Результат интеллектуальной деятельности: ТЕЛЕСКОП С ДВУМЯ УВЕЛИЧЕНИЯМИ И ВЫНЕСЕННЫМ ВЫХОДНЫМ ЗРАЧКОМ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к инфракрасным (ИК) телескопическим (афокальным) системам со сменой увеличения для дальней ИК области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.

При смене увеличения в тепловизорах обычно реализуется два увеличения: при малом увеличении и соответственно широком поле осуществляется поиск объектов наблюдения; при большом увеличении и узком поле - распознавание объектов. Для создания оптимальных условий по обнаружению и распознаванию объектов в инфракрасном диапазоне спектра наиболее часто используется кратность смены увеличений, равная трем.

Известны оптические системы инфракрасных телескопов для дальней ИК-области спектра, в которых дискретная смена увеличения осуществляется путем введения/выведения дополнительных компонентов. Так, оптическая система инфракрасного телескопа [Патент РФ №2349942, 2009. Телескоп с дискретным изменением увеличения для дальней ИК-области спектра], обеспечивающая кратность смены увеличения, равную трем, содержит восемь линз, три из которых выводятся из хода лучей при смене увеличения, при этом одна из преломляющих поверхностей является асферической. В телескопе [EPO 0367197, 1989. Dual band/dual FOV infrared telescope], также обеспечивающем трехкратную смену увеличения, оптическая система содержит 9 линз, три из которых выводятся из хода лучей при обеспечении большего по величине увеличения (узкого поля зрения), при этом одна из преломляющих поверхностей является асферической. Основной недостаток телескопов - наличие дополнительных линз, ведущее к повышению стоимости и снижению коэффициента пропускания, а также наличие асферической поверхности, снижающей технологичность конструкции и повышающей ее стоимость.

Известны оптические системы инфракрасных телескопов для дальней ИК-области спектра, в которых смена увеличения осуществляется путем перемещения компонентов вдоль оптической оси [ЕПВ №0278777, 1988. Dual magnification infra-red telescope]. Оптическая система этого телескопа, обеспечивающая двукратное изменение увеличения, содержит 10 линз. Основной недостаток - большое количество линзовых компонентов, снижающее коэффициент пропускания излучения.

Также известен инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК области спектра [Патент РФ №2172971, 2001. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями], содержащий пять линз. Телескоп имеет двукратную смену увеличения: узкое поле 4° при увеличении 9,2^x; широкое поле 8° при увеличении 4,6^x. Смена увеличения осуществляется перемещением второй линзы вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое. Телескоп содержит три асферические поверхности и дифракционный оптический элемент в виде киноформа на одной из них. Основным недостатком телескопа является наличие в телескопе большого числа нетехнологичных поверхностей: асферических и киноформа, что усложняет конструкцию, повышает трудоемкость изготовления и стоимость инфракрасного телескопа.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является телескоп с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра [Патент РФ №2348955, 2009 г. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра], содержащий шесть линз со сферическими преломляющими поверхностями, имеющий действительное и неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа, включающий расположенные по ходу лучей первый положительный и второй отрицательный мениски, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, образующие объектив, а также подвижную третью отрицательную линзу, имеющую два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, четвертую двояковыпуклую линзу, пятый отрицательный и шестой положительный мениски, обращенные выпуклостями друг к другу, образующими окуляр, при этом передний фокус окуляра при меньшем увеличении является действительным, при большем - мнимым, и выполняются следующие соотношения

где Ф₂ - оптическая сила второго отрицательного мениска объектива;

Ф₇ - оптическая сила объектива.

Смена увеличения осуществляется перемещением вдоль оптической оси в противоположных направлениях третьей и четвертой линз. Перемещения линз не равны по величине. При этом третья линза имеет форму мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости выходного зрачка.

Кроме того, в телескопе с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра имеют место следующие соотношения:

где - задний фокальный отрезок окуляра в первом фиксированном положении (большее увеличение, узкое поле);

- задний фокальный отрезок окуляра во втором фиксированном положении (меньшее увеличение, широкое поле);

- задний фокальный отрезок окуляра;

- удаление выходного зрачка телескопа от последней поверхности окуляра;

R₁₍₄₎ - радиус первой по ходу лучей преломляющей поверхности четвертой двояковыпуклой подвижной линзы;

R₂₍₄₎ - радиус второй по ходу лучей преломляющей поверхности четвертой двояковыпуклой подвижной линзы.

