ДВУХКАНАЛЬНАЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА
TWO-CHANNEL OPTOELECTRONIC SYSTEM

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для головок самонаведения (ГСН), оптико-электронных систем (ОЭС) обнаружения, распознавания и автосопровождения, в частности, в составе бортовой аппаратуры, работающей в одном или нескольких спектральных диапазонах.
К оптическим системам ГСН предъявляются ряд специальных требований.
2
1. Высокая светосила оптической системы (ОС). Для регистрации объектов конечных размеров, чьи изображения в плоскости матричных приемников превышают размеры элемента приемника (например, пикселы), светосила пропорциональна квадрату относительного отверстия (D/f'), где D - диаметр входного зрачка, f' - фокусное расстояние ОС.
2
Для объектов точечных, чьи размеры изображения укладываются в размер пикселы, светосила пропорциональна D. Поэтому для ГСН, работающих по малым и большим объектам, ОС должна иметь одновременно большие D и D/f'. Кроме того, для распознавания объекта необходимо на приемнике формирование его изображения с размерами 4-5 пикселей, а для этого при заданном угловом размере объекта требуется увеличивать фокусное расстояние объективов.
2. Атермальность ОС, т.е. обеспечение постоянства положения плоскости изображения в широком интервале изменения температур в процессе регистрации изображения объекта.
3. Наличие сферического концентрического защитного стекла и обеспечение прокачки ОС в пределах ±10°.
4. Малые габаритно-массовые характеристики.
5. Высокое качество изображения.
Известна двухканальная система оптико-электронного следящего координатора для ГСН [см. 1. Патент на изобретение РФ №2101742, МПК G02B 26/10, G01S 3/78, опубл. 10.01.1998]. В этой ГСН ОС содержит главное зеркало (ГЗ), вторичное зеркало (ВЗ), корректирующую аберрации линзу, установленную между ГЗ и ВЗ, спектроделитель - плоскопараллельную пластинку со спектроделительным покрытием, установленный после ВЗ, и два фотоприемника на соответствующие спектральные интервалы. Угловые поля ГСН крайне незначительны, поэтому незначительны размеры приемников,
Данная оптико-электронная система не изображающая, а энергетическая, имеющая низкое качество изображения, неприемлемое для задач по распознаванию объектов, при этом система не атермальна и чувствительна к изменению температуры.
Известен двухканальный зеркально-линзовый объектив [см. 2. Патент на изобретение РФ №2256205, МПК G02B 17/08, G02B 13/16, опубл. 10.07.2005].
Двухканальный зеркально-линзовый объектив содержит зеркально-линзовый канал прибора ночного видения (ПНВ) с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) и линзовый тепловизионный (ТП) канал, расположенный в зоне центрального экранирования зеркально-линзового канала ПНВ с ЭОП. Зеркально-линзовый канал выполнен в виде четырех компонентов, первый из которых имеет вырезанную центральную зону, на второй поверхности второго компонента нанесено кольцевое отражающее покрытие, третий компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутыми поверхностями к пространству предметов, имеющего внутреннее отражающее покрытие на второй поверхности и вырезанную центральную зону. Линзовый ТП канал выполнен в виде двух компонентов, между которыми установлено поворотное зеркало. Все линзы компонентов имеют форму менисков, обращенных вогнутыми поверхностями к плоскости изображений. Первый компонент линзового ТП канала установлен в отверстии первого компонента зеркально-линзового канала. Первый компонент зеркально-линзового канала выполнен в виде плоскопараллельной пластинки, второй компонент зеркально-линзового канала выполнен в виде выпукло-плоской линзы, четвертый компонент зеркально-линзового канала выполнен из трех одиночных линз в форме менисков, при этом первый и второй мениски обращены к плоскости изображений своими вогнутыми поверхностями, третий мениск - выпуклыми. Второй компонент линзового ТП канала выполнен в виде одиночного мениска. Во втором варианте первый компонент линзового ТП канала выполнен в виде одиночного мениска, а первый мениск второго компонента обращен вогнутыми поверхностями к пространству предметов.
Однако данный двухканальный зеркально-линзовый объектив имеет большие габариты, поскольку канал ТП установлен перед каналом ПНВ, введено дополнительное большое наклонное зеркало, выводящее изображение под углом 90° на край корпуса объектива; низкую светосилу канала ТП, ограниченную диаметром вторичного зеркала канала ПНВ; отсутствие возможности прокачки (поворота) оптической системы из-за применения плоского защитного стекла.
