ПАНКРАТИЧЕСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического и оптико-электронного приборостроения и может использоваться, в частности, в качестве объектива в тепловизионных системах.
Известна панкратическая оптическая система с дискретно изменяющимся полем зрения: «Инфракрасный телескоп-рефрактор с тремя полями зрения с фиксированным средним полем зрения» (патент США №5548439 A, МПК G02B 5/30, опубликован 20 августа 1996 г.), содержащая последовательно расположенные объектив и окуляр. Переход из среднего поля зрения в узкое и широкое осуществляется за счет последовательного ввода и вывода между объективом и окуляром в оптическую схему и из нее двух пар линз, действующих по принципу линзы Браве.
Основным недостатком этого устройства является необходимость использования двух независимых приводов ввода-вывода двух пар линз, что усложняет конструкцию и увеличивает занимаемый конструктивный объем.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является оптическая система с несколькими полями зрения (патент США №5726814, МПК G02B 7/02, опубликован 10 марта 1998 г.), содержащая последовательно расположенные неподвижный фокусирующий линзовый компонент, турельный механизм с тремя оптическими каналами, в которых расположены линзовые компоненты, вращающийся вокруг оси, пересекающейся с оптической осью оптической системы, а так же подвижный вдоль оптической оси оптической системы фокусирующий линзовый компонент.
В дальнейшем предполагается, что линзовые компоненты могут содержать до нескольких одиночных линз.
В этой панкратической оптической системе возможно наблюдение пространства предметов в трех полях зрения с возможностью переключения из одного поля зрения в другое, а именно, в узкое, среднее и широкое. Это обеспечивается за счет применения в известной панкратической оптической системе трехканального турельного механизма, который можно представить в виде куба, вращающегося вокруг оси, совпадающей с его диагональю. При этом угол между осью вращения турельного механизма и оптической осью системы в точке их пересечения равен 54.7°. При повороте куба вокруг оси вращения через каждые 120° в положение перпендикулярное оптической оси панкратической системы встают последовательно три пары противоположных граней куба. Этим трем парам граней соответствуют три возможные конфигурации оптической системы, обеспечивающие наблюдение в узком, среднем и широком полях зрения. При этом оси трех оптических каналов турельного механизма, содержащих вращающиеся вместе с ним линзовые компоненты, ортогональны этим парам воображаемых граней куба. Таким образом, в известном устройстве количество полей зрения равно количеству оптических каналов в турельном механизме.
Недостатком известного устройства является сложность изготовления трехканального турельного механизма из-за необходимости обеспечения точного совмещения в одной точке трех осей оптических каналов турельного механизма, составляющих между собой пространственные углы. Кроме того, точка пересечения всех трех осей оптических каналов турельного механизма одновременно должна располагаться на оптической оси панкратической системы и на диагонали воображаемого куба.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является упрощение конструкции оптической системы с дискретным изменением поля зрения при обеспечении, в общем случае, так же трех полей зрения за счет использования вместо трехканального двухканального турельного механизма, в котором оси оптических каналов турельного механизма составляют между собой плоский, а не пространственный угол.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в панкратической оптической системе с дискретным изменением поля зрения, содержащей последовательно расположенные неподвижный фокусирующий линзовый компонент с положительной оптической силой, турельный механизм, выполненный с возможностью вращения вокруг оси, пересекающей оптическую ось панкратической оптической системы, имеющий до нескольких оптических каналов, содержащих линзовые компоненты и установленных с возможностью попеременного совмещения их оптических осей с оптической осью панкратической системы при вращении турельного механизма вокруг оси, а так же подвижный в осевом направлении фокусирующий линзовый компонент, ось вращения турельного механизма и оптическая ось панкратической оптической системы расположены взаимно перпендикулярно, при этом как минимум один оптический канал турельного механизма использован для формирования двух полей зрения при совмещении его оптической оси с оптической осью панкратической оптической системы дважды путем разворота турельного механизма на 180°.
На Фиг. 1 приведена параксиальная модель предлагаемой оптической системы для варианта построения без промежуточного изображения для трех положений турельного механизма, обеспечивающих узкое поле зрения (УПЗ) - (а), широкое поле зрения (ШПЗ) - (б), среднее поле зрения (СПЗ) - (в).
