ОДНОЗРАЧКОВАЯ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СО ВСТРОЕННЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ (ВАРИАНТЫ)
SINGLE-PUPIL MULTISPECTRAL OPTICAL SYSTEM WITH BUILT-IN LASER RANGE FINDER (VERSIONS)

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено для теплотелевизионных приборов и прицелов с функцией измерения дальности, используемых в самых разнообразных условиях эксплуатации.
Известна двухспектральная оптическая система для работы в теплотелевизионных 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. Недостатком этой оптической системы является невысокая светосила в телевизионном и тепловизионном каналах, а также необходимость применения отдельно устанавливаемого дальномера, что вносит ошибки от параллакса при наведении на цель и в измерении дальности.
Наиболее близкой по технической сущности является двухспектральная оптическая система по патенту №2436136.
Эта двухспектральная оптическая система содержит 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 второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (0,5÷0,9) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы, третий компонент этого канала выполнен в виде положительного мениска, четвертый - в виде отрицательного мениска, пятый - в виде положительной линзы, второй компонент оптического канала, работающего в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм, выполнен в виде отрицательной линзы.
Недостатком этой оптической системы является необходимость повышения качества изображения в тепловизионном канале, а также необходимость применения отдельно устанавливаемого дальномера, что, в свою очередь, вносит ошибки от параллакса при наведении на цель и при измерении дальности.
Задачей настоящего изобретения является совмещение излучающего и приемного зрачков лазерного дальномера с входным зрачком общего канала двухспектральной оптической системы и повышение качества оптического изображения.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в однозрачковой мультиспектральной оптической системе с встроенным лазерным дальномером, содержащей общий входной канал, спектроделительную пластинку, отражающую спектральный диапазон телевизионного канала и пропускающую спектральный диапазон тепловизионного канала, и два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, в отличие от известного, тепловизионный канал в проходящем через спектроделительную пластинку направлении выполнен двухкомпонентным, причем первый и второй компоненты выполнены в виде положительных менисков, а его оптическая ось смещена относительно оптической оси общего входного канала, отраженный телевизионный канал выполнен двухкомпонентным, между компонентами которого установлен спектроделительный кубик, пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала и отражающий дальномерный канал, содержащий коллимирующую двухкомпонентную оптику, первый компонент которой выполнен в виде положительной линзы, второй - в виде отрицательной линзы, четвертьволновую фазовую пластинку, поляризационный сплиттер, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит двухкомпонентный объектив сопряжения, причем первый компонент объектива сопряжения выполнен в виде положительной линзы, а второй - в виде отрицательного мениска, при этом выполняются следующие соотношения:
где δ - величина смещения оптической оси канала, прошедшего через спектроделительную пластинку, относительно оптической оси общего входного канала;
сп
d - толщина спектроделительной пластинки;
n - показатель преломления спектроделительной пластинки для средней длины волны спектрального диапазона пропускаемого канала;
α - угол наклона нормали спектроделительной пластинки относительно оптической оси общего входного канала;
об.с.фп
ƒ - фокусное расстояние объектива сопряжения приемного канала дальномера;
об.с.ли
ƒ - фокусное расстояние объектива сопряжения излучающего канала дальномера;
фп
d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - размер излучающей площадки лазерного диода дальномера.
Такая оптическая система обеспечивает повышение качества оптического изображения, а также измерение лазерным дальномером дальности до объекта наблюдения через один общий входной зрачок оптической системы без ошибок параллакса, обусловленных разнесением отдельно выполненных зрачков каналов наблюдения, излучения и приема сигналов измерения дальности.
Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что в однозрачковой мультиспектральной оптической системе с встроенным лазерным дальномером, содержащей общий входной канал, спектроделительную пластинку и два оптических канала различных спектральных диапазонов, в отличие от известной, спектроделительная пластинка отражает спектральный диапазон тепловизионного канала и пропускает спектральный диапазон телевизионного канала, оптическая ось которого смещена относительно оптической оси общего входного канала, причем тепловизионный канал выполнен двухкомпонентным, оба компонента которого являются положительными менисками, а между первым и вторым компонентами двухкомпонентного телевизионного канала установлен спектроделительный кубик, пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала и отражающий спектральный диапазон дальномерного канала, содержащий коллимирующую двухкомпонентную оптику, первый компонент которой выполнен в виде положительной линзы, второй - в виде отрицательной линзы, четвертьволновую фазовую пластинку, поляризационный сплиттер, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит двухкомпонентный объектив сопряжения, причем первый компонент объектива сопряжения выполнен в виде положительной линзы, а второй - в виде отрицательного мениска, при этом выполняются следующие соотношения:
где δ - величина смещения оптической оси канала, прошедшего через спектроделительную пластинку, относительно оптической оси общего входного канала;
сп
d - толщина спектроделительной пластинки;
n - показатель преломления спектроделительной пластинки для средней длины волны спектрального диапазона пропускаемого канала;
α - угол наклона нормали спектроделительной пластинки относительно оптической оси общего входного канала;
об.с.фп
ƒ - фокусное расстояние объектива сопряжения приемного канала дальномера;
об.с.ли
ƒ - фокусное расстояние объектива сопряжения излучающего канала дальномера;
фп
d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - размер излучающей площадки лазерного диода дальномера.
Сущность изобретения по третьему варианту заключается в том, что в однозрачковой мультиспектральной оптической системе с встроенным лазерным дальномером, в отличие от второго варианта, между двумя компонентами тепловизионного канала установлено плоское зеркало.
Оптическая схема однозрачковой мультиспектральной оптической системы с встроенным лазерным дальномером по варианту 1 показана на фиг. 1.
Однозрачковая мультиспектральная оптическая система содержит общий входной канал, состоящий из менисковой линзы 1, спектроделительной пластинки 2 с дихроичным покрытием, пропускающим спектральный диапазон (8÷14) мкм и отражающим спектральный диапазон (0,6÷0,95) мкм, оптический канал в проходящем через спектроделительную пластинку 2 с дихроичным покрытием направлении, состоящий из положительной линзы 3 и положительной линзы 4, оптический канал в отраженном от пластинки с дихроичным покрытием направлении, выполненный двухкомпонентным, между первым компонентом которого, состоящим из трех линз 6, 7, 8, и вторым компонентом, состоящим из трех линз 10, 11, 12, установлен спектроделительный кубик 9, пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала 6, 7, 8, 10, 11, 12 (0,6÷0,9) мкм и отражающий спектральный диапазон дальномерного канала (0,9÷0,95) мкм, содержащего коллимирующую двухкомпонентную оптику, первый компонент 14 которой выполнен в виде положительной линзы, второй компонент 15 - в виде отрицательной линзы, четвертьволновую фазовую пластинку 16, поляризационный сплиттер 17, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит двухкомпонентный объектив сопряжения 18, 19 и 21, 22, причем первый компонент 18 (21) объектива сопряжения выполнен в виде положительной линзы, а второй компонент 19 (22) - в виде отрицательного мениска.
Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:
- расчетная длина волны
10,6 мкм
- рабочий спектральный диапазон
(8,0÷14,0) мкм
- фокусное расстояние
60,0 мм
- линейное поле зрения
13,6 мм
- относительное отверстие
1:1,2
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (0,6÷0,9) мкм:
- расчетная длина волны
0,7 мкм
- рабочий спектральный диапазон
(0,6÷0,9) мкм
- фокусное расстояние
26,5 мм
- линейное поле зрения
6,0 мм
- относительное отверстие
1:1,26
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для дальномерного канала на длине волны лазерного диода 0,905 мкм:
- расчетная длина волны
0,905 мкм
- фокусное расстояние
101,0 мм
- линейное поле зрения
0,5 мм
- относительное отверстие
1:3,3
- вариант предполагает одинаковые фокусные расстояния объективов сопряжения в излучающем и в приемном каналах. Подбор других значений фокусных расстояний осуществляется перерасчетом значений R42, R43, R44, R45.
