оптическая система спектроделителя для ик-области спектра
| Классы МПК: | G02B27/10 системы разделения (расщепления) или объединения луча |
| Автор(ы): | Грамматин Александр Пантелеймонович (RU), Чан Куок Туан (RU) |
| Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики" (ГОУВПО С-ПбГУ ИТМО) (RU) |
| Приоритеты: |
подача заявки:
2007-12-10 публикация патента:
27.04.2009 |
Оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра, включающая плоскопараллельную пластину со спектроделительным покрытием, установленную под углом 45 градусов к оптической оси, отличается тем, что пластина расположена в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива, за ней уставлен компенсатор аберраций, состоящий из двух линз: первой по ходу лучей - положительной с выпуклой первой поверхностью и цилиндрической второй поверхностью, второй - плосковогнутой, обращенной вогнутостью к изображению и смещенной в меридиональной плоскости по направлению, перпендикулярному к оптической оси. Технический результат - создание оптической системы спектроделителя для приборов, работающих одновременно в двух различных диапазонах ИК-области спектра с одновременным повышением качества коррекции аберраций и уменьшением габаритов прибора. 3 ил., 4 табл. 
Формула изобретения
Оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра, включающая плоскопараллельную пластину со спектроделительным покрытием, установленную под углом 45° к оптической оси, отличающаяся тем, что пластина расположена в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива, а за ней уставлен компенсатор аберраций, состоящий из двух линз, первая по ходу лучей - положительная с выпуклой первой поверхностью, вторая поверхность которой - цилиндрическая, вторая линза компенсатора - плосковогнутая, обращенная вогнутостью к изображению, и смещена в меридиональной плоскости по направлению, перпендикулярному к оптической оси.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к оптическим системам и может использоваться в качестве насадки, разделяющей лучи по различным диапазонам ИК-области спектра в тепловизионных приборах.
В известных оптических схемах «АУ-15» и «АУ-16» (В.А.Панов, Л.Н.Андреев. Оптика микроскопов. Ленинград, 1976, стр.317-323), предназначенных для разделения света в видимой области спектра, используются светоделители, выполненные в виде куб-призм. Однако в ИК-области спектра применение этих светоделителей неосуществимо из-за отсутствия клея, прозрачного в этой области.
В патенте РФ No 2.187.138, МПК G02B 23/12, F41G 1/40, дата подачи заявки 27.07.2000, с целью разделения лучей по спектрам используется призменный блок, который пропускает лучи в видимой области спектра и отражает ИК-лучи. Использование этого блока в приборах, работающих с двумя каналами по двум различным диапазонам ИК-спектра, не представляется возможным.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбранным в качестве прототипа является патент США No 5.022.723, МПК G02B 23/04, G02B 23/08, публ. 11.06.1991 г., в котором с целью спектроделения применяется наклонная спектроделительная пластина, расположенная в параллельном пучке лучей. Спектроделительная пластина пропускает лучи в ИК-области спектра и отражает видимые лучи. Недостатками этой спектроделительной системы являются обязательное наличие пластины с большим световым диаметром и необходимость использования двух отдельных объективов, приводящая к увеличению габаритов прибора в целом.
Изобретение решает задачу создания оптической системы спектроделителя для приборов, работающих одновременно в двух различных диапазонах ИК-области спектра с одновременным повышением качества коррекции аберраций и уменьшением габаритов прибора.
Технический результат, обусловленный указанной задачей, достигается созданием оптической системы спектроделителя для ИК-области спектра, включающей плоскопараллельную пластину со спектроделительным покрытием, расположенную в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива и установленную под углом 45 градусов к его оптической оси, и установленный за ней компенсатор аберраций, состоящий из двух линз, первая по ходу лучей из которых положительная с выпуклой первой поверхностью, вторая поверхность которой цилиндрическая, вторая линза компенсатора плосковогнутая, обращенная вогнутостью к изображению и смещена в меридиональной плоскости по направлению, перпендикулярному оптической оси.
Заявляемый технический эффект поясняется следующим. Наклонная пластина со спектроделительным покрытием выполняет функцию разделения лучей по различным диапазонам ИК-области спектра, а расположение ее в сходящемся пучке обеспечивает использование лишь единого объектива для двух каналов, что приводит к уменьшению габаритов прибора. Компенсатор аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке наклонной пластиной, выполненный заявленным образом, устраняет астигматизм и кому. Кроме этого, для уменьшения хроматической аберрации все оптические детали выполнены из материала с низкой дисперсией в указанном спектральном диапазоне, например германия.
