ПРИЕМНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПАНОРАМНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА
RECEPTION OPTICAL SYSTEM OF PANORAMIC OPTOELECTRONIC DEVICE

Изобретение относится к области оптического приборостроения и используется в обзорно-панорамных оптико-электронных приборах и системах, преобразующих трехмерное панорамное пространство в угловом поле, близком к полусфере, в плоское изображение на приемнике излучения и работающих как в видимом, так и в ИК-диапазоне спектра.
Известна оптическая панорамная система с угловым полем, близким к полусфере, описанная в патенте US № 7161746, МПК G02B 13/14, опубл. 14.10.1996, содержащая первую группу линз с отрицательной оптической силой и вторую группу линз с положительной оптической силой, расположенную на некотором расстоянии от первой группы линз вдоль оптической оси.
Недостаток данной панорамной системы заключается в сложности изготовления и юстировки такой системы, больших потерях на поглощение, что снижает технические характеристики системы.
Другая известная составная панорамная система, описанная в патенте СА № 2147333, МПК G02B 9/12, опубл. 13.04.1995, содержит центральную оптическую ось азимутального направления, азимутальный оптический элемент в виде многолинзового объектива, кольцевой элемент, представляющий собой отражающее зеркало.
Недостаток данной панорамной системы заключается в сложности изготовления и юстировки такой системы, больших потерях на поглощение и низкой разрешающей способности.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является одноканальная приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, описанная в свидетельстве РФ на полезную модель № 25947, МПК G02B 13/06, опубл. 27.10.2002 г. и содержащая осесимметричные последовательно установленные вдоль оптической оси оптический панорамный блок с первой выпуклой и второй плоской преломляющими поверхностями, первой выпуклой и второй вогнутой отражающими поверхностями и многоэлементный приемник излучения, расположенный за плоской преломляющей поверхностью оптического панорамного блока в его задней фокальной плоскости.
Недостатком такой системы является наличие темнового поля вокруг оптической оси, не позволяющее обеспечить изображение всех точек панорамного пространства в угловом поле, близком к полусфере, низкая разрешающая способность, обусловленная попаданием внеинформационных пучков лучей на многоэлементный приемник излучения, что ухудшает технические характеристики системы и ограничивает область ее применения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение технических характеристик приемной оптической системы панорамного оптико-электронного прибора за счет увеличения ее углового поля и доведения его до близкого к полусфере путем полного устранения темнового поля вокруг оптической оси и ограничения относительного отверстия системы и выделения информационных пучков лучей, обеспечивающих высокую разрешающую способность системы.
Поставленная задача достигается тем, что известная приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, содержащая последовательно установленные вдоль оптической оси ее канала оптический панорамный блок с первой выпуклой и второй плоской преломляющими поверхностями, первой выпуклой и второй вогнутой отражающими поверхностями, задней фокальной плоскостью, расположенной за его плоской преломляющей поверхностью и многоэлементный приемник излучения, снабжена по крайней мере одним идентичным первому каналом, размещенным на оси, параллельной оптической оси первого канала, и в каждый канал дополнительно введены апертурная диафрагма, установленная вдоль его оптической оси после первой выпуклой преломляющей поверхности оптического панорамного блока, и полевая диафрагма, установленная после его второй плоской преломляющей поверхности, апертурная диафрагма совмещена с первой выпуклой отражающей поверхностью оптического панорамного блока, а полевая диафрагма совмещена с многоэлементным приемником излучения и установлена в задней фокальной плоскости оптического панорамного блока, при этом в каждом канале апертурная, полевая диафрагмы, две преломляющие и две отражающие поверхности оптического панорамного блока с центрами кривизны на оптической оси канала выполнены внеосевыми, а световые отверстия каждой преломляющей и отражающей поверхностей, апертурной и полевой диафрагм выполнены в виде секторов с одинаковыми значениями центральных углов α и с вершинами этих углов на оптической оси канала, причем значение центральных углов α выбрано меньше или равным 180° из условия, что центральные углы секторов световых отверстий на каждой из одноименных поверхностей оптического панорамного блока, апертурной и полевой диафрагм всех каналов составляют суммарный угол 360°, совпадающие между собой центральные углы секторов световых отверстий первых выпуклых преломляющей и отражающей поверхностей оптического панорамного блока, апертурной диафрагмы расположены симметрично относительно оптической оси канала совпадающим между собой центральным углам секторов световых отверстий его вторых вогнутой отражающей, плоской преломляющей поверхностей и полевой диафрагмы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена двухканальная приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, а на фиг.2 - вид по стрелке А в канале 1 и на фиг.3 - вид по стрелке В в канале 2.
Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора содержит два идентичных канала 1 и 2, каждый из которых размещен на параллельных между собой оптических осях 3 и 4. Каждый канал содержит последовательно установленные вдоль своей оси оптический панорамный блок 5, выполненный в виде первой выпуклой внеосевой преломляющей поверхности 6, на которую направлен информационный поток 7 вдоль главного луча 8, плоской внеосевой преломляющей поверхности 9, за которой расположена задняя фокальная плоскость 10 оптического панорамного блока 5, первой выпуклой внеосевой отражающей поверхности 11, совмещенной с внеосевой апертурной диафрагмой 12, второй вогнутой внеосевой отражающей поверхности 13, внеосевую полевую диафрагму 14, совмещенную с многоэлементным приемником излучения 15 и установленную в задней фокальной плоскости 10 оптического панорамного блока 5. Центры кривизны преломляющих 6, 9 и отражающих 11, 13 поверхностей оптического панорамного блока 5 канала 1 расположены на оптической оси 3, а канала 2 - на оптической оси 4. Световые отверстия первой преломляющей поверхности 6 в каналах 1 и 2 так же как и каждой одноименной поверхности оптического панорамного блока 5, апертурной 12 и полевой 14 диафрагм в обоих каналах выполнены в виде секторов 16 и 17 с центральными углами α, равными 180°, вершины которых 18 и 19 расположены на оптических осях 3 и 4 соответственно. Вместе центральные углы секторов световых отверстий обоих каналов составляют суммарный угол 360°, при этом сектора световых отверстий первых поверхностей блока преломляющей 6 и отражающей 11 и апертуной диафрагмы 12 в канале 1 расположены выше оптической оси 3, а в канала 2 - ниже оптической оси 4.
Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора может быть выполнена с большим, чем два числом каналов при условии, что центральные углы α секторов световых отверстий на каждой одноименной поверхности оптического панорамного блока 5, апертурной 12 и полевой 14 диафрагм всех каналов составляют суммарный угол 360°.
Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора может быть выполнена с одинаковыми или разными многоэлементными приемниками излучения 15, установленными в каждый канал 1, 2, либо с одним многоэлементным приемником излучения 15 при условии, что полевые диафрагмы 14 всех каналов расположены в одной плоскости и совмещены с приемником излучения 15, перекрывающим световые отверстия полевых диафрагм 14 всех каналов 1, 2.
Оптический панорамный блок 5 может быть выполнен из оптических материалов с показателем преломления от 1,4 до 4,0, прозрачных в различных спектральных диапазонах от видимого до ИК-диапазона спектра, а его преломляющие 6, 9 и отражающие 11, 13 поверхности могут быть выполнены как поверхности второго, так и более высоких порядков.
Приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора работает следующим образом.
От произвольной точки верхней относительно оптической оси 3 канала 1 части полусферы панорамного пространства предметов в оптический панорамный блок 5 канала 1 вдоль главного луча 8 поступает информационный поток 7 на его первую выпуклую преломляющую поверхность 6, которая собирает этот поток и направляет его в апертурную диафрагму 12, при этом главный луч 8 направлен в вершину первой выпуклой отражающей поверхности 11 на оси 3. Центральный угол и радиус сектора светового отверстия апертурной диафрагмы 12 выполнены такими, что она ограничивает сечение информационного потока 7, обеспечивающее необходимые освещенность и разрешающую способность в изображении на многоэлементном приемнике излучения 15.
Совмещенная с апертурной диафрагмой 12 первая выпуклая отражающая поверхность 11 расходящимся пучком направляет информационный поток 7 на вторую вогнутую отражающую поверхность 13, отразившись от которой, он сходящимся пучком направляется на вторую плоскую преломляющую поверхность 9, преломляется на ней и далее фокусируется в задней фокальной плоскости 10 оптического панорамного блока 5, образуя действительное изображение точки на многоэлементном приемнике излучения 15, а полевая диафрагма 14 ограничивает изображение, формируемое на многоэлементном приемнике излучения 15 в угловом поле канала 1, при этом высоты падения главного луча 8 на поверхности как на первую преломляющую 6, так и на вторую вогнутую отражающую 13 и вторую плоскую преломляющую 9 практически одинаковые.
Выполнение диафрагм: апертурной 12 и полевой 14, а также поверхностей оптического панорамного блока 5: двух преломляющих 6,9 и двух отражающих 11, 13 с центрами кривизны на оптической оси 3 внеосевыми со световыми отверстиями в виде секторов с центральными углами 180° и вершинами этих углов на оптической оси 3 обеспечивает действительное перевернутое изображение верхней относительно оптической оси 3 полусферы панорамного пространства при полном отсутствии темнового поля вокруг оси 3 на многоэлементном приемнике излучения 15 в канале 1 в виде полукруга - сектора с центральным углом 180° и вершиной этого угла на оптической оси 3.
