ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
OPTICAL SYSTEM

Изобретение относится к оптике и, в частности, к области конструирования оптических приборов различного назначения.
Известно, что любой оптический прибор, используемый для наблюдения или кинофотосъемки, дает обратные блики - отражение попадающего на объектив оптического излучения от оптических элементов прибора, которое позволяет определить местонахождение наблюдателя и/или прибора.
Существуют способы обнаружения оптических систем, обеспечивающих построение изображения, по обратным бликам, возникающим при их облучении оптическим излучением, например лазерным. Эти способы хорошо известны и запатентованы (US 6603134 [1], US 8063348 [2] и US 8228591 [3]).
Причиной возникновения обратных бликов (другие термины - «ретро-отражение» и «световозвращение») является хорошо известный эффект «кошачьего глаза», обусловленный отражением попадающего в оптическую систему света от оптического элемента с отражательной поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива системы (стеклянные пластинки с прицельными и измерительными сетками, фотоприемные матрицы различной конструкции, входные поверхности фотокатодов микроканальных пластин, фотопленки и т.д.). Световые лучи, отраженные от поверхности, расположенной вблизи от фокальной поверхности объектива, коллимируются при обратном прохождении через этот объектив и распространяются в направлении источника света.
В дальнейшем для оптических элементов с отражающими поверхностями, расположенными в окрестности фокальной поверхности объектива оптической системы, используется термин «бликующий элемент».
Способы подавления световозвращения от оптических систем, обеспечивающих построение изображения, можно разделить на две большие группы. К первой группе относятся способы, предотвращающие попадание в зрачок оптической системы световых лучей, отраженных от ее бликующих элементов. Типичным представителем первой группы является использование наклона поверхности бликующего элемента на угол, достаточный для вывода отраженных от него лучей за пределы зрачка оптической системы.
Известен прием уменьшения мощности обратного блика путем наклона светочувствительных поверхностей оптико-электронных устройств и фотопленок или пластинок с прицельной сеткой по отношению к фокальной поверхности оптического прибора (Modeling the detection of optical sights using retro-reflection, Proceedings of SPIE, Vol.6950, 2008 [4] и Retroreflection reduction by masking apertures, Optical Engineering 49 (4), 2010 [5]).
Наклон светочувствительной поверхности оптико-электронной системы или пластинки с прицельной сеткой по отношению к фокальной поверхности оптической системы позволяет направить значительную долю отраженных внутри системы лучей мимо ее входного зрачка. При этом отраженный свет попадает на стенки и внутренние диафрагмы оптической системы, что препятствует его выходу наружу через объектив системы. Однако наклон фотоприемного устройства или фотопленки приводит к потере фокусировки и снижению качества изображения на краях поля зрения. Наклон пластинки с измерительной или прицельной сеткой уменьшает точность наблюдательных и прицельных оптических приборов.
Ко второй группе относятся способы перехвата отраженных от бликующего элемента световых лучей уже на выходе из системы. Примерами такого способа являются установка перед объективом оптической системы бленд или фильтров.
Для частичного подавления обратных бликов можно использовать различные светозащитные бленды, которые, кроме того, снижают помехи в оптико-электронных приборах, обусловленные попаданием прямого или рассеянного солнечного света или других оптических помех в объектив прибора (RU 2073903 [6]).
Бленды обеспечивают частичное подавление световозвращения за счет следующих факторов. Во-первых, они сужают угловое поле, в пределах которого источники интенсивных оптических помех способны произвести засветку бликующего элемента оптического прибора, приводящую к образованию обратных бликов. Во-вторых, они сужают угловое поле, в пределах которого обратные блики, выходящие из объектива, могут беспрепятственно наблюдаться на удалении от прибора.
Недостатком бленд является то, что они имеют большие габариты и эффективны лишь для перехвата рассеянного внутри оптического тракта излучения. Они неэффективны для блокировки зондирующего излучения, зеркально отраженного бликующими элементами оптического прибора в пределах используемого поля зрения этого прибора.
