ОПТИКА ФОРМИРОВАТЕЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОЛНОГО ПОЛЯ НА ГЕОСИНХРОННОЙ ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТЕ С РАСШИРЕННЫМ СПЕКТРОМ
COMPLETE FIELD IMAGER OPTICS ON GEOSYNCHRONOUS EARTH ORBIT WITH EXPANDED SPECTRUM

Уровень техники
Широкопольные инфракрасные системы формирования изображений используют в самых разных случаях практического применения, таких как платформа беспилотного летательного аппарата (БПЛА), для распознавания цели или спутники, таких как спутники на геостационарной или геосинхронной околоземной орбите (ГСО). Наблюдение в обширном районе может выполняться в различных диапазонах длин волн в зависимости от применения. Например, инфракрасные оптические системы на ГСО используют в системах предупреждения о пусках ракет. Интересуемые диапазоны длин волн включают коротковолновую инфракрасную область спектра в диапазоне длин волн примерно 1,4-3 микрометра (мкм), средневолновую инфракрасную область спектра в диапазоне длин волн приблизительно 3-8 мкм и длинноволновую инфракрасную область спектра в диапазоне длин волн приблизительно 8-12 мкм.
Раскрытие изобретения
Обычно оптика датчиков полного поля на геосинхронных платформах охватывает лишь коротковолновую инфракрасную и нечасто средневолновую инфракрасную область спектра для применений в системах предупреждения о пусках ракет. Аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения относятся к многофункциональной широкопольной оптической системе формирования изображений с расширенным спектром. В частности, некоторые аспекты относятся к расширению вариантов осуществления оптической формы формирователя изображений полного поля на геосинхронной околоземной орбите для охвата дополнительных полос спектра, например области спектра примерно от 1,0 мкм до 5,0 мкм, для обеспечения дополнительных функций считывания в области с высоким уровнем отражения солнечного света от поверхности. В соответствии с одним вариантом осуществления многофункциональная оптическая система выполнена с возможностью обеспечения как выполнения традиционных функций предупреждения о пусках ракет в коротковолновой инфракрасной и средневолновой инфракрасной областях спектра, так и дополнительной способности считывания для других применений, например получение изображений, касающихся наблюдения за земной поверхностью или погоды (например, облачный покров и прохождение грозы), в полосе спектра приблизительно 1,0-2,5 мкм, более подробно рассмотренных ниже.
В соответствии с одним вариантом осуществления оптическая система формирования изображений содержит детектор формирования изображений, чувствительный к свету в диапазоне длин волн по меньшей мере от 1,0 мкм до 5,0 мкм, и несколько линз, оптически связанных между собой и выполненных с возможностью фокусирования падающего света на детектор формирования изображений, причем каждая из этих нескольких линз изготовлена из материала, прозрачного для света в диапазоне длин волн по меньшей мере от 1,0 мкм до 5,0 мкм, причем зрачок оптической системы формирования изображений расположен внешне по отношению к нескольким линзам между этими несколькими линзами и детектором формирования изображений.
3
12
5
Согласно одному примеру оптической системы формирования изображений указанные несколько линз включают первую линзу и вторую линзу, расположенную сзади первой линзы, причем первая линза характеризуется положительной оптической силой и изготовлена из прозрачного сульфида цинка. Вторая линза может характеризоваться отрицательной оптической силой и может быть изготовлена, например, из фторида магния. Кроме того, указанные несколько линз могут включать третью линзу, расположенную между второй линзой и зрачком, причем третья линза характеризуется отрицательной оптической силой и изготовлена, например, из стекла Amtirl (GeAsSe) (Amtir - аморфный материал, пропускающий инфракрасное излучение). Согласно другому примеру указанные несколько линз дополнительно включают четвертую линзу, расположенную между третьей линзой и зрачком, причем четвертая линза характеризуется отрицательной оптической силой и изготовлена из фторида бария. Согласно другому примеру указанные несколько линз дополнительно включают пятую линзу, расположенную между четвертой линзой и зрачком, причем пятая линза характеризуется положительной оптической силой и изготовлена из прозрачного сульфида цинка. Указанные несколько линз могут конструктивно быть выполнены и расположены таким образом, чтобы создать систему оптического формирования изображений с полем зрения приблизительно 18-20 градусов.
