ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СПЕКТРОДЕЛИТЕЛЯ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
OPTICAL SYSTEM OF SPECTRUM DIVIDER FOR IR-AREA OF SPECTRUM

Изобретение относится к оптическим системам и может использоваться в качестве насадки, разделяющей лучи по различным диапазонам ИК-области спектра в тепловизионных приборах.
В известных оптических схемах «АУ-15» и «АУ-16» (В.А.Панов, Л.Н.Андреев. Оптика микроскопов. Ленинград, 1976, стр.317-323), предназначенных для разделения света в видимой области спектра, используются светоделители, выполненные в виде куб-призм. Однако в ИК-области спектра применение этих светоделителей неосуществимо из-за отсутствия клея, прозрачного в этой области.
В патенте РФ No 2.187.138, МПК G02B 23/12, F41G 1/40, дата подачи заявки 27.07.2000, с целью разделения лучей по спектрам используется призменный блок, который пропускает лучи в видимой области спектра и отражает ИК-лучи. Использование этого блока в приборах, работающих с двумя каналами по двум различным диапазонам ИК-спектра, не представляется возможным.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбранным в качестве прототипа является патент США No 5.022.723, МПК G02B 23/04, G02B 23/08, публ. 11.06.1991 г., в котором с целью спектроделения применяется наклонная спектроделительная пластина, расположенная в параллельном пучке лучей. Спектроделительная пластина пропускает лучи в ИК-области спектра и отражает видимые лучи. Недостатками этой спектроделительной системы являются обязательное наличие пластины с большим световым диаметром и необходимость использования двух отдельных объективов, приводящая к увеличению габаритов прибора в целом.
Изобретение решает задачу создания оптической системы спектроделителя для приборов, работающих одновременно в двух различных диапазонах ИК-области спектра с одновременным повышением качества коррекции аберраций и уменьшением габаритов прибора.
Технический результат, обусловленный указанной задачей, достигается созданием оптической системы спектроделителя для ИК-области спектра, включающей плоскопараллельную пластину со спектроделительным покрытием, расположенную в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива и установленную под углом 45 градусов к его оптической оси, и установленный за ней компенсатор аберраций, состоящий из двух линз, первая по ходу лучей из которых положительная с выпуклой первой поверхностью, вторая поверхность которой цилиндрическая, вторая линза компенсатора плосковогнутая, обращенная вогнутостью к изображению и смещена в меридиональной плоскости по направлению, перпендикулярному оптической оси.
Заявляемый технический эффект поясняется следующим. Наклонная пластина со спектроделительным покрытием выполняет функцию разделения лучей по различным диапазонам ИК-области спектра, а расположение ее в сходящемся пучке обеспечивает использование лишь единого объектива для двух каналов, что приводит к уменьшению габаритов прибора. Компенсатор аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке наклонной пластиной, выполненный заявленным образом, устраняет астигматизм и кому. Кроме этого, для уменьшения хроматической аберрации все оптические детали выполнены из материала с низкой дисперсией в указанном спектральном диапазоне, например германия.
Изобретение поясняется чертежами и таблицами, где на фиг.1 представлена оптическая схема заявляемой системы, в таблицах 1-4 представлены конструктивные параметры и значения аберраций вариантов предлагаемой оптической системы, на фиг.2 и фиг.3 представлены частотно-контрастные характеристики этих вариантов.
Оптическая схема заявляемой системы состоит из наклонной под углом 45 градусов плоскопараллельной пластины 1 со спектроделительным покрытием, расположенной в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива и компенсатора аберраций, состоящего из двух линз. Первая линза 2 из них положительная с выпуклой первой поверхностью, вторая поверхность которой цилиндрическая; вторая линза 3 плосковогнутая, обращенная вогнутостью к изображению и смещена в меридиональной плоскости по направлению, перпендикулярному оптической оси.
1
1
2
2
Работа заявляемой схемы проявляется таким образом. ИК-лучи, прошедшие последнюю поверхность объектива, попадают на первую плоскую поверхность пластины 1. Эта поверхность отражает лучи некоторого диапазона ИК-области и пропускает лучи остального ИК-диапазона, например отражает лучи в диапазоне 3-5 мкм и пропускает лучи в диапазоне 8-14 мкм. Отраженные лучи создают изображение AB (см. фиг.1) объекта на чувствительной поверхности первого приемника, а пропущенные лучи проходят черед линзы 2, 3 и создают изображение АВ объекта на чувствительной поверхности второго приемника.
