ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ
OPTICAL SYSTEM OF THERMAL IMAGING DEVICE WITH TWO FIELDS OF VIEW

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов различного назначения с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами.
max
min
L
max
Известна оптическая система (см. патент US 8446472, МПК H04N 5/33, публ. 21.05.2013 г.), содержащая четырехлинзовый входной объектив и трехлинзовый проекционный объектив. Система работает как минимум в трех режимах: двух режимах наблюдения (обнаружения и распознавания) и калибровки (выравнивания неоднородности чувствительных элементов), переключение которых осуществляется перемещением двух оптических элементов входного объектива вдоль оптической оси, при этом максимальное фокусное расстояние f' составляет 132 мм, минимальное f' - 27 мм, относительное отверстие 1:3, длина системы от первой поверхности до плоскости изображения L>160 мм, при этом коэффициент телеукорочения T=L/f'>1,2.
Недостатками указанной системы являются небольшое фокусное расстояние, большой коэффициент телеукорочения и невозможность быстрого переключения режимов.
7
L
Также известна оптическая система для тепловизионных приборов (см. патент RU 2449328, МПК G02B 13/14, G02B 23/12, публ. 27.04.2012 г.), содержащая двухлинзовый входной объектив, пятилинзовый проекционный объектив и одно линзовый расфокусирующий элемент. Система работает в двух режимах: наблюдения и калибровки. Режим калибровки осуществляется вводом расфокусирующего элемента в оптический тракт в пространстве между входным и проекционным объективами, что позволяет перенести плоскость изображения в плоскость охлаждаемой диафрагмы. Фокусное расстояние системы f' составляет 60 мм, относительное отверстие 1:3, длина L>150 мм, при этом коэффициент телеукорочения T=L/f'>2,5.
Недостатками указанной системы являются наличие только одного режима наблюдения, небольшое фокусное расстояние и большой коэффициент телеукорочения.
7
max
min
L
max
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой оптической системе, принятой за прототип, является оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения (см. патент на изобретение RU 2608395, МПК G02B 13/14, G02B 15/02 публ. 18.01.2017 г.), состоящая из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную, вторую отрицательную и третью положительную выпукло-вогнутые линзы, второго компонента, содержащего первую и третью отрицательные вогнуто-выпуклые линзы и вторую двояковыпуклую линзу, третьего компонента, содержащего первую двояковыпуклую линзу, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу и третью положительную выпукло-вогнутую линзу, и фотоприемного устройства. Вторая и третья линзы первого компонента установлены с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси. Оптическая система работает в двух режимах наблюдения, переключение которых осуществляется вводом-выводом второго компонента в оптический тракт в пространстве между первым и третьим компонентами, при этом максимальное фокусное расстояние f' составляет 230 мм, минимальное f' - 33,5 мм, относительное отверстие 1:4. Длина системы от первой поверхности до плоскости изображения L=161 мм, т.е. коэффициент телеукорочения T=L/f'=0,7, что позволяет обеспечить компактность тепловизионного прибора в целом. К недостаткам системы можно отнести ее конструктивное исполнение, не предусматривающее работу в режиме калибровки и не обеспечивающее необходимой расфокусировки отраженного от оптических поверхностей холодного излучения фотоприемного устройства, как в режиме калибровки, так и в рабочем режиме, что отрицательно влияет на вероятность обнаружения и распознавания объекта.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение вероятности обнаружения и распознавания объектов оптической системой тепловизионного прибора с двумя полями зрения за счет обеспечения необходимой расфокусировки отраженного от оптических поверхностей холодного излучения фотоприемного устройства как в режиме калибровки, так и в рабочем режиме при сохранении компактности.
Указанная цель достигается тем, что в оптической системе тепловизионного прибора с двумя полями зрения, состоящей из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу и установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси вторую отрицательную и третью положительную линзы, второго компонента, установленного с возможностью ввода-вывода в оптический тракт и содержащего первую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, вторую двояковыпуклую линзу и третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, третьего компонента, содержащего первую двояковыпуклую линзу, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу и третью положительную выпукло-вогнутую линзу, и фотоприемного устройства, в соответствии с изобретением в первом компоненте вторая и третья линзы выполнены вогнуто-выпуклыми и дополнительно введен четвертый компонент, установленный с возможностью ввода-вывода в оптический тракт в пространстве между первым и третьим компонентами, содержащий две положительные линзы.
На фигуре 1 представлена схема оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения.
