ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ В ПРОСТРАНСТВЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения, в частности, к объективам для оптических локационных устройств (ОЛУ), входящих в состав оптико-электронных систем позиционирования (ОЭСП) нашлемной системы индикации (НСИ) и предназначенных для определения ориентации шлема пилота относительно системы координат объекта.
ОЛУ состоит из объектива и приемной системы - ПЗС - матрицы. Объектив предназначен для формирования в плоскости ПЗС - матрицы изображения ИК-светодиодов, установленных на шлеме пилота.
Для правильного функционирования ОЛУ объектив должен удовлетворять следующим требованиям:
- широкое угловое поле (не менее 80°) в пространстве предметов;
- телецентрический ход лучей в пространстве изображений, требующий установки апертурной диафрагмы в переднем фокусе объектива;
1
2
- построение в плоскости ПЗС - матрицы изображения ИК-светодиодов в виде фигуры рассеяния, энергетический центр тяжести которой располагается на главном луче пучка (в пространстве ИК-светодиодов) с угловой погрешностью не более 30″ при изменении расстояния от ИК-светодиода до объектива в диапазоне L=300 мм до L=900 мм в пределах всего поля зрения объектива.
y
z
1
2
При выполнении этих условий начало собственной системы координат OXYZ ОЛУ может быть совмещено с центром входного зрачка объектива, что позволяет однозначно определять первичные угловые координаты φ, φ, достаточного количества ИК-светодиодов (из состава нашлемного блока) в системе OXYZ с необходимой точностью при любом расстоянии от ИК-светодиодов до объектива в рабочем диапазоне от L=300 мм до L=900 мм в пределах всего поля зрения объектива.
Известны широкоугольные объективы с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве изображения [1,2].
Оба объектива широкоугольные и имеют телецентрический ход лучей.
В объективе [1] первая и последняя линзы выполнены в виде менисков, первый мениск обращен выпуклостями к плоскости изображения, последний - вогнутостями к плоскости изображения.
В объективе [2] первая линза выполнена в виде мениска, а плоскость изображения расположена внутри объектива, угловое изменение составляет 300″, вместо допустимого 30″.
К недостаткам известных объективов можно отнести то, что они не обеспечивают равные изображения координат точечных объектов, расположенных на главном луче в пространстве предметов при изменении их положения относительно объектива, что вызывает значительную погрешность в определении их координат.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является широкоугольный объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве изображения [3], содержащий четыре линзы. Первая линза выполнена с положительной оптической силой в виде склеенного мениска, обращенного выпуклостями к плоскости изображения, вторая линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостями к плоскости изображения, третья линза - двояковыпуклая и четвертая линза выполнена с положительной оптической силой в виде склеенного мениска, обращенного вогнутостями к плоскости изображения.
Недостатком объектива, принятого за прототип, является отклонение энергетических центров тяжести изображений точечных объектов относительно главных лучей при изменении переднего отрезка S. Так в интервале S=300÷900 мм угловое изменение составляет более 300″, вместо допустимого 30″.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение равенства координат центров тяжести изображения точечных объектов, расположенных на главных лучах в пространстве предметов при переменном расстоянии от объектов до центра входного зрачка.
Для решения поставленной задачи предлагается широкоугольный объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве изображения, который, как и прототип, содержит последовательно установленные четыре линзы, из которых первая и вторая выполнены в виде менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третья выполнена двояковыпуклой, а четвертая - в виде мениска с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.
В отличие от прототипа первая линза выполнена в виде одиночного мениска с отрицательной оптической силой, а четвертая линза выполнена в виде одиночного мениска с положительной оптической силой, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:
I
2
3
4
где φ, φ φ, φ - оптические силы первой, второй, третьей и четвертой линз соответственно, φ - эквивалентная оптическая сила объектива в целом, кроме того, первая и четвертая линзы выполнены из материала с показателями преломления , а вторая и третья линзы выполнены из материала с показателями преломления
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря предлагаемой схеме выполнения объектива, выбора оптических сил линз и показателей преломления оптических материалов достигается следующее:
1. Размер изображения  точечного объекта (y), расположенного на главном луче с угловым полем β на расстоянии S от апертурной диафрагмы, т.е. , вне зависимости от расстояния S равен  где  - фокусное расстояние объектива.
2. Размер изображения по энергетическому центру тяжести пятна рассеяния -  равен  т.е.
Выполнение указанных требований обеспечивается телецентрическим ходом главного луча в пространстве изображения, коррекцией несимметричных полевых аберраций, прежде всего комы, и хроматизма увеличения.
Выполнение первой линзы в виде одиночного отрицательного мениска с оптической силой в интервале  обеспечивает увеличенный задний отрезок (S) объектива до , что позволяет устанавливать перед приемником интерференционные многослойные узкополосные фильтры, работающие при малых углах падения луча, и исправить кривизну изображения.
Выбор оптических сил второй, третьей и четвертой линз из условий ;  и оптических материалов линз с показателями преломления  позволило устранить хроматизм увеличения, кому и астигматизм.
