ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
OPTOELECTRONIC COORDINATE DETERMINATION SYSTEM

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в системах поиска, обнаружения и определения координат объектов, излучающих в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра.
Известен «солнечно-слепой» объектив (патент RU 2417388, МПК G02B 13/14, опубл. 27.04.2011 г.), содержащий корпус, в котором установлены входная линза с покрытием на внутренней поверхности, два оптических блока с фокусирующими линзами и фильтрами, снабженными интерференционными покрытиями, кристаллический фильтр с полосой пропускания от 0,22 до 0,32 мкм и фотоприемник.
-16
В оптико-электронных системах определения координат, предназначенных для обнаружения УФ излучения, одним из основных элементов является спектральный фильтр, выделяющий информативную часть излучения и максимально отсекающий фоновую составляющую излучения дневного неба и прямой солнечной засветки. Для эффективной работы системы спектральный фильтр должен обеспечивать высокую степень фильтрации излучения, а его поверхность должна быть равномерно освещена в пределах всего поля зрения. В данном объективе конструкция фильтра обеспечивает спектральную фильтрацию до 10, однако применение в качестве кристаллического фильтра монокристалла одной из солей Туттона, а именно хрупкого и легко растворимого в воде гексагидрата сульфата цезия-никеля, накладывает определенные ограничения при его использовании.
Известна «солнечно-слепая» ультрафиолетовая оптическая система определения координат с большим полем зрения и большой относительной апертурой (патент CN 106405795, МПК G02B 13/00, G02B 13/06, G02B 13/14, G02B 13/18, опубл. 15.02.2017 г.), содержащая тринадцать линз и ультрафиолетовый узкополосный фильтр. Первая линза двояковыпуклая асферическая, вторая и третья линзы двояковогнутые, четвертая и пятая линзы положительные вогнуто-выпуклые асферические, шестая отрицательная выпукло-вогнутая линза, седьмая, девятая и одиннадцатая линзы двояковыпуклые, восьмая и десятая линзы двояковогнутые, двенадцатая и тринадцатая линзы положительные выпукло-вогнутые. Между двенадцатой и тринадцатой линзами установлен ультрафиолетовый узкополосный фильтр, между седьмой и восьмой линзами расположена апертурная диафрагма системы. В качестве материалов линз используются фтористый кальций и кварцевое стекло. Система работает в спектральном диапазоне от 0,26 до 0,28 мкм, фокусное расстояние 8 мм, относительное отверстие 1:1,5, угловое поле зрения 75,2°, длина системы от первой поверхности до плоскости изображения составляет 157 мм. В системе обеспечивается телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений. Равномерность освещенности плоскости изображения >81,6%, при этом равномерность освещенности фильтра не обеспечивается.
Недостатками системы являются большое количество линз, в том числе с асферическими поверхностями, и большая длина. Кроме того, при выбранном положении спектрального фильтра лучи падают на его поверхность под большими углами, что приводит к неравномерному освещению фильтра в переделах всего поля зрения и снижению эффективности работы системы в целом.
Также известно устройство для обнаружения УФ излучения (патент ЕР 1146324, МПК G01J 1/42, G02B 5/20, опубл. 17.10.2001 г.), содержащее последовательно установленные оптическую систему, спектральный фильтр и приемник излучения в виде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Спектральный фильтр подавляет помеховое солнечное излучение вне «солнечно-слепой» области спектра и содержит поглощающие элементы и элементы с интерференционными покрытиями.
Оптическая система выполнена в виде двухэлементной афокальной насадки; угловое поле зрения более ±40°.
Недостатком этого устройства является неопределенность угловых координат излучающего объекта, поскольку ФЭУ не является координатно-чувствительным приемником. Кроме того, афокальная оптическая система, уменьшая углы падения лучей на спектральный фильтр, не обеспечивает необходимую равномерность освещения фильтра по всему полю зрения.
