RU2722623C1 - Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения - Google Patents

Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения Download PDF

Info

Publication number
RU2722623C1
RU2722623C1 RU2019134078A RU2019134078A RU2722623C1 RU 2722623 C1 RU2722623 C1 RU 2722623C1 RU 2019134078 A RU2019134078 A RU 2019134078A RU 2019134078 A RU2019134078 A RU 2019134078A RU 2722623 C1 RU2722623 C1 RU 2722623C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
convex
view
concave
optical system
Prior art date
Application number
RU2019134078A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Олегович Чистяков
Людмила Юрьевна Бажанова
Алексей Владимирович Григорьев
Original Assignee
Акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод" filed Critical Акционерное общество "Вологодский оптико-механический завод"
Priority to RU2019134078A priority Critical patent/RU2722623C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2722623C1 publication Critical patent/RU2722623C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/02Optical objectives with means for varying the magnification by changing, adding, or subtracting a part of the objective, e.g. convertible objective

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах на основе охлаждаемых матричных приемников. Оптическая система состоит из трех компонентов. Первый неподвижный компонент состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы из селенида цинка, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и второй отрицательной вогнуто-выпуклой линзы из фтористого кальция, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Второй компонент, установленный с возможностью ввода-вывода в оптический тракт, состоит из двух линз, выполненных из селенида цинка, из них первая положительная выпукло-вогнутая линза обращена выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая отрицательная вогнуто-выпуклая линза обращена выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Третий неподвижный компонент состоит из вогнуто-выпуклой отрицательной линзы из фтористого кальция, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, и двояковыпуклой линзы из селенида цинка, первая поверхность которой асферическая. Технический результат - обеспечение высокого качества изображения для широкого и узкого полей зрения с использованием только двух марок оптического материала. 12 ил., 5 табл.