Основным недостатком прототипа является использование для смены увеличения двух подвижных компонентов, перемещающихся без сохранения постоянства расстояния между вершинами их преломляющих поверхностей, что усложняет конструкцию телескопа.

Как известно, в любой оптической системе можно реализовать двухступенчатую смену увеличения с использованием перемещения только одного компонента вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое. Но для обеспечения при этом еще и высокого качества изображения, а также неизменяемого при смене увеличения положения выходного зрачка, должны быть найдены оптимальные соотношения между оптическими силами, величинами подвижек и формой линз и компонентов.

В прототипе исключить одну из двух подвижек для смены увеличения без изменения соотношений (1) и (2), а также форм линз не представляется возможным, т.к. в этом случае не реализуется требуемый перепад увеличений, нарушается афокальность системы и снижается качество коррекции остаточных аберраций.

Предложен телескоп с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра, содержащий шесть линз со сферическими преломляющими поверхностями, имеющий действительное и неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа, включающий расположенные по ходу лучей первый положительный и второй отрицательный мениски, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, образующие объектив, а также подвижную третью отрицательную линзу, имеющую два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, четвертую двояковыпуклую линзу, пятый отрицательный и шестой положительный мениски, обращенные выпуклостями друг к другу, образующими окуляр, при этом передний фокус окуляра при меньшем увеличении является действительным, при большем - мнимым и выполняются соотношения (1). Подвижная третья отрицательная линза выполнена двояковогнутой с отношением радиусов преломляющих поверхностей по абсолютной величине, близким к 1. Величина подвижки третьей отрицательной линзы более чем в 2,5 раза превышает величину переднего фокального отрезка окуляра в первом фиксированном положении, соответствующем большему увеличению, и не превышает 1,6 абсолютной величины переднего фокального отрезка окуляра во втором фиксированном положении, соответствующем меньшему увеличению. Остальные линзы при смене увеличения остаются неподвижными. В телескопе имеют место следующие соотношения:

где - задний фокальный отрезок окуляра в первом фиксированном положении (большее увеличение, узкое поле);

- задний фокальный отрезок окуляра во втором фиксированном положении (меньшее увеличение, широкое поле);

- задний фокальный отрезок окуляра;

- удаление выходного зрачка телескопа от последней поверхности окуляра;

R₁₍₄₎ - радиус первой по ходу лучей преломляющей поверхности четвертой двояковыпуклой линзы;

R₂₍₄₎ - радиус второй по ходу лучей преломляющей поверхности четвертой двояковыпуклой линзы.

Предлагаемый телескоп с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра позволяет при сохранении дифракционно ограниченного качества изображения, малой величины дисторсии и трехкратного перепада увеличений обеспечить более высокие технические характеристики: упростить конструкцию путем уменьшения числа подвижных линз до одной.

Более высокие технические характеристики предлагаемого телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:

- подвижная третья отрицательная линза выполнена двояковогнутой с отношением радиусов преломляющих поверхностей по абсолютной величине, близким к 1;

- величина подвижки третьей отрицательной линзы более чем в 2,5 раза превышает величину переднего фокального отрезка окуляра в первом фиксированном положении, соответствующем большему увеличению, и не превышает 1,6 абсолютной величины переднего фокального отрезка окуляра во втором фиксированном положении, соответствующем меньшему увеличению;

- остальные линзы при смене увеличения остаются неподвижными;

- имеют место соотношения (3).

Выполнение подвижной третьей отрицательной линзы двояковогнутой с отношением радиусов преломляющих поверхностей по абсолютной величине, близким к 1, а четвертой линзы с указанным в (3) соотношением радиусов преломляющих поверхностей позволяет достичь определенного соответствия между формой этих линз и указанными в (3) соотношениями между фокальными отрезками и удалением выходного зрачка, а также обеспечить коррекцию аберраций в каждом из двух положений.

Выполнение величины подвижки третьей отрицательной линзы более чем в 2,5 раза превышающей величину переднего фокального отрезка окуляра в первом фиксированном положении, соответствующем большему увеличению, и не превышающей 1,6 абсолютной величины переднего фокального отрезка окуляра во втором фиксированном положении, соответствующем меньшему увеличению; одновременно с выполнением соотношений (3) позволяет реализовать при подвижке только одной линзы 3-кратный перепад увеличений в телескопе, сохранив в пространстве между третьей и четвертой линзами ход лучей, близкий к телецентрическому, обеспечив тем самым и устранение дисторсии как необходимое условие сохранения высокого качества изображения. Кроме того, в этом случае удается сохранить положение входного зрачка в первом положении вблизи первой линзы, как и в прототипе, с целью минимизировать ее диаметр.

