ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КООРДИНАТОРА

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для головок самонаведения (ГСН) в оптико-электронных координаторах, в устройствах, предназначенных для обнаружения и последующего сопровождения объектов, в частности, в составе бортовой аппаратуры, работающей в одном или нескольких спектральных диапазонах.
К оптическим системам ГСН предъявляется ряд специальных требований:
1. Высокая светосила оптической системы (ОС).
2
2
Для регистрации объектов конечных размеров, чьи изображения в плоскости матричных приемников превышают размеры элементов приемника (например, пикселя), светосила пропорциональна квадрату относительного отверстия (D/f'), где D - диаметр входного зрачка, f' - фокусное расстояние ОС. Для точечных объектов, чьи размеры изображения укладываются в размер пикселя, светосила пропорциональна D. Поэтому для ГСН, работающих по малым и большим объектам, ОС должна иметь большие диаметры (D) и малые фокусные расстояния f'.
2. Наличие сферического концентрического защитного стекла и обеспечение прокачки ОС в пределах ±20°.
3. Малые габаритно-массовые характеристики.
4. Высокое качество изображения: значение концентрации энергии в пикселе не менее 80% в центре поля.
5. Наличие промежуточного изображения объекта ОС для установки защитных фильтров, анализаторов изображения и т.п.
1
2
1
2
Известна оптическая система ОЭК ГСН [1], состоящая из расположенных по ходу лучей обтекателя, исполненного в виде выпукло-вогнутой линзы, главного зеркала с центральным отверстием, второго зеркала со спектроделительной поверхностью с дихроичным покрытием, разделенную излучением на два спектральных диапазона Δλ и Δλ, двух линзовых компенсаторов аберраций, один из которых установлен в отраженном от вторичного зеркала излучений Δλ, второй в проходящем через спектроделительную поверхность излучений Δλ, и двух приемников излучения спектральных диапазонов.
Недостатком оптической системы ОЭК является отсутствие промежуточного изображения объекта.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является оптическая система ОЭК [2], содержащая последовательно установленные обтекатель, объектив, содержащий главное (ГЗ) и вторичное (ВЗ) зеркала, проекционную систему, состоящую из окуляра и конденсора и приемника излучения.
Недостатками ОС ОЭК, принятой за прототип, является:
2
- регистрация изображения объекта только в одном спектральном диапазоне Δλ;
- большие габариты и масса, обусловленные тем, что промежуточное изображение расположено за ГЗ, а конструкция проекционной системы состоит из двух компонентов: окуляра и конденсора;
- пониженная светосила, ограниченная применением двух компонентной проекционной системой;
- трудность реализации больших углов прокачки.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей ОС ОЭК за счет обеспечения работы в двух спектральных диапазонах, большой светосилы при больших углах прокачки и малых габаритах.
Для решения поставленной задачи предлагается оптическая система оптико-электронного координатора, которая, как и прототип, содержит последовательно установленные обтекатель, объектив, содержащий главное и вторичное зеркала, проекционную систему, состоящую из окуляра и конденсора, приемника излучения.
1
2
1
1
5
2÷4
1
5
2÷4
ГЗ
ВЗ
В отличие от прототипа в предлагаемой оптической системе оптико-электронного координатора за вторичным зеркалом установлены спектроделительный фильтр, пропускающий излучение спектрального диапазона Δλ и отражающий излучение спектрального диапазона Δλ и фотоприемник, установленный в центральном отверстии вторичного зеркала, проекционная система установлена за спектроделительным фильтром в пропускающем излучении спектрального диапазона Δλ и выполнена с отрицательным увеличением β, удовлетворяющим условию 1<β<1,3, и представляет собой пятилинзовую конструкцию, из которой первая и пятая линзы выполнены в виде положительных менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, вторая, третья и четвертая линзы образуют триплет с третьей двояковогнутой линзой и второй и четвертой положительными менисками, обращенными друг к другу, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию: 1<ϕ/ϕ<1,3; 1<ϕ/ϕ<1,3, где ϕ, ϕ - оптические силы первой и пятой линз соответственно, ϕ, ϕ - оптические силы триплета и всей проекционной системы в целом соответственно, кроме того, главное и вторичное зеркала выполнены асферическими, радиусы кривизны при вершинах которых R и R удовлетворяют условию:
ГЗ
ВЗ
|R/R|<0,15÷0,2, между которыми установлен компенсационный положительный мениск, обращенный выпуклостью к главному зеркалу.
