Двухспектральная оптическая система
TWO-SPECTRAL OPTICAL SYSTEM

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:
ТП
где F - фокусное расстояние оптического канала (8÷13,5) мкм;
ТВ
F - фокусное расстояние оптического канала (0,6÷0,95) мкм;
ТП
D - диагональ фотоприемника оптического канала (8÷13,5) мкм;
ТВ
D - 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:
ТП
где F - фокусное расстояние оптического канала (8÷13,5) мкм;
ТВ
F - фокусное расстояние оптического канала (0,6÷0,95) мкм;
ТП
D - диагональ фотоприемника оптического канала (8÷13,5) мкм:
ТВ
D - 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.