-10
-12
Наиболее близкой по технической сущности, принятой за прототип, является оптико-электронная система обнаружения и определения координат источников УФ излучения (патент RU 108151, МПК G01S 3/78, опубл. 10.09.2011 г.). Система содержит расположенные по ходу лучей приемный объектив с широким полем зрения, спектральный фильтр, приемник излучения, выполненный в виде электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с фотокатодом, чувствительным к УФ излучению, проекционный объектив, установленный между приемником излучения и ПЗС-матрицей, к выходу которой подключен блок обработки сигнала. Фотокатод ЭОП совмещен с фокальной плоскостью приемного объектива, плоскость предметов проекционного объектива совмещена с выходным экраном ЭОП, а плоскость изображений совмещена с ПЗС-матрицей. В данной системе спектральный фильтр выполнен из нескольких подложек с нанесенными на их поверхность интерференционными покрытиями. При этом часть подложек изготовлена из кварца, пропускающего УФ излучение, а часть - из цветного стекла, пропускающего излучение в рабочей «солнечно-слепой» области спектра (от 0,19 до 0,29 мкм) и в нерабочей области. Конструкция фильтра обеспечивает спектральную фильтрацию 10-10. Угловое поле зрения устройства 90°×90°; фокусное расстояние приемного объектива 11,6 мм; формат ПЗС-матрицы 1/4".
Недостатками системы являются неравномерность освещенности спектрального фильтра, связанная с большими углами падения лучей на его поверхность (Фиг. 1), а также малая степень фильтрации излучения, что снижает обнаружительную способность и точность определения координат источников излучения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение обнаружительной способности и точности определения координат источников УФ излучения за счет обеспечения равномерной освещенности спектрального фильтра во всей зоне обзора при увеличении степени фильтрации излучения.
Поставленная задача решается за счет того, что в оптико-электронной системе определения координат, содержащей расположенные по ходу лучей обтекатель, приемный объектив, первый спектральный фильтр,
установленный в заднем отрезке приемного объектива, приемник излучения, выполненный в виде электронно-оптического преобразователя, проекционный объектив, ПЗС-матрицу, к выходу которой подключен блок обработки информации, согласно изобретению приемный объектив выполнен в виде последовательно расположенных первого и второго компонентов, в пространстве, между которыми установлен дополнительно введенный второй спектральный фильтр, при этом первый компонент выполнен в виде последовательно расположенных первой отрицательной выпукло-вогнутой и второй плоско-вогнутой линз, а второй компонент содержит последовательно установленные первую двояковыпуклую линзу, первая поверхность которой совмещена с апертурной диафрагмой, вторую двояковогнутую, третью положительную вогнуто-выпуклую, четвертую двояковыпуклую и пятую выпукло-плоскую линзы.
На фигуре 1 представлена оптическая схема оптико-электронной системы определения координат.
На фигуре 2 представлена оптическая схема приемного объектива с ходом лучей.
Оптико-электронная система определения координат состоит из расположенных по ходу лучей обтекателя 1, приемного объектива 2, выполненного в виде первого компонента I, содержащего первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу 2.1 и вторую плоско-вогнутую линзу 2.2, и второго компонента II, содержащего первую двояковыпуклую линзу 2.3, первая поверхность которой совмещена с апертурной диафрагмой 2.4, вторую двояковогнутую линзу 2.5, третью положительную вогнуто-выпуклую линзу 2.6, четвертую двояковыпуклую линзу 2.7 и пятую выпукло-плоскую линзу 2.8, а также второй спектральный фильтр 2.9 и диафрагму 2.10 установленные в пространстве между первым I и вторым II компонентами, первого спектрального фильтра 3, установленного в заднем отрезке приемного объектива 2, приемника излучения 4, выполненного в виде электронно-оптического преобразователя, проекционного объектива 5, ПЗС-матрицы 6 и блока обработки информации 7, подключенного к выходу ПЗС-матрицы 6.