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам, работающим в инфракрасной (ИК) области спектра, и может быть использовано в тепловизионных приборах, построенных на основе охлаждаемых матричных приемников теплового излучения.
Известна оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, описанная в патенте RU №2570062 С1, МПК G02B 13/14, опубликованном 10.12.2015 г. Оптическая система, состоящая из десяти линз, имеет высокое качество изображения, концентрация энергии в кружке диаметром 30 мкм составляет в центре поля 72% для широкого поля зрения и 74% для узкого поля зрения, на краю поля зрения 67% для широкого поля зрения и 60% для узкого поля зрения. Одна из линз выполнена с асферической поверхностью. Но большое количество линз снижает коэффициент пропускания системы.
Также известен инфракрасный телеобъектив с двумя полями зрения для инфракрасной области от 3,7 мкм до 4,85 мкм, описанный в патенте RU №2630195 и опубликованный 05.09.2017 г. Телеобъектив имеет фокусные расстояния ƒ'=-183,3 мм для узкого поля зрения и ƒ'=-61 мм для широкого поля зрения. Смена полей зрения (фокусного расстояния) осуществляется перемещением одной линзы вдоль оптической оси. Телеобъектив состоит всего из 6 линз, но на каждой из первых пяти линз одна поверхность асферическая, а на шестой линзе одна поверхность выполнена асферо-дифракционной. Наличие большого количества асферических поверхностей делает телеобъектив технологически сложным в изготовлении и дорогостоящим.
Известен телеобъектив для средней ИК области, описанный в патенте RU №2663313 С1, МПК G02B 13/14, опубликованном 03.08.2018 г. Телеобъектив имеет очень большое фокусное расстояние ƒ'=-550,06 мм для узкого поля зрения и ƒ'=-78,48 мм для широкого поля зрения, относительное отверстие 1:4. Телеобъектив имеет высокое качество изображения и технологичен, так как содержит только сферические поверхности. Но в данном телеобъективе большое количество линз, девять, что снижает коэффициент пропускания системы.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому объективу является оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, описанная в патенте US №7218444 G02B 13/14, опубликованном 15.05.2007 г. Оптическая система работает в средней инфракрасной области от 3,7 до 4,7 мкм. Оптическая система тепловизионного прибора состоит из расположенных вдоль оптической оси по ходу луча трех компонентов: первый, третий, второй. Первый и второй компоненты неподвижные. Третий компонент, расположенный между первым и вторым компонентами подвижный. Первый компонент состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы, изготовленной из селенида цинка ZnSe и отрицательной двояко-вогнутой линзы, изготовленной из фтористого бария BaF2, первая поверхность первой линзы выполнена асферической. Второй компонент состоит из отрицательной выпукло-вогнутой линзы, изготовленной из фтористого бария BaF2, и положительной двояко-выпуклой линзы, изготовленной из селенида цинка ZnSe, первая поверхность второй линзы асферическая. Третий компонент состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы, изготовленной из материала AMTIR1 и отрицательной вогнуто-выпуклой линзы, изготовленной из материала трехсернистомышьяковистое стекло As2S3, первая поверхность первой линзы и вторая поверхность второй линзы выполнены асферическими. Между первым и вторым компонентами для узкого поля зрения и между линзами третьего компонента для широкого поля зрения формируется промежуточное изображение. Изменение поля зрения (фокусного расстояния) оптической системы осуществляется вводом-выводом третьего компонента.
Оптическая система имеет очень высокое качество изображения в широком поле зрения, концентрация энергии в кружке диаметром 30 мкм составляет при дифракционном пределе 78,7% для осевого пучка 75,8%, для внеосевого (2ω=21°) 70,3%, но для узкого поля зрения значение концентрации энергии уменьшается, и составляет для осевого пучка 51,4%, для внеосевого (2ω=7°) 46,8%.
Недостатком указанной оптической системы является недостаточное качество изображения для узкого поля зрения, наличие четырех асферических поверхностей, а также использование материалов фтористого бария BaF2, AMTIR1 и трехсернистомышьяковистое стекла As2S3.
Выбор материала оптических систем является серьезной технико-экономической задачей. Наиболее распространенный и дешевый материал - это обычное оптическое стекло, но оно прозрачно только в ограниченном спектральном диапазоне (до 2 мкм), поэтому для изготовления тепловизионных приборов используют гораздо более дорогостоящие и менее технологичные специальные стекла, кристаллы и различные соединения. Используемые в аналоге материалы: AMTIR1 - дорогостоящий материал, фтористый барий BaF2 как и халькогенидные стекла обладает наименьшей термостойкостью и является хрупким материалом и при его обработке требуется большая осторожность, трехсернистомышьяковистое стекло As2S3 один из самых мягких материалов, его главный недостаток - токсичность из-за содержания мышьяка, кроме того у него низкое сопротивление тепловому удару.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения высокого качества изображения с использованием отечественных материалов, изготавливаемых серийно.
Технический результат - создание оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения с обеспечением высокого качества изображения для широкого и узкого полей зрения, причем только с двумя марками доступного оптического материала (селенид цинка и фтористый кальций).
Это достигается тем, что в оптической системе тепловизионного прибора с двумя полями зрения, содержащего по ходу луча три компонента, первый из которых неподвижный, содержащий первую выпукло-вогнутую положительную линзу из селенида цинка, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и вторую отрицательную линзу, которая в отличие от аналога выполнена вогнуто-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Второй компонент, установленный с возможностью ввода-вывода в оптический тракт, также состоит из двух линз, из них первая положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая отрицательная вогнуто-выпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Третий неподвижный компонент, состоящий из двух линз, отличается тем, что первая отрицательная линза выполнена вогнуто-выпуклой, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, а первая поверхность второй положительной двояко-выпуклой линзы из селенида цинка выполнена асферической. В отличие от аналога вторая линза первого компонента и первая линза третьего компонента выполнены из фтористого кальция, первая и вторая линзы второго компонента выполнены из селенида цинка. Между первым и третьим компонентами формируется промежуточное изображение. Оптическая система тепловизионного прибора работает с фотоприемным устройством, в котором имеется входное окно и охлаждаемая диафрагма, которая является апертурной диафрагмой оптической системы.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения с широким полем зрения;
