Однозрачковая мультиспектральная оптическая система со встроенным лазерным дальномером
SINGLE-PUPILARY MULTISPECTRAL OPTICAL SYSTEM WITH BUILT-IN LASER RANGER

Патентуемая однозрачковая мультиспектральная оптическая система со встроенным лазерным дальномером может быть применена для тепло и телевизионных приборов и прицелов с функцией измерения дальности, используемых в самых разнообразных условиях эксплуатации.
Известна оптическая система однозрачкового прицела с лазерным дальномером (патент RU 2560347 С1, опубл. 20.08.2015), содержащая визуальный и дальномерный каналы прицела с общей входной оптикой, содержащей спектроделительный кубик, формирующий канал встроенного лазерного дальномера, содержащий отрицательную линзу, четвертьволновую фазовую пластинку, поляризационный сплиттер, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную часть, каждая из которых содержит фокусирующие линзы.
Недостатками этой оптической системы являются невозможность ночного наблюдения и сложность исполнения дальномерного канала прицела.
Наиболее близкой по технической сущности является однозрачковая мультиспектральная оптическая система со встроенным лазерным дальномером (патент RU 2581763 С2, опубл. 20.04.2016), содержащая общий входной канал, спектроделительную пластинку, отражающую спектральный диапазон телевизионного канала и пропускающую спектральный диапазон тепловизионного канала, два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, причем отраженный телевизионный канал выполнен двухкомпонентным, между компонентами которого установлен спектроделительный кубик, пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала и отражающий длину волны дальномерного канала, содержащего коллимирующую двухкомпонентную оптику, четвертьволновую фазовую пластинку, поляризационный сплиттер, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит двухкомпонентный объектив сопряжения.
Недостатком этой оптической системы является сложность исполнения телевизионного и дальномерного каналов прицела.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение количества оптических компонентов и упрощение мультиспектральной оптической системы с сохранением качества оптического изображения и возможности измерения дальности через единую входную оптику оптической системы.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в однозрачковой мультиспектральной оптической системе со встроенным лазерным дальномером, содержащей общий входной канал, спектроделительную пластинку, пропускающую спектральный диапазон тепловизионного канала и отражающую спектральные диапазоны дальномерного и телевизионного каналов, из которых телевизионный канал выполнен двухкомпонентным, а между его компонентами установлен спектроделитель, в отличие от известного, между компонентами телевизионного канала установлена вторая спектроделительная пластинка, отражающая спектральный диапазон телевизионного канала и пропускающая дальномерный канал, содержащий плоское зеркало с осевым отверстием, расположенное под углом к оптической оси, и две ветви - фотоприемника и полупроводникового лазерного излучателя, оптически связанных с первым компонентом телевизионного канала, при этом выполняются следующие соотношения:
ли
фп
ли
d<d≤10⋅d
пзо
сп2
α≥α,
фп
где d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - максимальный размер излучающей площадки лазерного диода дальномера;
пзо
α - угол наклона плоского зеркала с осевым отверстием к оптической оси;
сп2
α - угол наклона второй спектроделительной пластинки к оптической оси.
Такая оптическая система обеспечивает уменьшение количества оптических компонентов и упрощает мультиспектральную оптическую систему с сохранением качества оптического изображения и возможности измерения дальности через единую входную оптику оптической системы.
Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что в однозрачковой мультиспектральной оптической системе со встроенным лазерным дальномером, в отличие от известной, в одной из ветвей лазерного дальномера содержится плоское отражающее зеркало, расположенное под углом к оптической оси.
Такая оптическая система обеспечивает уменьшение габаритных размеров ветвей лазерного дальномера.
Оптическая схема однозрачковой мультиспектральной оптической системы со встроенным лазерным дальномером по варианту 1 показана на фигуре 1.
Однозрачковая мультиспектральная оптическая система со встроенным лазерным дальномером содержит общий входной канал, состоящий из менисковой линзы 1 и спектроделительной пластинки 2 с дихроичным покрытием, пропускающим один спектральный диапазон (например, 8÷14 мкм) и отражающим другие спектральные диапазоны (например, 0,6÷0,95 мкм и 1,5÷1,6 мкм).
Оптический канал в проходящем через спектроделительную пластинку 2 с дихроичным покрытием направлении состоит из положительной линзы 3 и положительной линзы 4, защитного стекла 5 и фотоприемника 6.
Оптический канал в отраженном от пластинки 2 с дихроичным покрытием направлении содержит отрицательную линзу 7, положительную линзу 8 и вторую спектроделительную пластинку 9 с дихроичным покрытием, пропускающим один спектральный диапазон (например, 1,5÷1,6 мкм) и отражающим другой спектральный диапазон (например, 0,6÷0,95 мкм).
Оптический канал в отраженном от второй спектроделительной пластинки 9 с дихроичным покрытием направлении состоит из положительной линзы 10, отрицательной линзы 11, положительной линзы 12, отрицательной линзы 13, защитного стекла 14 и телевизионного фотоприемника 15.
Оптический канал в проходящем через вторую спектроделительную пластинку 9 с дихроичным покрытием направлении состоит из плоского зеркала 16 с осевым отверстием, расположенного под углом к оптической оси, фотоприемника 17 и полупроводникового лазерного излучателя 18.
Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм:
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (0,6÷0,95) мкм:
- расчетная длина волны
0,7 мкм;
- рабочий спектральный диапазон
(0,6÷0,95)мкм;
- фокусное расстояние
45,0 мм;
- линейное поле зрения
16,0 мм;
- относительное отверстие
1:1,28
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для дальномерного канала на длине волны лазерного диода 1,54 мкм:
- расчетная длина волны
1,54 мкм;
- фокусное расстояние
119,4 мм;
- диаметр входного зрачка
35,0 мм;
- эквивалентный диаметр входного зрачка
24 мм (излуч);
24,5 мм (ф/п);
- эквивалентное относительное отверстие
1: 4,8;
- апертурный угол
0÷11,5° (излуч);
11,5÷16,7° мм (ф/п);
- вариант предполагает одинаковое эквивалентное фокусное расстояние для излучающей и приемной ветвей дальномерного канала. Выбор другого значения эквивалентного фокусного расстояния осуществляется перерасчетом значений R13, R14,R15, R16.
Оптическая схема однозрачковой мультиспектральной оптической системы со встроенным лазерным дальномером по второму варианту показана на фигуре 2.
Здесь в дальномерный канал введено плоское зеркало 19, ломающее оптическую ось излучающей ветви дальномера. Конструктивные параметры второго варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 2.
Принцип действия однозрачковой мультиспектральной оптической системы со 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 пластинку 2 с дихроичным покрытием направлении содержит два компонента 3 и 4, выполненные в виде положительных менисковых линз, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций на фоточувствительной площадке 6 фотоприемника с защитным стеклом 5 в спектральном диапазоне (8,0÷13,5) мкм.
Телевизионный канал в отраженном от пластинки 2 с дихроичным покрытием направлении выполнен двухкомпонентным, первый компонент которого состоит из двухлинзовой силовой части 7 и 8, которая создает необходимую оптическую силу и для телевизионного, и для дальномерного каналов, второй компонент телевизионного канала состоит из четырехлинзового компенсатора полевых аберраций 10, 11, 12 и 13, компенсирующего кривизну поверхности изображения в спектральном диапазоне (0,6÷0,95) мкм.
Между двумя компонентами отраженного от пластинки 2 телевизионного канала установлена вторая спектроделительная пластинка 9, отражающая спектральный диапазон телевизионного канала (0,6÷0,95) мкм и пропускающая спектральный диапазон дальномерного канала (1,5÷1,6) мкм, который содержит плоское зеркало 16 с осевым отверстием, расположенное под углом к оптической оси, и которое осуществляет апертурное разделение, пропуская через осевое отверстие центральную часть входного зрачка для излучателя дальномера 18 и отражая кольцевую внешнюю зону входного зрачка для фотоприемника 17 дальномера, при этом выполняются следующие соотношения:
ли
фп
ли
d<d≤10⋅d
пзо
сп2
α≥α,
фп
где d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - максимальный размер излучающей площадки лазерного диода дальномера;
пзо
α - угол наклона плоского зеркала с осевым отверстием к оптической оси;
сп2
α - угол наклона второй спектроделительной пластинки к оптической оси.
Выполнением этих соотношений обеспечивается гарантированное превышение поля зрения фотоприемника 17 над угловой расходимостью пучка от излучателя 18 и минимизация габаритных размеров приемной ветви лазерного дальномера.
Принцип действия однозрачковой мультиспектральной оптической системы со встроенным лазерным дальномером по второму варианту заключается в том, что одна из ветвей лазерного дальномера, например, излучающая, содержит плоское отражающее зеркало 19, расположенное под углом к оптической оси, чем осуществляется минимизация габаритных размеров излучающей ветви лазерного дальномера.
В излучающей ветви дальномерного канала обеспечивается максимальная величина кружка рассеяния ~ 83,92 мкм, что дает увеличение изображения пятна излучения на цели с ~ 1,5 м до ~ 2,2 м при дистанции до цели 1000 метров, что вполне допустимо при измерениях дальности.
В приемной ветви дальномерного канала обеспечивается максимальная величина кружка рассеяния ~ 195 мкм, что для фотоприемника с размером чувствительной площадки 0,35 мм обеспечивает нормальное качество приема отраженного сигнала.
Для каналов наблюдения задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:
- толщины защитного стекла фотоприемников 5 и 15, равные 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, 0,3 на длине волны 0,9 мкм и 0,15 на длине волны 0,95 мкм (для телевизионного канала), 1,0 на длинах волн 8,0 мкм, 10,6 мкм и 13,5 мкм (для тепловизионного канала);
- пространственную частоту ~ 50 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,6÷0,95) мкм с размером чувствительного элемента, равным 9,7 мкм);
- пространственную частоту ~ 30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷13,5) мкм с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм).
Получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:
Для телевизионного канала:
- для точки на оси
КПК <sub>М</sub>=48%
- для точки поля 5,0 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub>=35%
КПК <sub>С</sub>=42%
- для точки поля 7,75 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub>=26%
КПК <sub>С</sub>=35%
Для тепловизионного канала:
- для точки на оси
КПК <sub>М</sub>=48%
КПК <sub>С</sub>=51%
- для точки поля 4,0 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub>=33%
КПК <sub>С</sub>=47%
- для точки поля 6,8 мм от центра
изображения
КПК <sub>М</sub>=31%
КПК <sub>С</sub>=50%
Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает хорошее качество изображения для однозрачковых оптико-электронных приборов, использующих: телевизионный канал высокого разрешения (формата не менее 1280×1024 пикселей) с ПЗС матрицей спектрального диапазона (0,6÷0,95) мкм с размером пикселя 9,7 мкм; - тепловизионный канал высокого разрешения (формата не менее 640×480 пикселей) с микроболометрической матрицей спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм с размером пикселя 17 мкм; - встроенный канал лазерного дальномера.