Способ построения оптической системы с дискретным изменением фокусного расстояния

УДК 535.8

C. В. Олейник, Т. Н. Хацевич

СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ

Предложен способ построения оптической системы с дискретным изменением фокусного расстояния и сохранением величины заднего апертурного угла. Разработана и исследована параметрическая модель, на основе которой рассчитаны реальные объективы.

Ключевые слова: дискретное изменение фокусного расстояния, светосильные объективы для тепловизоров, спектральный диапазон 8—12 мкм.

Повысить эффективность оптической системы при решении ряда задач можно путем изменения величины углового поля зрения в системах наблюдательных приборов. При этом широкое поле зрения объективов (малое увеличение) используется для обнаружения цели в относительно большой области, при наблюдении с малым полем (большое увеличение) возможны тщательный осмотр, классификация и идентификация обнаруженной цели. В большинстве случаев изменение увеличения в три—четыре раза является достаточным, диапазон увеличений может быть расширен при работе на максимальных дистанциях. При изменении углового поля в системе необходимо сохранить высокое качество изображения объектов.

В настоящее время в связи с отработанными технологиями изготовления преломляющих поверхностей сложных форм вопрос о качестве изображения в системе с изменяемым увеличением перестает быть определяющим, и на первый план выходят вопросы технологичности и массогабаритные характеристики. Применение несферических поверхностей позволяет сократить общее число элементов системы, но вместе с тем и значительно увеличивает ее стоимость. В этой связи представляется интересным рассмотреть способ построения оптической схемы объектива на базе исключительно сферических преломляющих поверхностей с минимальным числом компонентов, обеспечивающий дискретную смену фокусного расстояния в широком диапазоне, постоянство величины относительного отверстия и длины системы вдоль оптической оси, а также стабильно высокое качество изображения при переключении полей зрения.

Рассмотрим оптическую систему с фокусным расстоянием f{, обладающую оптимальной коррекцией аберраций и формирующую изображение высокого качества. Пусть задний апертурный угол равен а{, и в системе выполнено условие синусов. Если при смене фокусного расстояния сохранить ход апертурного луча на выходе системы без изменения, то положение плоскости изображения и качество изображения не изменятся. Равенство апертурных углов ад = а{ обеспечивает постоянство величины относительного отверстия при смене фокусных расстояний, а значения последних удовлетворяют условию hj / f{ = hj / f^ = const (здесь

h — высота апертурного луча на входном зрачке).

На рис. 1 представлена отвечающая вышеназванным условиям параксиальная модель системы, состоящая из четырех компонентов 1—4. Внутренние компоненты 2 и 3 в положении, показанном на рис. 1, а, образуют систему, эквивалентную плоскопараллельной пластине. При расчете реальной системы действие плоскопараллельной пластины используется для компенсации сферической аберрации внешних компонентов 1 и 4, выполняющих силовую роль. Подвижки компонентов 2 и 3 рассчитываются из условия постоянства положения точки

— заднего фокуса системы компонентов 1—3. Во втором положении, показанном на рис. 1, б, оптическая сила компонентов 1—3 совместно с компонентом 4 обеспечивает второе значение фокусного расстояния системы / .

а)

б)

/

/

к

Ал -'

Рис. 1

Если в оптической системе предусматривается перемещение компонентов 2 и 3, то апертурная диафрагма может быть выполнена с возможностью изменения своих размеров. Если положение компонента 3 и размер диафрагмы зафиксированы, как на рис. 2, то изменение фокусного расстояния осуществляется перемещением только компонента 2, что позволяет реализовать четырехкомпонентную систему с одним внутренним перемещающимся компонентом.

1

Рис. 2

Согласно представленной на рис. 2 схеме, в тонких компонентах определяются оптические силы компонентов 1—4, величина перемещений и граничные значения воздушных промежутков при переходе от фокусного расстояния / к /. Длина системы ё от первого до четвертого компонента постоянна при изменении фокусного расстояния и равна

ё = ё + + ёз ,

где ё2, ёз — величины воздушных промежутков между компонентами оптической системы.

Чтобы первый параксиальный луч в положении компонентов, соответствующих фокусному расстоянию _Тд, имел на выходе из системы тот же угол, что и в положении, соответствующем фокусному расстоянию /{, он должен упасть на последний компонент на той же высоте и под тем же углом, т. е. должно выполняться условие (/4)ц = (/4) и (а4)ц = (а4)ь Необходимым условием для этого является равенство высот падения первых параксиальных лучей на компонент 3 в каждом из двух дискретных положений, что обеспечивается размещением апертурной диафрагмы между компонентами 3 и 4. Изменение фокусного расстояния происходит за счет изменения воздушного промежутка между компонентами 2 и 3.