Диафрагма 2.10 имеет черное матовое покрытие и служит блендой, отсекающей паразитное рассеянное излучение.
В состав блока обработки информации 7 входят модуль считывания сигналов с периферийных устройств и высокопроизводительный вычислитель, формирующий необходимую для потребителя информацию об обнаруженных источниках излучения (на чертеже не показаны).
В таблице 1 приведены технические характеристики заявляемой оптико-электронной системы определения координат.
В таблице 2 приведены конструктивные параметры конкретного примера исполнения приемного объектива заявляемой оптико-электронной системы определения координат.
Первый спектральный фильтр 3 конструктивно выполнен на пяти подложках с нанесенными на их поверхности интерференционными покрытиями. Часть подложек выполнена из кварца, пропускающего УФ излучение, а часть - из цветного стекла УФС2, пропускающего излучение в рабочей области и поглощающего излучение в нерабочей области. Совокупность интерференционных покрытий и цветного стекла с селективным пропусканием позволяет выделить «солнечно-слепую» область и подавить фоновое излучение.
Второй спектральный фильтр 2.9 выполнен на подложке из кварцевого стекла, на поверхность которой нанесено интерференционное покрытие с выбранным значением коэффициента подавления фонового излучения.
Проекционный объектив 5 может быть выполнен в виде двух компонентов, с расположенной между ними диафрагмой и может содержать в первом компоненте двояковогнутую линзу, положительную вогнуто-выпуклую линзу и склейку из двояковыпуклой и вогнуто-выпуклой линз, а во втором компоненте - склейку из выпукло-вогнутой и двояковыпуклой линз, отрицательную вогнуто-выпуклую и положительную выпукло-вогнутую линзы.
-14
-16
В заявляемой оптико-электронной системе определения координат за счет выбранного конструктивного исполнения приемного объектива 2 обеспечивается телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений, при котором в первый спектральный фильтр 3 лучи направляются под очень малыми углами (Фиг. 2), создавая равномерное освещение его поверхности по всему полю зрения. При этом достигается более высокая, чем в прототипе, степень фильтрации излучения 10-10, что при равномерном освещении первого спектрального фильтра во всей зоне обзора повышает обнаружительную способность и точность определения координат.
Оптико-электронная система определения координат работает следующим образом. Поток излучения от удаленного источника, содержащего УФ составляющую, поступает на обтекатель 1, затем проходит через линзы 2.1-2.8 и второй спектральный фильтр 2.9 приемного объектива 2, при этом диаметр пучка излучения определяется диаметром апертурной диафрагмы 2.4. После чего поток излучения направляется на установленный в заднем отрезке объектива 2 первый спектральный фильтр 3, проходит через него и фокусируется в плоскости фотокатода ЭОП 4, преобразующего излучение «солнечно-слепого» УФ диапазона в видимое излучение, в точке, координаты которой соответствуют угловому положению источника УФ излучения в поле зрения системы. Сформированное на выходном люминесцентном экране ЭОП 4 изображение источника переносится проекционным объективом 5 в плоскость ПЗС-матрицы 6, в результате чего на соответствующем пикселе ПЗС-матрицы 6 вырабатывается электрический сигнал, который передается в блок обработки информации 7. По координатам засвеченного пиксела в блоке обработки информации 7 вычисляются угловые координаты обнаруженного источника УФ излучения. Изображение источника переносится проекционным объективом 5 в плоскость ПЗС-матрицы 6 с уменьшением, кратность которого зависит от размеров фотокатода ЭОП 4 и ПЗС-матрицы 6.
Таким образом, выполнение оптико-электронной системы определения координат в соответствии с предлагаемым техническим решением обеспечивает равномерную освещенность спектрального фильтра во всей зоне обзора при увеличении степени фильтрации излучения, что позволяет повысить обнаружительную способность системы и точность определения координат.