Оптическая система приемного блока лазерного дальномера

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к оптическим системам приема лазерного излучения от земной поверхности и ввода принятого полезного сигнала на фотоприемник.

Задачей данной полезной модели является создание оптической системы приема лазерного излучения от трех участков земной поверхности и ввода принятого полезного излучения в отдельный фотоприемник, при этом относительное отверстие должно быть не менее 1:1,5 при минимальных габаритах и высоком качестве приемного сигнала в заданных точках поля зрения.

Оптическая система приемного блока лазерного дальномера (фиг.1) содержит оптически связанные зеркально-линзовый объектив, включающий главное зеркало 1 с кольцеобразной рабочей зоной, вторичное зеркало 2, выполненные асферическими, компенсатор полевых аберраций 3, 4, 5 и три преобразователя фокусного расстояния 6, 7, 8. Каждый из трех преобразователей фокусного расстояния включает в себя полевую диафрагму 9, первый объектив 10, светофильтр 11, плоское зеркало 12, второй объектив 13, третий объектив 14. Светофильтр 11 установлен в параллельном пучке лучей после первого объектива 10. Плоское зеркало 12 установлено после первого объектива 10 под углом 45° к его оптической оси, имеет возможность поворота на 90° и оптически связано со вторым и третьим объективами соответственно. Три преобразователя фокусного расстояния 6, 7, 8 установлены таким образом, что их полевые диафрагмы 9 расположены в одной плоскости, перпендикулярной к оптической оси зеркально-линзового объектива на расстоянии =tg×f'_об. от его оптической оси, где tg - половина угла поля зрения, f'_об. - фокусное расстояние зеркально-линзового объектива, при этом углы между полевыми диафрагмами составляют 90°. Каждый преобразователь фокусного расстояния имеет два фотоприемника. 6 илл.

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к оптическим системам приема лазерного излучения от земной поверхности и ввода принятого полезного сигнала на фотоприемник.

Известен зеркально-линзовой телескоп [1], содержащий установленные последовательно главное зеркало, вторичное зеркало, линзовый корректор поля, коллектив, преобразователь фокусного расстояния и находящиеся в фокальной плоскости оптико-электронные преобразователи.

Наиболее близкой к полезной модели является система зеркально-линзового объектива [2], содержащая расположенные по ходу луча главное зеркало, вторичное зеркало, первый коллектив, преобразователь фокусного расстояния, выполненный в виде двух объективов с параллельным ходом лучей между ними, причем первый из них состоит из положительной и отрицательной линз, а второй - из двух положительных линз и отрицательной линзы, находящейся между ними, и второй коллектив.

Указанные оптические системы не позволяют получить большое относительное отверстие и минимальные габариты при сохранении высокого качества изображения в заданных точках поля зрения.

Задачей данной полезной модели является создание оптической системы приема лазерного излучения от трех участков земной поверхности и ввода принятого полезного излучения в отдельный фотоприемник, при этом относительное отверстие должно быть не менее 1:1,5 при минимальных габаритах и высоком качестве приемного сигнала в заданных точках поля зрения.

Сущность полезной модели заключается в том, что в оптической системе приемного блока лазерного дальномера, содержащей оптически связанные зеркально-линзовый объектив, включающий в себя главное зеркало с кольцеобразной рабочей зоной и вторичное зеркало, и первый преобразователь фокусного расстояния, включающий первый и второй объективы с параллельным ходом лучей между ними, в отличие от прототипа в зеркально линзовый объектив введен компенсатор полевых аберраций, главное и вторичное зеркала выполнены асферическими, первый преобразователь фокусного расстояния дополнен расположенной перед первым объективом полевой диафрагмой, третьим объективом, светофильтром и плоским зеркалом, установленным после первого объектива под углом 45° к его оптической оси с возможностью поворота на 90° и оптически связанным со вторым и третьим объективами соответственно, введены второй и третий преобразователи фокусного расстояния, выполненные аналогично первому, причем три полевые диафрагмы, являющиеся предметами для каждого преобразователя фокусного расстояния, расположены в одной плоскости, перпендикулярной к оптической оси зеркально-линзового объектива на расстояниях =tq×f'_об. от нее, где tq - половина угла поля зрения, f'_об. - фокусное расстояние зеркально-линзового объектива.

Введение в зеркально-линзовый объектив компенсатора полевых аберраций, выполнение главного и вторичного зеркал асферическими позволяет исправить астигматизм и аберрации для точки вне оси в заданных точках поля и обеспечить большое относительное отверстие. Компенсатор полевых аберраций обеспечивает телецентрический ход главного луча для заданного угла поля зрения, что позволяет расположить оптическую ось первого объектива каждого из трех преобразователей фокусного расстояния параллельно оптической оси зеркально-линзового объектива. Преобразователь фокусного расстояния уменьшает фокусное расстояние зеркально-линзового объектива в 1,7 раз и тем самым увеличивает относительное отверстие до 1:1,5 и уменьшает габариты оптической системы. Полевые диафрагмы устанавливаются на расстоянии =tq×f'_об. от оптической оси в плоскости, компенсирующей кривизну поля зрения для заданного угла. Светофильтр устанавливается в параллельном пучке лучей и выделяет рабочую длину волны, а плоское зеркало обеспечивает включение в работу второго или третьего объектива. Прием лазерного излучения от трех участков земной поверхности осуществляется установкой трех преобразователей фокусного расстояния.

В соответствии с предлагаемым решением был выполнен расчет оптической системы приемного блока лазерного дальномера.

На фиг.1 изображена оптическая схема системы приемного блока лазерного дальномера.