В соответствии с еще одним примером оптическая система формирования изображений дополнительно содержит асферический корректор, оптически связанный между несколькими линзами и детектором формирования изображений и выполненный с возможностью коррекции асферических аберраций нескольких линз в диапазоне длин волн по меньшей мере от 1,0 мкм до 5,0 мкм. Согласно одному примеру асферический корректор представляет собой коррекционную плиту Шмидта. Асферический корректор может быть изготовлен, например, из стекла Amtirl. Согласно одному примеру детектор формирования изображений представляет собой двухмерную решетку фокальной плоскости. Система формирования изображений может дополнительно содержать криогенный сосуд Дьюара, причем детектор формирования изображений расположен внутри криогенного сосуда Дьюара. Система может дополнительно содержать апертурную диафрагму, расположенную в зрачке оптической системы формирования изображений и внутри криогенного сосуда Дьюара. Согласно одному примеру система дополнительно содержит по меньшей мере один спектральный фильтр, расположенный между указанными несколькими линзами и детектором формирования изображений. Согласно другому примеру система дополнительно содержит светоделитель, расположенный между указанными несколькими линзами и детектором формирования изображений и предназначенный для деления падающего света по меньшей мере на два диапазона длин волн. Согласно одному примеру указанные по меньшей мере два диапазона длин волн включают первый диапазон длин волн и второй диапазон длин волн, а детектор формирования изображений включает первый детектор, рассчитанный на первый диапазон длин волн, и второй детектор, рассчитанный на второй диапазон длин волн. Согласно другому примеру указанные по меньшей мере два диапазона длин волн включают первый диапазон длин волн и второй диапазон длин волн, а детектор формирования изображений включает первую область, чувствительную к свету в первом диапазоне длин волн, и вторую область, чувствительную к свету во втором диапазоне длин волн. Первый диапазон длин волн может включать диапазон длин волн, например, приблизительно от 1,0 до 2,5 мкм, а второй диапазон длин волн может включать, например, по меньшей мере одну из коротковолновой инфракрасной полосы спектра и средневолновой инфракрасной полосы спектра.
Другие аспекты, варианты осуществления и преимущества этих примерных аспектов и вариантов осуществления подробно рассмотрены ниже. Варианты осуществления, раскрытые в настоящем описании, могут быть объединены с другими вариантами осуществления любым образом, согласующимся по меньшей мере с одним из принципов, раскрытых в настоящем описании, и выражения «вариант осуществления», «некоторые варианты осуществления», «альтернативный вариант осуществления», «различные варианты осуществления», «один вариант осуществления» и т.п. не обязательно являются взаимно исключающими и предназначены для указания того, что конкретный описанный признак, конструкция или характеристика может быть включена по меньшей мере в один вариант осуществления. Появления этих терминов не обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления.
Краткое описание чертежей
Ниже рассмотрены различные аспекты по меньшей мере одного варианта осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры, выполненные не в масштабе. Фигуры включены для иллюстрации и дополнительного понимания различных аспектов и вариантов осуществления. Они включены в настоящее описание и составляют его неотъемлемую часть, но не предназначены для установления объема изобретения. На фигурах каждый идентичный или почти идентичный компонент, проиллюстрированный на разных фигурах, обозначен подобной позицией. Для ясности не каждый компонент может быть обозначен позицией на каждой фигуре.
На фигурах представлено следующее:
на Фиг. 1 представлен ход луча согласно одному примеру инфракрасной оптической системы формирования изображений для случаев применения для предупреждения о запуске ракет;
на Фиг. 2 представлен ход луча согласно одному примеру оптической системы формирования изображений с расширенным спектральным охватом в соответствии с аспектами изобретения; и
на Фиг. 3 представлен ход луча согласно еще одному примеру оптической системы формирования изображений с расширенным спектральным охватом в соответствии с аспектами изобретения.
Осуществление изобретения
Аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения относятся к многофункциональным оптическим системам формирования изображений, способным формировать изображения в полосе спектра по меньшей мере приблизительно от 1,0 микрометра (мкм) примерно до 5 мкм. В соответствии с одним вариантом осуществления способность формировать изображения в полосе 1,0-2,5 мкм в дополнение к любой или обеим коротковолновой инфракрасной и средневолновой инфракрасной полосам позволяет системе обеспечивать как выполнение традиционных функций предупреждения о пусках ракет или других функций с использованием формирования инфракрасных изображений, так и дополнительную способность считывания для других применений, например предоставление сведений о погоде, с высоким пространственным разрешением и быстрой сменой кадров. Обычно эти несопоставимые функции считывания выполняются совершенно отдельными системами формирования изображений, каждая из которых рассчитана лишь на соответствующую полосу спектра.