Выполнение подвижной только третьей линзы, перемещаемой из одного фиксированного положения в другое, при условии, что остальные линзы при смене увеличения остаются неподвижными, позволяет упростить конструкцию.

Предлагаемая совокупность отличительных признаков позволяет обеспечить в телескопе с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области упрощение конструкции путем сокращения числа подвижных линз до одной при сохранении дифракционно ограниченного качества изображения, малой дисторсии и трехкратного перепада увеличений.

Авторам не известны оптические системы телескопов с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому данная система телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра обладает существенными отличиями.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг.1а - Оптическая схема телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра (узкое поле);

фиг.1б - Оптическая схема телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра (широкое поле);

фиг.2а - Частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле);

фиг.2б - (ЧКХ) телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра с 3-кратной сменой увеличения (широкое поле);

фиг.3а - Функция концентрации энергии (ФКЭ) телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле);

фиг.3б - ФКЭ телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра с 3-кратной сменой увеличения (широкое поле);

фиг.4а - Дисторсия телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле);

фиг.4б - Дисторсия телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра с 3-х кратной сменой увеличения (широкое поле).

На фиг.1а и 1б изображена предлагаемая оптическая схема телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра соответственно для узкого и широкого полей в пространстве предметов.

Оптическая система телескопа содержит шесть линз 1-6 со сферическими преломляющими поверхностями и имеет действительное и неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа. Первый положительный мениск 1 и второй отрицательный мениск 2 образуют объектив 7. Мениски 1 и 2 обращены вогнутой стороной к плоскости выходного зрачка телескопа. Окуляр 8 телескопа включает подвижную двояковогнутую линзу 3, имеющую два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, а также неподвижные четвертую двояковыпуклую линзу 4, пятый отрицательный мениск 5 и шестой положительный мениск 6, обращенные выпуклостями друг к другу. В положении фиг.1а (большее увеличение, узкое поле) передний фокус окуляра является мнимым, в положении фиг.1б (меньшее увеличение, широкое поле) - действительным.

Отношение радиусов преломляющих поверхностей подвижной третьей отрицательной линзы по абсолютной величине близко к 1. Величина подвижки третьей отрицательной линзы вдоль оптической оси более чем в 2,5 раза превышает величину переднего фокального отрезка окуляра в первом фиксированном положении, соответствующем большему увеличению, и не превышает 1,6 абсолютной величины переднего фокального отрезка окуляра во втором фиксированном положении, соответствующем меньшему увеличению. Остальные линзы при смене увеличения остаются неподвижными. В объективе имеют место вышеприведенные соотношения (1), (2), (3).

Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленного объекта, проходя последовательно компоненты 1-6 телескопа, выходит из выходного зрачка телескопа параллельными пучками. При этом в фиксированном положении линзы 3, соответствующем схеме, представленной на фиг.1а, обеспечивается узкое поле обзора в пространстве предметов (т.е. большее угловое увеличение телескопа), а в фиксированном положении, соответствующем схеме, представленной на фиг.1б, - широкое поле обзора в пространстве предметов (т.е. меньшее угловое увеличение телескопа).

В качестве конкретного примера исполнения в таблице 1 приведен пример реализации телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра, имеющим трехкратный перепад увеличений.

В таблице приняты следующие обозначения:

γ₁ - угловое увеличение телескопа при положениях линз, соответствующих схеме на фиг.1а (узкое поле обзора);

2ω₁ - угловое поле в пространстве предметов при увеличении γ₁;

γ₂ - угловое увеличение телескопа при положениях линз, соответствующих схеме на фиг.1б (широкое поле обзора);

2ω₂ - угловое поле в пространстве предметов при увеличении γ₂;

D' - диаметр выходного зрачка телескопа.

Относительная оптическая сила линз телескопа и расстояния вдоль оптической оси между линзами указаны, исходя из следующей нормировки: эквивалентное фокусное расстояние f' системы телескопа с узким полем обзора, снабженного параксиальным объективом, имеющим фокусное расстояние 25 мм, установленным после объектива так, что его входной зрачок совпадает с выходным зрачком телескопа, равно минус 1. При этом эквивалентное фокусное расстояние f' системы телескопа с широким полем обзора с указанным параксиальным объективом составляет минус 0,333.

Точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси под конкретные значения показателей преломления и конкретные значения угловых увеличений предлагаемого телескопа, содержащего шесть линз со сферическими преломляющими поверхностями, устанавливаются стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ для оптических расчетов.