Наиболее близкой по технической сущности, принятой за прототип, является двухканальная оптико-электронная система [см. 3. Патент на полезную модель РФ №44836, МТК G02B 17/08, опубл. 27.03.2005], каждый из каналов которой содержит объектив и установленный на его оптической оси фотоприемник, при этом объектив первого оптико-электронного канала выполнен зеркально-линзовым с центральным экранированием. Второй оптико-электронный канал установлен перед первым, имея с ним общую оптическую ось, при этом диаметр каждого из компонентов второго оптико-электронного канала не превышает диаметра зоны центрального экранирования объектива первого оптико-электронного канала.
Данная двухканальная оптико-электронная система может быть выполнена двухполевой (широкое и узкое поля зрения) или двухспектральной.
1
2
Установленный в первом канале зеркально-линзовый объектив включает последовательно установленные ГЗ, ВЗ, линзовый компенсатор аберраций (ЛКА) и фотоприемник излучения спектрального диапазона Δλ=0.4-0.95 мкм, совмещенный с фокальной плоскостью ОС. Второй канал содержит ГЗ, ВЗ и ЛКА и фотоприемник излучения спектрального диапазона Δλ.=3-5 или 8-12 мкм.
1
2
2
ВЗ
ВЗ
1
Таким образом, оба канала построены идентично: они состоят из ГЗ, ВЗ и ЛКА. Объектив первого канала имеет диаметр входного зрачка D, объектив второго канала - D. Причем, поскольку второй канал установлен в зоне центрального экранирования первого канала, то D - не более диаметра ВЗ первого канала (D)- Для зеркально-линзовых ОС D≈0,35-0,4D, поэтому светосила второго канала в  раз ниже светосилы первого канала.
Кроме того, прототип имеет большие габаритно-массовые характеристики, поскольку ОС представляет собой два последовательно установленных объектива;
- отсутствие термостабилизации, ОС неатермальна;
- в качестве защитных стекол обоих каналов использует плоскопараллельные пластинки, что исключает возможность прокачки О.С;
- применяет в качестве ГЗ сферическое зеркало, вносящее сферическую аберрацию, которая ограничивает увеличение относительного отверстия оптической системы канала, а двухлинзовый корректор полевых аберраций дает невысокое качество изображения по полю.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества изображения и светосилы путем увеличения светосилы второго канала до светосилы первого канала, обеспечение атермальности обоих каналов системы и возможности ее прокачки, а также упрощение конструкции системы при одновременном уменьшении ее габаритно-массовых характеристик.
Для достижения указанного технического результата предлагаемая двухканальная ОЭС, содержащая первый канал, образуемый зеркально-линзовым объективом, включающим последовательно установленные главное зеркало (ГЗ), вторичное зеркало (ВЗ), линзовый компенсатор аберраций (ЛКА) и фотоприемник излучения спектрального диапазона Δλ1=8-12,5 мкм, и второй канал, установленный перед первым, оптическая ось которого соосна оптической оси первого канала, образованный ГЗ, ЛКА, установленным в зоне центрального экранирования первого канала, и фотоприемником излучения спектрального диапазона Δλ2=0,4-0,7 мкм, отличается тем, что на выпуклую поверхность ВЗ нанесено спектроделительное покрытие, отражающее спектральное излучение Δλ1 и пропускающее Δλ2, ЛКА обоих каналов выполнены с положительным линейным увеличением β, удовлетворящим условию 0.8<β<1.2.
I,2
I,3
Кроме того, ЛКА первого канала состоит из трех линз, выполненных из Ge, при этом первая линза по ходу луча - отрицательный мениск с оптической силой фи, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости изображения, вторая линза - положительная двояковыпуклая с оптической силой ϕ, третья линза - положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости изображения, с оптической силой ϕ, при этом относительные оптические силы линз удовлетворяют условию
I,1
I
3,50≤|-ϕ/ϕ|≤5,50,
I,2
I
4,50≤ϕ/ϕ≤6,50,
I,3
I
0,15≤ϕ/ϕ≤0,35,
I
где ϕ - эквивалентная оптическая сила первого канала.
II,1
II,2
II,3
II,4
ЛКА второго канала состоит из четырех линз, выполненных из материала с показателем преломления n≥1,8, из которых по ходу луча первые три линзы - мениски, обращенные вогнутыми поверхностями к плоскости изображения, с оптическими силами ϕ ϕ, - ϕ соответственно, четвертая линза - двояковыпуклая с оптической силой ϕ, при этом относительные оптические силы линз удовлетворяют условию:
II,1
II
0,10≤ϕ/ϕ≤0,30,
II,2
II
0,30≤ϕ/ϕ≤0,5,
II,3
II
7,0≤|-ϕ/ϕ|≤10,0,
II,4
II
8,5≤ϕ/ϕ≤10,5,
II
где ϕ - эквивалентная оптическая сила второго канала.