Изобретение поясняется чертежами и таблицами, где на фиг.1 представлена оптическая схема заявляемой системы, в таблицах 1-4 представлены конструктивные параметры и значения аберраций вариантов предлагаемой оптической системы, на фиг.2 и фиг.3 представлены частотно-контрастные характеристики этих вариантов.
Оптическая схема заявляемой системы состоит из наклонной под углом 45 градусов плоскопараллельной пластины 1 со спектроделительным покрытием, расположенной в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива и компенсатора аберраций, состоящего из двух линз. Первая линза 2 из них положительная с выпуклой первой поверхностью, вторая поверхность которой цилиндрическая; вторая линза 3 плосковогнутая, обращенная вогнутостью к изображению и смещена в меридиональной плоскости по направлению, перпендикулярному оптической оси.
Работа заявляемой схемы проявляется таким образом. ИК-лучи, прошедшие последнюю поверхность объектива, попадают на первую плоскую поверхность пластины 1. Эта поверхность отражает лучи некоторого диапазона ИК-области и пропускает лучи остального ИК-диапазона, например отражает лучи в диапазоне 3-5 мкм и пропускает лучи в диапазоне 8-14 мкм. Отраженные лучи создают изображение A1B1 (см. фиг.1) объекта на чувствительной поверхности первого приемника, а пропущенные лучи проходят черед линзы 2, 3 и создают изображение А2 В2 объекта на чувствительной поверхности второго приемника.
В таблице 1 приведены конструктивные параметры системы спектроделителя для первого варианта, где пропускающий спектр пластины 3-5 мкм, пластина располагается под углом 45 градусов к оптической оси, а объектив имеет следующие характеристики:
- Величина изображения у'=5 мм
- Числовая апертура в пространстве изображения А'=0.25
- Последний отрезок объектива s'=59 мм
В таблице 2 показаны аберрации лучей, исходящих из осевого ( № 0) и крайнего ( № 1) пучков на предмете первого варианта. Столбец NLU указывает числовые обозначения лучей в пучке. Столбец W(0) указывает соответственные волновые аберрации.
В таблице 3 показаны конструктивные параметры системы спектроделителя для второго варианта, где пропускающий спектр пластины 8-14 мкм, а объектив имеет следующие характеристики:
- Величина изображения у'=5 мм
- Числовая апертура в пространстве изображения А'=0.25
- Последний отрезок объектива s'=50 мм
В таблице 4 показаны аберрации лучей, исходящих из осевого ( № 0) и крайнего ( № 1) пучков на предмете второго варианта.
На фиг.2 показаны графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) первого варианта системы. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм-1, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициенты передачи контраста Т в относительных единицах, причем кривая I проявляет ЧКХ в сагиттальной поверхности, а кривая II - в меридианной.
На фиг.3 показаны графики ЧКХ второго варианта системы.
Предлагаемая оптическая система спектроделителя для ИК-области спектра предназначена для приборов, работающих одновременно с двумя отдельными приемниками ИК-области спектра, и обеспечивает уменьшение габаритов прибора в целом, благодаря использованию единственного объектива, и имеет высокое качество коррекции аберраций в соответственном угловом поле объектива.
В настоящее время отработана оптическая схема и выполнен расчет элементов оптической системы спектроделителя, а также исследованы ее характеристики.
Предполагается создание аппаратуры с заявляемой оптической схемой.
