,5) мкм;
- фокусное расстояние	18,2 мм;
- линейное поле зрения	13,6 мм;
- угловое поле зрения	~41,0°;
- относительное отверстие	1:1,3

Принцип действия оптической системы заключается в следующем.

Первый компонент 1, выполненный в виде отрицательного мениска, в сочетании со вторым компонентом 2, выполненным в виде зеркала с дихроичным покрытием, является единым входным окном для обоих каналов, работающих в различных спектральных диапазонах.

Оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, выполнен из двух положительных компонентов 4 и 5, а апертурная диафрагма 3 расположена между зеркалом 2 с дихроичным покрытием и компонентом 4, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций в спектральном диапазоне (8,0÷13,5) мкм, а также увеличение углового поля зрения.

Оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении, выполнен из силовой части - компоненты 8, 9 и 10, которая создает необходимую оптическую силу канала, и трехлинзового компенсатора полевых аберраций 11, 12, 14, компенсирующего кривизну поверхности изображения в спектральном диапазоне (0,6÷0,95) мкм, а апертурная диафрагма 13 расположена между пятым компонентом 12 и шестым компонентом 14, чем обеспечивается увеличение углового поля зрения и повышение светосилы до уровня 1:1.

Для реализации режима одновременного совмещения изображений от двух каналов разных спектральных диапазонов требуется совпадение величин полей зрения с точностью, позволяющей провести дополнительную электронную коррекцию, для чего необходимо выполнить следующее соотношение:

где F_ТП - фокусное расстояние оптического канала (8÷13,5) мкм;

F_ТВ - фокусное расстояние оптического канала (0,6÷0,95) мкм;

D_ТП - диагональ фотоприемника оптического канала (8÷13,5) мкм:

D_ТВ - диагональ фотоприемника оптического канала (0,6÷0,95) мкм.

Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:

- толщину защитного стекла 6 (или 15) фотоприемника, равную 1,0 мм (0,75 мм соответственно);

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длинах волн 0,6 мкм и 0,7 мкм, 0,8 на длине волны 0,8 мкм, 0,5 на длине волны 0,9 мкм и 0,2 на длине волны 0,95 мкм, 1,0 на длинах волн 8,0 мкм, 10,6 мкм, 12,5 мкм и 13,5 мкм;

- пространственную частоту ~90 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,6÷0,95) мкм с размером чувствительного элемента, равным 5,625 мкм),

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

получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:

- для оптического канала спектрального диапазона (0,6÷0,95) мкм:

- для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм:

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает хорошее качество изображения в обоих каналах (канал 0,6÷0,95 мкм и канал 8,0÷13,5 мкм) для оптико-электронных приборов, использующих общий входной канал и два фотоприемника:

- телевизионную ПЗС матрицу спектрального диапазона (0,6÷0,95) мкм с размером пикселя 5,625 мкм;

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

Двухспектральная оптическая система, содержащая общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,6÷0,95) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8÷13,5) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, причем второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,6÷0,95) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы, четвертый - в виде отрицательного мениска, первый компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (8,0÷13,5) мкм, выполнен в виде положительной линзы, и отличающаяся тем, что общий входной канал содержит отрицательный мениск, первый компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,6÷0,95) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы, третий и пятый компоненты этого канала выполнены в виде положительных двояковыпуклых линз, при этом канал имеет дополнительный шестой компонент, представляющий собой положительный мениск, и апертурную диафрагму, расположенную между пятым и шестым компонентами, а оптический канал, работающий в спектральном диапазоне (8,0÷13,5) мкм, выполнен двухкомпонентным, второй компонент которого является положительной линзой, причем апертурная диафрагма расположена между плоским зеркалом и первым компонентом оптического канала (8÷13,5) мкм, при этом выполняется следующее соотношение:

где F_ТП - фокусное расстояние оптического канала (8÷13,5) мкм;

F_ТВ - фокусное расстояние оптического канала (0,6÷0,95) мкм;

D_ТП - диагональ фотоприемника оптического канала (8÷13,5) мкм;

D_ТВ - диагональ фотоприемника оптического канала (0,6÷0,95) мкм.

