RU118446U1

RU118446U1 - OPTICAL SYSTEM OF THERMAL VISION INSTRUMENTS

Info

Publication number: RU118446U1
Application number: RU2011153215/28U
Authority: RU
Inventors: Елена Олеговна Ульянова; Константин Павлович Шатунов
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-07-20

Abstract

1. Оптическая система тепловизионных приборов, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив, отличающаяся тем, что объектив, строящий действительное промежуточное изображение, реализован в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, а проекционный объектив реализован в составе линзового компонента, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси из первой и второй по ходу лучей линз соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. ! 2. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены таким образом, что относительные оптические силы линз - в объективе, строящем действительное промежуточное изображение: первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, равны, соответственно, (1,21÷1,23), -(0,57÷0,59); в проекционном объективе: � 1. An optical system of thermal imaging devices, containing a lens sequentially located along the path of the rays, which builds a real intermediate image, a projection lens, characterized in that the lens that builds a real intermediate image is implemented as part of the first positive meniscus along the path of the rays, which is convex towards the space of objects, and the second negative meniscus, convex facing the image plane, made with the possibility of movement along the optical axis, and the projection lens is implemented as a part of the lens component, made with the possibility of movement along the optical axis from the first and second along the rays of the lenses, respectively, negative and positive meniscus facing the convexities to the image plane, the third along the rays of the lens, made biconvex, and the fourth along the rays of the positive lens, made in the form of a meniscus facing the concavity to the plane Images. ! 2. Optical system according to claim 1, characterized in that the lenses of the objective that builds the actual intermediate image and the projection lens are made in such a way that the relative optical powers of the lenses are in the lens that builds the actual intermediate image: the first positive meniscus along the path of the rays, facing convexity to the space of objects, and the second negative meniscus facing the convexity to the plane of the image, made with the possibility of movement along the optical axis, are, respectively, (1.21 ÷ 1.23), - (0.57 ÷ 0.59); in the projection lens: �

Description

Изобретение относится к оптике, в частности, к оптическим системам, и может быть использовано в оптико-электронных системах (ОЭС) для решения задач обнаружения, распознавания и идентификации объектов наблюдения по тепловому излучению.The invention relates to optics, in particular, to optical systems, and can be used in optoelectronic systems (OES) to solve problems of detection, recognition and identification of objects of observation by thermal radiation.

Известна оптическая система тепловизионных приборов (патент РФ №2244949 на изобретение), содержащая объектив, строящий действительное промежуточное изображение, в составе фронтального мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и афокального мениска, обращенного выпуклостью к изображению и расположенного вблизи плоскости промежуточного изображения объектива, входной зрачок, расположенный в передней фокальной плоскости фронтального мениска.Known optical system of thermal imaging devices (RF patent No. 2244949 for an invention) containing a lens that builds a valid intermediate image, consisting of a frontal meniscus convex to the subject, and an afocal meniscus convex to the image and located near the plane of the intermediate image of the lens, the entrance pupil located in the front focal plane of the frontal meniscus.

К недостаткам приведенного технического решения относится отсутствие согласования качества изображения с размером пиксела фотоприемника и адаптивности оптической системы; довольно узкий рабочий температурный диапазон; при стремлении расширить последний - низкое качество изображения, неприемлемое для работы с современными матричными приемниками инфракрасного (ИК) излучения.The disadvantages of the technical solution include the lack of coordination of image quality with the pixel size of the photodetector and the adaptability of the optical system; rather narrow working temperature range; while striving to expand the latter - low image quality, unacceptable for working with modern matrix receivers of infrared (IR) radiation.

Причины недостатков заключаются в том, что термокомпенсация, оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения, позволяющее минимизировать величины остаточных аберраций до значений, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмеримый с размером дифракционного пятна и размером пиксела приемников излучения, рассчитаны для одной конкретной температуры, принимаемой за рабочую температуру оптической системы.The reasons for the disadvantages are that thermal compensation, the optimal combination of the optical forces of the lenses, the shape of the lenses and their relative positions, which allows minimizing the values of residual aberrations to values that ensure the size of the scattering spot in the plane of the radiation receiver, comparable with the size of the diffraction spot and the pixel size of radiation receivers, calculated for one specific temperature, taken as the operating temperature of the optical system.

Для большинства оптических систем (как и в рассматриваемом случае) оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимное расположения рассчитано для температуры окружающей среды +20°С. При указанном сочетании оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения осуществляется такое корригирование аберраций (искажений), которое обеспечивает пятно рассеяния в плоскости приемника, сопоставимое с размером дифракционного пятна (идеального пятна) и размером пиксела фотоприемного устройства (ФПУ). Если происходит изменение температуры, меняются оптические силы линз (фокусные расстояния линз в том числе, так как они обратно пропорциональны оптическим силам), форма линз (за счет изменения радиусов), а также расстояния между линзами (хоть и незначительно, но тоже меняются). В связи с этим для конкретной температуры окружающей среды, отличающейся от температуры, для которой были определены оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимное расположение, в частности, отличающейся от +20°С, первоначальное сочетание, соответствующее +20°С, оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения в оптической системе уже не будет оптимальным. Эти изменения возникают вследствие зависимости показателя преломления и коэффициента линейного расширения материала линз от температуры окружающей среды. В результате при изменении температуры ИК излучение при регистрации фокусируются уже не в плоскости приемника, а в плоскости, расположенной перед плоскостью приемника или за ней.For most optical systems (as in the case under consideration), the optimal combination of the optical powers of the lenses, the shape of the lenses and their relative positions are calculated for an ambient temperature of + 20 ° С. With the indicated combination of the optical power of the lenses, the shape of the lenses and their relative positions, the aberration (distortion) is adjusted to provide a scattering spot in the plane of the receiver that is comparable to the size of the diffraction spot (ideal spot) and the pixel size of the photodetector (FPU). If the temperature changes, the optical forces of the lenses change (including the focal lengths of the lenses, since they are inversely proportional to the optical forces), the shape of the lenses (due to a change in the radii), and also the distances between the lenses (albeit insignificantly, also change). In this regard, for a specific ambient temperature that differs from the temperature for which the optimal combination of the optical power of the lenses, the shape of the lenses and their relative position, in particular, different from + 20 ° C, the initial combination corresponding to + 20 ° C, the optical forces of the lenses, the shape of the lenses and their relative position in the optical system will no longer be optimal. These changes occur due to the dependence of the refractive index and the coefficient of linear expansion of the lens material on the ambient temperature. As a result, when the temperature changes, IR radiation during registration is no longer focused in the receiver plane, but in the plane located in front of or behind the receiver plane.

Средства же, которыми осуществляется термокомпенсация или так называемая «подфокусировка», что приводило бы снова к фокусированию ИК-излучения в плоскости приемника, отсутствуют.The means by which thermal compensation or the so-called "focusing" is carried out, which would again lead to focusing of infrared radiation in the plane of the receiver, are absent.

В рассматриваемом случае можно осуществить термокомпенсацию перемещением самого приемника, однако для охлаждаемых фотоприемников это невозможно из-за наличия криостата. Кроме того, при такой термокомпенсации, хотя и приводящей к фокусированию ИК-излучения в плоскости приемника, не удается скорригировать все аберрации, чтобы размер пятна рассеяния соответствовал размеру при +20°С (особенно в области температур ниже нуля, в частности, ниже -20°С).In the case under consideration, thermal compensation can be carried out by moving the receiver itself, however, this is not possible for cooled photodetectors due to the presence of a cryostat. In addition, with such thermal compensation, although it leads to focusing of infrared radiation in the plane of the receiver, it is not possible to correct all aberrations so that the size of the scattering spot corresponds to the size at + 20 ° C (especially in the temperature range below zero, in particular, below -20 ° C).

С другой стороны, при наблюдаемом в настоящее время стремлении к минимизации размеров фоточувствительных элементов (пикселов) отсутствие специальных средств в оптической системе, обеспечивающих размер пятна рассеяния, соизмеримый или сопоставимый с размером чувствительного элемента приемника излучения, обуславливает невозможность согласования качества изображения с размером пиксела фотоприемника, отсутствие адаптивности оптической системы к фоточувствительной матрице. В требуемом диапазоне температур получаемое пятно рассеяния должно быть соизмеримым с размером пиксела приемника, иначе приемник «ничего не увидит» или «увидит», но с очень плохим контрастом изображения, неприемлемым для работы. Пятно рассеяния может быть больше размера пиксела приемника, однако при этом основная часть энергии излучения (от 65 до 80% в зависимости от дифракционного предела) относительно данного пятна должна быть сфокусирована на пикселе.On the other hand, with the current tendency to minimize the size of photosensitive elements (pixels), the absence of special tools in the optical system that provide a scatter spot size comparable to or comparable with the size of the sensitive element of the radiation receiver makes it impossible to match the image quality with the pixel size of the photodetector, lack of adaptability of the optical system to the photosensitive matrix. In the required temperature range, the resulting scattering spot must be commensurate with the pixel size of the receiver, otherwise the receiver will "see nothing" or "see", but with a very poor image contrast, unacceptable for operation. The scattering spot may be larger than the pixel size of the receiver, however, the main part of the radiation energy (from 65 to 80% depending on the diffraction limit) relative to this spot should be focused on the pixel.