Сущность предлагаемой оптической системы оптико-электронного координатора заключается в следующем.
ГЗ
ВЗ
ГЗ
ВЗ
Выполнение ГЗ и ВЗ вогнутыми асферической формы с радиусом кривизны в вершинах поверхностей R и R удовлетворяют условию: |R/R|<0,15÷0,2 и установкой между ними компенсационного положительного мениска, обращенный выпуклостью к ГЗ позволило при сверх больших относительных отверстиях  где D - диаметр ГЗ входного зрачка оптической силы, f'-фокусное расстояние зеркально-линзовой системы, исправить сферическую аберрацию, кому и астигматизм.
Число Лагранжа  где  - половина линейного поля в плоскости изображения, А' - задняя апертура, в данной оптической системе весьма значительное и составляет при  А'=0,86, М=2,4 мм. Для сравнения, например, в классических высокоапертурных линзовых объективах микроскопов М≅0,1÷0,12 мм.
1
2
Кроме того, такая конструкция зеркально-линзового компонента, включающего в себя ГЗ, компенсационную линзу и ВЗ, позволяет получить задний отрезок - расстояние от ВЗ до фокальной плоскости зеркально-линзового оптического компонента достаточно для установки плоскопараллельной пластинки со спектроделительным покрытием на поверхности, делящего излучение на диапазоны Δλ и Δλ.
Проекционная система, работающая с отрицательным увеличением β, удовлетворяющим условию 1<β<1,3, обеспечивает частичную коррекцию полевых аберраций: комы, дисторсии, поперечного хроматизма.
1
5
2÷4
2÷4
Первая и пятая линзы - положительные мениски, близкие к апланатическим, с оптическими силами, удовлетворяющими условию: 1<ϕ/ϕ<1,3, обеспечивают работу триплета, образованного второй, третьей и четвертой линзами, работающего с конечного на конечное расстояние с отрицательным увеличением и с оптической силой ϕ, удовлетворяющей условию: 1<ϕ/ϕ<1,3, ϕ - оптическая сила всего проекционного объектива с малыми входной и выходной апертурами и с компенсированными сферической аберрацией, астигматизмом, комой и кривизной изображения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 - представлена оптическая схема ОЭК.
ГЗ
ВЗ
ГЗ
ВЗ
Предлагаемая оптическая система оптико-электронного координатора содержит обтекатель 1, вогнутые главное зеркало 2 и вторичное зеркало 3, выполненные асферическими, радиусы кривизн при вершинах которых R и R удовлетворяют условию: |R/R|<0,15÷0,2, проекционную систему 4, приемник излучения 5.
0
2
За ВЗ 3 в промежутке перед эквивалентным фокусом F' установлен спектроделительный фильтр 6, пропускающий излучение Δλ а фотоприемник 7 установлен в центральном отверстии ВЗ 3.
Проекционная система 4 представляет собой компактный симметричный микрообъектив, выполненный из пяти линз большой светосилы с изображением апертурной диафрагмы.
2
2
2
1
Первая линза 8 проекционной системы 4 выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения F', вторая линза 9 - положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения F', третья линза 10 - двояковогнутая, четвертая линза 11 - положительный мениск, обращенный к плоскости изображения F', пятая линза 12 - положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения F'.
Первая 8 и пятая 12 линзы обращены выпуклостями друг к другу, а вторая 9, третья 10 и четвертая 11 линзы образуют триплет.
0
Между ГЗ 2 и ВЗ 3 установлены компенсационный мениск 13, обращенный выпуклостью к ГЗ 2. Совместно с обтекателем 1 они образуют зеркально-линзовый компонент с эквивалентный фокусом F'.
Работа оптической системы оптико-элетронного координатора осуществляется следующим образом.
