Инфракрасная система
Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в оптико-электронных системах обнаружения и распознавания объектов, в охранных системах. Инфракрасная система состоит из первого канала, содержащего последовательно установленные афокальную насадку и фокусирующий объектив, второго канала, содержащего входной объектив, и общих для первого и второго каналов последовательно установленных проекционного объектива и фотоприемного устройства, а также устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, установленного перед проекционным объективом. В первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, причем изменение осуществляется перемещением двух линз из одного фиксированного положения в другое при неизменном расстоянии между вершинами их поверхностей. Во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием, причем изменение осуществляется перемещением вдоль оптической оси двух линз, каждая из которых перемещается по своему закону. Изображения в обоих каналах формируются в одной плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства. За счет конструктивного выполнения компонентов достигается расширение диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения и увеличение кратности его изменения, повышающие пространственное разрешение и увеличивающие дальность инфракрасной системы.
Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в оптико-электронных системах обнаружения и распознавания объектов, в охранных системах.
Известны полностью отражательные оптические системы с дискретно изменяемым угловым полем зрения (см. патенты EP 1679538 A1, публ. г., US 6084727 A, публ. 04.07.2000 г.), в которых изменение полей зрения осуществляется системой переключающихся плоских зеркал. Также известны линзовые оптические системы с дискретно и непрерывно изменяемым фокусным расстоянием (см. патенты RU 2460101, публ. 20.12.2011 г., RU 2400784, публ. 27.09.2010 г., RU 2310217, публ. 10.11.2007 г.), в которых дискретное изменение фокусного расстояния осуществляется вводом в оптический тракт дополнительной линзовой группы или перемещением одного из компонентов, а непрерывное изменение фокусного расстояния осуществляется одновременным перемещением двух компонентов.
В указанных системах кратность изменения фокусного расстояния (углового поля зрения) не превышает 9×
, при этом значение максимального фокусного расстояния не превышает 500 мм.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой оптической системе, выбранной в качестве прототипа, является инфракрасная система переднего обзора (см. патент EP 1335176 A1, М.П.К.7 G02B 13/14 публ. 13.08.2003 г.), включающая два канала, работающие со своими входными окнами и взаимодействующие с помощью плоских зеркал:
- первый канал узкого поля зрения;
- второй канал среднего и широкого полей зрения.
Первый канал содержит афокальную насадку, состоящую из входного объектива и окулярной части, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство. Второй канал также содержит афокальную насадку, состоящую из входного объектива и окулярной части, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство. Входные объективы афокальных насадок являются отдельными для первого и второго каналов, при этом в первом канале входной объектив имеет фиксированное значение поля зрения (фокусного расстояния), а во втором канале поле зрения (фокусное расстояние) входного объектива дискретно изменяются, причем изменение осуществляется вводом в оптический тракт или выводом из него подвижных линзовых групп. Окулярная часть афокальных насадок, фокусирующий объектив, проекционный объектив и фотоприемное устройство являются общими для первого и второго каналов. Переключение потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, а также изменение полей зрения во втором канале осуществляются с помощью устройства, содержащего подвижное плоское зеркало и две подвижные линзовые группы. При вводе подвижного зеркала в оптический тракт система переключается на работу в первом канале в режиме узкого поля зрения; при выводе из оптического тракта подвижного зеркала и вводе первой подвижной линзовой группы система переключается на работу во втором канале в режиме среднего поля зрения; при выводе из оптического тракта подвижного зеркала и вводе второй подвижной линзовой группы система переключается на работу во втором канале в режиме широкого поля зрения.
Система-прототип работает в спектральном диапазоне 8-10 мкм, диаметр входного зрачка (D0) составляет 220,2 мм.
С учетом того, что в указанном спектральном диапазоне нецелесообразно применение оптических схем с диафрагменным числом, превышающим значение 2,8 (К=f
/D0), максимальное фокусное расстояние системы-прототипа не превышает 620 мм.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение кратности изменения фокусного расстояния инфракрасной системы за счет расширения диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения, что обеспечит увеличение дальности обнаружения и повышение пространственного разрешения системы.
Указанная цель достигается тем, что в инфракрасной системе, состоящей из первого канала, содержащего последовательно установленные афокальную насадку и фокусирующий объектив, второго канала, содержащего входной объектив, и общих для первого и второго каналов последовательно установленных проекционного объектива и фотоприемного устройства, а также устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприемное устройство, в первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, а во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием, при этом устройство переключения потоков излучения установлено перед проекционным объективом.
А также тем, что афокальная насадка первого канала выполнена в виде двух отражательных элементов.
А также тем, что фокусирующий объектив первого канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и вогнуто-выпуклой линз, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остается неизменным, и неподвижной положительной плоско-выпуклой линзы.
А также тем, что входной объектив второго канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и двояковогнутой линз, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз и неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы.
А также тем, что проекционный объектив выполнен в виде положительной выпукло-вогнутой линзы.
На чертеже представлена оптическая схема инфракрасной системы с расположением элементов в каналах, соответствующим максимальному фокусному расстоянию.
Инфракрасная система содержит первый канал I, в состав которого входят последовательно установленные вдоль оптической оси афокальная насадка, которая может быть выполнена в виде двух отражательных элементов 1 и 2, плоское зеркало 3, фокусирующий объектив, содержащий последовательно установленные неподвижную положительную выпукло-вогнутую линзу 4, подвижные отрицательные выпукло-вогнутую линзу 5 и вогнуто-выпуклую линзу 6, установленные с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остается неизменным, неподвижную положительную плоско-выпуклую линзу 7, плоское зеркало 8, второй канал II, содержащий входной объектив, выполненный в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы 9, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой линзы 10 и двояковогнутой линзы 11, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз 12 и 13, неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы 14, и общие для первого I и второго II каналов последовательно установленные проекционный объектив, содержащий положительную выпукло-вогнутую линзу 15, и фотоприемное устройство 16, а также устройство переключения потоков излучения первого I и второго II каналов на фотоприемное устройство 16, выполненное в виде подвижного плоского зеркала 17 и установленное перед проекционным объективом 15.
Технические характеристики инфракрасной системы, работающей в спектральном диапазоне 3
5 мкм, приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||
| Технические характеристики | Первый канал | Второй канал |
| Фокусное расстояние, мм | 1200/600 | 40050 |
| Диаметр входного зрачка, мм | 300/150 | 10012,5 |
| Коэффициент центрального экранирования | 0,25/0,5 | - |
| Линейное поле зрения в пространстве изображения, мм | 9,6×7,68 | 9,6×7,68 |
Конструктивные параметры канала I инфракрасной системы приведены в таблице 2, канала II - в таблице 3.
| Таблица 2 | |||
 элемента | Радиус поверхности, мм | Толщина по оси, мм | Материал |
 | r1=-10001) | d1=-375 | |
| 2 | r2=-2502) | d 2=445 | |
| 3 | r3= /-45° | d3=94 | |
| 4 | r4=106,86 | d 4=7 | Кремний |
| r5=188,59 | |||
| | d5=50/35 | |
| 5 | r6=681,8 | d 6=4 | Германий |
| r7=84,43 | |||
| | d7=21,7 | |
| 6 | r8=-80,81 | d 8=4 | Германий |
| r9=-114,22 | |||
| | d9=10/25 | |
| 7 | r10= | d10=6 | Кремний |
| r11=-125,93) | |||
| 8 | r12=/-45° | d11=28,8 | |
| 17(I) | r13=/-45° | d12=141,7 | |
| 15 | r14=45,195 | d 14=4 | Германий |
| r15=181,44) | |||
| 1), 2), 3) - асферические поверхности; 4) - асферо-дифракционная поверхность. | |||
| Таблица 3 | |||
| элемента | Радиус поверхности, мм | Толщина по оси, мм | Материал |
| 9 | r1=129,06 | d 1=10 | Кремний |
| r2=192,935) | |||
| | d2=66 | |
| 10 | r3=74,49 | d 3=6 | Кремний |
| r4=59,726) | |||
| | d4=66 | |
| 11 | r5=-87,937) | d5=4 | Германий |
| r6=137,3 | |||
| | d6=5,2 | |
| 12 | r7=99,47 | d 7=6 | Кремний |
| r8=459,1 | |||
| | d8=30,6 | |
| 13 | r9=28,02 | d 9=7 | Кремний |
| r10=40,84 | |||
| | d10=1 | |
| 14 | r11=41,77 | d 11=5 | Германий |
| r12=26,388) | |||
| 17(II) | r 13=/45° | d12=48,4 | |
| | d13=18,8 | |
| 15 | r14=43,22 | d 14=4 | Германий |
| r15=151,189) | |||
| 5), 9) - асферо-дифракционные поверхности; 6), 7), 8) - асферические поверхности. | |||
В канале I система работает следующим образом: поток излучения попадает на элемент 1 афокальной насадки, отражается от него, попадает на элемент 2, отражается от него и, отклоняясь плоским зеркалом 3, попадает на первую линзу 4 фокусирующего объектива, проходит через линзы 4, 5, 6, 7 (при этом подвижные линзы 5 и 6 занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f=1200 мм), отклоняется плоским зеркалом 8 и фокусируется в плоскости промежуточного изображения ППИ(I), затем отклоняется плоским зеркалом 17 устройства переключения потоков излучения каналов, установленным в положении 17(I), проходит через линзу 15 проекционного объектива и попадает в фотоприемное устройство 16, в плоскости чувствительных элементов которого формируется изображение.
При перемещении линз 5 и 6 фокусирующего объектива на 15 мм относительно занимаемого положения фокусное расстояние дискретно изменяется и принимает значение f=600 мм, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.
В канале II система работает следующим образом: поток излучения попадает на первую линзу 9 входного объектива проходит через линзы 9, 10, 11, 12, 13, 14 (при этом подвижные линзы 10 и 11 занимают положение, соответствующее фокусному расстоянию f=400 мм) и фокусируется в плоскости промежуточного изображения ППИ(II), затем отклоняется плоским зеркалом 17 устройства переключения потоков излучения каналов, установленным в положении 17(II), проходит через линзу 15 проекционного объектива и попадает в фотоприемное устройство 16, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.
При одновременном перемещении линз 10 и 11 входного объектива (каждая из линз перемещается по своему закону) осуществляется плавное изменение фокусного расстояния до значения f=50 мм, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов фотоприемного устройства.
В таблице 4 приведены некоторые значения переменных воздушных промежутков d2, d4, d6 входного объектива канала II.
| Таблица 4 | |||
| Фокусное расстояние, мм | d2, мм | d4, мм | d6, мм |
| 400 | 66 | 66 | 5,2 |
| 200 | 69,5 | 47,95 | 19,75 |
| 100 | 58,3 | 50,3 | 28,6 |
| 50 | 31 | 73 | 33,2 |
В канале I максимальное значение фокусного расстояния инфракрасной системы 
, в канале II минимальное значение фокусного расстояния 
, общая кратность изменения фокусного расстояния 
. При этом изменение происходит в три ступени: при перемещении линз 5 и 6 в канале I фокусное расстояние изменяется дискретно, кратность его изменения составляет M1=1200/600=2 ×, при переключении подвижного плоского зеркала 17 из положения 17(I) в положение 17(II) фокусное расстояние дискретно изменяется, кратность его изменения составляет M2=600/400=1,5 ×, а при перемещения линз 10 и 11 в канале II фокусное расстояние изменяется плавно и кратность его изменения составляет M3=400/50=8×. Общая кратность изменения фокусного расстояния инфракрасной системы M=M1·M 2·M3=2·1,5·8=24× .
Таким образом, выполнение инфракрасной системы в соответствии с формулой заявляемых материалов позволяет увеличить кратность изменения фокусного расстояния за счет расширения диапазона изменения фокусного расстояния в сторону максимального значения, что обеспечивает повышение разрешающей способности и увеличение дальности обнаружения.
1. Инфракрасная система, состоящая из первого канала, содержащего последовательно установленные афокальную насадку и фокусирующий объектив, второго канала, содержащего входной объектив, и общих для первого и второго каналов последовательно установленных проекционного объектива и фотоприёмного устройства, а также устройства переключения потоков излучения первого и второго каналов на фотоприёмное устройство, отличающаяся тем, что в первом канале фокусирующий объектив выполнен с дискретно изменяемым фокусным расстоянием, а во втором канале входной объектив выполнен с плавно изменяемым фокусным расстоянием, при этом устройство переключения потоков излучения установлено перед проекционным объективом.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что афокальная насадка первого канала выполнена в виде двух отражательных элементов.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что фокусирующий объектив первого канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и вогнуто-выпуклой линз, установленных с возможностью перемещения вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз остаётся неизменным, и неподвижной положительной плоско-выпуклой линзы.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что входной объектив второго канала выполнен в виде последовательно установленных неподвижной положительной выпукло-вогнутой линзы, подвижных отрицательных выпукло-вогнутой и двояковогнутой линз, установленных с возможностью одновременного перемещения вдоль оптической оси, при этом расстояние между вершинами поверхностей подвижных линз изменяется, двух неподвижных положительных выпукло-вогнутых линз и неподвижной отрицательной выпукло-вогнутой линзы.
5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что проекционный объектив выполнен в виде положительной выпукло-вогнутой линзы.