В качестве наиболее близкого аналога выбрана оптическая система тепловизионных приборов (патент РФ №2338227 на изобретение, см. п.4 формулы), содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив и действительный вынесенный выходной зрачок. Объектив, строящий действительное промежуточное изображение, выполнен с возможностью формирования промежуточного изображения в плоскости, расположенной между двумя указанными объективами, и реализован в составе последовательно расположенных по ходу лучей положительной линзы, отрицательной линзы, обращенной вогнутой поверхностью к пространству предметов, и линзы, выполненной в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Проекционный объектив содержит три положительные и одну отрицательную линзы, по ходу лучей первым двум линзам свойственна общая положительная оптическая сила, третья линза - положительная, четвертая линза положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, причем в проекционном объективе первая по ходу лучей линза - отрицательная с вогнутой поверхностью, обращенной к изображению, вторая линза - положительная с выпуклой поверхностью, обращенной к изображению.As the closest analogue, the optical system of thermal imaging devices was chosen (RF patent No. 2338227 for an invention, see claim 4 of the formula), which contains a lens sequentially located along the rays that builds a valid intermediate image, a projection lens, and a valid remote pupil. The lens that builds the actual intermediate image is made with the possibility of forming an intermediate image in the plane located between the two specified lenses, and is implemented as a part of the positive lens, the negative lens, the concave surface facing the space of objects, and the lens made in the form positive meniscus facing concavity to the image. The projection lens contains three positive and one negative lenses, along the rays the first two lenses are characterized by a common positive optical power, the third lens is positive, the fourth lens is the positive meniscus facing concavity to the image, and in the projection lens the first lens along the rays is negative with concave surface facing the image, the second lens is positive with a convex surface facing the image.

К недостаткам приведенного технического решения относится отсутствие согласования качества изображения с размером пиксела фотоприемника и адаптивности оптической системы; довольно узкий рабочий температурный диапазон; при стремлении расширить последний - низкое качество изображения, неприемлемое для работы с современными матричными приемниками ИК излучения.The disadvantages of the technical solution include the lack of coordination of image quality with the pixel size of the photodetector and the adaptability of the optical system; rather narrow working temperature range; in an effort to expand the latter - low image quality, unacceptable for working with modern matrix receivers of infrared radiation.

Причины недостатков заключаются в том, что термокомпенсация, оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения, позволяющее минимизировать величины остаточных аберраций до значений, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмеримый с размером дифракционного пятна и размером пиксела приемников излучения, рассчитаны для одной конкретной температуры, принимаемою за рабочую температуру оптической системы, и конкретный размер пиксела.The reasons for the disadvantages are that thermal compensation, the optimal combination of the optical forces of the lenses, the shape of the lenses and their relative positions, which allows minimizing the values of residual aberrations to values that ensure the size of the scattering spot in the plane of the radiation receiver, comparable with the size of the diffraction spot and the pixel size of radiation receivers, calculated for one specific temperature, taken as the operating temperature of the optical system, and a specific pixel size.

Для большинства оптических систем (как и в рассматриваемом случае) оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимное расположения рассчитано для температуры окружающей среды +20°С. При указанном сочетании оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения осуществляется такое корригирование аберраций (искажений), которое обеспечивает пятно рассеяния в плоскости приемника, сопоставимое с размером дифракционного пятна (идеального пятна) и размером пиксела ФПУ. Если происходит изменение температуры, меняются оптические силы линз (фокусные расстояния линз в том числе, так как они обратно пропорциональны оптическим силам), форма линз (за счет изменения радиусов), а также расстояния между линзами (хоть и незначительно, но тоже меняются). В связи с этим для конкретной температуры окружающей среды, отличающейся от температуры, для которой были определены оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимное расположение, в частности, отличающейся от +20°С, первоначальное сочетание, соответствующее +20°С, оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения в оптической системе уже не будет оптимальным. Эти изменения возникают вследствие зависимости показателя преломления и коэффициента линейного расширения материала линз от температуры окружающей среды. В результате при изменении температуры ИК излучение при регистрации фокусируются уже не в плоскости приемника, а в плоскости, расположенной перед плоскостью приемника или за ней.For most optical systems (as in the case under consideration), the optimal combination of the optical powers of the lenses, the shape of the lenses and their relative positions are calculated for an ambient temperature of + 20 ° С. With the indicated combination of the optical power of the lenses, the shape of the lenses and their relative positions, the aberration (distortion) is adjusted to provide a scattering spot in the plane of the receiver that is comparable with the size of the diffraction spot (ideal spot) and the pixel size of the FPU. If the temperature changes, the optical forces of the lenses change (including the focal lengths of the lenses, since they are inversely proportional to the optical forces), the shape of the lenses (due to a change in the radii), and also the distances between the lenses (albeit insignificantly, also change). In this regard, for a specific ambient temperature that differs from the temperature for which the optimal combination of the optical power of the lenses, the shape of the lenses and their relative position, in particular, different from + 20 ° C, the initial combination corresponding to + 20 ° C, the optical forces of the lenses, the shape of the lenses and their relative position in the optical system will no longer be optimal. These changes occur due to the dependence of the refractive index and the coefficient of linear expansion of the lens material on the ambient temperature. As a result, when the temperature changes, IR radiation during registration is no longer focused in the receiver plane, but in the plane located in front of or behind the receiver plane.

Предлагаемая оптическая система тепловизионных приборов позволяет решить задачу достижения более высоких технических характеристик.The proposed optical system of thermal imaging devices allows us to solve the problem of achieving higher technical characteristics.

Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:

- согласование качества изображения с размером пиксела фотоприемника, повышение адаптивности оптической системы;- coordination of image quality with the pixel size of the photodetector, increasing the adaptability of the optical system;

- расширение рабочего температурного диапазона;- expansion of the operating temperature range;

- повышение качества изображения.- improving image quality.

Технический результат достигается в оптической системе тепловизионных приборов, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив, при этом линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены с возможностью перемещения до достижения взаимного расположения, при котором размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмерим с размером пиксела приемника излучения или сопоставим с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения, составляющая не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе.The technical result is achieved in an optical system of thermal imaging devices containing a lens sequentially located along the rays, building a real intermediate image, a projection lens, while the lenses of a lens building a real intermediate image and a projection lens are movable until a mutual arrangement is achieved, at which size scattering spots in the plane of the radiation receiver, comparable with the pixel size of the radiation receiver or comparable with p By measuring the pixel of the radiation receiver, based on the calculation that part of the energy along the spot of the detected radiation, which is at least 65 to 80%, is focused on the pixel.

В оптической системе объектив, строящий действительное промежуточное изображение, реализован в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси; проекционный объектив реализован в составе линзового компонента, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси из первой и второй по ходу лучей линз -соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.In the optical system, the lens that builds the actual intermediate image is implemented as part of the first positive meniscus along the rays convex to the space of objects, and the second negative meniscus convex to the image plane, made with the possibility of moving along the optical axis; the projection lens is implemented as part of the lens component, made with the possibility of moving along the optical axis from the first and second along the rays of the lenses, respectively, the negative and positive menisci, convex to the image plane, the third along the rays of the lens made biconvex, and the fourth the path of the rays of the positive lens, made in the form of a meniscus, facing concavity to the image plane.

В оптической системе линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены с возможностью перемещения до достижения взаимного расположения, при котором размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмерим с размером пиксела приемника излучения или сопоставим с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения, не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе, а именно, относительные оптические силы линз - в объективе, строящем действительное промежуточное изображение: первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, равны, соответственно, (1,21÷1,23), -(0,57÷0,59); в проекционном объективе: первой и второй по ходу лучей линз, соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, равны, соответственно, (10,1÷10,14), (9,76÷9,92), (4,73÷4,8), (4,74÷4,81); расстояние между линзами в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, максимально равно 0,44 фокусного расстояния оптической системы; расстояние между объективом, строящим действительное промежуточное изображение, и проекционным объективом максимально равно 0,5 фокусного расстояния оптической системы; расстояние между второй и третьей линзами проекционного объектива максимально равно 0,2 фокусного расстояния оптической системы.In the optical system, the lenses of the lens constructing the actual intermediate image and the projection lens are arranged to move until a mutual arrangement is achieved at which the size of the scattering spot in the plane of the radiation receiver is comparable to the pixel size of the radiation receiver or comparable to the pixel size of the radiation receiver from the calculation that part of the energy on the spot of the detected radiation, at least from 65 to 80%, is focused on the pixel, namely, the relative optical power of the lenses is in the lens, building we have a valid intermediate image: the first along the rays of the positive meniscus, convex to the space of objects, and the second negative meniscus, convex to the image plane, made with the possibility of moving along the optical axis, are, respectively, (1.21 ÷ 1.23 ), - (0.57 ÷ 0.59); in the projection lens: the first and second along the rays of the lenses, respectively, of the negative and positive menisci, convex to the image plane, the third along the rays of the lens, made biconvex, and the fourth along the rays of the positive lens, made in the form of a meniscus facing concavity to image planes are, respectively, (10.1 ÷ 10.14), (9.76 ÷ 9.92), (4.73 ÷ 4.8), (4.74 ÷ 4.81); the distance between the lenses in the lens building the actual intermediate image is maximally equal to 0.44 of the focal length of the optical system; the distance between the lens building the actual intermediate image and the projection lens is maximum equal to 0.5 of the focal length of the optical system; the distance between the second and third lenses of the projection lens is maximum 0.2 focal length of the optical system.