Кроме того, ГЗ и ВЗ выполнены асферическими путем выполнения зеркальной поверхности ГЗ эллиптической, а зеркальной поверхности ВЗ - гиперболической.
При этом перед ГЗ установлено защитное стекло в виде концентрической сферической линзы с центром кривизны поверхностей, совпадающим с центром прокачки оптической системы.
Покажем влияние указанных выше отличий на достижение технического результата.
Поскольку ЛКА в обоих каналах имеют положительное увеличение β, удовлетворящее условию 0.8<β<1.2, то смещение плоскости изображения, обусловленное изменением радиусов кривизны линз, толщин и показателей преломления оптических материалов из-за изменения температуры, не приводит к смещению плоскости изображения (дефокусировке) и соответственно к ухудшению качества изображения. Это обеспечивает термостабильность или атермальность каналов оптико-элетронной системы.
Светосила ОС определяется диаметром главного зеркала.
Увеличение светосилы второго канала обеспечивается тем, что диаметр входного зрачка канала равен диаметру главного зеркала первого канала, т.е. для точечных объектов, для которых светосила пропорциональна квадрату диаметра входного зрачка, она становится одинаково высокой для обоих каналов. Для протяженных объектов, для которых светосила пропорциональна квадрату относительного отверстия, высокая светосила второго канала достигается малым значением фокусного расстояния, равным половине радиуса главного зеркала, при этом ЛКА обеспечивает требуемое качество изображения.
Возможность прокачки ОС обусловлена тем, что применено защитное стекло в виде концентрической линзы, центры кривизны которой совпадают с центром прокачки. В этом случае все оптические параметры каналов одинаковы при любом угле наклона (прокачки) ОС.
Упрощение конструкции при одновременном уменьшении габаритно-массовых показателей достигается тем, что ОС обоих каналов совмещены: единое главное зеркало, разделение каналов выполняется общей спектроделительной поверхностью, которая для первого канала отражающая, а для второго - пропускающая излучение. Во втором канале отсутствуют дополнительные зеркальные поверхности, в отличие от прототипа, увеличивающие габаритно-массовые показатели.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, где представлена оптическая схема двухканальной оптико-электронной системы и Приложением, в котором приведены оптические параметры каналов и характеристики качества изображения.
Согласно чертежу в предлагаемой двухканальной оптико-электронной системе оба канала закрыты защитным стеклом 1, представляющим собой концентрическую сферическую линзу с центром кривизны поверхностей, совпадающим с точкой А прокачки О.С.
1
1
Первый канал образуют главное эллиптическое зеркало 2, вторичное зеркало 3 со спектроделительной гиперболической поверхностью 4, отражающей излучение спектрального диапазона Δλ; линзовый компенсатор аберраций, состоящий из трех линз: отрицательного мениска 5, двояковыпуклой линзы 6, положительного мениска 7, выполненных из германия, и матричного фотоприемника 8, работающего в диапазоне Δλ=8-12,5 мкм.
2
2
Второй канал образуют главное эллиптическое зеркало 2 и 4-линзовый компенсатор аберраций 3, 9-11, а также матричный фотоприемник 12, работающий в диапазоне Δλ=0,4-0,7 мкм. Линзовый компенсатор аберраций состоит из вторичного зеркала 3, выполненного в виде менисковой линзы со спектроделительной гиперболической поверхностью 4, пропускающей излучение в спектральным диапазоне Δλ, менисковой положительной линзы 9, отрицательного мениска 10 и двояковыпуклой линзы 11.
ЛКА в обоих каналах имеют положительное увеличение β, удовлетворящее условию 0.8<β<1.2. В этом случае смещение плоскости изображения, обусловленное изменением радиусов кривизны линз, толщин и показателей преломления оптических материалов из-за изменения температуры, не приводит к смещению плоскости изображения (дефокусировке) и, соответственно, к ухудшению качества изображения. Это обеспечивает термостабильность или атермальность каналов оптико-элетронной системы. Достижение линейного увеличения, близкого к единице, происходит подбором оптических сил линз в обоих каналах.
Коррекция аберраций первого канала осуществляется выполнением ГЗ эллиптическим и ВЗ гиперболическим, что позволяет исправить сферическую аберрацию и частично кому, и введением линзового корректора аберраций, исправляющего полевые аберрации кому, астигматизм и кривизну изображения. Исправление кривизны изображения осуществляется путем выполнения условия
ГЗ
ВЗ
I,1
I,2
I,3
где ϕ, ϕ - нормированные оптические силы главного эллиптического зеркала (ГЗ) 2 и вторичного гиперболического зеркала (ВЗ) 3, n - показатель преломления материала линз (германия), в данном случае Ge, ϕ, ϕ, ϕ - нормированные оптические силы линз ЛКА.