Визирная система содержит низкосветосильный и высокосветосильный объективы и головную часть, которая содержит призму-куб, установленную над низкосветосильным объективом, и головное отражающее зеркало, установленное над высокосветосильным объективом, оптическая ось которого наклонена относительно вертикальной оси, совпадающей с оптической осью низкосветосильного объектива.

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.

Трехканальная зеркально-линзовая оптическая система // 2617173

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.

Четырехканальная зеркально-линзовая оптическая система // 2615162

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.

Устройство ночного видения // 2655997

Изобретение относится к оптической технологии, в частности к устройству ночного видения. Устройство ночного видения содержит первую светочувствительную микросхему, первую линзовую группу (101), первый экран дисплея, систему обработки изображений и систему управления для регулирования диапазона формирования изображений первой светочувствительной микросхемы посредством регулирования изменения оптического масштабирования первой линзовой группы и/или цифрового масштабирования системы обработки изображений.

Широкоугольный инфракрасный объектив // 2650743

Объектив может быть использован в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит четыре мениска, из которых первый, второй и четвертый по ходу луча - положительные, а третий - отрицательный.

Инфракрасная зеркально-линзовая система // 2646405

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах на основе охлаждаемых матричных приемников излучения. Инфракрасная зеркально-линзовая система состоит из расположенных по ходу лучей первого компонента, содержащего положительную линзу и главное вогнутое асферическое зеркало с центральным отверстием, второго компонента, содержащего первую и третью положительные и вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзы, и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой.

Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения // 2646401

Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения состоит из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую отрицательную и вторую положительную выпукло-вогнутые линзы и третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси, второго компонента, установленного с возможностью ввода-вывода в оптический тракт и содержащего первую отрицательную и вторую положительную вогнуто-выпуклые линзы и третью положительную выпукло-вогнутую линзу, третьего компонента, содержащего первую положительную и вторую отрицательную вогнуто-выпуклые линзы, третью выпукло-вогнутую и четвертую вогнуто-выпуклую положительные линзы, и фотоприемного устройства.

Трёхлинзовый атермализованный объектив для ик-области спектра // 2645446

Объектив может быть использован в тепловизорах с фотоприемными устройствами в виде микроболометрической матрицы, не требующей охлаждения до криогенных температур, работающей в спектральной области 8-12 мкм.

Инфракрасный трёхлинзовый объектив // 2643707

Изобретение может быть использовано в тепловизорах, чувствительных в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм. Объектив содержит три мениска, первый из которых - положительный, второй - отрицательный, третий - положительный.

Атермализованный широкоугольный объектив для ик-области спектра // 2642173

Изобретение может быть использовано в тепловизорах с матричными фотоприемными устройствами, не требующими охлаждения до криогенных температур, чувствительных в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием // 2641513

Объектив может быть использован в оптико-электронных приборах в условиях ограничения по массе и габаритам при эксплуатации. Объектив включает расположенные по ходу луча первый положительный мениск с одной асферической поверхностью, обращенный вогнутостью к плоскости изображений, второй мениск с возможностью его поворота на 180° и перемещения по оптической оси и третий положительный мениск с одной асферической поверхностью, обращенный вогнутостью к плоскости изображений.

Способ радиального разращивания профилированных монокристаллов германия // 2631810

Изобретение относится к технологии выращивания профилированных монокристаллов германия из расплава, применяемых в качестве материала для детекторов ионизирующих излучений, для изготовления элементов оптических и акустооптических устройств ИК-диапазона – линз и защитных окон объективов тепловизионных приборов, лазеров на окиси углерода, а также для изготовления подложек фотоэлектрических преобразователей.

Объектив для ближней ик-области спектра // 2631538

Изобретение может быть использовано в наблюдательных приборах и телевизионных обзорных комплексах. Объектив содержит апертурную диафрагму и четыре компонента.