Оптическая система однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером
OPTICAL SYSTEM OF A SINGLE-LENS THERMAL IMAGING SIGHT WITH AN INTEGRATED LASER RANGEFINDER

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено для тепловизионных приборов и прицелов с функцией измерения дальности, используемых в самых разнообразных условиях эксплуатации.
Известна оптическая система однозрачкового прицела с лазерным дальномером (патент RU 2560347 С1, опубл. 20.08.2015), содержащая визуальный и дальномерный каналы прицела с общей входной оптикой, содержащей спектроделительный кубик, формирующий канал встроенного лазерного дальномера, содержащий отрицательную линзу, четвертьволновую фазовую пластинку, поляризационный сплиттер, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную часть, каждая из которых содержит фокусирующие линзы.
Недостатком этой оптической системы является невозможность ночного наблюдения и сложность исполнения дальномерного канала прицела.
Наиболее близкой по технической сущности является однозрачковая мультиспектральная оптическая система со встроенным лазерным дальномером (патент RU 2581763 С2, опубл. 20.04.2016), содержащая общий входной канал, спектроделительную пластинку, отражающую спектральный диапазон телевизионного канала и пропускающую спектральный диапазон тепловизионного канала, два оптических канала для каждого из спектральных диапазонов, причем отраженный телевизионный канал выполнен двухкомпонентным, между компонентами которого установлен спектроделительный кубик, пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала и отражающий длину волны дальномерного канала, содержащего коллимирующую двухкомпонентную оптику, четвертьволновую фазовую пластинку, поляризационный сплиттер, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную часть, каждая из которых содержит двухкомпонентный объектив сопряжения.
Недостатком этой оптической системы является сложность исполнения телевизионного и дальномерного каналов прицела.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение количества оптических компонентов и упрощение оптической системы прицела с сохранением качества оптического изображения и возможности измерения дальности через единую входную оптику оптической системы.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в оптической системе однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером, содержащей общий входной канал, спектроделительную пластинку, отражающую спектральный диапазон оптического канала и пропускающую спектральный диапазон тепловизионного канала, и два канала для каждого из спектральных диапазонов, в отличие от известного, отраженный канал выполнен дальномерным, содержащим первый компонент, выполненный в виде положительной линзы, второй компонент, выполненный в виде плоского зеркала с осевым отверстием, расположенного под углом к оптической оси, и две ветви - фотоприемника и полупроводникового лазерного излучателя, оптически связанных с первым компонентом дальномерного канала, при этом выполняются следующие соотношения:
ли
фп
ли
d<d≤5⋅d,
фп
где d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - максимальный размер излучающей площадки лазерного диода дальномера.
Такая оптическая система обеспечивает сохранение качества оптического изображения, а также измерение лазерным дальномером дальности до объекта наблюдения через один общий входной зрачок оптической системы с уменьшением количества оптических компонентов и с упрощением оптической системы прицела.
Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что оптическая система однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером, в отличие от известной, содержит плоское отражающее зеркало в одной из ветвей лазерного дальномера, расположенное под углом к оптической оси, при этом выполняются следующие соотношения:
,
пз
где α - угол наклона плоского отражающего зеркала к оптической оси;
пзо
α - угол наклона плоского зеркала с осевым отверстием к оптической оси.
Оптическая схема оптической системы однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером по варианту 1 показана на фиг. 1.
Оптическая система однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером содержит общий входной канал, состоящий из менисковой линзы 1, спектроделительной пластинки 2 с дихроичным покрытием, пропускающим спектральный диапазон (например, 8÷14) мкм и отражающим спектральный диапазон (например, 0,6÷1,6) мкм, оптический канал в проходящем через спектроделительную пластинку 2 с дихроичным покрытием направлении, состоящий из положительной линзы 3 и положительной линзы 4, оптический канал в отраженном от пластинки с дихроичным покрытием направлении, содержащий положительную линзу 7, плоское зеркало 8 с осевым отверстием, расположенное под углом к оптической оси, фотоприемник 9 и полупроводниковый лазерный излучатель 10.
Конструктивные параметры варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 1.