В оптической системе в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, второй отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, выполненный с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, и в проекционном объективе линзовый компонент, выполненный с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси из первой и второй по ходу лучей линз - соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, снабжены электромеханическими приводами.In the optical system, in the lens building the actual intermediate image, the second negative meniscus convex to the image plane is configured to move along the optical axis, and in the projection lens, the lens component is configured to move along the optical axis from the first and second along the rays of the lenses - respectively, the negative and positive menisci, convex to the image plane, are equipped with electromechanical drives.

В оптической системе выполнен действительный вынесенный зрачок.In the optical system, a valid pupil is made.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.The invention is illustrated by the following description and the accompanying figures.

На Фиг.1 схематически представлена оптическая система тепловизионных приборов, приведены элементы криостата и плоскость изображения, где 1 - мениск (положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения); 2 - мениск (отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов); 3 - мениск (отрицательная линза - мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения); 4 - мениск (положительная линза - мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения); 5 - двояковыпуклая линза; 6 - мениск (положительная линза - мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения); 7 - входное окно криостата; 8 - охлаждаемая диафрагма; 9 - охлаждаемый фильтр; 10 - плоскость изображения (плоскость фоточувствительных элементов матрицы).Figure 1 schematically shows the optical system of thermal imaging devices, shows the elements of the cryostat and the image plane, where 1 is the meniscus (positive meniscus facing concavity to the image plane); 2 - meniscus (negative meniscus, facing concavity to the space of objects); 3 - meniscus (negative lens - meniscus convex to the image plane); 4 - meniscus (positive lens — meniscus convex to the image plane); 5 - biconvex lens; 6 - meniscus (positive lens - meniscus facing concavity to the image plane); 7 - input window of the cryostat; 8 - cooled diaphragm; 9 - a cooled filter; 10 - image plane (plane of photosensitive matrix elements).

На Фиг.2 представлена Таблица 1, в которой приведены конструктивные параметры оптической системы тепловизионных приборов с компенсацией термоаберраций.Figure 2 presents Table 1, which shows the design parameters of the optical system of thermal imaging devices with compensation for thermal aberration.

На Фиг.3 представлен график зависимости перемещений вдоль оптической оси отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, являющегося конструктивным элементом объектива, от температуры окружающей среды, необходимых для осуществления компенсации термоаберраций.Figure 3 presents a graph of the dependence of movements along the optical axis of the negative meniscus, facing concavity to the space of objects, which is a structural element of the lens, on the ambient temperature necessary to compensate for thermal aberrations.

На Фиг.4 представлен график зависимости перемещений вдоль оптической оси подвижного линзового компонента, в составе отрицательной линзы - мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, и положительной линзы - мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, являющихся конструктивными элементами проекционного объектива, от температуры окружающей среды необходимых для осуществления компенсации термоаберраций.Figure 4 presents a graph of the displacements along the optical axis of the movable lens component, consisting of a negative meniscus convex to the image plane and a positive meniscus convex to the image plane, which are structural elements of the projection lens, on the ambient temperature necessary to compensate for thermal aberrations.

На Фиг.5 представлена Таблица 2, иллюстрирующая диапазон изменения величины фокусного расстояния при изменении температуры окружающей среды.Figure 5 presents Table 2, illustrating the range of changes in the magnitude of the focal length with a change in ambient temperature.

На Фиг.6 приведен график зависимости величины относительной погрешности фокусного расстояния от температуры окружающей среды.Figure 6 shows a graph of the relative error of the focal length from the ambient temperature.

На Фиг.7 представлена Таблица 3, в которой приведены для сравнения значения частотно-контрастной характеристики предлагаемой оптической системы и дифракционно-ограниченной системы.Figure 7 presents Table 3, which shows for comparison the values of the frequency-contrast characteristics of the proposed optical system and diffraction-limited system.

На Фиг.8 представлена частотно-контрастная характеристика (ЧКХ).On Fig presents the frequency-contrast characteristic (TSC).

На Фиг.9 представлена функция рассеяния точки (ФРТ).Figure 9 presents the function of the dispersion of the point (PSF).

На Фиг.10 представлена функция концентрации энергии (ФКЭ).Figure 10 presents the function of the concentration of energy (FFE).

Для создания тепловизионных приборов, обладающих высокими техническими характеристиками, необходимы оптические системы, обеспечивающие высокое качество изображения, также согласованное с размером пикселя современных матричных приемников излучения. В таких оптических системах размер пятна рассеяния соответствует размеру пикселя. Кроме того, при сохранении высокого качества изображения, приемлемого для работы с современными матричными приемниками инфракрасного излучения, должен быть достаточно широким рабочий температурный диапазон.To create thermal imaging devices with high technical characteristics, optical systems are needed that provide high image quality, also consistent with the pixel size of modern matrix radiation detectors. In such optical systems, the size of the scattering spot corresponds to the size of the pixel. In addition, while maintaining a high image quality acceptable for working with modern matrix infrared receivers, the operating temperature range should be sufficiently wide.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в предлагаемой оптической системе тепловизионных приборов реализуется оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз, и расположения линз, за счет чего корригируются первичные аберрации широких пучков лучей (сферическая, кома), полевые аберрации (астигматизм, кривизна изображения, дисторсия), хроматические аберрации до величин, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмеримый с размером пиксела приемника излучения, не для отдельно взятого значения температуры окружающей среды, а для диапазона температур, представляющего практический интерес.The achievement of the specified technical result is ensured by the fact that the proposed optical system of thermal imaging devices implements the optimal combination of the optical power of the lenses, the shape of the lenses, and the location of the lenses, which corrects the primary aberrations of wide beams of rays (spherical, coma), field aberrations (astigmatism, image curvature , distortion), chromatic aberration to values that ensure the size of the scattering spot in the plane of the radiation receiver, commensurate with the pixel size of the radiation receiver, not for taken separately ambient temperatures, and for a temperature range of practical interest.

Как отмечено выше для большинства оптических систем оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения обычно рассчитывается для температуры окружающей среды +20°С. При этом в отношении указанной температуры, принимаемой за рабочую, в оптической системе осуществляется такое корригирование аберраций (искажений), которое обеспечивает пятно рассеяния в плоскости приемника, сопоставимое с размером дифракционного пятна (идеального пятна) и размером пиксела современных ФПУ. Однако если такую оптическую систему начинают использовать при температуре окружающей среды, отличающейся от указанной, оптические силы линз и, как следствие, фокусные расстояния линз, поскольку они обратно пропорциональны оптическим силам, форма линз, в частности, их радиусы, меняются. Кроме того, расстояния между линзами тоже, хоть и незначительно, но все-таки меняются. Рассчитанное для рабочей температуры +20°С сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения в оптической системе уже не является оптимальным. В результате, во-первых, происходит смещение плоскости, в которой фокусируется ИК излучение при его регистрации, относительно плоскости фотоприемника, во-вторых, меры термокомпенсации, рассчитанные для температуры +20°С, не способны скорригировать все аберрации (при температуре ниже нуля, в особенности ниже -20°С), чтобы размер пятна рассеяния соответствовал прежнему, при +20°С, размеру. Таким образом, при изменении температуры окружающей среды, в частности, связанном с переходом к другому значению рабочей температуры, при которой используют какую-либо из известных оптических систем, для получения высокого качества изображения следовало бы заново делать расчет оптической системы, пересчитывать все радиусы линз и расстояния между ними для каждой отдельно взятой температуры.As noted above, for most optical systems, the optimal combination of the optical power of the lens, the shape of the lens and their relative position is usually calculated for an ambient temperature of + 20 ° C. At the same time, in relation to the indicated temperature, which is taken as the working temperature, in the optical system, such a correction of aberrations (distortions) is performed that provides a scattering spot in the plane of the receiver, comparable with the size of the diffraction spot (ideal spot) and the pixel size of modern FPUs. However, if such an optical system is started to be used at an ambient temperature different from the indicated one, the optical forces of the lenses and, as a consequence, the focal lengths of the lenses, since they are inversely proportional to the optical forces, the shape of the lenses, in particular, their radii, change. In addition, the distance between the lenses also, albeit slightly, but still vary. The combination of the optical powers of the lenses, the shape of the lenses and their relative position in the optical system calculated for a working temperature of + 20 ° С is no longer optimal. As a result, firstly, the plane in which the IR radiation is focused when it is detected is shifted relative to the plane of the photodetector, and secondly, the thermal compensation measures calculated for a temperature of + 20 ° С are not able to correct all aberrations (at a temperature below zero, in particular below -20 ° C) so that the size of the scattering spot corresponds to the previous size at + 20 ° C. Thus, when changing the ambient temperature, in particular, associated with the transition to a different value of the operating temperature at which one of the known optical systems is used, to obtain a high image quality, the optical system should be re-calculated, all lens radii should be recalculated, and the distance between them for each individual temperature.

