Двухспектральная оптическая система

Двухспектральная оптическая система

Реферат

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве объектива к теплотелевизионным приборам в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Известна двухспектральная оптическая система для работы в теплотелевизионных 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.7.3.1 в), 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.

Задачей настоящего изобретения является увеличение светосилы обоих каналов, изменение спектрального диапазона тепловизионного канала на диапазон (8,0÷14,0) мкм в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении и упрощение оптического производства до стандартных освоенных серийных технологий 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 (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, в отличие от известного, общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск, при этом второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,5÷0,9) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы, третий компонент этого канала выполнен в виде положительного мениска, четвертый - в виде отрицательного мениска, пятый - в виде положительной линзы, второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, а толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:

d3<0,1(d2+d4),

где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;

d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;

d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм.

Такая оптическая система содержит меньшее число оптических деталей в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, не имеет склеенных оптических поверхностей и обеспечивает более высокую светосилу каждого из каналов.

Оптическая схема двухканальной системы показана на чертеже.

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

Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице.

Конструктивные параметры оптической системы
Радиусы	Толщины	Марка стекла	Световые диаметры
Общий входной канал
R1=475,3	d1=8,0	ZnS	90
R2-517,6	90
	d2=50,0
Зеркало с дихроичным покрытием
R3=плоскость	d3=3,0	ZnS	-
R4=плоскость	-
	d4=52,0	для отраженного канала (0,5÷0,9) мкм
	d4′=27,0	для проходящего канала (8,0÷14,0) мкм
Оптический канал спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм
R5=55,59	d5=11,0	CaF2	42,0
R6=-66,68	42,0
	d6=4,0
R7=-58,08	d7=4,5	ТФ8	40,0
R8=859,0	40,0
	d8=0,5
R9=43,55	d9=8,0	ТК21	40,0
R10=147,57	40,0
	d10-39,0
R12=18,072	d11=2,5	ТФ8	20,0
R13=10,351	16,0
	d12=1,9
R14=11,117	d13=9,9	ТК21	17,0
R15=20,42	12,0
	d14=5,2478
R16=плоскость	d15=1,0	К8	8,0
R17 = плоскость		(стекло фотоприемника)	7,0
	d16=1,3
R18 = плоскость		чувствительные элементы фотоприемника	6,0
Оптический канал спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм
R19=118,85	d19=7,0	Ge	105,5
R20=160,69	103,2
	d20=8,4
R21=731,1	d21=10,0	ZnSe	102,0
R22=449,8	98,0
	d22=95,0
R23=35,95	d23=5,6	Ge	37,5
R24=35,56	33,0
	d24=17,6
R25 = плоскость	d25=1,0	Ge (стекло фотоприемника)	18,0
R26 = плоскость	17,5
	d26=1,3
R27 = плоскость		чувствительные элементы фотоприемника	16,0

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

- расчетная длина волны	0,8 мкм;
- рабочий спектральный диапазон	(0,5÷0,9) мкм;
- фокусное расстояние	59,85 мм;
- линейное поле зрения	6,0 мм;
- относительное отверстие	1:1,4

Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:

- расчетная длина волны	11,0 мкм;
- рабочий спектральный диапазон	(8,0÷14,0) мкм;
- фокусное расстояние	109,1 мм;
- линейное поле зрения	16,0 мм;
- относительное отверстие	1:1,2

Принцип действия оптической системы заключается в следующем.

Первый компонент 1, выполненный в виде положительного 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 отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении выполнен из трехкомпонентной силовой части 3, 4 и 5, которая создает необходимую оптическую силу канала, и двухкомпонентного компенсатора полевых аберраций 6 и 7, компенсирующего кривизну поверхности изображения в спектральном диапазоне (0,5÷0,9) мкм.

Оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении выполнен из трех компонентов 8, 9 и 10, из которых компонент 9 выполнен в виде отрицательной линзы, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм, при этом толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:

d3<0,1(d2+d4),

где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;

d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;

d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм.

Оптическая схема двухспектральной системы позволяет при соблюдении толщины зеркала в соответствии с формулой уменьшать его габариты до размеров, при которых диаметр отраженного светового пучка вписывается в них без зарезания, а проходящий пучок проходит через зеркало центральной частью, при этом краевая часть пучка проходит вне зеркала, не снижая качества изображения.

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

- толщину защитного стекла 11 (или 12) фотоприемника, равную 1,0 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длинах волн 0,5 мкм, 0,7 мкм и 0,9 мкм, 1,0 на длинах волн 8,0 мкм, 11 мкм и 14 мкм;

- пространственную частоту ~70 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,5÷0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 6,5 мкм),

- пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷14,0) мкм с размером чувствительного элемента, равным 25 мкм),

получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:

- для оптического канала спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:

- для точки на оси	КПК=43%
- для точки поля 2,0 мм от центра
изображения	КПКМ=40%
	КПКС=47%
- для точки поля 3,0 мм от центра
изображения	КПКМ=50%
	КПКС=43%

- для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:

- для точки на оси	КПК=52%
- для точки поля 5,0 мм от центра
изображения	КПКМ=55%
	КПКС=58%
- для точки поля 8,0 мм от центра
изображения	КПКМ=50%
	КПКС=61%

Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает хорошее (канал 0,5÷0,9 мкм) и отличное (канал 8,0÷14,0 мкм) качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих общий входной канал и два фотоприемника:

- телевизионную ПЗС матрицу спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 6,5 мкм;

- микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм с размером пикселя 25 мкм.

Двухспектральная оптическая система, содержащая общий входной канал, плоское зеркало с дихроичным покрытием, отражающим спектральный диапазон (0,5÷0,9) мкм и пропускающим спектральный диапазон (8,0÷14,0) мкм, а также два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, отличающаяся тем, что общий входной канал содержит один компонент - положительный мениск, при этом второй компонент оптического канала в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении (0,5÷0,9) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, третий компонент этого канала выполнен в виде положительного мениска, четвертый - в виде отрицательного мениска, пятый - в виде положительной линзы; второй компонент оптического канала в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении (8,0÷14,0) мкм выполнен в виде отрицательной линзы, а толщина зеркала с дихроичным покрытием соответствует соотношению:d3<0,1(d2+d4),где d3 - толщина зеркала с дихроичным покрытием;d2 - расстояние между положительным мениском общего входного канала и зеркалом с дихроичным покрытием;d4 - расстояние между зеркалом с дихроичным покрытием и первым компонентом оптического канала в проходящем через это зеркало направлении (8,0÷14,0) мкм.