В общем случае относительно расположения апертурной диафрагмы можно отметить следующее: в первом положении, соответствующем фокусному расстоянию /{, действие компонентов 2 и 3 эквивалентно действию плоскопараллельной пластины, и последние могут находиться в любом месте в промежутке между компонентами 1 и 4, т. е. область размещения апертурной диафрагмы ограничена величиной воздушного промежутка ё. Величина последнего определяется по формуле оптической силы двухкомпонентной системы при известных значениях оптических сил компонентов Ф1 и Ф4

Ф: = Ф1 + Ф4 - Ф1Ф4ё .

При определении оптических сил компонентов 2 и 3 следует учесть, что

Фз = —Ф2; а3 =а1;

В таком случае эквивалентную оптическую силу Ф д рассматриваемой системы во втором положении можно записать в виде

Ф д = Ф1 + ф2 ё2 - Ф1Ф2

при этом отношение высот падения рассматриваемых лучей на первом компоненте пропорционально отношению фокусных расстояний системы:

h- = f

ha fri

Для начальных условий Ф1 = 1; h =1; а\ = а3 = Ф1; d^ = di + d2 = const; (d2 ) = 0 и (2 ) = (h3 )r = 1 - dl_2Фl с учетом выражений (2), (3) составлены следующие параметрические уравнения, связывающие оптические силы компонентов 2 и 3 и величину воздушного промежутка (d2 )п между ними с изменением высоты hrr, падения апертурного луча на первый компонент во втором положении, а следовательно, согласно соотношению (4), — и с изменением фокусного расстояния оптической системы:

hrr = 1 _ d1_2 (Ф1 + Ф3); (d2 )rr = Ф1 (d1_2 _ 2) + ф- + dx_2 Ф1 +1.

Ф 3 Ф3

В таблице приведены параметры объектива, включая общую длину Ь от первого компонента до плоскости изображения, для частного случая, когда фокусное расстояние первого

компонента зафиксировано (150 мм) и неизменно во всем диапазоне изменения фокусного расстояния объектива.

///п fi dx /2 d2 /3 d3 /4 d4 L

100/50 150 100/79,3 -29,3 0/20,7 29,3 22,5 54,9 18,3 140

100/33 150 100/63,4 -31,7 0/36,6 31,7 19,6 60,7 20,2 140

100/25 150 100/50,0 -33,3 0/50,0 33,3 20,0 59,9 20,0 140

100/20 150 100/38,2 -34,5 0/61,8 34,5 20,2 59,6 19,8 140

100/16,6 150 100/27,3 -35,5 0/72,7 35,5 19,6 60,9 20,3 140

100/14,3 150 100/17,8 -36,3 0/82,2 36,3 19,6 60,8 20,3 140

100/12,5 150 100/8,7 -36,9 0/91,3 36,9 19,4 61,1 20,4 140

100/11,9 150 100/4,5 -37,2 0/95,5 37,2 19,3 61,4 20,5 140

100/10 150 100/0 -34,8 0/100 34,8 19,4 61,2 20,6 140

На рис. 3 показаны графики, иллюстрирующие для этого случая изменение оптических сил (Ф) и диафрагменных чисел (П) компонентов в зависимости от перепада фокусных расстояний (А/ в объективе с относительным отверстием 1:1, обеспечивающим размер изображения, равный 0,16 / (1—4 — номера компонентов). При этом значения оптических сил

компонентов приведены относительно Ф1.

а)

Ф

2,5

1,5

-1,5 -2,5 -3,5

9 А/ мм

б)

D

1,5

0,5

5

Рис. 3

9 А/, мм

Анализ графиков на рис. 3 позволяет судить о том, насколько сложной будет конструкция компонентов в зависимости от требуемого перепада фокусных расстояний объектива / / /Ц. Например, для трехкратного перепада увеличений оптическая сила и относительное

отверстие соответственно составляют: для компонента 1 — 0,7 и 1:1; для 2 — 3,5 и 1:0,85; для 3 — 3,5 и 1:1; для 4 — 1,6 и 1:2. При расчете объективов для области спектра от 8 до 12 мкм каждый компонент может быть выполнен в виде одиночной линзы, если его относительное

4

1

0

3

4

5

6

7

8

2

2

3

1

1

2

3

4

6

7

8

отверстие менее 1:1. Однако в случае, если относительное отверстие нескольких компонентов близко к указанной величине, то для достижения качества изображения, близкого к дифракционному, требуется усложнение хотя бы одного компонента.