Предлагаемая оптическая система избавляет от необходимости такого пересчета, поскольку позволяет осуществлять термокомпенсацию или так называемую «подфокусировку», за счет выполнения линз с возможностью перемещения. Так, выполнение мениска 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и линзового компонента в составе менисков 3 и 4 в проекционном объективе (см. Фиг.1) подвижными приводит к тому, что ИК излучение при регистрации снова фокусируется в плоскости фотоприемника. Кроме того, во всем требуемом (рабочем) диапазоне температур при такой термокомпенсации получаемое пятно рассеяния соизмеримо с размером пиксела приемника. Приемник излучения «видит» с хорошим контрастом изображения, приемлемым для работы. Таким образом, при использовании на практике предлагаемой оптической системы достигается расширение рабочего температурного диапазона и повышение при этом качества изображения.The proposed optical system eliminates the need for such a recount, since it allows thermal compensation or the so-called "focusing", due to the implementation of lenses with the ability to move. So, the execution of the meniscus 2 of the lens, building a valid intermediate image, and the lens component in the composition of the menisci 3 and 4 in the projection lens (see Figure 1) are movable, so that the IR radiation is again focused in the plane of the photodetector during registration. In addition, in the entire required (working) temperature range with such thermal compensation, the resulting scattering spot is commensurate with the pixel size of the receiver. The radiation receiver “sees” with good image contrast, acceptable for operation. Thus, when using the proposed optical system in practice, an expansion of the operating temperature range and an increase in image quality are achieved.

С другой стороны, в современных матричных приемниках излучения, например, дальнего инфракрасного диапазона (8-14 мкм) размеры пикселов значительно меньше, чем в ФПУ ранних поколений, в которых размер пикселов составлял от 40 до 50 мкм и более. Соответственно для этих приемников применялись оптические системы, характеризующиеся пятном рассеяния, размер которого соизмерим с указанными размерами пикселов. Поскольку фотоприемные устройства, регистрирующие излучение, в частности, в спектральном диапазоне 8÷14 мкм, в связи со стремлением к миниатюризации имеют ограниченные размеры чувствительных элементов (пикселов) то, это обуславливает необходимость разработки оптической системы, обеспечивающей качество изображения, согласованное с размером пиксела приемника излучения. То есть, оптическая система должна обеспечить размер пятна рассеяния, соизмеримый с размером чувствительного элемента приемника излучения. В предлагаемой оптической системе это достигается также за счет выполнения линз с возможностью перемещения, в частности, выполнения с возможностью перемещения мениска 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и линзового компонента в составе менисков 3 и 4 в проекционном объективе (см. Фиг.1) подвижными. Отметим, что пятно рассеяния может быть больше размера пиксела приемника, но основная часть световой энергии (от 65 до 80% в зависимости от конкретного дифракционного предела) этого пятна должна быть сфокусирована на пикселе.On the other hand, in modern matrix radiation detectors, for example, in the far infrared (8-14 μm), the pixel sizes are much smaller than in early generation FPUs in which pixel sizes ranged from 40 to 50 μm or more. Accordingly, optical systems characterized by a scattering spot, the size of which is comparable with the indicated pixel sizes, were used for these receivers. Since photodetectors detecting radiation, in particular in the spectral range of 8-14 μm, due to the desire for miniaturization have limited sizes of sensitive elements (pixels), this necessitates the development of an optical system that provides image quality consistent with the pixel size of the receiver radiation. That is, the optical system should provide a scattering spot size commensurate with the size of the sensitive element of the radiation receiver. In the proposed optical system, this is also achieved by performing lenses with the ability to move, in particular, performing with the ability to move the meniscus 2 of the lens building the actual intermediate image, and the lens component in the composition of menisci 3 and 4 in the projection lens (see Figure 1) movable. Note that the scattering spot may be larger than the pixel size of the receiver, but the bulk of the light energy (from 65 to 80%, depending on the specific diffraction limit) of this spot should be focused on the pixel.

Новизна и фактор, влияющий на указанный технический результат, в предлагаемой оптической системе тепловизионных приборов по сравнению с прототипом заключаются в том, что линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены с возможностью перемещения до достижения взаимного расположения, при котором размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмерим с размером пиксела приемника излучения или сопоставим с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения, составляющая не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе.The novelty and the factor affecting the specified technical result in the proposed optical system of thermal imaging devices as compared to the prototype are that the lenses of the lens building the actual intermediate image and the projection lens are movable until a mutual arrangement is achieved at which the size of the scattering spot in the plane of the radiation receiver, commensurate with the pixel size of the radiation receiver or comparable with the pixel size of the radiation receiver, based on the calculation that gies on the spot of the detected radiation, is not less than 65 to 80%, is focused on the pixel.

В частности оптическая система характеризуется (см. Фиг.1):In particular, the optical system is characterized (see Figure 1):

- наличием объектива, строящего действительное промежуточное изображение, выполненного в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, - мениска 1 и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2;- the presence of a lens building a valid intermediate image, made as part of the first along the rays of the positive meniscus, convex to the space of objects, meniscus 1 and the second negative meniscus, convex to the image plane, meniscus 2;

- наличием первой и второй по ходу лучей линз проекционного объектива, выполненных в виде отрицательного и положительного менисков, соответственно, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, - менисков 3 и 4, образующих линзовый компонент;- the presence of the first and second along the rays of the lenses of the projection lens, made in the form of negative and positive menisci, respectively, convex to the image plane, menisci 3 and 4, forming the lens component;

- наличием третьей по ходу лучей линзы проекционного объектива, выполненной двояковыпуклой, - двояковыпуклой линзы 5;- the presence of the third along the rays of the lens of the projection lens made biconvex - biconvex lens 5;

выполнения в объективе второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2 с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси;performing in the lens a second negative meniscus convex to the image plane — meniscus 2 with the possibility of moving along the optical axis;

- выполнением в проекционном объективе линзового компонента в составе первой и второй по ходу лучей линз, выполненных в виде отрицательного и положительного менисков, соответственно, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, то есть менисков 3 и 4, с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси;- the implementation in the projection lens of the lens component of the first and second along the rays of the lenses, made in the form of negative and positive menisci, respectively, convex to the image plane, that is, menisci 3 and 4, with the possibility of moving along the optical axis;

- наличием линз, для которых относительные оптические силы: в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, равны, соответственно, (1,21÷1,23), -(0,57÷0,59); в проекционном объективе: первой и второй по ходу лучей линз, соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, равны, соответственно, -(10,1÷10,14), (9,76÷9,92), (4,73÷4,8), (4,74÷4,81); расстояние между линзами в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, максимально равно 0,44 фокусного расстояния оптической системы; расстояние между объективом, строящим действительное промежуточное изображение, и проекционным объективом максимально равно 0,5 фокусного расстояния оптической системы; расстояние между второй и третьей линзами проекционного объектива максимально равно 0,2 фокусного расстояния оптической системы.- the presence of lenses for which relative optical powers: in the lens building the actual intermediate image, the first along the rays of the positive meniscus, convex to the space of objects, and the second negative meniscus, convex to the image plane, made with the possibility of moving along the optical axis are equal, respectively, (1.21 ÷ 1.23), - (0.57 ÷ 0.59); in the projection lens: the first and second along the rays of the lenses, respectively, of the negative and positive menisci, convex to the image plane, the third along the rays of the lens, made biconvex, and the fourth along the rays of the positive lens, made in the form of a meniscus facing concavity to image planes are, respectively, - (10.1 ÷ 10.14), (9.76 ÷ 9.92), (4.73 ÷ 4.8), (4.74 ÷ 4.81); the distance between the lenses in the lens building the actual intermediate image is maximally equal to 0.44 of the focal length of the optical system; the distance between the lens building the actual intermediate image and the projection lens is maximum equal to 0.5 of the focal length of the optical system; the distance between the second and third lenses of the projection lens is maximum 0.2 focal length of the optical system.

В тепловизионных приборах для оптимизации фоновой нагрузки на охлаждаемый матричный фотоприемник в конструкции криостата используют охлаждаемую диафрагму (Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с., См. с.с.94-95). При этом наиболее оптимальной оптической системой для тепловизионного прибора является система, состоящая из объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива, причем выходным зрачком является охлаждаемая диафрагма криостата. На фоточувствительную матрицу не попадают фоновые потоки от элементов конструкции оптической системы, что позволяет повысить температурную чувствительность тепловизионного прибора.In thermal imaging devices, to optimize the background load on the cooled matrix photodetector, a cooled diaphragm is used in the design of the cryostat (Tarasov V.V., Yakushenkov Yu.G. Infrared systems of the "looking" type. - M .: Logos, 2004. - 444 p., Cm S.S. 94-95). In this case, the most optimal optical system for a thermal imaging device is a system consisting of a lens that builds a real intermediate image, and a projection lens, and the exit pupil is a cooled diaphragm of the cryostat. The background flows from the structural elements of the optical system do not fall on the photosensitive matrix, which makes it possible to increase the temperature sensitivity of the thermal imaging device.

Реализация по данному принципу построения оптической системы тепловизионных приборов требует проведения совместного аберрационного расчета объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива, с целью взаимной коррекции остаточных аберраций.Implementation of the optical system of thermal imaging devices using this principle requires the joint aberration calculation of a lens building a real intermediate image and a projection lens in order to mutually correct residual aberrations.