| Таблица 1 | ||||||||||||
| № пов | Радиус кривизны (мм) | Толщина (мм) | Материал | Показатель преломления для | Световой диаметр (мм) | Перемещения по оси У относительно опт.оси (мм) | ||||||
| 1* | 0 | 18 | Воздух | 1 | 40.5 | 0 | ||||||
| 2 | 0 | 2 | Германий | 4.0393 | 57.6 | 0 | ||||||
| 3 | 0 | 13.043 | Воздух | 1 | 56.7 | 0 | ||||||
| 4 | 191.716 | 2.8 | Германий | 4.0393 | 23.3 | 0.251 | ||||||
| 5** | Цилиндр | 0.15 | Воздух | 1 | 22.8 | 0 | ||||||
| 6 | 0 | 2.8 | Германий | 4.0393 | 22.6 | 0 | ||||||
| 7 | 183.431 | 25.30 | Воздух | 1 | 21.9 | -0.53 | ||||||
| 8 | 0 | | Воздух | 1 | 11 | 0.753 | ||||||
| Примечание таблицы 1: | ||||||||||||
| «*» - Фиксированная поверхность или последняя поверхность объектива, | ||||||||||||
| «**» - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси У), и следующее уравнение: х 2 - 19908.86z+z2=0. | ||||||||||||
| | ||||||||||||
| Таблица 2 | ||||||||||||
| N ПУЧКА=0 | ||||||||||||
| | NLU | MU | LA | ДТGC' | ДТGD' | ДY' | ДХ' | W(0) | ||||
| | 0 | 0 | 0 | -.0087 | 0 | -.53-3 | 0 | .527-3 | | |||
| Y | 1 | 0.250 | 0 | -0.264 | 0 | .00316 | 0 | .00316 | -.0263 | |||
| 0 | 3 | 0.177 | 0 | -0.183 | 0 | .460-3 | 0 | .460-3 | .00266 | |||
| X | 6 | -0.177 | 0 | 0.182 | 0 | -.77-3 | 0 | .766-3 | -.0051 | |||
| 0 | 8 | -0.250 | 0 | 0.262 | 0 | -.0027 | 0 | .00265 | -.0344 | |||
| | 9 | 0 | 0.250 | -.34-3 | -0.260 | .308-4 | -.27-3 | .272-3 | -.0727 | | ||
| | 11 | 0 | 0.177 | -.17-3 | -0.181 | -.32-4 | .00163 | .00163 | -.0568 | | ||
| | 41 | 0.177 | 0.177 | -0.186 | -0.184 | .561-3 | .00163 | .00172 | -.0502 | | ||
| | 43 | 0.125 | 0.125 | -0.129 | -0.128 | -.19-3 | .00169 | .00170 | -.0270 | | ||
| | 49 | -0.177 | 0.177 | 0.185 | -0.184 | -.30-3 | .00115 | .00119 | -.0517 | | ||
| | 51 | -0.125 | 0.125 | 0.129 | -0.128 | .262-6 | .00165 | .00165 | -.0307. | | ||
| N ПУЧКА=1 | ||||||||||||
| | | NLU | MU | LA | ДТGC' | ДТGD' | ДY' | ДХ' | W(0) | |||
| | 0 | 0 | 0 | -.0103 | 0 | 4.92 | 0 | 4.92 | | |||
| Y | 1 | 0.250 | 0 | -0.264 | 0 | .00493 | 0 | .00493 | -.0920 | |||
| 5.00 | 3 | 0.177 | 0 | -0.183 | 0 | .00191 | 0 | .00191 | -.0327 | |||
| Х | 6 | -0.177 | 0 | 0.182 | 0 | -.0035 | 0 | .00351 | -.0584 | |||
| 0 | 8 | -0.250 | 0 | 0.262 | 0 | -.0076 | 0 | .00760 | -0.158 | |||
| | 9 | 0 | 0.250 | -.39-3 | -0.261 | -.47-3 | -.0022 | .00223 | -.0126 | | ||
| | 11 | 0 | 0.177 | -.19-3 | -0.181 | -.26-3 | .278-3 | .379-3 | -.0267 | | ||
| | 41 | 0.177 | 0.177 | -0.187 | -0.185 | .00176 | -.20-3 | .00177 | -.0459 | | ||
| | 43 | 0.125 | 0.125 | -0.130 | -0.128 | .810-3 | .522-3 | .964-3 | -.0273 | | ||
| | 49 | -0.177 | 0.177 | 0.185 | -0.184 | -.0036 | .540-3 | .00362 | -.0901 | | ||
| | 51 | -0.125 | 0.125 | 0.129 | -0.128 | -.0019 | .987-3 | .00212 | -.0446 | |