Оптическая схема однозрачковой мультиспектральной оптической системы с встроенным лазерным дальномером по второму варианту показана на фиг. 2.
Оптическая схема однозрачковой мультиспектральной оптической системы с встроенным лазерным дальномером по третьему варианту показана на фиг. 3.
Принцип действия однозрачковой мультиспектральной оптической системы с встроенным лазерным дальномером заключается в следующем.
Первый компонент 1, выполненный в виде мениска, в сочетании со вторым компонентом 2, выполненным в виде спектроделительной пластинки с дихроичным покрытием на первой поверхности, является единым входным окном для четырех каналов - тепловизионного, телевизионного, излучающего дальномерного и приемного дальномерного, работающих в различных спектральных диапазонах.
Оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении выполнен из двух компонентов 3 и 4, выполненных в виде положительных менисков линзы, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций в спектральном диапазоне (8,0÷14,0) мкм.
Для повышения качества оптического изображения оптическая ось канала, проходящего через спектроделительную пластинку 2, смещена относительно оптической оси общего входного канала на величину δ, которая выбирается из соотношения
где δ - величина смещения оптической оси канала, прошедшего через спектроделительную пластинку, относительно оптической оси общего входного канала;
сп
d - толщина спектроделительной пластинки;
n - показатель преломления спектроделительной пластинки для расчетной длины волны спектрального диапазона пропускаемого канала;
α - угол наклона нормали спектроделительной пластинки относительно оптической оси общего входного канала.
Оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении выполнен двухкомпонентным, первый компонент которого состоит из трехлинзовой силовой части 6, 9 и 8, которая создает необходимую оптическую силу канала, второй компонент - из трехлинзового компенсатора полевых аберраций 10, 11 и 12, компенсирующего кривизну поверхности изображения в спектральном диапазоне (0,6÷0,9) мкм.
Между двумя компонентами отраженного оптического канала установлен спектроделительный кубик 9, пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала (0,6÷0,9) мкм и отражающий спектральный диапазон дальномерного канала (0,9÷0,95) мкм, который содержит коллимирующую двухкомпонентную оптику, первый компонент 14 которой выполнен в виде положительной линзы, второй компонент 15 - в виде отрицательной линзы, создающей афокальную оптическую систему, после которой формируется параллельный пучок лучей. В параллельных пучках афокальной оптической системы дальномерного канала установлена четвертьволновая фазовая пластинка 16 и поляризационный сплиттер 17, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых работает с лучами, поляризованными сплиттером 17 во взаимно перпендикулярных направлениях.
В каждом из сформированных сплиттером каналах установлен двухкомпонентный объектив сопряжения 18, 19 и 21, 22, причем первый компонент 18 (21) объектива сопряжения выполнен в виде положительной линзы, а второй компонент 19 (22) - в виде отрицательного мениска.
В излучающем канале (например, в пропускающем 18, 19, 20) установлен лазерный диод 20, излучение которого линейно поляризовано, а плоскость линейной поляризации его излучения выставлена соответственно полному пропусканию поляризационного сплиттера 17. При этом ориентация главных осей четвертьволновой пластинки 16 выставляется под углом 45° к плоскости линейной поляризации лазерного диода. При такой ориентации после четвертьволновой пластинки линейно поляризованный свет преобразуется в свет с круговой поляризацией.
Свет с круговой поляризацией проходит через компоненты 15 и 14, отражается от гипотенузной грани спектроделительного кубика 9 и проходит далее компоненты 8, 7 и 6 телевизионного канала, отражается от первой поверхности спектроделительной пластинки 2 с дихроичным покрытием и выходит через первый компонент 1 в направлении объекта наблюдения. При отражении от объекта наблюдения направление вращения круговой поляризации меняется на противоположное, отраженный свет последовательно проходит через компоненты 1, 2, 6, 7, 8, 9, 14 и 15 до четвертьволновой пластинки 16. Четвертьволновая пластинка 16 преобразует отраженный свет с измененным направлением круговой поляризации в свет с линейной поляризацией, но направление которой повернется на 90°, т.е. направление линейной поляризации вернувшегося света после прохождения четвертьволновой пластинки 16 будет ориентировано уже перпендикулярно от первоначальной линейной поляризации лазерного диода. Далее свет с поляризацией, повернутой на 90° относительно исходной, отразится поляризационным сплиттером в приемный канал (в отраженный канал 21, 22, 23) на фотоприемник 23 с минимальными потерями на пропусканиях и отражениях.
Для исключения апертурных энергетических потерь при измерении дальности поле зрения приемного канала должно превышать поле зрения излучающего канала, для чего фокусные расстояния объективов сопряжения излучающего канала 18, 19 и приемного канала 21, 22 выбираются из соотношения
об.с.фп
где ƒ - фокусное расстояние объектива сопряжения приемного канала дальномера;
об.с.ли
ƒ - фокусное расстояние объектива сопряжения излучающего канала дальномера;
фп
d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - размер излучающей площадки лазерного диода дальномера.
По регистрации времени излученного и принятого импульсов вычисляется дистанция до цели.
Принцип действия изобретения по второму варианту заключается в том, что однозрачковая мультиспектральная оптическая система с встроенным лазерным дальномером, в отличие от известной, содержит спектроделительную пластинку, отражающую спектральный диапазон тепловизионного канала и пропускающую спектральный диапазон телевизионного канала, оптическая ось которого смещена относительно оптической оси общего входного канала. Такая спектроделительная пластинка может быть изготовлена из обычного оптического стекла, что значительно уменьшает стоимость однозрачковой мультиспектральной оптической системы и ее вес.
Принцип действия изобретения по третьему варианту заключается в том, что в однозрачковой мультиспектральной оптической системе с встроенным лазерным дальномером, в отличие от известной, между двумя компонентами тепловизионного канала установлено плоское зеркало. Применение плоского зеркала позволяет уменьшить габаритные размеры однозрачковой мультиспектральной оптической системы.
Дальномерный канал обеспечивает максимальную величину кружка рассеяния - не более 20,8 мкм, что дает увеличение изображения пятна излучения на цели с 2 м до 2,2 м при дистанции до цели 1000 м, что вполне допустимо при измерениях дальности.
Для каналов наблюдения задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:
- толщину защитного стекла 5 (или 13) фотоприемника, равную 1,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длине волны 0,6 мкм, 1,0 на длине волны 0,7 мкм, 0,8 на длине волны 0,8 мкм и 0,5 на длине волны 0,9 мкм (для телевизионного канала), 1,0 на длинах волн 8,0 мкм, 11 мкм и 14 мкм (для тепловизионного канала);
- пространственную частоту ~80 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,6÷0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 6,4 мкм),
- пространственную частоту ~30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷14,0) мкм с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм).
Получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:
- для оптического канала спектрального диапазона (0,6÷0,9) мкм:
- для точки на оси
КПК=54%
- для точки поля 2,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=50%
КПК<sub>С</sub>=54%
- для точки поля 3,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=38%
КПК<sub>С</sub>=52%
- для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:
- для точки на оси
КПК=49%
- для точки поля 4,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=42%
КПК<sub>С</sub>=46%
- для точки поля 6,8 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=37%
КПК<sub>С</sub>=45%
Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает отличное (канал 0,6÷0,9 мкм) и хорошее (канал 8,0÷14,0 мкм) качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих общий входной канал и два фотоприемника:
- телевизионную ПЗС матрицу спектрального диапазона (0,6÷0,9) мкм с размером пикселя 6,4 мкм;
- микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм с размером пикселя 17 мкм.