Кроме того, при использовании тепловизионных приборов в широком диапазоне температур окружающей среды возникает проблема компенсации термоаберраций в оптической системе, то есть компенсации влияния температурных воздействий на выходные характеристики фокусирующего узла. К таким характеристикам в первую очередь относятся фокусное расстояние и параметры кружка рассеяния. Известно, что показатели преломления большинства используемых в тепловидении преломляющих оптических материалов существенно меняются с изменением температуры в диапазоне земных температур (Ллойд Дж. Системы тепловидения. - М.: Мир, 1978 г., с.с.241-243). Многие тепловизионные системы работают в диапазоне температур от -40°С до +40°С, а в некоторых областях их применения пределы температур могут быть еще шире. В связи с этим возникает необходимость компенсации негативного влияния температурных воздействий на параметры элементов оптической системы тепловизионных приборов, обусловленного зависимостью показателя преломления и коэффициента линейного расширения от температуры.In addition, when using thermal imaging devices in a wide range of ambient temperatures, the problem of compensating for thermal aberrations in the optical system, that is, compensating for the influence of temperature effects on the output characteristics of the focusing assembly, arises. These characteristics primarily include the focal length and parameters of the scattering circle. It is known that the refractive indices of most refractive optical materials used in thermal imaging significantly change with temperature in the range of terrestrial temperatures (Lloyd J. Thermal imaging systems. - M .: Mir, 1978, pp. 241-243). Many thermal imaging systems operate in the temperature range from -40 ° С to + 40 ° С, and in some areas of their application the temperature limits can be even wider. In this regard, it becomes necessary to compensate for the negative effect of temperature effects on the parameters of the elements of the optical system of thermal imaging devices, due to the temperature dependence of the refractive index and linear expansion coefficient.

Реализация оптимального сочетания оптических сил линз, формы линз и расположения их в оптической системе в результате обеспечивает в требуемом диапазоне температур окружающей среды достижение размера пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмеримого с размером пиксела приемника излучения. Реализация компенсации термоаберраций в оптической системе обеспечивает высокое качество изображения при изменении температуры окружающей среды и возможность расширения рабочего температурного диапазона.The implementation of the optimal combination of the optical power of the lenses, the shape of the lenses and their location in the optical system as a result ensures that the required size of the ambient temperature reaches the size of the scattering spot in the plane of the radiation receiver, comparable with the pixel size of the radiation receiver. The implementation of thermal aberration compensation in the optical system provides high image quality with a change in ambient temperature and the possibility of expanding the operating temperature range.

Корригирование первичных аберраций широких пучков лучей (сферическая, кома), полевых аберраций (астигматизм, кривизна изображения, дисторсия), хроматических аберраций до величин, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, сопоставимый с размером дифракционного кружка рассеяния и размера пиксела приемника излучения, происходит, в частности, за счет выполнения объектива, строящего действительное промежуточное изображение, в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, - мениска 1 и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2, а также проекционного объектива в составе первой и второй по ходу лучей линз, выполненных в виде отрицательного и положительного менисков, соответственно, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, - менисков 3 и 4, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, - двояковыпуклой линзы 5, четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, - мениска 6.Correction of primary aberrations of wide beams of rays (spherical, coma), field aberrations (astigmatism, image curvature, distortion), chromatic aberrations to values that provide the size of the scattering spot in the plane of the radiation receiver, comparable to the size of the diffraction scattering circle and the pixel size of the radiation receiver, occurs , in particular, due to the implementation of the lens, which builds a real intermediate image, as part of the first positive meniscus along the rays, convex to transference of objects, meniscus 1 and the second negative meniscus convex to the image plane, meniscus 2, as well as a projection lens consisting of the first and second along the rays of the lenses, made in the form of negative and positive menisci, respectively, convex to the image plane , - menisci 3 and 4, the third in the direction of the rays of the lens made biconvex, - biconvex lens 5, the fourth in the direction of the rays of the positive lens, made in the form of a meniscus facing concavity to the plane of the image genius, meniscus 6.

Термокомпенсация осуществляется, в частности, за счет выполнения в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2 подвижным и выполнения в проекционном объективе подвижного линзового компонента, состоящего из первой и второй по ходу лучей линз проекционного объектива, выполненных в виде отрицательного и положительного менисков, соответственно, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, - менисков 3 и 4, при неподвижном фотоприемнике.Thermal compensation is carried out, in particular, by performing, in the lens building the actual intermediate image, a second negative meniscus convex to the image plane — the meniscus 2 is movable and the movable lens component is made in the projection lens, which consists of the first and second projection lens rays lens, made in the form of negative and positive menisci, respectively, convex to the image plane, menisci 3 and 4, with a stationary phot receiver.

Оптическая система тепловизионных приборов (Фиг.1) в общем случае содержит последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив. Причем линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены с возможностью перемещения до достижения взаимного расположения, при котором размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмерим с размером пиксела приемника излучения или сопоставим с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения, составляющая не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе.The optical system of thermal imaging devices (Figure 1) in the General case, contains sequentially located along the rays of the lens, building a valid intermediate image, a projection lens. Moreover, the lenses of the lens building the actual intermediate image and the projection lens are arranged to move until a mutual arrangement is achieved, in which the size of the scattering spot in the plane of the radiation receiver is comparable to the pixel size of the radiation receiver or comparable to the pixel size of the radiation receiver, based on the calculation that part of the energy on the spot of the detected radiation, a component of at least 65 to 80%, is focused on the pixel.

Объектив, строящий действительное промежуточное изображение, реализован в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, - мениска 1 и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси. Проекционный объектив реализован в составе линзового компонента, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси из первой и второй по ходу лучей линз -соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, - менисков 3 и 4, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, - двояковыпуклой линзы 5, являющейся положительной, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, - мениска 6, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.The lens that builds the actual intermediate image is implemented as part of the first positive meniscus in the direction of the convex facing the space of objects, the meniscus 1 and the second negative meniscus, convex to the image plane, the meniscus 2, which is capable of moving along the optical axis. The projection lens is implemented as part of the lens component, made with the possibility of moving along the optical axis from the first and second along the rays of the lenses, respectively, the negative and positive menisci, convex to the image plane, menisci 3 and 4, the third along the rays of the lens, made biconvex, - biconvex lens 5, which is positive, and the fourth along the rays of the positive lens, made in the form of a meniscus, - meniscus 6, facing concavity to the image plane Nia.

Относительные оптические силы линз - в объективе, строящем действительное промежуточное изображение: первого по ходу лучей положительного мениска (мениск 1), обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска (мениск 2), обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, равны, соответственно, (1,21÷1,23), -(0,57÷0,59). В проекционном объективе относительные оптические силы линз: первой и второй по ходу лучей линз, соответственно, отрицательного (мениск 3) и положительного (мениск 4) менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой (двояковыпуклая линза 5), и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска (мениск 6), обращенного вогнутостью к плоскости изображения, равны, соответственно, -(10,1÷10,14), (9,76÷9,92), (4,73÷4,8), (4,74÷4,81). Расстояние между линзами (мениском 1 и мениском 2) в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, максимально равно 0,44 фокусного расстояния оптической системы. Расстояние между объективом, строящим действительное промежуточное изображение, и проекционным объективом (расстояние между мениском 2 и мениском 3 максимально равно 0,5 фокусного расстояния оптической системы. Расстояние между второй (мениск 4) и третьей (двояковыпуклой линзой 5) линзами проекционного объектива максимально равно 0,2 фокусного расстояния оптической системы.The relative optical powers of the lenses are in the lens building the actual intermediate image: the first positive meniscus along the rays (meniscus 1), convex to the space of objects, and the second negative meniscus (meniscus 2), convex to the image plane, made with the possibility of moving along the optical axis are, respectively, (1.21 ÷ 1.23), - (0.57 ÷ 0.59). In the projection lens, the relative optical powers of the lenses are: the first and second along the rays of the lenses, respectively, the negative (meniscus 3) and positive (meniscus 4) meniscuses convex to the image plane, the third along the rays of the lens made biconvex (biconvex lens 5) , and the fourth along the rays of the positive lens, made in the form of a meniscus (meniscus 6), facing concavity to the image plane, are, respectively, - (10.1 ÷ 10.14), (9.76 ÷ 9.92), ( 4.73 ÷ 4.8), (4.74 ÷ 4.81). The distance between the lenses (meniscus 1 and meniscus 2) in the lens constructing a real intermediate image is maximally equal to 0.44 of the focal length of the optical system. The distance between the lens building the actual intermediate image and the projection lens (the distance between meniscus 2 and meniscus 3 is maximum equal to 0.5 of the focal length of the optical system. The distance between the second (meniscus 4) and third (biconvex lens 5) of the projection lens is maximum 0 , 2 focal lengths of the optical system.

Оптическая система снабжена действительным вынесенным выходным зрачком, функцию которого выполняет охлаждаемая диафрагма 8.The optical system is equipped with a valid remote exit pupil, the function of which is performed by the cooled diaphragm 8.