В таблице 1 приведены конструктивные параметры системы спектроделителя для первого варианта, где пропускающий спектр пластины 3-5 мкм, пластина располагается под углом 45 градусов к оптической оси, а объектив имеет следующие характеристики:
- Величина изображения у'=5 мм
- Числовая апертура в пространстве изображения А'=0.25
- Последний отрезок объектива s'=59 мм
В таблице 2 показаны аберрации лучей, исходящих из осевого (№0) и крайнего (№1) пучков на предмете первого варианта. Столбец NLU указывает числовые обозначения лучей в пучке. Столбец W(0) указывает соответственные волновые аберрации.
В таблице 3 показаны конструктивные параметры системы спектроделителя для второго варианта, где пропускающий спектр пластины 8-14 мкм, а объектив имеет следующие характеристики:
- Величина изображения у'=5 мм
- Числовая апертура в пространстве изображения А'=0.25
- Последний отрезок объектива s'=50 мм
В таблице 4 показаны аберрации лучей, исходящих из осевого (№0) и крайнего (№1) пучков на предмете второго варианта.
-1
На фиг.2 показаны графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) первого варианта системы. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициенты передачи контраста Т в относительных единицах, причем кривая I проявляет ЧКХ в сагиттальной поверхности, а кривая II - в меридианной.
На фиг.3 показаны графики ЧКХ второго варианта системы.
Предлагаемая оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра предназначена для приборов, работающих одновременно с двумя отдельными приемниками ИК-области спектра, и обеспечивает уменьшение габаритов прибора в целом, благодаря использованию единственного объектива, и имеет высокое качество коррекции аберраций в соответственном угловом поле объектива.
В настоящее время отработана оптическая схема и выполнен расчет элементов оптической системы спектроделителя, а также исследованы ее характеристики.
Предполагается создание аппаратуры с заявляемой оптической схемой.
Таблица 1
№ пов
Радиус кривизны (мм)
Толщина (мм)
Материал
Показатель преломления для λ=4 мкм
Световой диаметр (мм)
Перемещения по оси У относительно опт.оси (мм)
1*
0
18
Воздух
1
40.5
0
2
0
2
Германий
4.0393
57.6
0
3
0
13.043
Воздух
1
56.7
0
4
191.716
2.8
Германий
4.0393
23.3
0.251
5**
Цилиндр
0.15
Воздух
1
22.8
0
6
0
2.8
Германий
4.0393
22.6
0
7
183.431
25.30
Воздух
1
21.9
-0.53
8
0
Воздух
1
11
0.753
Примечание таблицы 1:
«*» - Фиксированная поверхность или последняя поверхность объектива,
«**» - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси У), и следующее уравнение: х<sup>2</sup> - 19908.86z+z<sup>2</sup>=0.
Таблица 2
N ПУЧКА=0
NLU
MU
LA
ДТGC'
ДТGD'
ДY'
ДХ'
<img file="00000001.tif" he="5" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />√
W(0)
0
0
0
-.0087
0
-.53-3
0
.527-3
Y
1
0.250
0
-0.264
0
.00316
0
.00316
-.0263
0
3
0.177
0
-0.183
0
.460-3
0
.460-3
.00266
X
6
-0.177
0
0.182
0
-.77-3
0
.766-3
-.0051
0
8
-0.250
0
0.262
0
-.0027
0
.00265
-.0344
9
0
0.250
-.34-3
-0.260
.308-4
-.27-3
.272-3
-.0727
11
0
0.177
-.17-3
-0.181
-.32-4
.00163
.00163
-.0568
41
0.177
0.177
-0.186
-0.184
.561-3
.00163
.00172
-.0502
43
0.125
0.125
-0.129
-0.128
-.19-3
.00169
.00170
-.0270
49
-0.177
0.177
0.185
-0.184
-.30-3
.00115
.00119
-.0517
51
-0.125
0.125
0.129
-0.128
.262-6
.00165
.00165
-.0307.