Астигматизм исправляется за счет применения менисковых линз и выбора положения вогнутых поверхностей относительно плоскости изображения.
Коррекция аберраций второго канала осуществляется ЛКА. Главное зеркало, выполненное эллиптическим, вносит большую сферическую аберрацию параллельного пучка лучей. ЛКА выполняет коррекцию четырех аберраций в изображении удаленного объекта, образованного в фокальной плоскости ГЗ: сферическую аберрацию, кому, астигматизм и кривизну изображения. Выбранные оптические силы линз обеспечивают работу ЛКА с положительным увеличением β, удовлетворящим условию 0.8<β<1.2, и коррекции кривизны изображения
1
2
3
4
где n, n, n, n - показатели преломления оптических материалов линз второго канала.
Как и в первом канале ЛКА второго канала атермален, при изменении температуры изменение оптических сил линз и механической конструкции из стали не вызывает дефокусировку. Установка менисковых линз вогнутыми поверхностями к плоскости изображения и выбор оптических сил минимизирует аберрации высших порядков и компенсирует сферическую аберрацию, кому и астигматизм.
Работа двухканальной оптико-электронной системы осуществляется следующим образом.
1
2
Параллельный пучок излучения от удаленного объекта проходит защитное стекло 1 и формирует одновременно изображение объекта на фотоприемнике 8 первого канала в спектральном диапазоне Δλ и на фотоприемнике 12 в спектральном диапазоне Δλ. В первом канале излучение отражается от ГЗ 2 и спектроделительной поверхности 4 ВЗ 3, проходит трехлинзовый компенсатор аберраций 5, 6, 7 и фокусируется на приемнике 8, чья чувствительная поверхность совмещена с фокальной плоскостью первого канала.
Во втором канале излучение отражается от ГЗ 2, проходит спектроделительную поверхность 4 линзы 3, и после прохождения линз 9, 10, 11 ЛКА фокусируется в приемнике 12, чья чувствительная поверхность совмещена с фокальной плоскостью второго канала.
1
2
Таким образом, изображение объекта формируется одновременно в двух спектральных диапазонах Δλ и Δλ.
1
2
1
2
1
2
Рассмотрим пример выполнения предлагаемой двухканальной оптико-электронной системы: она содержит сферическое концентрическое защитное стекло, выполненное из селенида цинка (ZnSe), пропускающее излучение инфракрасного диапазона Δλ=8-12,5 мкм и видимого и ближнего ИК-диапазона Δλ=0,55-0,9 мкм. Радиусы кривизны защитного стекла R=87,3 мм, R=81,3 мм, толщина по оси d=R-R=6 мм.
2
Главное зеркало объектива двухканальной оптико-электронной системы - эллипсоид вращения с квадратом эксцентриситета e=0,6497.
2
1
2
Вторичное зеркало - гиперболоид вращения с e=4,117 представляет собой спектроделительную поверхность, отражающую излучение Δλ=8-12,5 мкм и пропускающую излучение Δλ=0,55-0,9 мкм.
Линзовый компенсатор аберраций I-го канала состоит из трех линз из материала германий и относительными оптическими силами, равными
ϕ<sub>I,1</sub>ϕ<sub>I</sub>=-4,54
поз. 5 рисунка
ϕ<sub>I,2</sub>ϕ<sub>I</sub>=5,60
поз. 6 рисунка
ϕ<sub>I,3</sub>ϕ<sub>I</sub>=0,11
поз. 7 рисунка
Линзовый компенсатор II-го канала состоит из четырех линз с относительными оптическими силами:
ϕ<sub>II,1</sub>ϕ<sub>II</sub>=0,23
поз. 3 рисунка
ϕ<sub>II,2</sub>ϕ<sub>II</sub>=0,57
поз. 9 рисунка
ϕ<sub>II,3</sub>ϕ<sub>II</sub>=-8,24
поз. 10 рисунка
ϕ<sub>II,4</sub>ϕ<sub>II</sub>=8,98
поз. 11 рисунка
1
2
Линейное увеличение ЛКА I-го канала β=1,17; II-го канала β=1,13.
В фокальной плоскости I-го ИК-канала установлен болометрический матричный приемник с размерами пиксела 17 мкм, числом элементов 640×480 и линейным размером чувствительной зоны 10,44×8,16 м.
В Приложении приведены: оптические параметры первого и второго каналов и характеристики качества изображения.