В объективе, строящем действительное промежуточное изображение, мениск 2, а в проекционном объективе линзовый компонент в составе мениска 3 и мениска 4 снабжены электромеханическими приводами. В качестве приводов используют шаговые двигатели серии MD 14 в количестве 2 шт.In the lens building the actual intermediate image, the meniscus 2, and in the projection lens, the lens component of the meniscus 3 and meniscus 4 are equipped with electromechanical drives. As drives use step motors of the MD 14 series in an amount of 2 pcs.

В частном случае выполнения параметры оптической системы тепловизионных приборов с компенсацией аберраций представлены в Таблице 1 (см. Фиг.2). В верхней строке таблицы указаны: № пов. - номер поверхности; R - радиусы кривизны поверхностей; d - толщины линз и расстояния до следующего компонента по ходу лучей; O_⌀ - световые диаметры поверхностей. В строках 13-17 Таблицы 1 приведены данные, относящиеся к элементам фотоприемного узла (в частности, криостата). Объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержит два оптических элемента - мениски 1 и 2, выполненные, соответственно, из германия и селенида цинка, проекционный объектив содержит четыре оптических элемента - мениски 3 и 4, двояковыпуклая линза 5 и мениск 6; мениск 3 выполнен из селенида цинка, остальные элементы проекционного объектива- из германия (см. Фиг.2, Таблица 1). Все оптические элементы системы имеют сферические поверхности. Первый радиус кривизны мениска 1 составляет R₁=287,7 мм, толщина мениска 1 по оптической оси d₁=11 мм, второй радиус кривизны мениска 1 R₂=532,1 мм, величина воздушного промежутка между мениском 1 и мениском 2 по оптической оси d₂=104,1 мм. Первый радиус кривизны мениска 2 составляет R₃=-418,8 мм, толщина мениска 2 по оптической оси d₃=5,5 мм, второй радиус кривизны мениска 2 R₄=-1416 мм, величина воздушного промежутка между мениском 2 объектива и мениском 3 проекционного объектива по оптической оси d₄=121,31 мм. Первый радиус кривизны мениска 3 составляет R₅=-23,55 мм, толщина мениска 3 по оптической оси d₅=6 мм, второй радиус кривизны мениска 3 R₆=-85,174 мм, величина воздушного промежутка между мениском 3 и мениском 4 по оптической оси d₆=3,7 мм. Первый радиус кривизны мениска 4 составляет R₇=-30,827 мм, толщина мениска 4 по оптической оси d₇=6,1 мм, второй радиус кривизны мениска 4 R₈=-25,128 мм, величина воздушного промежутка между мениском 4 и двояковыпуклой линзой 5 по оптической оси d₈=46,95 мм. Первый радиус кривизны двояковыпуклой линзы 5 составляет R₉=238,812 мм, толщина двояковыпуклой линзы 5 по оптической оси d₉=6 мм, второй радиус кривизны двояковыпуклой линзы 5 R₁₀=-437,5 мм, величина воздушного промежутка между двояковыпуклой линзой 5 и мениском 6 по оптической оси d₁₀=2,2 мм. Первый радиус кривизны мениска 6 составляет R₁₁=26,03 мм, толщина мениска 6 по оптической оси d₁₁=2,7 мм, второй радиус кривизны мениска 6 R₁₂=28,84 мм.In the particular case of performing the parameters of the optical system of thermal imaging devices with compensation for aberrations are presented in Table 1 (see Figure 2). The top line of the table shows: No. - surface number; R are the radii of curvature of the surfaces; d is the thickness of the lens and the distance to the next component along the rays; O _⌀ - light diameters of the surfaces. Rows 13-17 of Table 1 show the data related to the elements of the photodetector assembly (in particular, the cryostat). The lens building the actual intermediate image contains two optical elements - menisci 1 and 2, made of germanium and zinc selenide, respectively, the projection lens contains four optical elements - menisci 3 and 4, a biconvex lens 5 and meniscus 6; meniscus 3 is made of zinc selenide, the remaining elements of the projection lens are made of germanium (see Figure 2, Table 1). All optical elements of the system have spherical surfaces. The first radius of curvature of meniscus 1 is R ₁ = 287.7 mm, the thickness of meniscus 1 along the optical axis is d ₁ = 11 mm, the second radius of curvature of meniscus 1 is R ₂ = 532.1 mm, the air gap between meniscus 1 and meniscus 2 is optical axis d ₂ = 104.1 mm. The first radius of curvature of meniscus 2 is R ₃ = -418.8 mm, the thickness of meniscus 2 along the optical axis is d ₃ = 5.5 mm, the second radius of curvature of meniscus 2 is R ₄ = -1416 mm, the air gap between the meniscus 2 of the lens and the meniscus 3 projection lens along the optical axis d ₄ = 121.31 mm. The first radius of curvature of meniscus 3 is R ₅ = -23.55 mm, the thickness of meniscus 3 along the optical axis is d ₅ = 6 mm, the second radius of curvature of meniscus 3 is R ₆ = -85.174 mm, the air gap between meniscus 3 and meniscus 4 is optical axis d ₆ = 3.7 mm. The first radius of curvature of the meniscus 4 is R ₇ = -30.827 mm, the thickness of the meniscus 4 along the optical axis is d ₇ = 6.1 mm, the second radius of curvature of the meniscus 4 is R ₈ = -25.128 mm, the air gap between the meniscus 4 and the biconvex lens 5 is optical axis d ₈ = 46.95 mm. The first radius of curvature of the biconvex lens 5 is R ₉ = 238.812 mm, the thickness of the biconvex lens 5 along the optical axis is d ₉ = 6 mm, the second radius of curvature of the biconvex lens 5 is R ₁₀ = -437.5 mm, the air gap between the biconvex lens 5 and the meniscus 6 along the optical axis d ₁₀ = 2.2 mm. The first radius of curvature of meniscus 6 is R ₁₁ = 26.03 mm, the thickness of the meniscus 6 along the optical axis is d ₁₁ = 2.7 mm, and the second radius of curvature of meniscus 6 is R ₁₂ = 28.84 mm.

Параметры элементов фотоприемного узла (в частности, криостата) имеют следующие значения (см. Фиг.2, Таблица I): величина воздушного промежутка между мениском 6 и входным окном криостата 7 по оптической оси составляет d₁₂=9,72 мм, радиусы кривизны первой и второй поверхностей входного окна криостата 7 составляют R₁₃=0 мм и R₁₄=o мм, толщина входного окна dia=1 мм. Входное окно криостата 7 выполнено из германия. Радиус кривизны охлаждаемой диафрагмы 8 R₁₅=0 мм, расстояние между входным окном криостата 7 и охлаждаемой диафрагмой 8 d₁₄=2,73 мм. Радиусы кривизны первой и второй поверхностей охлаждаемого фильтра 9 составляют R₁₆-0 мм и R₁₇=0 мм, толщина охлаждаемого фильтра 9 d₁₆=0,3 мм, расстояние между охлаждаемой диафрагмой 8 и охлаждаемым фильтром 9 d₁₅=19,13 мм. Охлаждаемый фильтр 9 выполнен из германия. Радиус кривизны плоскости изображения 10 R₁₈=0 мм, расстояние между охлаждаемым фильтром 9 и плоскостью изображения 10 (плоскостью фоточувствительных элементов) составляет d₁₇=0,57 мм.The parameters of the elements of the photodetector assembly (in particular, the cryostat) have the following values (see Figure 2, Table I): the air gap between the meniscus 6 and the input window of the cryostat 7 along the optical axis is d ₁₂ = 9.72 mm, the radii of curvature of the first and the second surface of the input window of the cryostat 7 are R ₁₃ = 0 mm and R ₁₄ = o mm, the thickness of the input window dia = 1 mm The input window of the cryostat 7 is made of Germany. The radius of curvature of the cooled diaphragm 8 R ₁₅ = 0 mm, the distance between the input window of the cryostat 7 and the cooled diaphragm 8 d ₁₄ = 2.73 mm. The radii of curvature of the first and second surfaces of the cooled filter 9 are R ₁₆ -0 mm and R ₁₇ = 0 mm, the thickness of the cooled filter 9 d ₁₆ = 0.3 mm, the distance between the cooled diaphragm 8 and the cooled filter 9 d ₁₅ = 19.13 mm . The cooled filter 9 is made of Germany. The radius of curvature of the image plane 10 R ₁₈ = 0 mm, the distance between the cooled filter 9 and the image plane 10 (plane of the photosensitive elements) is d ₁₇ = 0.57 mm.