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для оптического канала спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм:
расчетная длина волны
10,6 мкм
рабочий спектральный диапазон
(8,0÷13,5) мкм
фокусное расстояние
38,5 мм
диаметр входного зрачка
35,0 мм
линейное поле зрения
13,6 мм
относительное отверстие
1: 1,1
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для дальномерного канала на длине волны лазерного диода 1,54 мкм:
расчетная длина волны
1,54 мкм
фокусное расстояние
104,92 мм
диаметр входного зрачка
40,0 мм
эквивалентный диаметр входного зрачка
28 мм (излуч)
28 мм (ф/п)
эквивалентное относительное отверстие
1:3,7
апертурный угол
0÷15,2° (излуч)
15,2÷21,5° мм (ф/п)
- вариант предполагает одинаковое эквивалентное фокусное расстояние для излучающей и приемной ветвей дальномерного канала. Выбор другого значения эквивалентного фокусного расстояния осуществляется перерасчетом значений R13, R14.
Оптическая схема оптической системы однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером по второму варианту показана на фиг. 2.
Здесь в дальномерный канал введено плоское зеркало 11, ломающее оптическую ось излучающей ветви дальномера. Конструктивные параметры второго варианта исполнения оптической системы приведены в таблице 2.
Принцип действия оптической системы однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером заключается в следующем.
Первый компонент 1, выполненный в виде мениска, в сочетании со вторым компонентом 2, выполненным в виде спектроделительной пластинки с дихроичным покрытием на первой поверхности, является единым входным окном для трех каналов - тепловизионного, излучающего дальномерного и приемного дальномерного, работающих в различных спектральных диапазонах.
Оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении выполнен из двух компонентов 3 и 4, выполненных в виде положительных менисковых линз, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций на фоточувствительной площадке 6 фотоприемника с защитным стеклом 5 в спектральном диапазоне (8,0÷13,5) мкм.
Оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении выполнен дальномерным и состоит из положительной линзы 7, формирующей необходимое фокусное расстояние. Плоское зеркало 8 с осевым отверстием, расположенное под углом к оптической оси, осуществляет апертурное разделение, пропуская через осевое отверстие центральную часть входного зрачка для излучателя дальномера и отражая кольцевую внешнюю зону входного зрачка для фотоприемника дальномера, при этом размеры излучающей части излучателя и приемной площадки фотоприемника выбираются из соотношения:
ли
фп
ли
d<d≤5⋅d,
фп
где d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - максимальный размер излучающей площадки лазерного диода дальномера.
Выполнением этого соотношения обеспечивается гарантированное превышение поля зрения фотоприемника над угловой расходимостью излучающего пучка.
Принцип действия оптической системы однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером по второму варианту заключается в том, что одна из ветвей лазерного дальномера, например излучающая, содержит плоское отражающее зеркало 11, расположенное под углом к оптической оси, при этом выполняются следующие соотношения:
пз
пзо
α≥α,
пз
где α - угол наклона плоского отражающего зеркала к оптической оси;
пзо
α - угол наклона плоского зеркала с осевым отверстием к оптической оси.
Выполнение этого соотношения для угла наклона плоского зеркала 11, меняющего угловое положение оптической оси излучающей ветви дальномерного канала, позволяет уменьшить габаритные размеры оптической системы однозрачкового тепловизионного прицела с встроенным лазерным дальномером.
В излучающей ветви дальномерного канала обеспечивается максимальная величина кружка рассеяния ~ 17,1 мкм, что дает увеличение изображения пятна излучения на цели с 1,72 м до 1,88 м при дистанции до цели 1000 метров, что вполне допустимо при измерениях дальности.
В приемной ветви дальномерного канала обеспечивается максимальная величина кружка рассеяния ~ 24,1 мкм, что для фотоприемника с размером чувствительной площадки 0,35 мм обеспечивает отличное качество приема отраженного сигнала.
Для тепловизионного канала задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:
- толщину защитного стекла 5 фотоприемника, равную 1,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длинах волн 8,0 мкм, 10,6 мкм и 13,5 мкм;
- пространственную частоту ~30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷13,5) мкм с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм).
Получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы тепловизионного канала:
для точки на оси
КПК<sub>M</sub>=48%
КПК<sub>C</sub>=51%
для точки поля 4,0 мм от центра
изображения
КПК<sub>M</sub>=33%
КПК<sub>C</sub>=47%
для точки поля 6,8 мм от центра
изображения
КПК<sub>M</sub>=31%
КПК<sub>C</sub>=50%
Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает хорошее качество изображения для однозрачковых оптико-электронных приборов, использующих тепловизионный канал высокого разрешения (формата не менее 640×480 пикселей) с микроболометрической матрицей спектрального диапазона (8,0÷13,5) мкм с размером пикселя 17 мкм, и встроенный канал лазерного дальномера.