2
Рассмотрим Фиг. 1, на которой проиллюстрирован один пример инфракрасной оптической системы формирования изображений, которая может быть использована в системах предупреждения о запуске ракет. Оптическая система 100 формирования изображений обычно находится на платформе на геосинхронной околоземной орбите и содержит оптику, через которую проходит оптический путь от наблюдаемой сцены (например, все полушарие Земли) до датчика формирования изображений. Оптическая система 100 содержит несколько линз 105, 110, 115, 120 и 125, предназначенных для обеспечения требуемого фокусного расстояния и поля зрения сцены и фокусирования области изображения Земли на инфракрасный детектор 130, такой как двухмерная решетка фокальной плоскости. Детектор 130 помещен в сосуд Дьюара 140, служащий в качестве низкотемпературного экрана, в котором происходит охлаждение детектора 130, например, до криогенных температур. Сосуд Дьюара 140 содержит окно 145, выполненное прозрачным для инфракрасного излучения в требуемом диапазоне длин волн работы системы 100. Для типичных применений для предупреждения о пуске ракет в коротковолновой инфракрасной или средневолновой инфракрасной полосах спектра первая линза 105 изготовлена из кремния, а вторая линза 110 из германия. Третья линза 115 изготовлена из селенида цинка (ZnSe), четвертая линза 120 изготовлена из арсенида галлия (GaAs), а пятая линза 125 изготовлена из фторида бария (BaF).
Эти материалы позволяют получить оптическую систему 100, способную формировать изображения с высоким пространственным разрешением и быстрой сменой кадров в верхней коротковолновой инфракрасной и средневолновой инфракрасной полосах спектра. Однако охват спектра этой системы ограничен, поскольку несколько материалов, используемых для данной оптики, не прозрачны для света с длинами волн, короче средней коротковолновой инфракрасной полосы. Например, при длинах волн примерно 1,0 мкм кремний, германий и арсенид галлия все непрозрачны. Кремний (материал первой линзы 105) непрозрачен при длинах волн ниже приблизительно 1,1 мкм. Подобным образом германий (материал второй линзы 110) непрозрачен при длинах волн короче приблизительно 2 мкм. Арсенид галлия (материал линзы 120) также непрозрачен при длинах волн короче приблизительно 2 мкм.
В соответствии с одним вариантом осуществления предлагается оптическая система, в которой материалы линз выбирают, а расположение оптических элементов выполняют таким образом, что система способна формировать изображения в диапазоне длин волн ниже 2 мкм в дополнение к коротковолновой инфракрасной и средневолновой инфракрасной полосам, например в диапазоне длин волн примерно 1-5 мкм. Как уже отмечалось, эта способность может позволить системе выполнять самые разные функции, включая, например, функции предупреждения о пуске ракет и функции формирования изображений погоды. Некоторые варианты осуществления основаны на широкопольной преломляющей оптической форме с задней диафрагмой, подробнее рассмотренной ниже. Материалы и расположение оптических элементов выбирают не только для пропускания в расширенных инфракрасных полосах спектра, как уже отмечалось, но и для обеспечения высокого качества изображения в расширенном диапазоне.
Рассмотрим Фиг. 2, на которой проиллюстрирован пример оптической системы формирования изображений с расширенным охватом спектра в соответствии с одним вариантом осуществления. Подобно системе 100 система 200 формирования изображений может находиться на платформе на геосинхронной околоземной орбите и содержит оптику, через которую проходят лучи 202 света от наблюдаемой сцены до датчика или детектора 205 формирования изображений. Система 200 формирования изображений включает несколько линз, которые захватывают лучи 202 света от объекта в дальней зоне и сфокусируют падающие лучи 202 света на детектор 205. Следовательно, детектор 205 находится в фокусе или фокальной плоскости 280 системы формирования изображений 200. Согласно приведенному в качестве иллюстрации примеру система 200 формирования изображений содержит первую линзу 215, вторую линзу 220, третью линзу 225, четвертую линзу 230 и пятую линзу 235. Согласно одному примеру линзы 215-235 конструктивно исполнены таким образом, что создать систему 200 формирования изображений с широким полем зрения, например круговым полем зрения примерно 18-20 градусов. Система 200 формирования изображений может дополнительно содержать асферический корректор 240, например коррекционную плиту Шмидта, для коррекции асферических аберраций в линзах 215-235.