Предлагаемая оптическая система тепловизионных приборов имеет следующие параметры:The proposed optical system of thermal imaging devices has the following parameters:

фокусное расстояние: - 250 мм;focal length: - 250 mm;

- относительное отверстие: 1:1,92;- relative aperture: 1: 1.92;

- угловое поле в пространстве предметов: 2,77°;- angular field in the space of objects: 2.77 °;

- размер изображения (2y'): 12 мм;- image size (2y '): 12 mm;

- спектральный диапазон: 7,7-10,3 мкм;- spectral range: 7.7-10.3 microns;

длина системы вдоль оптической оси: 349,0 мм;system length along the optical axis: 349.0 mm;

- расчетная масса всех компонентов, входящих в оптическую систему: 900 г.Предлагаемая оптическая система тепловизионных приборов работает следующим образом. Объектив, строящий действительное промежуточное изображение, включающий в себя положительный мениск 1 (см. Фиг.1) и отрицательный мениск 2, фокусирует инфракрасное излучение, поступающее от объекта наблюдения, и формирует действительное изображение в плоскости промежуточного изображения, а проекционный объектив, состоящий из отрицательного мениска 3, положительного мениска 4, двояковыпуклой линзы 5 и положительного мениска 6 проецирует промежуточное изображение в плоскость изображения 10 и, кроме того, компенсирует остаточные аберрации объектива, строящего действительное промежуточное изображение. При этом выходной зрачок оптической системы совпадает с охлаждаемой диафрагмой фотоприемного узла для устранения фонового излучения от элементов конструкции. Для осуществления компенсации термоаберраций при изменении температуры окружающей среды и согласования качества изображения с размером пиксела современного приемника излучения (то есть, обеспечения размера пятна рассеяния, соизмеримого с размером чувствительного элемента или сопоставимого с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения в зависимости от дифракционного предела, составляющая не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе) отрицательный мениск 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и линзовый компонент, в составе отрицательного мениска 3 и положительного мениска 4 проекционного объектива, перемещаются в противоположных направлениях вдоль оптической оси, при этом фотоприемный узел остается неподвижным.- the estimated mass of all components included in the optical system: 900 g. The proposed optical system of thermal imaging devices works as follows. The lens that builds the actual intermediate image, which includes the positive meniscus 1 (see Figure 1) and the negative meniscus 2, focuses the infrared radiation coming from the object of observation, and forms a real image in the plane of the intermediate image, and the projection lens, consisting of a negative meniscus 3, positive meniscus 4, biconvex lens 5 and positive meniscus 6 projects the intermediate image into the image plane 10 and, in addition, compensates for the residual aberrations about ektiva building a real intermediate image. In this case, the exit pupil of the optical system coincides with the cooled diaphragm of the photodetector to eliminate background radiation from structural elements. To compensate for thermal aberrations when the ambient temperature changes and to match the image quality with the pixel size of a modern radiation detector (that is, to ensure the size of the scattering spot comparable with the size of the sensitive element or comparable with the pixel size of the radiation receiver, based on the fact that part of the energy is from the spot of the detected radiation depending on the diffraction limit, a component of at least 65 to 80%, is focused on a pixel) negative meniscus 2 of the lens building real intermediate image, and a lens component consisting of a negative meniscus 3 and a positive meniscus lens projection 4 are moved in opposite directions along the optical axis, the light receiving unit remains stationary.

Для коррекции температурного влияния окружающей среды на элементы оптической системы тепловизионных приборов рассчитаны подвижки (см. Фиг.3 и Фиг.4) отрицательного мениска 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и линзового компонента, в составе отрицательного мениска 3 и положительного мениска 4 проекционного объектива. Расчет подвижек выполнен через 5°С в интервале температур от -50°С до +50°С. Диапазон величин подвижек отрицательного мениска 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, составляет от 2,28 мм до -1,3 мм от точки номинального значения, соответствующей температурным условиям +20°С. Диапазон величин подвижек линзового компонента, в составе отрицательного мениска 3 и положительного мениска 4 проекционного объектива, составляет от -2,64 мм до 0,8 мм от точки номинального значения, соответствующей температурным условиям +20°С. Перемещение отрицательного мениска 2 осуществляется в соответствии с графиком, представленным на Фиг.3, а перемещение линзового компонента в составе отрицательного мениска 3 и положительного мениска 4 - в соответствии с графиком, представленным на Фиг.4. Требуемые для компенсации термоаберраций перемещения указанных оптических элементов с заданной точностью обеспечиваются электромеханическими приводами.To correct the temperature influence of the environment on the elements of the optical system of thermal imaging devices, the movements (see Fig. 3 and Fig. 4) of the negative meniscus 2 of the lens building the actual intermediate image and the lens component, consisting of the negative meniscus 3 and the positive meniscus 4 of the projection lens, are calculated . The calculation of the shifts was performed at 5 ° C in the temperature range from -50 ° C to + 50 ° C. The range of values of the movements of the negative meniscus 2 of the lens building the actual intermediate image is from 2.28 mm to -1.3 mm from the point of the nominal value corresponding to temperature conditions + 20 ° C. The range of movement of the lens component, comprising the negative meniscus 3 and the positive meniscus 4 of the projection lens, is from -2.64 mm to 0.8 mm from the point of the nominal value corresponding to temperature conditions + 20 ° C. The movement of the negative meniscus 2 is carried out in accordance with the schedule presented in figure 3, and the movement of the lens component in the composition of the negative meniscus 3 and the positive meniscus 4 is in accordance with the schedule presented in figure 4. The movements required for compensating the thermal aberrations of the indicated optical elements with a given accuracy are provided by electromechanical drives.

Диапазон величин изменения фокусного расстояния при изменении температуры окружающей среды находится в пределах от -2,26 мм до 0,65 мм. Величина относительной погрешности фокусного расстояния составляет от -0,9% до 0,3% для диапазона температур от -50°С до +50°С от номинального значения, рассчитанного при температуре +20°С. Диапазон величин изменения фокусного расстояния представлен в Таблице 2 (Фиг.5), график зависимости величины относительной погрешности фокусного расстояния от изменения температуры окружающей среды - на Фиг 6. Все полученные зависимости (Фиг.3, Фиг.4 и Фиг.6) близки к линейным.The range of changes in the focal length with a change in ambient temperature is in the range from -2.26 mm to 0.65 mm. The value of the relative error of the focal length is from -0.9% to 0.3% for the temperature range from -50 ° C to + 50 ° C from the nominal value calculated at a temperature of + 20 ° C. The range of magnitudes of the change in focal length is presented in Table 2 (Figure 5), a graph of the relative magnitude of the relative error of the focal length from changes in ambient temperature is shown in Figure 6. All the obtained dependences (Figure 3, Figure 4 and Figure 6) are close to linear.

Качество изображения предлагаемой оптической системы оценивается с помощью параметров частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), функции рассеяния точки (ФРТ) и функции концентрации энергии (ФКЭ). Параметры ЧКХ, ФРТ и ФКЭ предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов в сравнении с дифракционно-ограниченной системой при температуре окружающей среды +20°С приведены на Фиг.7 -Фиг.10.The image quality of the proposed optical system is estimated using the parameters of the frequency-contrast characteristic (FM), the point spread function (PSF) and the function of energy concentration (PCE). The parameters of the frequency response, PSF and PSE of the proposed optical system of thermal imaging devices in comparison with a diffraction-limited system at an ambient temperature of + 20 ° C are shown in Fig.7 -Fig.10.

ЧКХ предлагаемой оптической системы в случае конструктивных параметров, указанных в Таблице 1 (см. Фиг.2), приведены на Фиг.7 и 8 для различных точек изображения. На Фиг.8 по оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 50 мм^-1, отнесенные к плоскости изображения оптической системы. Верхняя кривая на графике, приведенном на Фиг.8, соответствует дифракционной ЧКХ (обозначение «diff.limit»), остальные кривые - для различных точек изображения с координатами y' (0; 4,8 и 6 мм) в пределах рабочего углового поля для меридионального и сагиттального сечений (обозначение «Т» и «S», соответственно). Из приведенных кривых графиков следует, что коэффициенты передачи контраста для пространственной частоты 30 мм^-1 составляют для точки на оси 0,29, для точки изображения с координатой y'=4,8 мм - 0,29, для точки изображения с координатой y'=6 мм - 0,24 и 0,30, соответственно, для меридионального и сагиттального сечений, то есть близки к значению коэффициента передачи контраста для указанной частоты в безаберрационной системе, равному 0,36.The frequency response of the proposed optical system in the case of design parameters indicated in Table 1 (see FIG. 2) is shown in FIGS. 7 and 8 for various image points. On Fig along the ordinate axis the transmission coefficients of contrast in relative units are indicated, along the abscissa axis are spatial frequencies in the range from 0 to 50 mm ^-1 related to the image plane of the optical system. The upper curve in the graph shown in Fig. 8 corresponds to the diffraction frequency response (designation “diff.limit”), the remaining curves correspond to different image points with y 'coordinates (0; 4.8 and 6 mm) within the working angular field for meridional and sagittal sections (designation "T" and "S", respectively). From the above graph curves it follows that the contrast transfer coefficients for the spatial frequency of 30 mm ^-1 are 0.29 for the point on the axis, 0.29 for the image point with the coordinate y '= 4.8 mm, and 0.29 for the image point = 6 mm - 0.24 and 0.30, respectively, for the meridional and sagittal sections, that is, close to the value of the contrast transfer coefficient for the indicated frequency in the non-aberration system, equal to 0.36.

На Фиг.9 для сравнения с идеальным качеством изображения показан кружок Эйри, величина диаметра которого указана в левом нижнем углу Фиг.9. Как видно из Фиг.9 кружок рассеяния вписывается в кружок Эйри, что свидетельствует о том, что качество изображения предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов близко к дифракционному пределу, а также согласуется с размером пикселя современных матричных приемников излучения.In Fig. 9, for comparison with ideal image quality, an Airy circle is shown, the diameter of which is indicated in the lower left corner of Fig. 9. As can be seen from Fig. 9, the scattering circle fits into the Airy circle, which indicates that the image quality of the proposed optical system of thermal imaging devices is close to the diffraction limit, and is also consistent with the pixel size of modern matrix radiation detectors.