Фиг. 2 - оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения с узким полем зрения;
Фиг. 3 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 4 - модуляционная передаточная функция или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 5 - функция рассеяния точки оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 6 - функция рассеяния точки оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 7 - функция концентрации энергии (ФКЭ) оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 8 - функция концентрации энергии (ФКЭ) оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 9 - кривизна поля и дисторсия оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 10 - кривизна поля и дисторсия оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения;
Фиг. 11 - относительная освещенность в плоскости изображения оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в широком поле зрения;
Фиг. 12 - относительная освещенность в плоскости изображения оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в узком поле зрения.
Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из трех, расположенных по ходу луча, компонентов. Первый неподвижный компонент I состоит из положительной выпукло-вогнутой линзы 1, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и второй отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 2, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Второй компонент II, установленный с возможностью ввода-вывода в оптический тракт, состоит из двух линз, из них первая положительная выпукло-вогнутая линза 3, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая отрицательная вогнуто-выпуклая линза 4, обращенная выпуклой поверхностью к плоскости изображений. Третий неподвижный компонент III состоит из отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 5, обращенной выпуклой поверхностью к плоскости изображений, и положительной двояко-выпуклой линзы 6, первая поверхность которой выполнена асферической. Между первым I и третьим III компонентами формируется промежуточное изображение. Фотоприемное устройство 7 с входным окном и охлаждаемой диафрагмой 9, которая является апертурной диафрагмой.
В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, технические характеристики которой приведены в таблице 1.
Figure 00000001
Конструктивные параметры, предложенной оптической системы тепловизионного прибора приведены в таблице 2.
Figure 00000002
В оптической системе тепловизионного прибора с широким полем зрения (фиг. 1), соответствующем минимальному фокусному расстоянию ƒ', расположен второй компонент II, состоящий из положительной выпукло-вогнутой линзы 3 и отрицательной вогнуто-выпуклой линзы 4, находится в фиксированном положении и расположен между первым I и третьим III компонентами.
Инфракрасное излучение, исходящее из бесконечно удаленной точки предмета, проходит через линзы 1 и 2 первого компонента I, и выпукло-вогнутую линзу 3 второго компонента II, формирует промежуточное изображение, далее излучение проходит через вогнуто-выпуклую линзу 4 второго компонента II, через вогнуто-выпуклую линзу 5 и двояко-выпуклую линзу 6 третьего компонента III, затем через входное окно 8 и диафрагму 9 фотоприемного устройства 7 и формирует изображение на матрице чувствительных элементов фотоприемного устройства.
В оптической схеме объектива с узким полем зрения (фиг. 2), соответствующем максимальному фокусному расстоянию ƒ', второй компонент II, состоящий из выпукло-вогнутой линзы 3 и вогнуто-выпуклой линзы 4, выведен из оптической схемы. Инфракрасное излучение, исходящее из бесконечно удаленной точки предмета, проходит через линзы 1 и 2 первого компонента I, формирует промежуточное изображение, далее излучение проходит через вогнуто-выпуклую линзу 5 и двояко-выпуклую линзу 6 третьего компонента III, затем через входное окно 8 и диафрагму 9 фотоприемного устройства 7 и формирует изображение на матрице чувствительных элементов фотоприемного устройства.
Изменение поля зрения (фокусного расстояния) оптической системы тепловизионного прибора осуществляется вводом-выводом подвижного второго компонента II в оптический тракт в пространстве между неподвижными первым I и третьим III компонентами. Для каждого из фокусных расстояний относительное отверстие составляет 1:4.
Качество изображения оптической системы оценивается с помощью параметров кружка рассеяния и модуляционной передаточной функции. Параметры модуляционной передаточной функции оптической системы в сравнении с дифракционно-ограниченной системой приведены в таблице 3 для широкого поля зрения и в таблице 4 для узкого поля зрения, а также показаны на фиг. 3 и фиг. 4.
Figure 00000003
Figure 00000004
На фиг. 5 и фиг. 6 приведены данные функции рассеяния точки. Геометрический радиус кружка рассеяния точки не превышает 15,5 мкм в центре поля зрения и 26 мкм на краю поля зрения для широкого поля зрения и 5 мкм в центре поля зрения и 20,5 мкм на краю поля зрения для узкого поля зрения.
Значение концентрации энергии для двух полей зрения приведены в таблице 5 и на графиках фиг. 7 фиг. 8.
Figure 00000005
На приведенных графиках на фиг. 9 и фиг. 10 дисторсия составляет 5% для широкого поля зрения и 0,25% для узкого поля зрения.
Заявленная оптическая система не имеет виньетирования, поэтому падение относительной освещенности в плоскости изображения (на плоскости чувствительных элементов матрицы фотоприемного устройства) от центра к краю составляет от 1 до 0,83 для широкого и узкого полей зрения, что подтверждается графиками фиг. 11 и фиг. 12.
Из таблицы 5 следует, что в отличие от аналога (51,4% для осевого и 46,8% для внеосевого) концентрация энергии для узкого поля зрения для осевого пучка и для внеосевого составляет 78,2% и 70,6% соответственно.
Таким образом, создана оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения с одной асферической поверхностью с обеспечением высокого качества изображения для широкого и узкого полей зрения, причем только с двумя марками доступного оптического материала (селенид цинка и фтористый кальций), что обеспечивает заявляемый технический результат, определяет новизну и изобретательский уровень. Изготовление объектива на оптико-механическом предприятии доказывает его промышленную применяемость.