Согласно одному примеру детектор 205 представляет собой двухмерную решетку фокальной плоскости (РФП). РФП может быть широкоформатной РФП, например, решеткой 4000×4000 пикселей (известной как 4K×4K FPA), имеющей пиксели размером 20 мкм. Согласно некоторым примерам детектор 205 чувствителен к свету в инфракрасном диапазоне длин волн, например, примерно от 1 мкм примерно до 5 мкм. Как уже отмечалось, при работе системы 200 формирования изображений детектор 205 может быть охлажден, например, до криогенных температур. Соответственно система 200 формирования изображений может включать низкотемпературный сосуд Дьюара 210, который вмещает детектор 205 и действует в качестве низкотемпературного экрана, в котором происходит охлаждение детектора 205. Как уже отмечалось со ссылками на Фиг. 1, сосуд Дьюара 210 содержит окно 250, выполненное прозрачным для инфракрасного излучения в требуемом диапазоне длин волн работы системы 200. Согласно одному примеру выходной зрачок 260 системы 200 формирования изображений расположен внешне по отношению к группе линз 215-235. Это конструктивное исполнение может быть преимущественным в том, что с наружным зрачком ни одну из линз 215-235 не требуется помещать внутри сосуда Дьюара 210. Согласно одному примеру в наружном зрачке 260 предусмотрена охлаждаемая апертурная диафрагма 265, которая может находиться внутри сосуда Дьюара 210, как показано на Фиг. 2. При этом предотвращается восприятие детектором 205 излучения от поверхностей линз или иных оптических компонентов, которые являются теплыми (то есть не экранированы сосудом Дьюара 210), и, следовательно, могут обладать высокой излучательной способностью. В сосуде Дьюара 210 могут быть предусмотрены один или несколько спектральных фильтров 270, 275, которые могут быть использованы для выбора длин волн.
2
2
Как уже отмечалось, в обычных инфракрасных оптических системах формирования изображений, по меньшей мере, некоторые из линз обычно изготавливают из материала не прозрачного или лишь слабопрозрачного для длин волн в диапазоне 1-2 или 2,5 мкм. В отличие от них, в соответствии с одним вариантом осуществления все линзы 215-235 изготавливают из материалов, эффективно пропускающих свет при длинах волн в диапазоне 1-2,5 мкм, без жертвования характеристиками в верхнем коротковолновом инфракрасном диапазоне и средневолновом инфракрасном диапазоне. Согласно одному варианту осуществления первая линза 215 изготовлена из сульфида цинка (ZnS) или прозрачного сульфида цинка (ClZnS), а вторая линза 220 изготовлена из фторида магния (MgF), например. Согласно примеру, проиллюстрированному на Фиг. 2, первая линза 215 характеризуется положительной оптической силой, а вторая линза 220 характеризуется отрицательной оптической силой. Согласно одному примеру третья линза 225 и четвертая линза 230 обе характеризуются отрицательной оптической силой. Третья линза может быть изготовлена, например, из стекла Amtirl, четвертая линза 230 может быть изготовлена из фторида бария (BaF), например. Пятая линза 235 может характеризоваться положительной оптической силой и может быть изготовлена из сульфида цинка, например. Эти материалы могут быть выбраны с таким расчетом, чтобы создать оптическую систему 200 формирования изображений с широкополосным охватом спектра, как уже отмечалось выше.
В таблице 1 приведены параметры для примерной оптической системы 200 в соответствии с ходом луча, проиллюстрированным на Фиг. 2. Параметры для этой примерной оптической системы 200 могут быть выбраны по формуле, являющейся отраслевым стандартом и, наверняка, известной специалистам. Следует, однако, понимать, что параметры, приведенные в таблице 1, является чисто примерными, и что параметры для различных вариантов осуществления оптической системы 200 определяются намеченной задачей формирования изображений, которая должна выполняться оптической системой. Единицы измерения в таблице 1 - сантиметры (см).