На Фиг. 2 приведена параксиальная модель предлагаемой оптической системы для варианта построения с промежуточным изображением для трех положений турельного механизма, обеспечивающих среднее поле зрения (СПЗ) - (а), широкое поле зрения (ШПЗ) - (б), узкое поле зрения (УПЗ) - (в).
На Фиг. 3 в качестве иллюстрации приведен возможный облик тепловизионной системы с рассчитанным в соответствии с формулой полезной модели трехлинзовым ИК-объективом с двумя полями зрения.
Пунктирные лучи на выходе оптической системы на Фиг. 1 и Фиг. 2 соответствуют афокальному режиму работы оптической системы (изображение на бесконечности).
Предлагаемая панкратическая оптическая система с дискретным изменением поля зрения в варианте построения без промежуточного изображения (Фиг. 1) содержит последовательно расположенные неподвижный фокусирующий линзовый компонент 1 с положительной оптической силой, турельный механизм 2, имеющий два оптических канала, содержащих линзовые компоненты 3 и 4 и установленных с возможностью попеременного совмещения их оптических осей с оптической осью O' панкратической системы при вращении турельного механизма 2 вокруг оси O, подвижный в осевом направлении фокусирующий линзовый компонент 5 и фокальную плоскость 6. Ось вращения O турельного механизма 2 и оптическая ось O' панкратической оптической системы расположены взаимно перпендикулярно.
В панкратической оптической системе с дискретным изменением поля зрения в варианте построения с промежуточным изображением (Фиг. 2) между фокусирующим линзовым компонентом 5 и фокальной плоскостью 6 располагается выходной зрачок 7. В конфигурацию, соответствующую широкому полю зрения, представленную на Фиг. 2б, для оптимизации положения входного зрачка панкратической оптической системы и увеличения коэффициента трансфокации дополнительно введен линзовый компонент 8, состоящий из близко расположенных элементов с положительной и отрицательной оптической силой.
Панкратическая оптическая система с дискретным изменением поля зрения при отсутствии промежуточного изображения (Фиг. 1) может представлять собой либо объектив с положительным фокусным расстоянием, либо афокальную телескопическую систему Галилея в зависимости от оптической силы подвижного в осевом направлении фокусирующего линзового компонента 5. При наличии же промежуточного изображения (Фиг. 2), оптическая система может представлять собой объектив с отрицательным фокусным расстоянием и расположением выходного зрачка 7 между фокусирующим линзовым компонентом 5 и фокальной плоскостью 6, либо афокальную систему Кеплера.
В качестве частной формы реализации молезной модели на Фиг. 3 приведена тепловизионная система с одноканальным турельным механизмом 2, содержащая трехлинзовый ИК-объектив с двумя полями зрения, построенный в соответствии с формулой предлагаемой полезной модели. В теплови-зионной системе объектив содержит неподвижный фокусирующий линзовый компонент 1 с положительной оптической силой, например, асферическую линзу из Ge, турельный механизм 2, имеющий один оптический канал, состоящий из линзового компонента 3, например, из асферической линзы с отрицательной оптической силой из ZnSe, подвижный в осевом направлении фокусирующий линзовый компонент 5, например, асферическую линзу с положительной оптической силой из Ge. Тепловизионная система имеет матричное фотоприемное устройство 9, включающее в себя охлаждаемую диафрагму 10 и матрицу фоточувствительных элементов 11. За счет вращения турельного механизма 2 против часовой стрелки на 180° линза 3 переходит в положение 3'.