На фиг.2 представлена оптическая схема преобразователя фокусного расстояния.

На фиг.3 представлено расположение трех преобразователей фокусного расстояния.

На фиг.4 представлены конструктивные параметры оптической системы приемного блока лазерного дальномера, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, d - расстояния между поверхностями линз, Св.Ø - световые диаметры поверхностей линз.

На фиг.5 приведены график функции передачи модуляции К и график зависимости концентрации энергии Е от радиуса кружка рассеяния r в плоскости изображения зеркально-линзового объектива для угла поля зрения 2°.

На фиг.6 приведены график функции передачи модуляции К и график зависимости концентрации энергии Е от радиуса кружка рассеяния r в плоскости фотоприемника для угла поля зрения 2°.

Оптическая система приемного блока лазерного дальномера (фиг.1) содержит оптически связанные зеркально-линзовый объектив, включающий главное зеркало 1 с кольцеобразной рабочей зоной, вторичное зеркало 2, выполненные асферическими, компенсатор полевых аберраций, состоящий из двух положительных 3, 4 и одной отрицательной 5 линз, и преобразователи фокусного расстояния 6, 7, 8. Каждый из трех преобразователей фокусного расстояния (фиг.2) включает в себя полевую диафрагму 9, первый объектив 10, светофильтр 11, плоское зеркало 12, второй объектив 13, третий объектив 14. Каждая полевая диафрагма 9 совпадает с плоскостью изображения зеркально-линзового объектива и с плоскостью предметов каждого преобразователя фокусного расстояния и служит для приема полезного сигнала и устранения фоновой засветки. Первый объектив 10 состоит из двух положительных линз, второй объектив 13 - из трех положительных линз, что позволяет исправить сферическую аберрацию в точке на оси для большого относительного отверстия. Третий объектив 14 - полный аналог второго объектива 13. Светофильтр 11 установлен в параллельном пучке лучей после первого объектива 10 и обеспечивает полосу пропускания 10 нм по уровню 0,5 (_0,5) на рабочей длине волны =1064 нм. Плоское зеркало 12 установлено после первого объектива 10 под углом 45° к его оптической оси, имеет возможность поворота на 90° и оптически связано со вторым и третьим объективами соответственно. Входной зрачок системы расположен на поверхности главного зеркала 1. Три преобразователя фокусного расстояния 6, 7, 8 установлены таким образом, что их полевые диафрагмы 9 расположены в одной плоскости, перпендикулярной к оптической оси зеркально-линзового объектива на расстоянии =tq×f'_об. от его оптической оси, при этом углы между полевыми диафрагмами составляют 90° (См. фиг.3). Каждый преобразователь фокусного расстояния имеет два фотоприемника с размером фоточувствительной площадки 0,5 мм.

Оптическая система приемного блока лазерного дальномера работает следующим образом: световой поток падает на кольцеобразную рабочую зону главного зеркала 1 и, отразившись от нее, попадает на вторичное зеркало 2 и далее на линзы 3, 4, 5 компенсатора полевых аберраций, формируя в плоскости изображения зеркально-линзового объектива световое пятно, размером, соответствующим угловому полю зрения 2°±40', которое переносится каждым из преобразователей фокусного расстояния 6, 7, 8 с уменьшением в плоскость фотоприемника, создавая на нем световое пятно размером 25 мкм с концентрацией 90%. Третий объектив 14, включающийся посредством поворота плоского зеркала 12, строит изображение на резервном фотоприемнике в случае отказа основного фотоприемника.

В соответствии с предложенным решением рассчитана оптическая система приемного блока лазерного дальномера с эквивалентным фокусным расстоянием 745 мм, эффективным относительным отверстием 1:1,46, с угловым полем зрения 4°01'20''. Предлагаемая система работает на длине волны 1064 нм.

Система приемного блока лазерного дальномера обеспечивает высокое качество изображения, позволяющее сконцентрировать 90% световой энергии, попадающей на входной зрачок, в кружке диаметром 25 мкм для угла поля зрения 2°±40'.

Графики (фиг.5, 6) подтверждают, что объектив имеет большее относительное отверстие по сравнению с прототипом и высокую степень концентрации энергии в пятне.

Источники информации

1. Патент RU 2115942, публикация 1998 г, МКИ G02B 23/00.

2. Михельсон Н.Н. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. Физико-математическая литература. 1995 год, с.330 рис.8.8(б) - прототип.

Оптическая система приемного блока лазерного дальномера, содержащая оптически связанные зеркально-линзовый объектив, включающий в себя главное зеркало с кольцеобразной рабочей зоной и вторичное зеркало, и первый преобразователь фокусного расстояния, включающий первый и второй объективы с параллельным ходом лучей между ними, отличающаяся тем, что в зеркально-линзовый объектив введен компенсатор полевых аберраций, главное и вторичное зеркала выполнены асферическими, первый преобразователь фокусного расстояния дополнен расположенной перед первым объективом полевой диафрагмой, третьим объективом, светофильтром и плоским зеркалом, установленным после первого объектива под углом 45° к его оптической оси с возможностью поворота на 90° и оптически связанным со вторым и третьим объективами соответственно, введены второй и третий преобразователи фокусного расстояния, выполненные аналогично первому, причем три полевые диафрагмы, являющиеся предметами для каждого преобразователя фокусного расстояния, расположены в одной плоскости, перпендикулярной к оптической оси зеркально-линзового объектива на расстояниях =tq·f'_об от нее, где tq - половина угла поля зрения, f'_об - фокусное расстояние зеркально-линзового объектива.