На основе параксиальной модели были разработаны светосильные объективы с дискретной сменой фокусного расстояния, схемы которых представлены на рис. 4 [1, 2]. Здесь К — коэффициент передачи контраста, 1 — дифракционная ЧКХ, 2 — осевая точка, 3 — 2у' = = 5 мм, 4 — 2у' = 8 мм, а — /' = 60, б — 240, в — 40, г — 120 мм; а, б — ' = 1:1,5, в, г — 1:1,2; а, б — 2у' = 12 мм, в, г — 16 мм. Все преломляющие поверхности в объективах сферические. В схемах а, б используются два подвижных компонента, в схемах в, г — один. Увеличение числа линз в схеме рис. 4, а, б обусловлено необходимостью реализации панкра-тической смены фокусного расстояния.

10

20

30

40

50 V, мм 1 0

20 40 60

80 V, мм

в)

г)

К 0,8 0,6

0,4 0,2

0

10 20

30

40 50 V, мм-1

К 0

80 V, мм 1

Рис. 4

Объективы являются частью тепловизионного комплекса и предназначены для построения изображений объектов на светочувствительной неохлаждаемой матрице.

список литературы

1. Патент РФ № 2316797. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра / С. В. Олейник. 2008.

2. Патент РФ № 2339983. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра / С. В. Олейник, Т. Н. Хацевич. 2008.

0

Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания

63

Сергей Викторович Олейник

Татьяна Николаевна Хацевич

Сведения об авторах

аспирант; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра оптических приборов, Новосибирск; E-mail: sol2000@ngs.ru канд. техн. наук, доцент; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра оптических приборов, Новосибирск; E-mail: shafrai@risp.ru

Поступила в редакцию 12.01.09 г.

УДК 535.4

В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СВЕТОФИЛЬТРЫ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ПОЛОСОЙ ПРОПУСКАНИЯ

Рассчитаны параметры микромеханических мультиплекс-светофильтров, перестраиваемых во всей полосе видимого диапазона спектра управляющим напряжением 3—5 В с расчетной шириной полосы пропускания около 10 А.

Ключевые слова: мультиплекс-светофильтр, субмикронный эквидистантный воздушный зазор, перестраиваемая полоса пропускания.

Интерференционные светофильтры находят широкое применение в физических исследованиях, измерительной технике, промышленности [1, 2]. Их достоинством является простота и удобство в работе, высокая степень монохроматичности выделяемого излучения. Дополнительные преимущества этим элементам принесет выполнение их перестраиваемыми по выделяемой полосе спектра, что может быть достигнуто при использовании микро- и нано-технологий [3, 4]. В перестраиваемых интерференционных светофильтрах [3, 4] изменяется воздушный зазор между зеркалами резонатора Фабри—Перо, соответствующий первому порядку интерференции в видимом диапазоне спектра. Полоса пропускания при перестройке в видимом диапазоне спектра может иметь значение 25Х ~ Х/50 А, если в качестве зеркала применяются металлические пленки на стеклянных подложках.

В статье рассматриваются вопросы разработки перестраиваемых мультиплекс-свето-фильтров, в которых используется комбинация двух интерференционных светофильтров с высоким и первым порядком интерференции.

За счет использования двух светофильтров — низкого и высокого порядка — можно выделять из спектра источника излучение с большей степенью монохроматичности при сохранении перестраиваемого диапазона. Упрощенная схема такого светофильтра показана на рис. 1.

Светофильтр первого порядка образован зеркалами 1 и 2 и воздушным зазором между ними. Светофильтр высокого порядка образован зеркалами 3 и 10 и прозрачной пластиной 5 между ними. Зеркальное покрытие 1 нанесено на прозрачную пластину 8; корпус 6 фиксирует между зеркалами 1 и 2 воздушный зазор 0,2—0,4 мкм. Пластина 8 имеет форму диска с тремя радиально расположенными держателями 7. Управление воздушным зазором — электростатическое: управляющее напряжение и0 подается между зеркалом 1 и электродом 9. Держатели 7 обеспечивают упругую поддержку подвижного зеркала и регулируют величину зазора.