Четырехканальная зеркально-линзовая оптическая система
FOUR-MIRROR-LENS OPTICAL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено для теплотелевизионных приборов и прицелов, используемых в самых разнообразных условиях эксплуатации.
Известна многоспектральная зеркально-линзовая оптическая система (United States Patent №5,841,574 от Nov. 24, 1998 г.), содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, вторичное выпуклое асферическое зеркало, спектроделитель в виде наклонной плоскопараллельной пластины, установленный перед фокальной плоскостью двухзеркальной системы, децентрированный входной зрачок, использующий неэкранированную часть зеркальной системы, и оптические системы в видимом и ИК каналах. Недостатком этой оптической системы является использование в качестве спектроделителя наклонной плоскопараллельной пластины в сходящемся пучке лучей, что вносит аберрации нецентрированной системы, которые не могут быть скомпенсированы аберрациями центрированной системы и требуют компенсатора с цилиндрической или торической поверхностью. Также такая оптическая система обеспечивает невысокую светосилу в телевизионном и тепловизионном каналах.
Наиболее близкой по технической сущности является трехканальная зеркально-линзовая оптическая система по патенту на полезную модель №136198 от 27.12.2013 г.
Эта трехканальная оптическая система содержит зеркальный объектив, включающий главное вогнутое асферическое зеркало и вторичное выпуклое асферическое зеркало, линзовый компенсатор зеркального объектива для видимого или ближнего ИК диапазона, общий для среднего и дальнего ИК диапазонов трехлинзовый объектив, расположенный так, что его передняя фокальная плоскость совпадает с задней фокальной плоскостью зеркального объектива, первый спектроделитель, выполненный в виде наклонной плоскопараллельной пластинки и расположенный в параллельном пучке лучей после общего объектива. Кроме того, введены линза-коллектив и второй светоделитель, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки и установленный между главным вогнутым и вторичным выпуклым зеркалами перпендикулярно оптической оси, приемник излучения видимого или ближнего ИК диапазона. Также после первого спектроделителя установлены трехлинзовый объектив для дальнего ИК диапазона и приемник излучения дальнего ИК диапазона, объектив для среднего ИК диапазона и приемник излучения среднего ИК диапазона с охлаждаемой диафрагмой.
Недостатком этой оптической системы являются малые угловые поля зрения в пространстве предметов, а также малые значения относительного отверстия всех трех каналов оптической системы и наличие двух асферических поверхностей. Также такая оптическая система содержит небольшое количество одновременно работающих каналов.
Задачей настоящего изобретения является получение изображения на четырех приемниках одновременно, а также увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов оптической системы и уменьшение количества асферических поверхностей.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в зеркально-линзовой оптической системе, содержащей главное вогнутое асферическое зеркало, три спектроделителя и четыре оптических канала для разных спектральных диапазонов, в отличие от известного перед главным вогнутым асферическим зеркалом установлен линзовый компонент, выполненный в виде отрицательного мениска, после главного вогнутого асферического зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего ИК диапазона, первая поверхность первого компонента которого является спектроделительной поверхностью, пропускающей дальний ИК диапазон и отражающей видимый (ближний ИК), короткий ИК и средний ИК диапазоны, общий для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов двухлинзовый объектив, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую двояковыпуклую линзу, вторую выпукловогнутую линзу, и расположенный таким образом, что его передняя фокальная плоскость смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива, а после общего объектива расположен второй спектроделитель, выполненный в виде призмы-кубика, после прохождения которой установлен объектив для среднего ИК диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей две одиночные линзы в форме менисков, причем мениски обращены к плоскости изображения вогнутой стороной, и приемник излучения среднего ИК диапазона с внутренней охлаждаемой диафрагмой, а после отражения от второго спектроделителя призмы-кубика установлены общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов двухлинзовый компенсатор, включающий последовательно расположенные по ходу лучей первую двояковогнутую линзу, вторую двояковыпуклую линзу, третий спектроделитель, выполненный в виде призмы-кубика, после прохождения которой установлен объектив для короткого ИК диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей две одиночные линзы в форме менисков, причем первый мениск обращен к плоскости изображения выпуклой стороной, а второй - вогнутой, приемник излучения короткого ИК диапазона, а после отражения от третьего спектроделителя призмы-кубика установлены объектив для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий последовательно расположенные по ходу лучей четыре одиночные линзы, первая, третья и четвертая из которых выполнены в форме менисков, вторая - двояковыпуклая линза, причем первый, третий и четвертый мениски обращены к плоскости изображения вогнутой стороной, и приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона, при этом выполняются следующие соотношения:
δ≤±2 дптр;
общ
о.к
OC=-(1÷4)⋅ОС,
где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектива относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива;
общ
OC - оптическая сила общего для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектива;
о.к
ОС - оптическая сила общего для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов компенсатора.
Такая оптическая система обеспечивает одновременную работу четырех каналов, увеличение углового поля в пространстве предметов, повышение относительного отверстия в каждом из каналов оптической системы и уменьшает количество асферических поверхностей.
Оптическая схема четырехканальной зеркально-линзовой оптической системы показана на фиг. 1.
