Инфракрасная система

Инфракрасная система

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в оптико-электронных системах обнаружения и распознавания объектов, в охранных системах.

Известны полностью отражательные оптические системы с дискретно изменяемым угловым полем зрения (см. патенты EP 1679538 A1, публ. 12.07.2006 г., US 6084727 A, публ. 04.07.2000 г.), в которых изменение полей зрения осуществляется системой переключающихся плоских зеркал. Также известны линзовые оптические системы с дискретно и непрерывно изменяемым фокусным расстоянием (см. патенты RU 2460101, публ. 20.12.2011 г, RU 2400784, публ. 27.09.2010 г., RU 2310217, публ. 10.11.2007 г.), в которых дискретное изменение фокусного расстояния осуществляется вводом в оптический тракт дополнительной линзовой группы или перемещением одного из компонентов, а непрерывное изменение фокусного расстояния осуществляется одновременным перемещением двух компонентов.

В указанных системах кратность изменения фокусного расстояния (углового поля зрения) не превышает 9^× ( M = f max ' / f min ' ) , при этом значение максимального фокусного расстояния не превышает 500 мм.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой оптической системе, выбранной в качестве прототипа, является инфракрасная система переднего обзора (см. патент EP 1335176 A1, МПК⁷ G02B 13/14, опубл. 13.08.2003 г.), включающая два канала, работающие со своими входными окнами и взаимодействующие с помощью плоских зеркал:

- первый канал узкого поля зрения;

- второй канал среднего и широкого полей зрения.

Первый канал содержит афокальную насадку, состоящую из входного объектива и окулярной части, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство. Второй канал также содержит афокальную насадку, состоящую из входного объектива и окулярной части, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство. Входные объективы афокальных насадок являются отдельными для первого и второго каналов, при этом в первом канале входной объектив имеет фиксированное значение поля зрения (фокусного расстояния), а во втором канале поле зрения (фокусное расстояние) входного объектива дискретно изменяется, причем изменение осуществляется вводом в оптический тракт или выводом из него подвижных линзовых групп. Окулярная часть афокальных насадок, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство являются общими для первого и второго каналов. Переключение потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, а также изменение полей зрения во втором канале осуществляются с помощью устройства, содержащего подвижное плоское зеркало и две подвижные линзовые группы. При вводе подвижного зеркала в оптический тракт система переключается на работу в первом канале в режиме узкого поля зрения; при выводе из оптического тракта подвижного зеркала и вводе первой подвижной линзовой группы система переключается на работу во втором канале в режиме среднего поля зрения; при выводе из оптического тракта подвижного зеркала и вводе второй подвижной линзовой группы система переключается на работу во втором канале в режиме широкого поля зрения.

Система-прототип работает в спектральном диапазоне 8-10 мкм, диаметр входного зрачка (D₀) составляет 220,2 мм.

С учетом того, что в указанном спектральном диапазоне нецелесообразно применение оптических схем с диафрагменным числом, превышающим значение 2,8 (K=f′/D₀), максимальное фокусное расстояние системы-прототипа не превышает 620 мм.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение кратности изменения фокусного расстояния инфракрасной системы за счет расширения диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения, что обеспечит увеличение дальности обнаружения и повышение пространственного разрешения системы.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасной системе, состоящей 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, а также устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, в первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, а во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием, при этом устройство переключения потоков излучения установлено перед проекционным объективом.

А также тем, что афокальная насадка первого канала выполнена в виде двух отражательных элементов.

А также тем, что фокусирующий объектив первого канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и вогнуто-выпуклой линз, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остается неизменным, и неподвижной положительной плоско-выпуклой линзы.

А также тем, что входной объектив второго канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и двояковогнутой линз, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз и неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы.

А также тем, что проекционный объектив выполнен в виде положительной выпукло-вогнутой линзы.

На чертеже представлена оптическая схема инфракрасной системы с расположением элементов в каналах, соответствующим максимальному фокусному расстоянию.

Инфракрасная система содержит первый канал I, в состав которого входят последовательно установленные вдоль оптической оси афокальная насадка, которая может быть выполнена в виде двух отражательных элементов 1 и 2, плоское зеркало 3, фокусирующий объектив, содержащий последовательно установленные неподвижную положительную выпукло-вогнутую линзу 4, подвижные отрицательные выпукло-вогнутую линзу 5 и вогнуто-выпуклую линзу 6, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остается неизменным, неподвижную положительную плоско-выпуклую линзу 7, плоское зеркало 8, второй канал II, содержащий входной объектив, выполненный в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы 9, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой линзы 10 и двояковогнутой линзы 11, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз 12 и 13, неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы 14, и общие для первого I и второго II каналов последовательно установленные проекционный объектив, содержащий положительную выпукло-вогнутую линзу 15, и фотоприемное устройство 16, а также устройство переключения потоков излучения первого I и второго II каналов на фотоприемное устройство 16, выполненное в виде подвижного плоского зеркала 17 и установленное перед проекционным объективом 15.

Технические характеристики инфракрасной системы, работающей в спектральном диапазоне 3…5 мкм, приведены в таблице 1.

Таблица 1
Технические характеристики	Первый канал	Второй канал
Фокусное расстояние, мм	1200/600	400…50
Диаметр входного зрачка, мм	300/150	100…12,5
Коэффициент центрального экранирования	0,25/0,5	-
Линейное поле зрения в пространстве изображения, мм	9,6×7,68	9,6×7,68

Конструктивные параметры канала I инфракрасной системы приведены в таблице 2, канала II - в таблице 3.