Известно устройство маскировки оптико-электронных приборов от средств лазерной пеленгации, представляющее собой съемную бленду с "антибликующим" стеклом, закрепленным в бленде прижимным кольцом. С целью снижения мощности обратного блика на поверхность стекла нанесено поглощающее покрытие, составляющее около 10% величины поля зрения. Кроме этого стекло имеет клиновидность, которая направляет отраженное лазерное излучение в сторону от источника подсветки (RU 2005103900 [7]).
Недостатками известного устройства является то, что оно попросту смещает изображение поперек фотоприемника. При этом лишь часть изображения остается на приемнике, а другая часть теряется. Для достижения такого же эффекта можно обойтись без «антибликующего стекла», а просто использовать более узкопольный, а потому и более дешевый оптический прибор с фотоприемным устройством меньшего размера.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемой оптической системе с апертурной маской является известное устройство для уменьшения световозвращения, основанное на установке в оптическом приборе защитной диафрагмы, перекрывающей часть апертуры прибора (RU 39207 U [8]). В описании к RU 39207 U пояснено, что за счет симметрии пропускающих и не пропускающих свет частей диафрагмы относительно центра апертуры объектива прибора происходит блокировка диафрагмой значительной части отраженных от бликующего элемента лучей и поэтому может достигаться повышение скрытности прибора.
Недостатком известного устройства является то, что световозвращение значительно ослабляется только для зондирующих источников излучения, расположенных в пределах определенной части поля зрения устройства. В частности, использование предложенной в [8] диафрагмы в виде кругового сектора с углом при вершине, равным 180° (см. Фиг.1 в описании к [8], где заштрихован не пропускающий свет участок диафрагмы), обеспечивает подавление световозвращения лучей света, только если они испускаются источником, расположенным перед устройством со стороны от плоскости, проходящей через оптическую ось устройства и край диафрагмы, противоположной стороне, где находится апертура объектива, перекрытая непрозрачным участком диафрагмы.
Это поясняется Фиг.1а данной заявки, на которой показан ход лучей от источника излучения, зондирующего местность в поисках наблюдательных и прицельных оптических устройств, и ход лучей, отраженных от бликующего элемента 5 оптического устройства, объектив которого 1 защищен апертурной маской 2, имеющей не пропускающую оптическое излучение область, выполненную в виде полукруга.
Устройство [8] обеспечивает также подавление световозвращения в случае, когда источник излучения расположен точно в плоскости, проходящей через оптическую ось устройства и край не пропускающей свет области апертурной маски. Однако световозвращение лучей, испускаемых источником, находящимся с той же стороны от указанной плоскости, где располагается перекрытая непрозрачным участком маски часть апертуры объектива устройства, не блокируется полностью.
Это поясняется Фиг.1б данной заявки, на которой показан ход лучей от источника излучения, зондирующего местность в поисках наблюдательных и прицельных оптических устройств, и ход лучей, отраженных от бликующего элемента 5 оптического устройства, объектив которого 1 защищен апертурной маской 2. Видно, что при расположении источника излучения с той же стороны от плоскости, проходящей через оптическую ось устройства и край не пропускающей оптическое излучение области апертурной маски, что и не пропускающая излучение область 4 апертурной маски 2, часть световых лучей может беспрепятственно выходить через объектив 1 после отражения от бликующего элемента 5.
Отметим, что проекция на плоскость рисунка хода лучей, показанная на Фиг.1а и Фиг.1б, будет одинаковой для всех лучей, проекция которых идентична на входе в систему. Поэтому угол α на использованных ниже Фиг.2 и Фиг.3 - это, вообще говоря, не угол между осью оптической системы и лучом, находящимся в плоскости рисунка, а угол между любым лучом, имеющим такую же проекцию на плоскость рисунка, и плоскостью, проходящей через оптическую ось ортогонально плоскости рисунка (параллельно краю маски).
Даже при незначительном отклонении положения источника излучения от плоскости, проходящей через ось оптического устройства и край маски, в ту сторону от плоскости, где располагается не пропускающая излучение область маски, появляется световозвращение лучей зондирующего пучка, наиболее близко расположенных к краю не пропускающей излучение области маски.