I
2
3
4
Кроме того, выбор оптических сил φ, φ φ, φ первой линзы и второй, третьей и четвертой линз позволило обеспечить телецентрический ход лучей в пространстве изображения и совместить изображение объектов, расположенных на главном луче в пространстве предмета, в плоскости приемника, т.е. выполнить условие  для объектов с размерами , где  мм.
В результате были достигнуты следующие показатели для объектива с фокусным расстоянием  мм, приведенные в таблице 1.
В угловой мере погрешность несовпадения размеров изображения  и координат главного луча  составляет ,а разница значений  при фиксированном значении угла β равна нулю.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков полезной модели позволяет решить поставленную задачу.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 - оптическая схема объектива; на фиг. 2 - представлена принципиальная схема работы оптико-электронной системы позиционирования (ОЭСП) ОЛУ, и Приложениями, где приведены конструктивные параметры и оптические характеристики.
Предлагаемый широкоугольный объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве изображения состоит из менисковой линзы 1 с отрицательной оптической силой, обращенной выпуклостью к плоскости изображения, менисковой линзы 2, обращенной выпуклостью к плоскости изображения, двояковыпуклой линзы 3, менисковой линзы 4, обращенной вогнутостью к плоскости изображения, плоскости изображения 5.
Перед первой линзой установлена апертурная диаграмма (AD), нанесенная на защитном стекле 6.
Оптические силы линз удовлетворяют условию:
I
2
3
4
где φ, φ φ, φ - оптические силы первой, второй, третьей и четвертой линз соответственно, φ - эквивалентная оптическая сила объектива в целом, кроме того, первая и четвертая линзы выполнены из материала с показателями преломления , а вторая и третья линзы выполнены из материала с показателями преломления
Объектив 7 устанавливается в оптические локационные устройства - ОЛУ 8 (не менее 2 шт.), расположенный неподвижно относительно самолета. ПЗС-матрица 9, совмещенная с плоскостью 5 объектива 7, также устанавливается в оптические локационные устройства 8.
Инфракрасные светодиоды 10 (не менее 3 шт.) расположены на нашлемном блоке 11, закрепленном на защитном шлеме 12 пилота 13.
Устройства ОЛУ 8 и светодиоды 10 электрически соединены с блоком 14 управлениям всей системой нашлемной системы индикации (НСИ). В нашлемном блоке 11 установлен коллиматорный дисплей 15 с вынесенным выходным зрачком 16, совмещенным с глазом 17 пилота. Нулевая визирная линия (НЛВ) 18 дисплея 15 жестко связана с нашлемным блоком 11 и положением ИК-светодиодов 10.
Оптико-электронная система позиционирования (ОЭСП) с высокой скоростью (не менее 100 раз в секунду) производит определение углового положения каждого из ИК-светодиодов 10 относительно ОЛУ 8 в виде так называемых первичных углов, по которым в блок управления НСИ 14 по специальной программе рассчитываются текущие угловые координаты нулевой визирной линии 18 относительно системы координат объекта.
Работа объектива осуществляется следующим образом.
Оптическое локационное устройство 8 содержит ПЗС-матрицу 9 и объектив 7, предназначенный для формирования в плоскости ПЗС-матрицы 9 изображения ИК-светодиодов 10, установленных на нашлемном блоке 11.
Объект (инфракрасные светодиоды 10 - фиг. 2) помещен на конечном расстоянии (S) от первой поверхности объектива 7, равном  мм.
Лучи, исходящие из объекта последовательно проходят через линзы объектива и строят изображение объектов в плоскости изображения 5 объектива.
Апертурная диаграмма (AD) помещена на переднем фокусе объектива, что обеспечивает параллельный оптической оси ход главных лучей в пространстве изображений.
Улучшение эксплуатационных характеристик оптических локационных устройств 8 за счет однозначного определения первичных угловых координат оптических локационных устройств, позволяющих повысить точность определения ориентации шлема 12 пилота 13 относительно системы координат объекта, т.е. повысить точность наведения на объект.
В Приложении приведены конструктивные параметры объектива и аберрационные характеристики.
Таким образом, в предложенном широкоугольном объективе с телецентрическим ходом лучей в пространстве изображения обеспечено постоянство центров тяжести изображения точечных объектов, расположенных на главных лучах в пространстве предметов при переменном расстоянии от объектов до центра входного зрачка, что позволило достигнуть улучшение эксплуатационных характеристик ОЛУ, в частности обеспечены равные размеры изображений точечных источников, расположенных на главных лучах в пространстве предметов и тем самым повысить точность определения координат до 30″ в угловой мере в пространстве предметов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США №3862796, МПК: G02B 17/06, G02B 23/06, 1977
2. Патент США №3586418, МПК: G02B 25/00, G02B 25/001, 1971
3. Патент США №3390935, МПК: G02B 25/00, G02B 25/001, 1965 - прототип.