Таблица 2
№ элемента	Радиус поверхности, мм	Толщина по оси, мм	Материал
1	r1=-10001)	d1=-375
2	r2=-2502)	d2=445
3	r3=∞/-45°	d3=94
4	r4=106,86	d4=7	Кремний
r5=188,59
		d5=50/35
5	r6=681,8	d6=4	Германий
r7=84,43
		d7=21,7
6	r8=-80,81	d8=4	Германий
r9=-114,22
		d9=10/25
7	r10=∞	d10=6	Кремний
r11=-125,93)
8	r12=∞/-45°	d11=28,8
17 (I)	r13=∞/-45°	d12=141,7
15	r14=45,195	d14=4	Германий
r15=181,44)
1), 2), 3) - асферические поверхности; 4) - асферо-дифракционная поверхность

Таблица 3
№ элемента	Радиус поверхности, мм	Толщина по оси, мм	Материал
9	r1=129,06	d1=10	Кремний
r2=192,935)
		d2=66
10	r3=74,49	d3=6	Кремний
r4=59,726)
		d4=66
11	r5=-87,937)	d5=4	Германий
r6=137,3
		d6=5,2
12	r7=99,47	d7=6	Кремний
r8=459,1
		d8=30,6
13	r9=28,02	d9=7	Кремний
r10=40,84
		d10=1
14	r11=41,77	d11=5	Германий
r12=26,388)
17 (II)	r13=∞/45°	d12=48,4
		d13=18,8
15	r14=43,22	d14=4	Германий
r15=151,189)
5), 9) - асферо-дифракционные поверхности; 6), 7), 8) - асферические поверхности

В канале I система работает следующим образом: поток излучения попадает на элемент 1 афокальной насадки, отражается от него, попадает на элемент 2, отражается от него и, отклоняясь плоским зеркалом 3, попадает на первую линзу 4 фокусирующего объектива, проходит через линзы 4, 5, 6, 7 (при этом подвижные линзы 5 и 6 занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f′=1200 мм), отклоняется плоским зеркалом 8 и фокусируется в плоскости промежуточного изображения ППИ (I), затем отклоняется плоским зеркалом 17 устройства переключения потоков излучения каналов, установленным в положении 17 (I), проходит через линзу 15 проекционного объектива и попадает в фотоприемное устройство 16, в плоскости чувствительных элементов которого формируется изображение.

При перемещении линз 5 и 6 фокусирующего объектива на 15 мм относительно занимаемого положения фокусное расстояние дискретно изменяется и принимает значение f′=600 мм, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.

В канале II система работает следующим образом: поток излучения попадает на первую линзу 9 входного объектива, проходит через линзы 9, 10, 11, 12, 13, 14 (при этом подвижные линзы 10 и 11 занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f′=400 мм) и фокусируется в плоскости промежуточного изображения ППИ (II), затем отклоняется плоским зеркалом 17 устройства переключения потоков излучения каналов, установленным в положении 17 (II), проходит через линзу 15 проекционного объектива и попадает в фотоприемное устройство 16, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.

При одновременном перемещении линз 10 и 11 входного объектива (каждая из линз перемещается по своему закону) осуществляется плавное изменение фокусного расстояния до значения f′=50 мм, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.

В таблице 4 приведены некоторые значения переменных воздушных промежутков d₂, d₄, d₆ входного объектива канала II.

Таблица 4
Фокусное расстояние, мм	d2, мм	d4, мм	d6, мм
400	66	66	5,2
200	69,5	47,95	19,75
100	58,3	50,3	28,6
50	31	73	33,2

В канале I максимальное значение фокусного расстояния инфракрасной системы f max ' = 1200   м м , в канале II минимальное значение фокусного расстояния f min ' = 50   м м , общая кратность изменения фокусного расстояния M = f max ' / f min ' = 1200 / 50 = 24 × . При этом изменение происходит в три ступени: при перемещении линз 5 и 6 в канале I фокусное расстояние изменяется дискретно, кратность его изменения составляет M₁=1200/600=2^×, при переключении подвижного плоского зеркала 17 из положения 17 (I) в положение 17 (II) фокусное расстояние дискретно изменяется, кратность его изменения составляет M₂=600/400=1,5^×, а при перемещения линз 10 и 11 в канале II фокусное расстояние изменяется плавно и кратность его изменения составляет M₃=400/50=8^×. Общая кратность изменения фокусного расстояния инфракрасной системы M=M₁·M₂·M₃=2·1,5·8=24^×.

Таким образом, выполнение инфракрасной системы в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет увеличить кратность изменения фокусного расстояния за счет расширения диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения, что обеспечивает повышение разрешающей способности и увеличение дальности обнаружения.

1. Инфракрасная система, состоящая 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, а также устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, отличающаяся тем, что в первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, а во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием, при этом устройство переключения потоков излучения установлено перед проекционным объективом.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что афокальная насадка первого канала выполнена в виде двух отражательных элементов.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что фокусирующий объектив первого канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и вогнуто-выпуклой линз, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остается неизменным, и неподвижной положительной плоско-выпуклой линзы.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что входной объектив второго канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и двояковогнутой линз, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз и неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что проекционный объектив выполнен в виде положительной выпукло-вогнутой линзы.