При математическом моделировании хода лучей в таком приборе можно наблюдать, что по мере увеличения угла φ между зондирующим пучком и указанной плоскостью, в апертуре прибора рядом с краем не пропускающей излучение области апертурной маски наблюдается светлая полоска, состоящая из отраженных от бликующего элемента прибора лучей, которая расширяется по мере увеличения этого угла. Чем шире эта полоска, тем большая часть отраженных бликующим элементом лучей зондирующего пучка проходит мимо не пропускающей излучение области апертурной маски и, как следствие, тем больше световозвращение прибора.
Можно рассчитать максимальный угол наклона зондирующего пучка, при котором световозвращение от бликующего элемента все еще в N раз меньше, чем без апертурной диафрагмы. Для этого воспользуемся формулой:
tg=k·(π/8)·(D/F),
где: β - угол главного луча внутри прибора; D - диаметр зрачка; F - фокусное расстояние объектива прибора; k=1/N.
При малых углах β формула приобретает вид β=k·(π/8)·(D/F). Выберем N=100, D=30 мм, F=100 мм. Тогда β=1 мрад или примерно 0,06°. Таким образом, при совпадении источника зондирующего излучения с целью или с наблюдаемым объектом, колебания направления оптической оси прибора на углы, превышающие 1 мрад, вообще говоря, могут приводить в появлению заметного световозвращения (более 1% от световозвращения, наблюдаемого у аналогичного оптического прибора, не имеющего апертурной маски).
Заявляемая оптическая система направлена на расширение области поля зрения, в которой может находиться источник излучения, не вызывая существенного световозвращения, в ту сторону от плоскости, проходящей через оптическую ось системы параллельно краю не пропускающей оптическое излучение области апертурной маски, где располагается не пропускающая излучение область маски.
Указанный результат достигается тем, что оптическая система содержит объектив, бликующий элемент с отражающей поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива, и апертурную маску, содержащую область, пропускающую оптическое излучение без искажений волнового фронта и выполненную в виде сегмента, большего, чем половина круга, и не пропускающую излучение область, при этом граница этой области в виде хорды, замыкающей сегмент, отстоит от центра апертуры объектива на расстояние d, выбираемое из условия
d=αF,
где F - фокусное расстояние объектива системы, м; α - максимальный угол наклона падающего на апертуру объектива параллельного пучка световых лучей к плоскости, проходящей через оптическую ось системы параллельно хорде, рад, при котором на не пропускающую излучение область маски попадают все отраженные от бликующего элемента лучи этого пучка независимо от стороны его наклона.
Указанный результат достигается также тем, что апертурная маска выполнена с возможностью изменения местоположения границы в виде хорды, разделяющей пропускающую и не пропускающую излучение области.
Указанный результат достигается также тем, что не пропускающая излучение область апертурной маски выполнена в виде непрозрачной пластинки с прямолинейным краем, оснащенной средством для ее перемещения ортогонально к оптической оси системы внутри оправы, размещенной в плоскости апертуры объектива.
Указанный результат достигается также тем, что апертурная маска выполнена в виде электрически управляемого транспаранта, перекрывающего апертуру объектива, а средство, обеспечивающее формирование областей, пропускающих оптическое излучение без искажений волнового фронта и не пропускающих его с возможностью подвижности разделяющей их границы в виде хорды внутри апертуры, - в виде блока подачи сигналов на электрически управляемый транспарант.
Указанный результат достигается также тем, что оптическая система снабжена набором сменяемых апертурных масок с различным расстоянием границы между пропускающей и не пропускающей излучение областями от центра апертуры.
Выше уже было отмечено, что в случае прибора с апертурной маской, имеющей не пропускающую излучение область в виде полукруга, наблюдается следующий эффект. При отклонении источника зондирующего излучения от плоскости, проходящей через ось оптического устройства и край не пропускающей излучение области маски, в ту сторону от этой плоскости, где располагается не пропускающая излучение область маски, появляется световозвращение лучей зондирующего пучка, наиболее близко расположенных к краю не пропускающей излучение области маски.