На Фиг.10 приведены параметры ФКЭ предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов. По оси ординат указаны значения ФКЭ в относительных единицах, по оси абсцисс - значения радиуса пятна рассеяния, для которых рассчитана ФКЭ. Верхняя кривая на графике, приведенном на Фиг.10, соответствует дифракционной ФКЭ (обозначение «diff.limit»), остальные кривые - для различных точек изображения с координатами y', равными: 0; 4,8 и 6 мм. Значения ФКЭ в пятне радиусом 0,015 мм для точек с координатами у', равными: 0; 4,8 и 6 мм, составляют, соответственно, 0,65; 0,69 и 0,67, то есть близки к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,79.Figure 10 shows the parameters of the photomultiplier of the proposed optical system of thermal imaging devices. The ordinate values of the FCE in relative units are indicated along the ordinate axis, and the values of the radius of the scattering spot for which the FEC is calculated are indicated on the abscissa axis. The upper curve in the graph shown in Fig. 10 corresponds to the diffraction FKE (designation “diff.limit”), the remaining curves correspond to different points of the image with y 'coordinates equal to: 0; 4.8 and 6 mm. The values of the PCE in a spot with a radius of 0.015 mm for points with coordinates y 'equal to: 0; 4.8 and 6 mm, respectively, are 0.65; 0.69 and 0.67, that is, close to the corresponding value of the PCE in the non-aberration system, equal to 0.79.

В диапазоне температур от +20°С до +50°С при использовании предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов также сохраняется высокое качество изображения, близкое к дифракционному пределу. Для сравнения приведем данные о качестве изображения при температуре +50°С. Кружок рассеяния вписывается в кружок Эйри, что свидетельствует о том, что качество изображения, обеспечиваемого оптической системой тепловизионных приборов, остается близким к дифракционному пределу. ЧКХ для пространственной частоты 30 линий/мм для точки на оси составляет 0,30, для точки изображения с координатой y'=4,8 мм - 0,28 и 0,30 для меридионального и сагиттального сечений соответственно, для точки изображения с координатой y' - 6 мм - 0,26 и 0,31, то есть близки к значению коэффициента передачи контраста для указанной частоты в безаберрационной системе, равному 0,36. ФКЭ в пятне радиусом 0,015 мм для точек с координатами y', равными: 0; 4,8 и 6 мм, составляют, соответственно, 0,68; 0,70 и 0,72, то есть близки к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,79.In the temperature range from + 20 ° С to + 50 ° С, when using the proposed optical system of thermal imaging devices, high image quality is also preserved, close to the diffraction limit. For comparison, we present data on image quality at a temperature of + 50 ° C. The scattering circle fits into the Airy circle, which indicates that the image quality provided by the optical system of thermal imaging devices remains close to the diffraction limit. The frequency response for the spatial frequency of 30 lines / mm for the point on the axis is 0.30, for the image point with the coordinate y '= 4.8 mm - 0.28 and 0.30 for the meridional and sagittal sections, respectively, for the image point with the y coordinate '- 6 mm - 0.26 and 0.31, that is, close to the value of the contrast transfer coefficient for the specified frequency in the non-aberration system, equal to 0.36. PFE in a spot with a radius of 0.015 mm for points with y 'coordinates equal to: 0; 4.8 and 6 mm, respectively, are 0.68; 0.70 and 0.72, that is, close to the corresponding value of the PCE in the non-aberration system, equal to 0.79.

В диапазоне температур от 0°С до +20°С также сохраняется высокое качество изображения по всему полю зрения. Параметры ФРТ, ЧКХ и ФКЭ имеют высокие значения для точек изображения с координатами y', равными: 0; 4,8 и 6 мм.In the temperature range from 0 ° С to + 20 ° С, high image quality is also preserved throughout the entire field of view. The parameters of PSF, FMF and FKE have high values for image points with y 'coordinates equal to: 0; 4.8 and 6 mm.

В диапазоне температур от -50°С до 0°С для точек изображения с координатами у', равными 0 и 4,8 мм, сохраняется хорошее качество изображения, а для точки с изображения координатой y'=6 мм параметры ФРТ, ЧКХ и ФКЭ приобретают приемлемые значения.In the temperature range from -50 ° С to 0 ° С for image points with coordinates y 'equal to 0 and 4.8 mm, good image quality is preserved, and for a point with an image coordinate y' = 6 mm the parameters of PSF, MFR and FEM Acquire acceptable values.

Расчетные интегральные характеристики качества изображения, приведенные на Фиг.7-Фиг.10, свидетельствуют о высокой степени коррекции остаточных аберраций и термоаберраций в предлагаемой оптической системе тепловизионных приборов.The calculated integral characteristics of the image quality shown in Fig.7-Fig.10 indicate a high degree of correction of residual aberrations and thermal aberrations in the proposed optical system of thermal imaging devices.

Особо следует отметить дополнительные преимущества, обеспечиваемые предлагаемой оптической системой тепловизионных приборов.Of particular note are the additional benefits provided by the proposed optical system of thermal imaging devices.

Во-первых, конструктивное решение предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов, состоящей из объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива, позволяет использовать взаимозаменяемые линзовые компоненты в объективе для смены фокусного расстояния (поля зрения) без внесения конструктивных изменений в проекционный объектив.Firstly, the constructive solution of the proposed optical system of thermal imaging devices, consisting of a lens that constructs a real intermediate image, and a projection lens, allows the use of interchangeable lens components in the lens to change the focal length (field of view) without making design changes to the projection lens.

Во-вторых, позволяет устанавливать калибровочные устройства в месте наименьших световых диаметров, а также устанавливать оптические элементы для микросканирования.Secondly, it allows you to install calibration devices in place of the smallest light diameters, as well as install optical elements for micro-scanning.

При использовании предлагаемой оптической системы в режиме микросканирования возможно получение эффективного формата матричного ФПУ (МФПУ), в два раза превосходящего исходный, что повышает разрешающую способность системы. Режим микросканирования позволяет снизить требования к МФПУ, то есть использовать МФПУ меньшего формата с большим периодом пикселов, а в отношении оптической системы -использовать объектив с меньшим фокусным расстоянием, что важно в связи со стремлением упростить конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики, а также стоимость как МФПУ, так и тепловизионной системы в целом.When using the proposed optical system in the micro-scanning mode, it is possible to obtain an effective matrix FPU format (MFP), twice the original, which increases the resolution of the system. The micro-scanning mode allows you to reduce the requirements for the MFP, that is, to use a smaller format MFP with a longer pixel period, and in relation to the optical system, use a lens with a smaller focal length, which is important in connection with the desire to simplify the design and reduce weight and size characteristics, as well as cost as an MFP , and the thermal imaging system as a whole.

Claims

1. The optical system of thermal imaging devices, containing a lens sequentially located along the rays, building a valid intermediate image, a projection lens, characterized in that the lens building a real intermediate image is implemented as part of the first positive meniscus along the rays, convex to the space of objects, and the second negative meniscus, convex to the image plane, made with the possibility of moving along the optical axis, and the projection lens is implemented as part of the lens component, made with the possibility of moving along the optical axis from the first and second along the rays of the lenses, respectively, the negative and positive menisci, convex to the image plane, the third along the rays of the lens, made biconvex, and the fourth along the rays of the positive lens, made in the form of a meniscus, facing concavity to the image plane.

2. The optical system according to claim 1, characterized in that the lenses of the lens building the actual intermediate image and the projection lens are made in such a way that the relative optical powers of the lenses are in the lens building the actual intermediate image: the first positive meniscus along the rays convexity to the space of objects, and the second negative meniscus, convex to the image plane, configured to perform movements along the optical axis, are equal to, ootvetstvenno, (1,21 ÷ 1,23), - (0,57 ÷ 0,59); in the projection lens: the first and second along the rays of the lenses, respectively, of the negative and positive menisci, convex to the image plane, the third along the rays of the lens, made biconvex, and the fourth along the rays of the positive lens, made in the form of a positive meniscus facing concavity to the image plane are, respectively, (10.1 ÷ 10.14), (9.76 ÷ 9.92), (4.73 ÷ 4.8), (4.74 ÷ 4.81); the distance between the lenses in the lens building the actual intermediate image is maximally equal to 0.44 of the focal length of the optical system; the distance between the lens building the actual intermediate image and the projection lens is maximum equal to 0.5 of the focal length of the optical system; the distance between the second and third lenses of the projection lens is maximum 0.2 focal length of the optical system.

3. The optical system according to claim 2 or 3, characterized in that in the lens building the actual intermediate image, the second negative meniscus is convex to the image plane, made with the possibility of moving along the optical axis, and in the projection lens, the lens component made with the possibility of moving along the optical axis from the first and second along the rays of the lenses, respectively, of the negative and positive menisci, convex to the image plane, equipped with electromechanical drives.

4. The optical system according to claim 1, characterized in that a valid pupil is made therein.