На фигуре 2 представлена схема оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в режиме калибровки.
На фигуре 3 представлены графики распределения относительной освещенности Е холодным излучением фотоприемного устройства, отраженным от всех поверхностей оптических деталей, по плоскости чувствительных элементов (начало координат соответствует центру плоскости) в системе-прототипе и заявляемой системе.
Оптическая система состоит из расположенных вдоль оптической оси первого компонента I, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу 1, вторую отрицательную 2 и третью положительную 3 вогнуто-выпуклые линзы, второго компонента II, содержащего первую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 4, вторую двояковыпуклую линзу 5 и третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 6, третьего компонента III, содержащего первую двояковыпуклую линзу 7, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 8 и третью положительную выпукло-вогнутую линзу 9, четвертого компонента IV, содержащего две положительные линзы 10 и 11, и фотоприемного устройства 12 с охлаждаемой диафрагмой 13. Линзы 2 и 3 первого компонента I установлены с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси. Второй II и четвертый IV компоненты установлены с возможностью поочередного ввода-вывода в оптический тракт в пространстве между первым I и третьим III компонентами.
В таблице 1 приведены технические характеристики системы, работающей в среднем инфракрасном диапазоне спектра.
В таблице 2.1 приведены конструктивные параметры системы, а в таблице 2.2 - конструктивные параметры четвертого компонента IV.
В узком поле зрения, соответствующем максимальному фокусному расстоянию, оптическая система работает следующим образом: излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через линзы 1-3 первого компонента I и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзы 7-9 третьего компонента III и попадает в фото приемное устройство 12, в плоскости чувствительных элементов которого формируется изображение, при этом охлаждаемая диафрагма 13 фотоприемного устройства 12 выполняет функцию апертурной диафрагмы системы.
В широком поле зрения, соответствующем минимальному фокусному расстоянию, излучение проходит через линзы 1-3 первого I и 4-6 второго II компонентов и фокусируется в той же плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзы 7-9 третьего компонента III и попадает в фотоприемное устройство 12, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов и охлаждаемая диафрагма 13 фотоприемного устройства 12 является апертурной диафрагмой системы.
Изменение поля зрения (фокусного расстояния) оптической системы осуществляется вводом-выводом второго компонента II в оптический тракт в пространстве между первым I и третьим III компонентами.
Для компенсации расфокусировки изображения при изменении температуры предусмотрено совместное перемещение вдоль оптической оси линз 2 и 3 первого компонента I.
В режиме калибровки в пространстве между первым I и третьим III компонентами вводится четвертый компонент IV. Излучение проходит через линзы 1-3 первого I, 10-11 четвертого IV и 7-9 третьего III компонентов и фокусируется в плоскости охлаждаемой диафрагмы 13. В фотоприемное устройство 12 попадает расфокусированное на всю область чувствительных элементов излучение, образуя тем самым равномерную засветку этой области. После этого четвертый компонент IV выводится из оптического тракта, и система работает в обычном режиме.
На представленной схеме хода лучей в режиме калибровки (фиг. 2) видно, что в результате совместного использования линз 2 и 3 первого компонента I, отличающихся конструктивным исполнением от прототипа, и двух введенных положительных линз 10 и 11 четвертого компонента IV, область чувствительных элементов фотоприемного устройства 12 полностью засвечивается.
Кроме того, за счет выбранной конструкции обеспечивается полная расфокусировка холодного излучения в области чувствительных элементов фотоприемного устройства в рабочем режиме. Из представленных на фиг. 3 графиков распределения освещенности плоскости изображения прототипа (а) и заявляемой системы (б) видно, что в системе, выбранной в качестве прототипа, имеет место резкий перепад освещенности, обусловленный недостаточной расфокусировкой холодного излучения поверхностями линз, что приводит к наличию дефекта в виде темного или светлого круга в центре изображения, а в заявляемой системе кривая имеет плавный, без резких перепадов вид, что говорит о формировании изображения без дефекта, что повышает вероятность обнаружения и распознавания объектов наблюдения.
L
max
Указанные в таблице значения максимального фокусного расстояния 219,8 мм и длины 161,85 мм обеспечивают коэффициент телеукорочения T=L/f'=0,73, что свидетельствует о компактности заявляемой системы.
Таким образом, выполнение оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет повысить вероятность обнаружения и распознавания объектов за счет обеспечения необходимой расфокусировки холодного излучения фотоприемного устройства как в режиме калибровки, так и в рабочем режиме при сохранении компактности.