В таблице 1 СС - константа кривой второго порядка, Rd - радиус, Т - толщина и Ad, Ае, Af и Ag - асферические константы. При параметрах, приведенных в таблице 1, соответствующий пример оптической системы 200, проиллюстрированный на Фиг. 2, позволяет добиться F-числа (относительной апертуры) или скорости примерно F/2,20 с фокусным расстоянием примерно 25,41 см, полем зрения примерно 18,4 градусов и охватом спектра 1,1-4,5 мкм. В этом примере диаметр апертуры равен примерно 11,54 см, а диафрагма 250 характеризуется диаметром примерно 6,76 см.
Как уже отмечалось, для выбора длин волн в оптической системе 200 формирования изображений могут быть использованы один или несколько фильтров 270, 275. В некоторых случаях применения система может быть использована для получения изображения в одной полосе спектра, например в коротковолновой инфракрасной, а затем один или несколько фильтров 270, 275 можно заменить, чтобы позволить системе 200 получать изображение в другой полосе длин волн, например в средневолновой инфракрасной. В других случаях применения может потребоваться обеспечить способность формировать изображения в нескольких полосах спектра одновременно. Соответственно, обращаясь к Фиг. 3, согласно одному варианту осуществления оптическая система 300 формирования изображений содержит кубовый светоделитель 310, который может одновременно направлять лучи 202 падающего света на две или более разные фокальные плоскости или детекторы. Согласно примеру, проиллюстрированному на Фиг. 3, светоделитель 310 представляет собой кубовый светоделитель и может быть, например, дихроичным или спектральным светоделителем. Согласно одному примеру светоделитель 310 изготовлен из кремния.
Светоделитель 310 может быть использован для разделения лучей 202 падающего света на разные полосы спектра и направления разных диапазонов длин волн на соответствующие детекторы. Согласно одному примеру детектор 205 может включать два или более отдельных детекторов, которые могут находиться на разных фокальных плоскостях, причем каждый предназначен для приема конкретного диапазона длин волн из светоделителя 310. Согласно другому примеру детектор 205 может быть сегментирован или разделен на разные области, причем каждая область предназначена для конкретного диапазона длин волн из светоделителя 310. Например, оптическая система 300 может быть выполнена с одним детектором или областью детектора 205, чувствительным или чувствительной в полосе 1,0-2,5 мкм и коротковолновой инфракрасной полосе, и еще одним детектором или областью, чувствительным или чувствительной в средневолновой инфракрасной полосе. Следовательно, светоделитель 310 может быть конструктивно исполнен так, чтобы разделять лучи 202 падающего света между полосой 1,0-2,5 мкм и коротковолновой инфракрасной полосой, с одной стороны, и средневолновой инфракрасной полосой, с другой стороны, чтобы направлять соответствующие диапазоны длин волн на соответствующие детекторы. Согласно другому примеру оптическая система 300 может быть конструктивно исполнена с одним детектором или областью детектора 205, чувствительным или чувствительной в полосе 1,0-2,5 мкм и коротковолновой инфракрасной полосе и/или средневолновой инфракрасной полосе (полосах). Светоделитель 310 может быть конструктивно исполнен так, чтобы соответственно разделять и направлять лучи 202 падающего света.
Выше описаны несколько аспектов по меньшей мере одного варианта осуществления, однако следует понимать, что специалистам будут очевидны различные изменения, модификации и усовершенствования. Эти изменения, модификации и усовершенствования должны считаться частью настоящего изобретения и быть в пределах его объема. Таким образом, варианты осуществления устройств, рассмотренных в настоящем описании, не ограничиваются в применении деталями конструкции и расположением компонентов, изложенными в настоящем описании или проиллюстрированными на прилагаемом графическом материале. Примеры конкретных вариантов осуществления приведены в настоящем описании лишь в иллюстративных целях и не предназначены ограничивать объем изобретения. Кроме того, фразеология и терминология, использованные в настоящем описании, служат лишь цели описания и не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения. Любые ссылки на варианты осуществления, или элементы, или действия систем, или методы в настоящем документе в единственном числе могут охватывать и варианты осуществления, включающие несколько таких элементов, и любые ссылки во множественном числе на любой вариант осуществления, или элемент, или действие в настоящем документе могут охватывать и варианты осуществления, включающие лишь один элемент. Использование в настоящем документе слов «включающий», «содержащий», «характеризующийся наличием» и их вариантов означает охватывание элементов, перечисленных после этих слов, и их эквивалентов, а также дополнительных элементов. Соответственно вышеприведенное описание и фигуры служат лишь для примера, и объем изобретения должен определяться путем правильного толкования прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.