По мере увеличения угла φ между зондирующим пучком и указанной плоскостью, в апертуре прибора рядом с краем диафрагмы в виде половины окружности наблюдается светлая полоска, состоящая из отраженных от бликующего элемента прибора лучей, которая расширяется по мере увеличения этого угла.
Чем шире эта полоска, тем большая часть отраженных бликующим элементом лучей зондирующего пучка проходит мимо не пропускающей излучение области апертурной маски и, как следствие, тем больше световозвращение прибора. Соответственно, если перекрыть эту полоску, то световозвращение будет подавлено. А перекрытие этой полоски можно обеспечить, сдвинув границу не пропускающей излучение области маски от центра апертуры объектива, так что область приобретает форму сегмента, большего, чем половина круга.
Ширину этой полоски, а значит, и смещение границы не пропускающей излучение области, имеющей вид хорды, замыкающей сегмент, следует выбирать исходя из задаваемых условий, в которых будет использоваться система, а именно от требуемого максимального угла наклона падающего на апертуру объектива параллельного пучка световых лучей по отношению к плоскости, проходящей через оптическую ось системы параллельно хорде, при котором на не пропускающую излучение область маски попадают все отраженные от бликующего элемента лучи этого пучка независимо от стороны наклона. А поскольку эти условия могут изменяться, то, для того чтобы оптическая система удовлетворяла гамме условий, границу в виде хорды, разделяющей пропускающую и не пропускающую излучение области апертурной маски, следует выполнять с возможностью изменения ее расстояния до центра апертуры объектива.
Наиболее простым средством для перемещения границы между пропускающей и не пропускающей излучение областями апертурной маски является выполнение не пропускающей излучение области маски в виде непрозрачной пластинки с прямолинейным краем, перемещаемой в плоскости апертуры объектива ортогонально оптической оси системы.
Учитывая прогресс в построении транспарантов с управляемой прозрачностью, апертурную маску можно выполнить в виде электрически управляемого амплитудного транспаранта, перекрывающего апертуру объектива, а средство, обеспечивающее формирование областей, пропускающих оптическое излучение без искажений волнового фронта и не пропускающих его с возможностью подвижности разделяющей их границы в виде хорды внутри апертуры, - в виде блока подачи сигналов на электрически управляемый транспарант.
С другой стороны, когда требуемая величина максимального угла наклона падающего на апертуру объектива параллельного пучка световых лучей к плоскости, проходящей через оптическую ось системы параллельно хорде, задается с небольшой точностью, можно использовать набор сменяемых апертурных масок с различным расстоянием границы между пропускающей и не пропускающей излучение областями от центра апертуры.
Сущность заявляемой оптической системы поясняется примерами реализации и графическими материалами.
На Фиг.1а схематично представлен ход лучей при использовании апертурной маски, имеющей не пропускающую излучение область в виде полукруга.
На Фиг.1б показано, что если не обеспечить подстройку положения не пропускающей излучение области маски в апертуре оптической системы под расположение источника зондирующего оптического излучения, то отраженные от бликующего элемента зондирующие лучи выходят через объектив системы в сторону их источника.
На Фиг.2 представлен ход лучей при использовании апертурной маски, имеющей не пропускающую излучение область в виде кругового сегмента, большего, чем половина круга.
На Фиг.3 схематично представлен вариант реализации системы с выполнением средства для перемещения границы между пропускающей и не пропускающей излучение областями апертурной маски в виде непрозрачной пластинки с прямолинейным краем, перемещающейся в плоскости апертуры объектива ортогонально оптической оси системы.
Пример 1. В наиболее простом варианте реализации оптическая система (Фиг.2) включает объектив 1 и апертурную маску 2, содержащую область 3, пропускающую оптическое излучение без искажений волнового фронта, и область 4, не пропускающую излучение. Бликующий элемент 5 с отражающей поверхностью расположен в окрестности фокальной поверхности объектива 1.