По своей технической сути объектив представляет собой известную компоновку триплета Кука, но с возможностью изменения поля зрения. Оптические характеристики рассчитанного объектива следующие:
- диаметр входного зрачка в узком поле зрения
70 мм
- диаметр входного зрачка в широком поле зрения
23.3 мм
- спектральный диапазон
8-11 мкм
- относительное отверстие
1:2.7
- узкое поле зрения
3°×2.25°
- широкое поле зрения
9°×6.75°
- полихроматическое число Штреля для точки на оси при расчетных длинах волн 8.5 мкм; 9.5 мкм; 10.5 мкм
в узком поле зрения
0.97
в щироком поле зрения
0.95
- полихроматическое число Штреля для угла кадра
в узком поле зрения
0.8
в широком поле зрения
0.82
Панкратическая оптическая система с дискретным изменением поля зрения (Фиг. 1) работает следующим образом. На Фиг. 1а представлен ход лучей для узкого поля зрения, формируемого линзовыми компонентами 1, 3 и 5. Это первая конфигурация предлагаемой панкратической оптической системы. При развороте турельного механизма 2 против часовой стрелки на 90°, как показано на Фиг. 1б, линзовый компонент 3 выходит из светового пучка и вместо него в световой пучок входит линзовый компонент 4, который совместно с линзовыми компонентами 1 и 5 формирует вторую конфигурацию панкратической оптической системы с широким полем зрения. При развороте турельного механизма 2 против часовой стрелки еще на 90°, как показано на Фиг. 1в, линзовый компонент 3 вновь входит в световой пучок, а линзовый компонент 4 выходит из светового пучка. Получается, что при двух последовательных поворотах турельного механизма 2, линзовый компонент 3 разворачивается на 180° относительно первоначального положения, представленного на Фиг. 1а., и совместно с линзовыми компонентами 1 и 5 формирует третью конфигурацию панкратической оптической системы со средним полем зрения. Таким образом, линзовый компонент 3 участвует в построении двух независимых конфигураций панкратической оптической системы при развороте турельного механизма 2 на 180°.
Проведенный сравнительный анализ показал, что перемещение с одновременным переворотом линзового компонента 3 на 180° способствует уменьшению диаметра аберрационного кружка рассеяния панкратической оптической системы по сравнению с известным вариантом его прямолинейного перемещения вдоль оптической оси из одного положения в другое, что оправдывает целесообразность применения именно турельного механизма для перестроения конфигурации предлагаемой панкратической оптической системы.
В описанных выше на Фиг. 1 трех возможных конфигурациях панкратической оптической системы линзовые компоненты 3 и 4 в сочетании с линзовым компонентом 5 действуют по принципу линзы Браве, которая, как известно, изменяет оптическую силу системы, не изменяя ее продольного габарита, что дает возможность обеспечить оптическую компенсацию сдвига фокальной плоскости 6 для трех положений двухканального турельного механизма 2.
Предлагаемая панкратическая оптическая система в варианте построения с промежуточным изображением, приведенная в виде параксиальной модели на Фиг. 2, функционирует практически аналогично. При этом ось вращения O турельного механизма 2 расположена в области промежуточного изображения, что существенно уменьшает габариты турельного механизма 2.
Известны объективы с двумя полями зрения, построенные по схеме триплета Кука. В таких объективах смена полей зрения происходит за счет линейного перемещения средней линзы объектива в осевом направлении.
В представленной же тепловизионной системе (Фиг. 3) трансформация объектива, построенного в соответствии с формулой предлагаемой полезной модели, из одной конфигурации в другую может быть достаточно быстро осуществлена за один такт с помощью, например, моментного электродвигателя, работающего в импульсном режиме, в сочетании с электромагнитным арретиром, жестко фиксирующим турельный механизм 2 с помощью упоров в требуемом положении (на чертеже не показаны). Предлагаемая полезная модель, что важно, исключает необходимость создания сложной прецизионной системы позиционирования подвижного линзового компонента 3 в осевом направлении.
Основной положительный эффект предлагаемой панкратической оптической системы по сравнению с прототипом заключается в упрощении конструкции за счет того, что ось вращения турельного механизма 2 и оптическая ось O' панкратической оптической системы расположены взаимно перпендикулярно, при этом как минимум один оптический канал турельного механизма 2 может быть использован для формирования двух полей зрения при совмещении его оптической оси O с оптической осью O' панкратической оптической системы дважды путем разворота турельного механизма на 180°. Это позволяет, в общем случае, для обеспечения трех полей зрения использовать вместо трехканального турельного механизма двухканальный.