Результат интеллектуальной деятельности: ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов различного назначения с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами.

Известна инфракрасная система с двумя полями зрения (см. патент CN 103149667 А, МПК⁷ G02B 13/00, опубл. 12.06.2013 г.), в которой изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом подвижного компонента, при этом максимальное фокусное расстояние f’_max составляет 240 мм, минимальное f’_min - 60 мм, длина L - 260 мм. Кратность изменения фокусного расстояния M=f’_max/f’_min=4^×.

Также известна инфракрасная система с дискретно изменяемым фокусным расстоянием (см. патент RU 2481602 С1, МПК⁷ G02B 15/02, опубл. 10.05.2013 г.), в которой изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом подвижного компонента, при этом максимальное фокусное расстояние f’_max составляет 200 мм, минимальное f’_min - 70 мм, длина L - 215 мм. Кратность изменения фокусного расстояния М=2,86^×.

Недостатками указанных систем являются большая длина и малая кратность изменения фокусного расстояния, кроме того, во второй описываемой системе отсутствует возможность эффективной работы с приемником, имеющим внутри охлаждаемую диафрагму.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой оптической системе, принятой за прототип, является оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения (см. патент на полезную модель RU 149238 U1, МПК⁷ G02B 13/14, опубл. 27.012.2014 г.), состоящая из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую отрицательную и вторую положительную выпукло-вогнутые линзы и третью положительную вогнуто-выпуклую линзу, второго компонента, содержащего первую и вторую отрицательные вогнуто-выпуклые линзы и третью положительную двояковыпуклую линзу, третьего компонента, содержащего первую положительную и вторую отрицательную вогнуто-выпуклые линзы, третью положительную выпукло-вогнутую линзу и четвертую положительную вогнуто-выпуклую линзу, и фотоприемного устройства. Изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом второго компонента в оптический тракт в пространстве между первым и третьим компонентами. Оптическая система работает с относительным отверстием 1:4, в узком поле зрения фокусное расстояние объектива f’_max=230 мм, в широком поле зрения - f’_min=34 мм, длина L=159,7 мм. Кратность изменения фокусного расстояния (поля зрения) М=f’_max/f’_min=6,76^×. Описываемая система имеет достаточно высокое качество изображения при минимальном фокусном расстоянии в пределах всего поля зрения, а при максимальном фокусном расстоянии высокое качество обеспечивается только для центра поля зрения. Для обеспечения работы системы при изменении температуры оптимальным является перемещение третьей линзы первого компонента. Однако в широком поле зрения выбранный способ требует большого перемещения этой линзы и при этом качество изображения значительно хуже, чем в нормальных температурных условиях. Кроме того, первый компонент системы имеет большую массу за счет наличия в нем двух линз из германия большого диаметра и толщины. При общей массе оптических элементов m=276 г масса первого компонента составляет m₁=263 г.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение эксплуатационных возможностей за счет обеспечения эффективной работы системы при изменении температуры в двух полях зрения при сохранении габаритов, уменьшении массы и высоком качестве изображения.

Указанная цель достигается тем, что в оптической системе тепловизионного прибора с двумя полями зрения, состоящей из расположенных вдоль оптической оси первого компонента, содержащего первую и вторую выпукло-вогнутые линзы и третью линзу, второго компонента, установленного с возможностью ввода-вывода в оптический тракт и содержащего первую отрицательную вогнуто-выпуклую, вторую и третью линзы, третьего компонента, содержащего первую положительную, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую и третью положительную выпукло-вогнутую линзы, и фотоприемного устройства, в первом компоненте первая линза выполнена положительной, вторая выполнена отрицательной и третья линза выполнена положительной выпукло-вогнутой, причем вторая и третья линзы установлены с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси, во втором компоненте вторая линза выполнена двояковыпуклой, третья линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, в третьем компоненте первая линза выполнена двояковыпуклой.

На фигуре 1 представлена схема оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения.

На фигуре 2 представлены графики функции концентрации энергии (ФКЭ) системы в узком поле зрения для температур 20, 60 и минус 50°C.

На фигуре 3 представлены графики функции концентрации энергии (ФКЭ) системы в широком поле зрения для температур 20, 60 и минус 50°C.

Оптическая система состоит из расположенных вдоль оптической оси первого компонента I, содержащего первую положительную 1, вторую отрицательную 2 и третью положительную 3 выпукло-вогнутые линзы, второго компонента II, содержащего первую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 4, вторую двояковыпуклую линзу 5 и третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 6, третьего компонента III, содержащего первую двояковыпуклую линзу 7, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 8 и третью положительную выпукло-вогнутую линзу 9, и фотоприемного устройства 10 с охлаждаемой диафрагмой 11. Линзы 2 и 3 первого компонента I установлены с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси. Второй компонент II установлен с возможностью ввода-вывода в оптический тракт.

В таблице 1 приведены технические характеристики системы, работающей в среднем инфракрасном диапазоне спектра.

В таблице 2 приведены конструктивные параметры системы.

В таблице 3 приведены значения перемещений Δ1 и Δ2 линз 2, 3 первого компонента I в зависимости от температуры окружающей среды для узкого и широкого полей зрения соответственно.

В узком поле зрения, соответствующем максимальному фокусному расстоянию, оптическая система работает следующим образом: излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через линзы 1-3 первого компонента I и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзы 7-9 третьего компонента III и попадает в фотоприемное устройство 10, в плоскости чувствительных элементов которого формируется изображение, при этом охлаждаемая диафрагма 11 фотоприемного устройства 10 выполняет функцию апертурной диафрагмы системы.

В широком поле зрения, соответствующем минимальному фокусному расстоянию, излучение проходит через линзы 1-3 первого I и 4-6 второго II компонентов и фокусируется в той же плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзы 7-9 третьего компонента III и попадает в фотоприемное устройство 10, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов и охлаждаемая диафрагма 11 фотоприемного устройства 10 является апертурной диафрагмой системы.

Изменения поля зрения (фокусного расстояния) оптической системы осуществляется вводом-выводом второго компонента II в оптический тракт в пространстве между первым I и третьим III компонентами.

Компенсация температурной расфокусировки изображения осуществляется совместным перемещением линз 2 и 3 вдоль оптической оси в соответствии с приведенными в таблице 3 значениями.

Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения работает с относительным отверстием 1:4, в узком поле зрения фокусное расстояние f’_max=230 мм, в широком поле зрения - f’_min=33,5 мм, длина L=161 мм. Кратность изменения фокусного расстояния (поля зрения) М=f’_max/f’_min=6,87^×. Общая масса оптических элементов m=89 г, при этом масса первого компонента составляет m₁=77 г.

Из графиков, приведенных на фигурах 2 и 3, следует, что в оптической системе обеспечивается высокое качество изображение в пределах всего поля зрения как при минимальном, так и при максимальном фокусных расстояниях в диапазоне температур от минус 50 до плюс 60°C. При этом масса оптических элементов системы меньше, чем в прототипе, в 3 раза.

Таким образом, выполнение оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет улучшить ее эксплуатационные возможности за счет обеспечения эффективной работы при изменении температуры, при этом существенно уменьшена масса и достигнуто высокое качество изображения в двух полях зрения.