ТРЁХКАНАЛЬНАЯ ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, в частности, к многоспектральным оптико-электронным системам, и может быть использована в тепловизионных приборах.
Известен многоспектральный объектив [Лебедев О.А., Сабинин В.Е., Солк С.В., Крупногабаритный многоспектральный объектив. Оптический журнал, т.78, №11, 2011 г., с.24-27], содержащий главное вогнутое асферическое зеркало, вторичное выпуклое асферическое зеркало, линзовый компенсатор, приемник излучения. Объектив может работать в диапазоне 0.4-10 мкм.
Признаки аналога совпадают со следующими признаками полезной модели: объектив содержит главное вогнутое и вторичное выпуклое асферические зеркала, линзовый компенсатор и может работать в видимом диапазоне, а также ближнем, среднем и дальнем инфракрасном (ИК) диапазонах.
К недостаткам известного аналога можно отнести следующее: во-первых, невозможно получить изображения одновременно на нескольких приемниках, во-вторых, невозможно работать с охлаждаемыми приемниками ИК излучения.
Другим аналогом может служить многоспектральная оптическая система [Патент EP 1862837 B1, опубл. 08.08.2012], содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, вторичное выпуклое асферическое зеркало, двухлинзовый компенсатор, общий объектив, спектроделитель в виде наклонной плоскопараллельной пластинки, приемники изображения.
Признаки данного аналога совпадают со следующими характеристиками полезной модели: оптическая система содержит главное вогнутое и вторичное выпуклое асферические зеркала, общий объектив, спектроделитель и три приемника изображения. В качестве спектроделителя использована наклонная плоскопараллельная пластина.
К недостаткам можно отнести следующее: во-первых, оптическая система не может одновременно создавать изображения на трех приемниках (работает либо приемник видимой или ближней ИК области спектра, либо два приемника: средней и дальней ИК областей спектра), во-вторых, спектроделитель размещен в сходящемся пучке лучей и вносит аберрации, которые сложно исправить.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является многоспектральная зеркально-линзовая оптическая система [United States Patent №5,841,574 от Nov.24, 1998 г.], содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, вторичное выпуклое асферическое зеркало, спектроделитель в виде наклонной плоскопараллельной пластины, установленной перед фокальной плоскостью двухзеркальной системы, децентрированный входной зрачок, использующий неэкранированную часть зеркальной системы, и оптические системы в видимом и ИК каналах. В ИК канале используется охлаждаемый приемник изображения с апертурной диафрагмой внутри приемника.
Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- оптическая система содержит главное вогнутое и вторичное выпуклое асферические зеркала;
- спектроделитель представляет собой наклонную плоскопараллельную пластину;
- один из каналов - средней ИК области (3-5 мкм) - содержит охлаждаемый приемник изображения.
К недостаткам прототипа можно отнести следующее:
- использование в качестве спектроделителя наклонной плоскопараллельной пластины в сходящемся пучке лучей вносит аберрации нецентрированной системы, которые не могут быть скомпенсированы аберрациями центрированной системы. Для их исправления необходим компенсатор, у которого одна из поверхностей имеет цилиндрическую или торическую форму.
- использование наклонной плоскопараллельной пластины в качестве спектроделителя в сходящемся пучке лучей усложняет линзовую систему после спектроделителя в ИК каналах с охлаждаемыми приемниками изображения. В прототипе только в одном канале (3-5 мкм) линзовая часть содержит восемь линз, и это при относительном отверстии 1:5. В видимом канале, который работает на отражение от спектроделителя, пять линз. Всего в прототипе тринадцать линз на два канала. В предлагаемой полезной модели двенадцать линз на три канала.
Задачей полезной модели, как технического решения, является получение изображения на трех приемниках одновременно. Кроме этого, заявляемая полезная модель должна обеспечить увеличение светосилы, получение качества изображения, близкого к дифракционному, уменьшение количества линз при увеличении количества одновременно работающих каналов, а также получение возможности работы с охлаждаемыми приемниками изображения не только в среднем, но и в дальнем ИК диапазоне (8-12 мкм).
Технические результаты получены за счет того, что в трехканальную зеркально-линзовую оптическую систему, содержащую зеркальный объектив, включающий главное вогнутое асферическое зеркало и вторичное выпуклое асферическое зеркало, линзовый компенсатор зеркального объектива для видимого или ближнего инфракрасного диапазона, объектив для среднего инфракрасного диапазона, первый спектроделитель, выполненный в виде плоскопараллельной наклонной пластинки, приемник излучения видимого или ближнего инфракрасного диапазона, приемник излучения среднего инфракрасного диапазона с охлаждаемой диафрагмой может быть введен общий для среднего и дальнего инфракрасных диапазонов объектив, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую двояковыпуклую линзу, выпукло-вогнутую линзу, вторую двояковыпуклую линзу, и расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость совпадает с задней фокальной плоскостью зеркального объектива. Кроме этого, может быть введена линза-коллектив, расположенная в непосредственной близости перед задней фокальной плоскостью зеркального объектива. Также может быть введен второй спектроделитель, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки и установленный между главным вогнутым и вторичным выпуклым зеркалами, перпендикулярно оптической оси. Первый спектроделитель может быть расположен после общего объектива в параллельном пучке лучей. Также может быть введен объектив для дальнего инфракрасного диапазона, установленный после первого спектроделителя и включающий последовательно расположенные по ходу лучей три одиночные линзы в форме менисков, причем первый мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, второй и третий - вогнутой. Кроме этого может быть введен приемник излучения дальнего инфракрасного диапазона с охлаждаемой диафрагмой.
При введении общего для среднего и дальнего ИК диапазонов объектива, формирующего параллельный пучок лучей, введении линзы-коллектива, введении второго спектроделителя, расположении первого спектроделителя в параллельном пучке лучей, введении объектива и приемника для дальнего ИК диапазона достигается:
- получение изображения на трех приемниках одновременно;
- увеличение светосилы;
- получение качества изображения, близкого к дифракционному;
- уменьшение количества линз при увеличении количества одновременно работающих каналов;
- получение возможности работы с охлаждаемым приемником в дальнем ИК диапазоне.
На чертеже представлена оптическая схема трехканальной зеркально-линзовой оптической системы.
Трехканальная зеркально-линзовая оптическая система содержит следующие элементы: зеркальный объектив, включающий главное вогнутое асферическое зеркало 1 и вторичное выпуклое зеркало 2; линзовый компенсатор A зеркального объектива для видимого или ближнего ИК диапазона, включающий положительный мениск 3 и отрицательный мениск 4, обращенные к плоскости изображения выпуклой стороной; приемник изображения 5 видимого или ближнего ИК диапазона, второй спектроделитель 6, линза-коллектив 7, общий для среднего и дальнего ИК диапазонов объектив B, включающий двояковыпуклую линзу 8, выпукло-вогнутую линзу 9 и двояковыпуклую линзу 10; первый спектроделитель 11, объектив C для среднего ИК диапазона, включающий отрицательный мениск 12, обращенный к плоскости изображения выпуклой стороной, положительный мениск 13 и отрицательный мениск 14, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник изображения среднего ИК диапазона 15 с охлаждаемой диафрагмой, объектив D для дальнего ИК диапазона, включающий отрицательный мениск 16, обращенный к плоскости изображения выпуклой стороной, положительный мениск 17 и отрицательный мениск 18, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник изображения дальнего ИК диапазона 19 с охлаждаемой диафрагмой.
Предложенная оптическая система работает следующим образом. Излучение от удаленного объекта отражается последовательно от главного вогнутого асферического зеркала 1 и вторичного выпуклого асферического зеркала 2 и попадает на спектроделитель 6. Отраженные от спектроделителя 6 лучи после прохождения линз 3 и 4 компенсатора A формируют изображение в плоскости приемника 5. Преломленные спектроделителем 6 лучи создают изображение в задней фокальной плоскости зеркального объектива, а затем преобразовываются в параллельные пучки с помощью линз 8, 9 и 10 общего объектива В. После полученной таким образом телескопической системы параллельные пучки лучей попадают на спектроделитель 11. Отраженные спектроделителем 11 лучи, проходя через линзы 12, 13 и 14 объектива C, формируют изображение в плоскости приемника 15. Преломленные спектроделителем 11 лучи, проходя через линзы 16, 17 и 18 объектива D, формируют изображение в плоскости приемника 19. Линза-коллектив 7 служит для согласования входного зрачка, расположенного на главном зеркале, с апертурными диафрагмами, являющимися выходными зрачками в среднем и дальнем ИК каналах.
Разработанная и предложенная заявителем трехканальная зеркально-линзовая оптическая система обладает следующими техническими характеристиками:
Диаметр входного зрачка
700 мм
Угловое поле в пространстве предметов
0.84°
Относительное отверстие
1:2
Спектральный диапазон
1-1.8 мкм
3-5 мкм
8-12 мкм
Таким образом, может быть осуществлена трехканальная зеркально-линзовая оптическая система.
Заявленная трехканальная зеркально-линзовая оптическая система позволяет:
- получить изображения на трех приемниках одновременно;
- увеличить светосилу;
- получить качество изображения, близкое к дифракционному;
- уменьшить количество линз при увеличении одновременно работающих каналов;
- получить возможность работы с охлаждаемым приемником не только в среднем, но и в дальнем ИК диапазоне (8-12 мкм).