N ПУЧКА=1
NLU
MU
LA
ДТGC'
ДТGD'
ДY'
ДХ'
<img file="00000001.tif" he="5" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />√
W(0)
0
0
0
-.0103
0
4.92
0
4.92
Y
1
0.250
0
-0.264
0
.00493
0
.00493
-.0920
5.00
3
0.177
0
-0.183
0
.00191
0
.00191
-.0327
Х
6
-0.177
0
0.182
0
-.0035
0
.00351
-.0584
0
8
-0.250
0
0.262
0
-.0076
0
.00760
-0.158
9
0
0.250
-.39-3
-0.261
-.47-3
-.0022
.00223
-.0126
11
0
0.177
-.19-3
-0.181
-.26-3
.278-3
.379-3
-.0267
41
0.177
0.177
-0.187
-0.185
.00176
-.20-3
.00177
-.0459
43
0.125
0.125
-0.130
-0.128
.810-3
.522-3
.964-3
-.0273
49
-0.177
0.177
0.185
-0.184
-.0036
.540-3
.00362
-.0901
51
-0.125
0.125
0.129
-0.128
-.0019
.987-3
.00212
-.0446
Таблица 3
№ пов
Радиус кривизны (мм)
Толщина (мм)
Материал
Показатель преломления для λ=10.6 мкм
Световой диаметр (мм)
Перемещения по оси У относительно опт. оси (мм)
1*
0
20
Воздух
1
35.8
0
2
0
3
Германий
4.004
48.7
0
3
0
13.071
Воздух
1
47.4
0
4
210.341
2.5
Германий
4.004
18.7
0.381
5**
Цилиндр
0.15
Воздух
1
18.3
0
6
0
2.0
Германий
4.004
18.1
0
7
205.97
15.056
Воздух
1
20.4
-1.415
8
0
Воздух
1
10
1.73
Примечание таблицы 3:
«*» - Фиксированная поверхность или последняя поверхность объектива,
«**» - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси У), и следующее уравнение: х<sup>2</sup>-4672.7z+z<sup>2</sup>=0.
Таблица 4
N ПУЧКА=0
NLU
MU
LA
ДТGC'
ДТGD'
ДY'
ДХ'
√
W(0)
0
0
0
-.0206
0
-.0049
0
.00490
Y
1
0.250
0
-0.266
0
.00205
0
.00205
-.0104
0
3
0.177
0
-0.184
0
.496-3
0
.496-3
-.0026
X
6
-0.177
0
0.182
0
-.14-3
0
.141-3
-.0027
0
8
-0.250
0
0.261
0
.658-3
0
.658-3
-.0014
9
0
0.250
-.82-3
-0.257
.657-5
-.0046
.00462
-.0215
11
0
0.177
-.40-3
-0.179
-.71-4
.00134
.00135
-.0292
41
0.177
0.177
-0.188
-0.183
-.0013
-.62-3
.00140
-.0147
43
0.125
0.125
-0.130
-0.127
-.51-3
.00171
.00178
-.0153
49
-0.177
0.177
0.185
-0.181
.00253
-.0014
.00287
-.0114
51
-0.125
0.125
0.129
-0.126
.600-3
.00168
.00179
-.0162
N ПУЧКА=1
NLU
MU
LA
ДТGC'
ДТGD'
ДY'
ДХ'
√
W(0)
0
0
0
-.0208
0
4.90
0
4.90
Y
1
0.250
0
-0.266
0
-.0017
0
.00174
0.0237
5.00
3
0.177
0
-0.184
0
-.0016
0
.00159
0.0111
X
6
-0.177
0
0.182
0
-.0013
0
.00132
-.0072
0
8
-0.250
0
0.261
0
-.0024
0
.00238
-.0201
9
0
0. 250
-.81-3
-0.257
-.0012
-.0100
0.0100
0.0406
11
0
0.177
-.40-3
-0.179
-.67-3
-.0024
.00248
.00160
41
0.177
0. 177
-0.188
-0.183
-.0040
-.0056
.00686
0.0399
43
0.125
0.125
-0.130
-0.127
-.0020
-.0015
.00250
.00919
49
-0.177
0.177
0.185
-0.182
.604-3
-.0037
.00378
.00389
51
-0.125
0.125
0.129
-0.126
-.15-3
-.30-3
.335-3
-.0053