СИСТЕМА РАЗДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована для улучшения качества изображения при разделении каналов в приборах наблюдения, измерительных приборах, системах измерения дальности и локации.
Во многих приборах для одновременного визуального наблюдения и фотоэлектрической регистрации излучения, одновременного наблюдения в различных областях спектра, приема и передачи излучения часто используется один и тот же объектив, что уменьшает возможность разъюстировки прибора и тем самым обеспечивает точность и надежность его работы. Для разделения каналов наблюдения и регистрации, приема и передачи используются различные оптические системы.
Известна система разделения оптических каналов, состоящая из объектива и светоделительного оптического элемента, выполненного в виде кубика, склеенного из двух призм АР-90°, со светоделительным покрытием, нанесенным на диагональную грань одной из призм [1], который, будучи установлен за объективом, обеспечивает разделение каналов. Однако, такая система разделения оптических каналов при большой рабочей апертуре объектива имеет большую массу и габариты, что является существенным недостатком. А сам кубик является достаточно дорогостоящим оптическим элементом.
Известна система разделения оптических каналов, состоящая из объектива и плоскопараллельной пластины с нанесенным на ней со стороны объектива зеркальным покрытием, установленной под углом к оптической оси объектива. В плоскопараллельной пластине имеется отверстие для прохождения лазерного излучения информационного канала [2]. Такая система ограничивает рабочую апертуру канала, проходящего через
отверстие в плоскопараллельной пластине, а наличие отверстия портит изображение в канале, образованном отражением от зеркального покрытия.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе разделения оптических каналов, является оптическая светоделительная система, состоящая из оптически связанных объектива и плоскопараллельной пластины с нанесенным на ней со стороны объектива светоделительным покрытием, нормаль к поверхности которой установлена под углом к оптической оси объектива [3]. Недостатком такой системы является наличие астигматизма и комы, возникающих при прохождении сходящегося пучка лучей через наклонную плоскопараллельную пластину.
Задачей полезной модели является устранение аберраций, возникающих при прохождении сходящегося пучка лучей через наклонную плоскопараллельную пластину.
1
1
1
2
1
2
3
4
Поставленная задача достигается тем, что в систему разделения оптических каналов, состоящую из оптически связанных объектива и первой плоскопараллельной пластины, нормаль к поверхности которой наклонена на угол α к оптической оси объектива, и имеющей со стороны объектива оптическое покрытие, в качестве которого используется светоделительное покрытие или фильтрующее покрытие или поляризующее покрытие, дополнительно введены последовательно расположенные за первой плоскопараллельной пластиной и сопряженные с ней три плоскопараллельные пластины, причем нормаль к поверхности второй плоскопараллельной пластины наклонена в плоскости наклона первой плоскопараллельной пластины в противоположном направлении к оптической оси объектива на угол α, при этом первая и вторая плоскопараллельные пластины изготовлены из материалов с показателями преломления n и n и толщиной d и d соответственно, а нормали к плоскости третьей и четвертой плоскопараллельных пластин наклонены в плоскости, перпендикулярной плоскости наклона первых двух пластин, на углы α и α к оптической оси объектива в противоположных направлениях,
3
4
3
4
1
1
2
2
3
3
4
1
2
3
4
при этом третья и четвертая плоскопараллельные пластины изготовлены из материалов с показателями преломления n и n и толщиной d и d соответственно, причем параметры пластин n, d, n, d, n, d, n и d4, и углы наклона их нормалей к оптической оси объектива α,α, α и α связаны следующими зависимостями:
d<sub>1</sub>·tgα<sub>1</sub>·(n<sub>1</sub><sup>2</sup>-1)/n<sub>1</sub><sup>3</sup>=d<sub>2</sub>·tgα<sub>2</sub>·(n<sub>2</sub><sup>2</sup>-1)/n<sub>2</sub><sup>3 </sup>
(1)
3
3
3
4
4
4
4
2
3
2
3\tab\tab\tab\tab\tab
d·tgα3·(n -1)/n =d·tgα·(n -1)/n (2)
(n<sub>1</sub><sup>2</sup>-1)·d<sub>1</sub>sin<sup>2</sup>α/(n<sub>1</sub><sup>2</sup>-sin<sup>2</sup>α<sub>1</sub>)<sup>3/2</sup>+(n<sub>2</sub><sup>2</sup>-1)·d<sub>2</sub>·sin<sup>2</sup>α<sub>2</sub>/(n<sub>2</sub><sup>2</sup>-sin<sup>2</sup>α<sub>2</sub>)<sup>3/2</sup>=(n<sub>3</sub><sup>2</sup>-1)·d<sub>3</sub>·sin<sup>2</sup>α<sub>3_</sub>/(n<sub>3</sub><sup>2</sup>-sin<sup>2</sup>α<sub>3</sub>)<sup>3/2</sup>+(n<sub>4</sub><sup>2</sup>-1)·d<sub>4</sub>·.sin<sup>2</sup>α<sub>4</sub>/(n<sub>4</sub><sup>2</sup>-sin<sup>2</sup>α<sub>4</sub>)<sup>3/2</sup>
(3)
Наличие в системе разделения оптических каналов плоскопараллельной пластины, расположенной под углом к оптической оси объектива, вносит такие аберрации как астигматизм и кома в сходящийся пучок лучей, прошедший через плоскопараллельную пластину.
2
1
1
2
2
1
2
Введение второй плоскопараллельной пластины, наклоненной в той же плоскости что и первая плоскопараллельная пластина, но в противоположном направлении, на угол α к оптической оси объектива будет компенсировать аберрацию комы первой плоскопараллельной пластины, за счет противоположного знака комы у второй плоскопараллельной пластины. Если при этом параметры пластин n, d, n, d и углы наклона их нормалей к оптической оси объектива α, α связаны следующей зависимостью:
1
1
1
1
2
2
2
2
2
3
2
3
d·tgα·(n -1)/n =d·tgα·(n -1)/n (1), то у пары этих пластин такая аберрация как кома будет скомпенсирована. При этом астигматизм, вносимый этой парой пластин, будет иметь величину, равную сумме астигматизма двух пластин:
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
_
2
2
2
2
3/2
2
2
2
2
3/2
(n -1)·d·sinα/(n -sinα)+(n -1)·d·sinα/(n -sinα) (4) так как теперь он вносится двумя плоскопараллельными пластинами.
3
4
3
4
3
4
Если установить третью и четвертую пластины, изготовленные из материалов с показателями преломления n и n и толщиной d и d соответственно, наклоненные на углы α и α к оптической оси объектива, но
3
3
4
4
3
4
в противоположных направлениях, то эта вторая пара пластин будет иметь скомпенсированную кому, если при этом параметры пластин n, d, n, d и углы наклона их нормалей к оптической оси системы α, α связаны следующей зависимостью:
3
3
3
3
4
4
4
4
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
2
3
2
3
2
2
2
2
3/2
2
2
2
2
3/2
d·tgα·(n -1)/n =d·tgα·(n -1)/n (2) При этом астигматизм, вносимый второй парой пластин, будет иметь величину, равную сумме астигматизма третьей и четвертой пластин:(n -1)·d·sinα/(n -sinα)+(n -1)·d·sinα/(n -sinα) (5).
1
1
2
2
3
3
4
4
1
2
3
4
Если параметры пластин n, d, n, d, n, d, n и d и углы наклона их нормалей к оптической оси системы α, α, α и α выбраны так, что выполняется соотношение:
1
1
1
1
2
2
2
2
2
3
3
3_
3
3
4
4
4
4
4
2
2
2
2
3/2
2
2
2
2
3/2
2
2
2
2
3/2
2
2
2
2
3/2
(n -1)·dsinα/(n -sinα)+(n -1)·d·sinα/(n -sinα)=(n -1)·d·sinα/(n -sinα)+(n -1)·d·.sinα/(n -sinα) (3), то обе пары пластин будут иметь одинаковую величину астигматизма. Таким образом, если установить вторую пару пластин так, чтобы их плоскость наклона была перпендикулярной плоскости наклона первых двух плоскопараллельных пластин, то астигматизм второй пары пластин скомпенсирует астигматизм первой пары и будет обеспечено качество изображения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фигуре 1 представлена система разделения оптических каналов. На фигуре 2 представлены зависимости величины комы (а) и астигматизма (б) от угла поля зрения светосильного объектива.