Четырехканальная зеркально-линзовая оптическая система содержит следующие элементы: зеркально-линзовый объектив А, включающий отрицательный мениск 1 и главное вогнутое асферическое зеркало 2; линзовый компенсатор В зеркально-линзового объектива для дальнего ИК диапазона, включающий отрицательный мениск 3 и положительный мениск 4, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник изображения 5 дальнего ИК диапазона; первый спектроделитель, нанесенный на выпуклой стороне отрицательного мениска 3; общий для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектив С, включающий двояковыпуклую линзу 6 и выпукловогнутую линзу 7; второй спектроделитель 8; объектив D для среднего ИК диапазона, включающий положительный мениск 9 и отрицательный мениск 10, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения среднего ИК диапазона 11; общий для общий для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов компенсатор Е, включающий двояковогнутую линзу 12 и двояковыпуклую линзу 13; третий спектроделитель 14, объектив F для короткого ИК диапазона, включающий положительный мениск 15, обращенный к плоскости изображения выпуклой стороной, и положительный мениск 16, обращенный к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения короткого ИК диапазона 17; объектив G для видимого (ближнего ИК) диапазона, включающий отрицательный мениск 18, двояковыпуклую линзу 19, отрицательные мениски 20 и 21, обращенные к плоскости изображения вогнутой стороной; приемник излучения видимого (ближнего ИК) диапазона 22.
Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.
Параметры такого варианта исполнения трехканальной зеркально-линзовой оптической системы следующие:
Диаметр входного зрачка
90 мм;
Угловое поле в пространстве предметов:
- канала спектрального диапазона 8-13,5 мкм (LWIR)
4,8°;
- канала спектрального диапазона 3-5 мкм (MWIR)
1,9°;
- канала спектрального диапазона 1-1,6 мкм (SWIR)
4,6°;
- канала спектрального диапазона 0,5-0,9 мкм (V+NWIR)
4,6°
Относительное отверстие:
- канала спектрального диапазона 8-13,5 мкм (LWIR)
1:1,33;
- канала спектрального диапазона 3-5 мкм (MWIR)
1:4;
- канала спектрального диапазона 1-1,6 мкм (SWIR)
1:1,66;
- канала спектрального диапазона 0,5-0,9 мкм (V+NWIR)
1:1,66.
Принцип действия четырехканальной зеркально-линзовой оптической системы заключается в следующем. Излучение от удаленного объекта проходит через линзу 1, выполненную в виде отрицательного мениска, отражается от вогнутого асферического зеркала 2 и попадает на первую спектроделительную поверхность, которой является выпуклая поверхность линзы 3 компенсатора. Прошедшие через первую спектроделительную поверхность лучи после прохождения линз 3 и 4 компенсатора В формируют изображение в плоскости приемника 5. Отраженные от первой спектроделительной поверхности лучи создают изображение в задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива А, а затем преобразовываются в пучки с малой угловой расходимостью с помощью линз 6 и 7 общего объектива С. После общего объектива С пучки лучей с малой угловой расходимостью попадают на второй спектроделитель 8. Прошедшие спектроделитель 8 лучи, проходя через линзы 9 и 10 объектива D, формируют изображение в плоскости приемника 11. Отраженные спектроделителем 8 лучи, проходя через линзы 12 и 13 компенсатора Е, попадают на третий спектроделитель 14. Прошедшие спектроделитель 14 лучи, проходя через линзы 15 и 16 объектива F, формируют изображение в плоскости приемника 17. Отраженные спектроделителем 14 лучи, проходя через линзы 18, 19, 20 и 21 объектива G, формируют изображение в плоскости приемника 22.
Для повышения качества оптического изображения передняя фокальная плоскость общего объектива С смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива А для преобразования проходящих пучков в пучки с малой угловой расходимостью, при этом выполняются следующие соотношения:
δ≤±2 дптр;
общ
о.к
OC=-(1÷4)⋅ОС,
где δ - величина смещения передней фокальной плоскости общего для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектива относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива;
общ
ОС - оптическая сила общего для видимого (ближнего ИК), короткого ИК и среднего ИК диапазонов объектива;
о.к
ОС - оптическая сила общего для видимого (ближнего ИК) и короткого ИК диапазонов компенсатора.
Для каждого из каналов задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:
- пространственную частоту ~30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷13,5) мкм с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм);
- пространственную частоту ~33 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (3,0÷5,0) мкм с размером чувствительного элемента, равным 15 мкм);
- пространственную частоту ~25 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (1,0÷1,6) мкм с размером чувствительного элемента, равным 20 мкм);
- пространственную частоту ~50 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (0,5÷0,9) мкм с размером чувствительного элемента, равным 10 мкм).
Получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы:
1. Для оптического канала (LWIR) спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм:
- для точки на оси
КПК=31%
- для точки поля 3,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=16%
КПК<sub>С</sub>=29%
- для точки поля 5 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=18%
КПК<sub>С</sub>=18%
2. Для оптического канала (MWIR) спектрального диапазона (3,0÷5,0) мкм:
- для точки на оси
КПК=25%
- для точки поля 3,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=2%
КПК<sub>С</sub>=26%
- для точки поля 5 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=14%
КПК<sub>С</sub>=23%
3. Для оптического канала (SWIR) спектрального диапазона (1,0÷1,6) мкм:
- для точки на оси
КПК=64%
- для точки поля 4,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=35%
КПК<sub>С</sub>=4%
- для точки поля 6,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=7%
КПК<sub>С</sub>=12%
4. Для оптического канала (V+NWIR) спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм:
- для точки на оси
КПК=38%
- для точки поля 4,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=8%
КПК<sub>С</sub>=6%
- для точки поля 6,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>М</sub>=3%
КПК<sub>С</sub>=2%
Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает приемлемое качество изображения для оптикоэлектронных приборов, использующих общий входной канал и четыре фотоприемника:
- микроболометрическую матрицу спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм с размером пикселя 17 мкм;
- охлаждаемую фотодиодную матрицу спектрального диапазона (3,0÷5,0) мкм с размером пикселя 15 мкм;
- фотодиодную матрицу спектрального диапазона (1,0÷1,6) мкм с размером пикселя 20 мкм;
- телевизионную КМОП матрицу спектрального диапазона (0,5÷0,9) мкм с размером пикселя 10 мкм.