| Таблица 3 | |||||||||||
| № пов | Радиус кривизны (мм) | Толщина (мм) | Материал | Показатель преломления для | Световой диаметр (мм) | Перемещения по оси У относительно опт. оси (мм) | |||||
| 1* | 0 | 20 | Воздух | 1 | 35.8 | 0 | |||||
| 2 | 0 | 3 | Германий | 4.004 | 48.7 | 0 | |||||
| 3 | 0 | 13.071 | Воздух | 1 | 47.4 | 0 | |||||
| 4 | 210.341 | 2.5 | Германий | 4.004 | 18.7 | 0.381 | |||||
| 5** | Цилиндр | 0.15 | Воздух | 1 | 18.3 | 0 | |||||
| 6 | 0 | 2.0 | Германий | 4.004 | 18.1 | 0 | |||||
| 7 | 205.97 | 15.056 | Воздух | 1 | 20.4 | -1.415 | |||||
| 8 | 0 | | Воздух | 1 | 10 | 1.73 | |||||
| Примечание таблицы 3: | |||||||||||
| «*» - Фиксированная поверхность или последняя поверхность объектива, | |||||||||||
| «**» - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси У), и следующее уравнение: х 2-4672.7z+z2=0. | |||||||||||
| | |||||||||||
| Таблица 4 | |||||||||||
| N ПУЧКА=0 | |||||||||||
| | NLU | MU | LA | ДТGC' | ДТGD' | ДY' | ДХ' | W(0) | |||
| | 0 | 0 | 0 | -.0206 | 0 | -.0049 | 0 | .00490 | | ||
| Y | 1 | 0.250 | 0 | -0.266 | 0 | .00205 | 0 | .00205 | -.0104 | ||
| 0 | 3 | 0.177 | 0 | -0.184 | 0 | .496-3 | 0 | .496-3 | -.0026 | ||
| X | 6 | -0.177 | 0 | 0.182 | 0 | -.14-3 | 0 | .141-3 | -.0027 | ||
| 0 | 8 | -0.250 | 0 | 0.261 | 0 | .658-3 | 0 | .658-3 | -.0014 | ||
| | 9 | 0 | 0.250 | -.82-3 | -0.257 | .657-5 | -.0046 | .00462 | -.0215 | | |
| | 11 | 0 | 0.177 | -.40-3 | -0.179 | -.71-4 | .00134 | .00135 | -.0292 | | |
| | 41 | 0.177 | 0.177 | -0.188 | -0.183 | -.0013 | -.62-3 | .00140 | -.0147 | | |
| | 43 | 0.125 | 0.125 | -0.130 | -0.127 | -.51-3 | .00171 | .00178 | -.0153 | | |
| | 49 | -0.177 | 0.177 | 0.185 | -0.181 | .00253 | -.0014 | .00287 | -.0114 | | |
| | 51 | -0.125 | 0.125 | 0.129 | -0.126 | .600-3 | .00168 | .00179 | -.0162 | | |
| N ПУЧКА=1 | |||||||||||
| | NLU | MU | LA | ДТGC' | ДТGD' | ДY' | ДХ' | W(0) | |||
| | 0 | 0 | 0 | -.0208 | 0 | 4.90 | 0 | 4.90 | | ||
| Y | 1 | 0.250 | 0 | -0.266 | 0 | -.0017 | 0 | .00174 | 0.0237 | ||
| 5.00 | 3 | 0.177 | 0 | -0.184 | 0 | -.0016 | 0 | .00159 | 0.0111 | ||
| X | 6 | -0.177 | 0 | 0.182 | 0 | -.0013 | 0 | .00132 | -.0072 | ||
| 0 | 8 | -0.250 | 0 | 0.261 | 0 | -.0024 | 0 | .00238 | -.0201 | ||
| | 9 | 0 | 0. 250 | -.81-3 | -0.257 | -.0012 | -.0100 | 0.0100 | 0.0406 | | |
| | 11 | 0 | 0.177 | -.40-3 | -0.179 | -.67-3 | -.0024 | .00248 | .00160 | | |
| | 41 | 0.177 | 0. 177 | -0.188 | -0.183 | -.0040 | -.0056 | .00686 | 0.0399 | | |
| | 43 | 0.125 | 0.125 | -0.130 | -0.127 | -.0020 | -.0015 | .00250 | .00919 | | |
| | 49 | -0.177 | 0.177 | 0.185 | -0.182 | .604-3 | -.0037 | .00378 | .00389 | | |
| | 51 | -0.125 | 0.125 | 0.129 | -0.126 | -.15-3 | -.30-3 | .335-3 | -.0053 | |
Класс G02B27/10 системы разделения (расщепления) или объединения луча