Claims (1)

  1. Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, состоящая из расположенных по ходу луча неподвижного первого компонента, содержащего первую выпукло-вогнутую положительную линзу из селенида цинка, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и вторую отрицательную линзу, за которой установлен с возможностью ввода-вывода в оптический тракт второй подвижный компонент, содержащий первую положительную выпукло-вогнутую линзу, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости предметов, и вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, обращенную выпуклой поверхностью к плоскости изображений, затем неподвижного третьего компонента, содержащего первую отрицательную линзу и вторую положительную двояковыпуклую линзу из селенида цинка, отличающаяся тем, что в неподвижном первом компоненте вторая линза выполнена вогнуто-выпуклой из фтористого кальция CaF2 и обращена выпуклой поверхностью к плоскости изображений, первая и вторая линзы второго компонента выполнены из селенида цинка, а первая линза третьего компонента выполнена вогнуто-выпуклой из фтористого кальция CaF2, обращена выпуклой поверхностью к плоскости изображений, также первая поверхность второй линзы третьего компонента выполнена асферической.
RU2019134078A 2019-10-23 2019-10-23 Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения RU2722623C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019134078A RU2722623C1 (ru) 2019-10-23 2019-10-23 Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019134078A RU2722623C1 (ru) 2019-10-23 2019-10-23 Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2722623C1 true RU2722623C1 (ru) 2020-06-02

Family

ID=71067589

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019134078A RU2722623C1 (ru) 2019-10-23 2019-10-23 Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2722623C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU207412U1 (ru) * 2021-03-23 2021-10-27 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") Инфракрасная система с двумя полями зрения

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2721095B2 (ja) * 1991-09-11 1998-03-04 エイチイー・ホールディングス・インコーポレーテッド・ディービーエー・ヒューズ・エレクトロニクス 屈折および回折の光学素子を使用する画像再形成光学システム
US20050243411A1 (en) * 2004-05-03 2005-11-03 Cook Lacy G Dual-band, dual-focal-length, relayed refractive imager
JP2007264191A (ja) * 2006-03-28 2007-10-11 Nikon Corp 赤外光学系
CN103149667A (zh) * 2013-01-31 2013-06-12 浙江大立科技股份有限公司 紧凑型中波红外双视场光学系统
RU2663313C1 (ru) * 2017-07-28 2018-08-03 Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Телеобъектив с двумя полями зрения для средней ИК области спектра

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2721095B2 (ja) * 1991-09-11 1998-03-04 エイチイー・ホールディングス・インコーポレーテッド・ディービーエー・ヒューズ・エレクトロニクス 屈折および回折の光学素子を使用する画像再形成光学システム
US20050243411A1 (en) * 2004-05-03 2005-11-03 Cook Lacy G Dual-band, dual-focal-length, relayed refractive imager
JP2007264191A (ja) * 2006-03-28 2007-10-11 Nikon Corp 赤外光学系
CN103149667A (zh) * 2013-01-31 2013-06-12 浙江大立科技股份有限公司 紧凑型中波红外双视场光学系统
RU2663313C1 (ru) * 2017-07-28 2018-08-03 Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" Телеобъектив с двумя полями зрения для средней ИК области спектра

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU207412U1 (ru) * 2021-03-23 2021-10-27 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") Инфракрасная система с двумя полями зрения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4999005A (en) Wide band color correcting infrared lens system
RU2630195C1 (ru) Инфракасный телеобъектив с двумя полями зрения
JP2010113191A (ja) 赤外線光学系
KR20160137830A (ko) 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈
RU156006U1 (ru) Атермализованный объектив для ик области спектра
RU2722623C1 (ru) Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения
RU2365952C1 (ru) Объектив для ик-области спектра
RU2663313C1 (ru) Телеобъектив с двумя полями зрения для средней ИК области спектра
RU2578661C1 (ru) Инфракрасный объектив с плавно изменяющимся фокусным расстоянием
US3002092A (en) Optical system for infrared target tracking apparatus
RU193226U1 (ru) Атермализованный объектив для инфракрасной области спектра
RU2694557C1 (ru) Инфракрасная система с двумя полями зрения
RU2676554C1 (ru) Широкоугольный объектив
RU2621366C1 (ru) Компактный объектив среднего ик диапазона
RU170736U1 (ru) Светосильный объектив для инфракрасной области спектра
RU2718145C1 (ru) Объектив светосильный инфракрасный
GB2531726A (en) Compact multispectral wide angle refractive optical system
CN207164377U (zh) 一种无中心遮挡的制冷型导引头用光学装置
RU2672703C1 (ru) Двухканальная зеркально-линзовая система
RU2663536C1 (ru) Вариосистема для инфракрасной области спектра
JP2020118779A (ja) 遠赤外線変倍光学系
RU2157556C1 (ru) Визир с переменным увеличением
RU2646405C1 (ru) Инфракрасная зеркально-линзовая система
RU208293U1 (ru) Инфракрасная система с двумя полями зрения
KR101730030B1 (ko) 적외선 렌즈모듈