Анализ оптической схемы и качества изображения примера реализации телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра проведен в программе Zemax для указанных в таблице 1 значений: γ₁=-8,51^x; 2ω₁=3°50^/ (узкое поле); γ₂=-2,81^x; 2ω₂=10°33^/ (широкое поле); D'=10,2 мм) совместно с идеальным объективом, имеющим фокусное расстояние 25 мм, установленным за телескопом.

Как следует из таблицы 1, в конкретном примере реализации предлагаемого телескопа перепад увеличений составляет 3 крата. Отношение оптической силы второго мениска Ф₂ к оптической силе объектива Ф₇ телескопа составляет , т.е. удовлетворяет условию (1). Отношение радиусов преломляющих поверхностей линзы 3 составляет (-1,977)/2,042=-0,968, т.е. близко по абсолютной величине к 1. Отношение радиусов преломляющих поверхностей линзы 4 равно ; при этом ; для узкого поля ; для широкого поля , т.е. выполняется соотношение (3).

ЧКХ для указанного примера реализации приведены в таблице 2, на фиг.2а (для узкого поля) и в таблице 3, на фиг.2б (для широкого поля).

В таблицах 2 и 3 значения коэффициентов передачи контраста приведены для точки на оси и для двух значений углов ω, соответствующих краю поля зрения и зоне, как для меридионального (m), так и для сагиттального (s) сечений. Коэффициенты передачи контраста указаны в относительных единицах для пространственных частот в диапазоне от 0 до 40 мм^-1, отнесенных к фокальной плоскости идеального объектива с фокусным расстоянием 25 мм, расположенного по ходу лучей за выходным зрачком инфракрасного телескопа.

На фиг.2а и 2б по оси абсцисс отложены указанные значения пространственных частот, в мм^-1; по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста, отн.ед. Графики ЧКХ представлены для точки на оси (обозначение «0»), для точек на краю поля зрения (обозначение «ω₁» или «ω₂») и точек на зоне (обозначение соответственно «0,7ω₁» или «0,7ω₂») как для меридионального (M), так и сагиттального сечений (s). Для остальных точек поля значения ЧКХ расположены между приведенными кривыми и их графики не приведены на фиг.2а и 2б. Для сравнения на фиг.2а и 2б приведены также ЧКХ безаберрационного объектива (обозначение «Дифр.»).

Как следует из таблиц 2, 3 и фиг.2а и 2б, оптическая система телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра в каждом из фиксированных положений линз обеспечивает качество изображения, близкое к дифракционному, т.е. является дифракционно ограниченной системой.

В таблицах 4, 5 и на фиг.3а и 3б приведены ФКЭ телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра соответственно для узкого и широкого полей зрения. Значения энергии в относительных единицах характеризуют, какая часть всей энергии пятна находится в круге указанного радиуса.

Из графиков фиг.3а и 3б и данных таблиц 4, 5 следует, что в пределах элемента приемника радиусом 0,025 мм сосредоточено не менее 80% всей энергии, что достаточно близко к дифракционному пределу и не хуже, чем у прототипа.

В таблицах 6, 7 приведены значения относительной дисторсии примера реализации телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра, на фиг.4а, 4б - соответствующие графики дисторсии. По оси ординат отложены углы ω, отн.ед., а по оси абсцисс - относительная дисторсия, %.

Величина дисторсии в примере реализации телескопа с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра в положении, соответствующем узкому полю, не превышает 0,74%, а в положении, соответствующем широкому полю, не превышает 3,51%, что является приемлемым для использования предлагаемого телескопа в оптических системах тепловизоров, содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.

Таким образом, предлагаемый телескоп с двумя увеличениями и вынесенным выходным зрачком для дальней ИК-области спектра, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет упростить конструкцию путем уменьшения числа подвижных линз до одной, обеспечив при этом дифракционно ограниченное качество изображения, малую величину дисторсии и трехкратный перепад увеличений.

Реализация технических преимуществ предлагаемого изобретения позволяет использовать его в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.

Литература

1. Патент РФ №2349942, 2009. Телескоп с дискретным изменением увеличения для дальней ИК-области спектра.

2. ЕРО 0367197, 1989. Dual band/dual FOV infrared telescope.

3. ЕПВ №0278777, 1988. Dual magnification infra-red telescope.

4. Патент РФ №2172971, 2001. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями.

5. Патент РФ №2348955, 2009 г. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра.