Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения
Полезная модель относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использована при создании тепловизионных приборов различного назначения с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система тепловизионного прибора состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу, вторую положительную выпукло-вогнутую линзу и третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, подвижного второго компонента, содержащего первую и вторую отрицательные вогнуто-выпуклые линзы и третью положительную двояковыпуклую линзу, неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, третью положительную выпукло-вогнутую линзу и четвертую положительную вогнуто-выпуклую линзу, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой. Подвижный второй компонент установлен с возможностью ввода-вывода в оптический тракт в пространстве между неподвижными первым и третьим компонентами. За счет конструктивного выполнения элементов оптической системы и расположения подвижного компонента обеспечивается повышение кратности изменения поля зрения и уменьшение коэффициента телеукорочения, что позволяет увеличить поле обзора в режиме широкого поля зрения и уменьшить габариты и массу тепловизионного прибора.
Полезная модель относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использована при создании тепловизионных приборов различного назначения с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами.
Известна инфракрасная система с двумя полями зрения (см. патент RU 2400784 C1, МПК7 G02B 13/14 публ. 27.09.2010 г.), в которой трехкратное изменение поля зрения осуществляется перемещением двух компонентов вдоль оптической оси, при этом максимальное фокусное расстояние 
составляет 210 мм, минимальное 
- 70 мм, длина L - 300 мм и коэффициент телеукорочения 
.
Также известна инфракрасная система с дискретно изменяемым фокусным расстоянием (см. патент RU 2481602 C1, МПК 7 G02B 15/02 публ. 10.05.2013 г.), в которой изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом подвижного компонента, при этом максимальное фокусное расстояние 
составляет 200 мм, минимальное 
- 70 мм, длина L -215 мм. Кратность изменения фокусного расстояния 
и коэффициент телеукорочения TL=1,075.
Указанные системы имеют малую кратность изменения поля зрения (фокусного расстояния) и большое значение коэффициента телеукорочения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой оптической системе, принятой за прототип, является оптическая система с двумя полями зрения для среднего ИК диапазона спектра (см. патент CN 103149667 A, МПК7 G02B 13/00 публ. 12.06.2013 г.), состоящая из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу, вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу, третью положительную выпукло-вогнутую линзу и четвертую положительную вогнуто-выпуклую линзу, подвижного второго компонента, содержащего первую отрицательную двояковогнутую линзу и вторую положительную двояковыпуклую линзу, неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную выпукло-вогнутую линзу и вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу, и фотоприемного устройства. Изменение поля зрения осуществляется вводом-выводом подвижного второго компонента в оптический тракт в пространстве между третьей и четвертой линзами неподвижного первого компонента. Оптическая система работает с относительным отверстием 1:4, в узком поле зрения фокусное расстояние объектива 
, в широком поле зрения 
, длина L=260 мм, при этом коэффициент телеукорочения 
. Кратность изменения фокусного расстояния (поля зрения) 
. В узком и широком полях зрения оптическая система имеет достаточно высокое качество изображения.
Недостатками указанной оптической системы являются малая кратность изменения поля зрения, что не позволяет обеспечить достаточное поле обзора в режиме широкого поля зрения, и большое значение коэффициента телеукорочения, что приводит к увеличению габаритов и массы тепловизионного прибора.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение кратности изменения поля зрения и уменьшение значения коэффициента телеукорочения при сохранении качества изображения.
Указанная цель достигается тем, что в оптической системе тепловизионного прибора с двумя полями зрения, состоящей из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую и вторую выпукло-вогнутые линзы и третью линзу, подвижного второго компонента, содержащего первую отрицательную и вторую линзы, неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную и вторую отрицательную линзы, и фотоприемного устройства, в неподвижном первом компоненте первая линза выполнена отрицательной, вторая линза выполнена положительной, третья линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, в подвижном втором первая линза выполнена вогнуто-выпуклой, вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой и дополнительно введена третья положительная двояковыпуклая линза, в неподвижном третьем компоненте первая и вторая линзы выполнены вогнуто-выпуклыми и дополнительно введены третья положительная выпукло-вогнутая линза и четвертая положительная вогнуто-выпуклая линза, при чем подвижный второй компонент установлен в пространстве между неподвижными первым и третьим компонентами с возможностью ввода-вывода в оптический тракт.
На чертеже представлена схема оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения.
Оптическая система состоит из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента I, содержащего первую отрицательную выпукло-вогнутую линзу 1, вторую положительную выпукло-вогнутую линзу 2 и третью отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 3, подвижного второго компонента II, содержащего первую 4 и вторую 5 отрицательные вогнуто-выпуклые линзы и третью положительную двояковыпуклую линзу 6, неподвижного третьего компонента III, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу 7, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую линзу 8, третью положительную выпукло-вогнутую линзу 9 и четвертую положительную вогнуто-выпуклую линзу 10, и фотоприемного устройства 11 с охлаждаемой диафрагмой 12. Подвижный второй компонент II установлен с возможностью ввода-вывода в оптический тракт в пространстве между неподвижными первым I и третьим III компонентами.
В таблице 1 приведены технические характеристики системы, работающей в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.
Конструктивные параметры системы приведены в таблице 2.
| Таблица 1 | |||||
| Технические характеристики | Узкое поле зрения | Широкое поле зрения | |||
| Спектральный диапазон работы, мкм | 3-5 | ||||
| Фокусное расстояние, мм | 230 | 34 | |||
| Диаметр входного зрачка, мм | 57,5 | 8,5 | |||
| Угловое поле зрения, град | 2,4×1,8 | 16,1×12,1 | |||
| Таблица 2 | |||||
Линза  | Радиус сферической поверхности, мм | Толщина по оси, мм | Материал | ||
| 1 | r1=90,26 | d1=7 | Германий | ||
| r2=68,55 | |||||
 | | d2=2 | | ||
| 2 | r3=70,312) | d3=10 | Кремний | ||
| r4=183,65 | |||||
| | d4=24 | | ||
| 3 | r5=-148,94 | d5=6 | Германий | ||
| r6=-187,93 | |||||
| | d6=13 | | ||
| 4 | r7=-13,065 | d7=2 | Германий | ||
| r8=-43,65 | |||||
| | d8=11,5 | | ||
| 5 | r9=-21,28 | d9=3 | Германий | ||
| r10=-50,47 | |||||
| | d10=1 | | ||
| 6 | r11=-77,821) | d11=4 | Кремний | ||
| r12=-26,55 | |||||
| | d12=34,7 | | ||
| 7 | r13=-80,17 | d13=2 | Кремний | ||
| r14=-18,75 | |||||
| | d14=1 | | ||
| 8 | r15=-15,996 | d15=3 | Германий | ||
| r16=22,39 | |||||
| | d16=1 | | ||
| 9 | r17=15,382 | d17=3 | Кремний | ||
| r18=19,861 | |||||
| | d18=3 | | ||
| 10 | r19=-15,066 | d19=2 | Германий | ||
| r20=-16,255 | |||||
| | d20=26,5 | | ||
| 1) - асферическая поверхность. | |||||
В таблице 3 приведены расчетные значения концентрации энергии, характеризующие качество изображения объектива.
| Таблица 3 | ||
| Фокусное расстояние, мм | Концентрация энергии в кружке диаметром 30 мкм, % | |
| в центре поля зрения | на краю поля зрения по горизонту | |
| 230 | 74 | 60 |
| 34 | 72 | 67 |
В узком поле зрения, соответствующем максимальному фокусному расстоянию, оптическая система работает следующим образом: излучение от бесконечно удаленного объекта проходит через линзы 1-3 неподвижного первого компонента I и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзы 7-10 неподвижного третьего компонента III и попадает в фотоприемное устройство 11, в плоскости чувствительных элементов которого формируется изображение, при этом охлаждаемая диафрагма 12 фотоприемного устройства 11 выполняет функцию апертурной диафрагмы системы.
В широком поле зрения, соответствующем минимальному фокусному расстоянию, излучение проходит через линзы 1-3 неподвижного первого I и 4-6 подвижного второго II компонентов и фокусируется в той же плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзы 7-10 неподвижного третьего компонента III и попадает в фотоприемное устройство 11, при этом изображение формируется в той же плоскости чувствительных элементов и охлаждаемая диафрагма 12 фотоприемного устройства 11 является апертурной диафрагмой системы.
Изменения поля зрения (фокусного расстояния) оптической системы осуществляется вводом-выводом подвижного второго компонента II в оптический тракт в пространстве между неподвижными первым I и третьим III компонентами.
Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения работает с относительным отверстием 1:4, в узком поле зрения фокусное расстояние 
, в широком поле зрения - 
, длина L=159,7 мм, при этом коэффициент телеукорочения 
.
Кратность изменения фокусного расстояния (поля зрения) 
.
Таким образом, выполнение оптической системы тепловизионного прибора с двумя полями зрения в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет повысить кратность изменения поля зрения в 1,7 раза и уменьшить значение коэффициента телеукорочения в 1,5 раза при сохранении качества изображения. Это позволяет увеличить поле обзора в режиме широкого поля зрения и уменьшить габариты и массу тепловизионного прибора.
Оптическая система тепловизионного прибора с двумя полями зрения, состоящая из расположенных вдоль оптической оси неподвижного первого компонента, содержащего первую и вторую выпукло-вогнутые линзы и третью линзу и установленного с возможностью ввода-вывода в оптический тракт, подвижного второго компонента, содержащего первую отрицательную линзу и вторую линзу, неподвижного третьего компонента, содержащего первую положительную и вторую отрицательную линзы, и фотоприемное устройство, отличающаяся тем, что в неподвижном первом компоненте первая линза выполнена отрицательной, вторая линза выполнена положительной, третья линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой, в подвижном втором компоненте первая линза выполнена вогнуто-выпуклой, вторая линза выполнена отрицательной вогнуто-выпуклой и дополнительно введена третья положительная двояковыпуклая линза, в неподвижном третьем компоненте первая и вторая линзы выполнены вогнуто-выпуклыми и дополнительно введены третья положительная выпукло-вогнутая линза и четвертая положительная вогнуто-выпуклая линза, причем подвижный второй компонент установлен в пространстве между неподвижными первым и третьим компонентами.