Система функционирует следующим образом. На Фиг.2 схематически показан ближайший к краю не пропускающей излучение области маски луч 6, параллельный оси системы и находящийся в плоскости рисунка. Так как край непрозрачной области маски отстоит на расстояние d от центра объектива системы, то этот луч будет испытывать преломление в объективе, чтобы попасть в центр фокальной поверхности объектива. Угол наклона α этого луча к оси системы примерно равен α=d/F, где F - фокусное расстояние объектива системы. Для лучей, не лежащих в плоскости рисунка, α - это угол наклона луча к плоскости, проходящей через ось системы параллельно краю не пропускающей излучение области маски.
Отсюда следует, что при наклоне зондирующего пучка к плоскости, проходящей через ось системы параллельно краю не пропускающей излучение области маски, в сторону не пропускающей излучение области маски на угол φ, меньший α, его ближайшие к краю не пропускающей излучение области маски лучи будут блокироваться маской на выходе из объектива в обратном направлении. Тем более будут блокироваться лучи, попадающие в апертуру системы на удалении от края не пропускающей области маски, так как после преломления в объективе они будут падать на бликующий элемент 5 под углами, большими, чем α.
При F=100 мм и d=0,5 мм расчет по приведенной формуле дает угол φ=5 мрад или примерно 0,28°. Таким образом, выполнение непрозрачной области маски в виде полукруга диаметром 30 мм, к которому со стороны диаметра добавлена полоска шириной d=0,5 мм, полностью исключает световозвращение в окрестности центра углового поля зрения системы размером порядка 5 мрад. Это в примерно 5 раз больше рассчитанного выше размера окрестности центра поля зрения аналогичной системы, с апертурой, защищенной маской в виде полукруга. При этом светосила системы уменьшается совсем незначительно, примерно на 0,5% (отношение площади полоски, добавленной к маске в виде полукруга, к площади полукруга с диаметром 30 мм).
Пример 2. В варианте реализации оптическая система (Фиг.3) включает объектив 1 и апертурную маску 2, содержащую область 3, пропускающую оптическое излучение без искажений волнового фронта, и область 4, не пропускающую излучение. Бликующий элемент 5 с отражающей поверхностью расположен в окрестности фокальной поверхности объектива 1.
В оптическом тракте системы размещается непрозрачная пластинка с прямолинейным краем 7, которая установлена в плоскости апертурной маски с возможностью поперечного перемещения. Возможность перемещения условно показана стрелками над пластинкой 7. При перемещении пластинки поперек (ортогонально) оси оптической системы обеспечивается смещение границы между областью 3, пропускающей оптическое излучение без искажений волнового фронта 3 и областью 4, не пропускающей излучение, относительно центра апертуры объектива. Устройство функционирует так же, как описано в примере 1.
В частных случаях реализации оптическая система может быть снабжена набором сменяемых апертурных масок с различным расстоянием границы между пропускающей и не пропускающей излучение областями от центра апертуры. Замена одной маски на другую может осуществляться пользователем вручную.
Помимо рассмотренных выше чисто механических устройств, обеспечивающих реализацию адаптивной апертурной маски в заявляемом устройстве, необходимый результат может достигаться с помощью так называемых электрически управляемых транспарантов. В настоящее время коммерчески доступны такие транспаранты с размерами апертуры до десятков сантиметров. Как правило, в них применяются либо жидкие кристаллы, либо PLZT-керамика.
Варианты реализации управляемых амплитудных транспарантов с использованием пленочных поляризаторов приводят к существенным потерям света даже в тех областях транспаранта, которые работают в режиме пропускания света. Однако существуют способы непосредственной амплитудной модуляции оптического излучения без использования поляризационных эффектов. В частности, известны жидкокристаллические управляемые модуляторы на основе эффекта динамического рассеяния. Пространственные модуляторы света на PLZT-керамике также могут выполняться без поляризаторов. При этом потери света в участках модулятора, работающих в режиме пропускания, не превышают 15-20%.
Электрически управляемые амплитудные транспаранты в некоторых случаях могут оказаться более удобными на практике, так как способны работать беззвучно и обладают, вообще говоря, более высоким быстродействием, чем рассмотренные выше для примера механические устройства.