Одновременно от произвольной точки нижней относительно оптической оси 4 канала 2 части полусферы панорамного пространства предметов в оптический панорамный блок 5 канала 2 вдоль главного луча 8 поступает информационный поток 7 на его первую выпуклую преломляющую поверхность 6, расположенную ниже оптической оси 4, которая, как и в канале 1, собирает этот поток и направляет его в апертурную диафрагму 12, при этом главный луч 8 направлен в вершину первой выпуклой отражающей поверхности 11 на оси 4. Центральный угол и радиус сектора светового отверстия апертурной диафрагмы 12 выполнены такими, что она ограничивает сечение информационного потока 7, обеспечивающее необходимые освещенность и разрещающую способность в изображении на многоэлементном приемнике излучения 15.
Совмещенная с апертурной диафрагмой 12 первая выпуклая отражающая поверхность 11 расходящимся пучком направляет информационный поток 7 на вторую вогнутую отражающую поверхность 13, отразившись от которой, он сходящимся пучком направляется на вторую плоскую преломляющую поверхность 9, преломляется на ней и далее фокусируется в задней фокальной плоскости 10 оптического панорамного блока 5, образуя действительное изображение точки на многоэлементном приемнике излучения 15, а полевая диафрагма 14 ограничивает изображение, формируемое на многоэлементном приемнике излучения 15 в угловом поле канала 2, при этом высоты падения главного луча 8 на поверхности как первую преломляющую 6, так и на вторую вогнутую отражающую 13 и вторую плоскую преломляющую 9, как и в канале 1, практически одинаковые.
Выполнение в канале 2 диафрагм: апертурной 12 и полевой 14, а также поверхностей оптического панорамного блока 5: двух преломляющих 6,9 и двух отражающих 11, 13 с центрами кривизны на оптической оси 4 внеосевыми со световыми отверстиями в виде секторов с центральными углами 180° и вершинами этих углов на оптической оси 4 обеспечивает действительное перевернутое изображение нижней относительно оптической оси 4 полусферы панорамного пространства при полном отсутствии темнового поля вокруг этой оси.
Таким образом, приемная оптическая система панорамного оптико-электронного прибора, состоящая из каналов 1 и 2, одновременно преобразует трехмерное панорамное пространство в угловом поле, близком к полусфере, при полном отсутствии темнового поля вокруг осей 3 и 4 в плоское изображение на двух многоэлементных приемниках излучения.
Оптический панорамный блок 5 может быть выполнен с различным удалением его задней фокальной плоскости относительно второй плоской преломляющей поверхности 9, но не превышающим полутора фокусных расстояний оптического панорамного блока 5, что обеспечивается подбором оптического материала этого блока 5 и оптических сил его преломляющих и отражающих поверхностей.
Совмещение апертурной диафрагмы с первой выпуклой отражающей поверхностью и подбор оптических сил и форм преломляющих и отражающих поверхностей оптического панорамного блока обеспечили в каждом канале полное заполнение светового отверстия апертурной диафрагмы 12 информационными потоками от всех точек изображаемого пространства, что способствовало выравниванию освещенности в изображении и повышению разрешающей способности, а это улучшает технические характеристики всей системы.
При неизменном положении апертурной диафрагмы 12, совмещенной с первой выпуклой отражающей поверхностью 6, за счет подбора оптических сил первой преломляющей 6 и второй вогнутой отражающей 13 поверхностей оптический панорамный блок 5 можно реализовать с различным удалением выходного зрачка от плоской преломляющей поверхности 9 блока 5, в том числе расположенным в бесконечности и обеспечивающим телецентрический ход главных лучей и на выходе оптического панорамного блока 5, и перед многоэлементным приемником излучения 15, что дополнительно приводит и к повышению разрешающей способности, и к выравниванию освещенности и разрешающей способности по полю при одновременном уменьшении поперечных габаритов всей системы, что также улучшает технические характеристики всей системы.
Практическое равенство радиусов секторов световых отверстий первой и второй преломляющих и второй отражающей поверхностей, пропускающих все лучи информационных потоков от всех точек изображаемого пространства, позволило реализовать конструкцию оптического панорамного блока, включающего внеосевые поверхности, близкую к осесимметричной, что упрощает ее компоновку и повышает устойчивость к динамическим нагрузкам, что повышает технические и эксплуатационные характеристики системы.
Использование предлагаемого изобретения обеспечивает увеличение углового поля системы и доведение его до близкого к полусфере за счет полного устранения темнового поля относительно оптической оси, обеспечивает высокую освещенность и разрешающую способность и их выравнивание по всему полю в изображении на многоэлементном приемнике излучения.