Регистрируемый объект, расположенный в бесконечности, издает излучение с параллельным ходом лучей, которое после прохождения обтекателя 1, отражается от ГЗ 2, проходит компенсационную линзу 13 и после отражения от ВЗ 3 делится спектроделительным фильтром 6 на два диапазона: инфракрасный (ИК) и фотоконтрастный (ФК).
0
1
2
2
В фокальных плоскостях зеркально-линзового компонента образуются изображения объекта: в плоскости F' - изображение, даваемое излучением Δλ, в плоскости F' - изображение, даваемое излучением Δλ.
1
0
2
1
В канале излучение Δλ изображение F' переносится проекционной системой 4 в плоскость F', где установлен приемник 5 для регистрации изображения объекта с излучением Δλ.
В качестве примера приведена оптическая система оптико-электронного координатора со следующими характеристиками.
1
2
2
2
1
Канал спектрального диапазона Δλ включает: обтекатель 1, вогнутое главное зеркало 2, компенсационный мениск 13, вторичное зеркало 3, спектроделительный фильтр 6, проекционная система 4 (Первая линза 8, выполненная в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения F', вторая линза 9 - положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения F', третья линза 10 - двояковогнутая, четвертая линза 11 -положительный мениск, обращенный к плоскости изображения F', пятая линза 12 - положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения F'), приемник излучения 5.
1
спектральный диапазон Δλ=ИК диапазон;
фокусное расстояние, мм F'=46,98 мм
диаметр входного зрачка - 50,6;
диаметр апертурной диафрагмы - световой диаметр главного зеркала 2 - 50,6;
угловое поле, град. - 2 β=3,3°;
x
увеличение проекционной системы 4 - β= -1,29;
проекционная система 4:
оптическая сила ϕ=0,104;
2÷4
отношение оптических сил триплета (линзы 9, 10 и 11) к оптической силе объектива ϕ/ϕ=1,174;
1
5
8
12
отношение оптических сил первой и пятой линз ϕ/ϕ=ϕ/ϕ=1,156;
отношение радиусов кривизн при вершинах главного зеркала 2
2
ГЗ
ВЗ
3
R=R к радиусу при вершине вторичного зеркала R=R
ГЗ
ВЗ
2
3
R/R=R/R=0,176;
2
Главное зеркало 2 - гиперболоид вращения высшего порядка с эксцентриситетом е=1,507543;
2
Вторичное зеркало 3 - параболоид вращения высшего порядка с эксцентриситетом е=+1.
2
Канал спектрального диапазона Δλ включает: обтекатель 1, вогнутое главное зеркало 2, компенсационный мениск 13, вторичное зеркало 3, спектроделительный фильтр 6, фотоприемник 7.
2
спектральный диапазон Δλ = ФК диапазон;
диаметр входного зрачка - 50, 6;
диаметр апертурной диафрагмы - световой диаметр главного зеркала 2 - 50,6;
угловое поле, град. - 2 β=4,6°.
Качество ОС ОЭК:
1
1. Канал Δλ=ИК диапазон
Концентрация энергии в пикселе размером диаметром 160 мкм
в центре поля Е=0,68%
на краю поля Е=0,78%
2
2. Канал Δλ=ФК диапазон
Концентрация энергии в пикселе размером диаметром 40 мкм
в центре поля Е=0,88%
на краю поля Е=0,90%
1
2
К преимуществам предлагаемой ОС ОЭК можно отнести расширение функциональных возможностей за счет обеспечения работы в двух спектральных диапазонах Δλ=ИК и Δλ=ФК, что существенно повышает вероятность обнаружения и сопровождения цели; наличие промежуточного изображения, позволяющего устанавливать специальные защитные, противолазерные фильтры, маски и другие элементы, повышающие надежность и эффективность работы ОС ОЭК; большая светосила при малых габаритах, увеличивающая дальность обнаружения цели и т.п.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Российская Федерация, патент на полезную модель №171187, МПК: G02B 17/08, G02B 23/04, опубл. 23.05.2017 г.
2. Российская Федерация, патент на изобретение №2140659, МПК: G01S 7/483, опубл. 27.10.1999 г. - прототип.