1
1
На фигуре 3 представлены зависимости величины комы (а) и астигматизма (б) от угла поля зрения для системы (прототипа), состоящей из того же объектива и плоскопараллельной пластины толщиной d=5мм, изготовленной из стекла с показателем преломления n=1.508, установленной под углом ai=45°.
1
2
3
4
3
4
1
3
2
4
На фигуре 4 представлены зависимости величины комы (а) и астигматизма (б) от угла поля зрения для заявляемого устройства в случае, когда n=n=n=n=1.508, di=da=d=d=5мм и α=α=45°, α=α=-45°.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
На фигуре 5 представлены зависимости величины комы (а) и астигматизма (б) от угла поля зрения для заявляемого устройства в случае, когда n=n=n=n=1.508, d=d=5MM, d=d=12.185мм и α=45°, α=-45°, α=30°, α=-30°.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
3
2
4
На фигуре 6 представлены зависимости величины комы (а) и астигматизма (б) от угла поля зрения для заявляемого устройства в случае, когда n=n=1.508, n=n=1.73, d=d=5мм, d=d=5.325мм и α=α=45°, α=α=-45°.
На фигурах представлены зависимости величины комы для различных относительных отверстий объектива. Зависимости аберраций приведены для длины волны λ=900мкм.
1
2
3
4
Система разделения оптических каналов (см. фиг.1) состоит из оптически связанных объектива 1, первой плоскопараллельной пластины 2, нормаль к поверхности которой установлена под углом α к оптической оси объектива, и на которой со стороны объектива нанесено светоделительное покрытие 3, второй плоскопараллельной пластины 4, нормаль к поверхности которой установлена под углом α к оптической оси объектива 1, в плоскости наклона первой плоскопараллельной пластины в направлении противоположном углу ось третьей плоскопараллельной пластины 5, у которой нормаль к поверхности наклонена в плоскости, перпендикулярной плоскости наклона первой 2 и второй 4 плоскопараллельных пластин на угол α к оптической оси объектива, четвертой плоскопараллельной пластины 6, нормаль к поверхности которой наклонена в плоскости перпендикулярной плоскости наклона первой 2 и второй 4 плоскопараллельных пластин на угол α к оптической оси объектива 1 в направлении противоположном углу α3.
Объектив 1 выполнен в виде светосильного объектива и имеет входной зрачок диаметром 104мм и фокусное расстояние 150мм. Аберрации объектива скорригированы в широком спектральном диапазоне в видимой и ближней ИК области спектра.
1
1
1
Плоскопараллельная пластина 2 выполнена из стекла К8, материала, прозрачного в рабочем спектральном диапазоне объектива 1, с показателем преломления n=1.508, габаритные размеры определены апертурой объектива 1 и его угловым полем зрения. Толщина пластины d=5MM. Нормаль к поверхности плоскопараллельной пластины 2, наклонена на угол α=45° к оптической оси объектива. Параметры этой пластины оставались постоянными для трех вариантов исполнения. Угол наклона первой плоскопараллельной пластины и ее параметры могут быть любыми и выбираются исходя из требований, необходимых для разделения каналов. Выбор толщины первой плоскопараллельной пластины, обычно определяется ее размерами, зависящими от конструктивных требований, и возможностью ее изготовления.
В качестве оптического покрытия 3 может быть использовано светоделительное покрытие или фильтрующее покрытие или поляризующее покрытие. В данной реализации устройства используется светоделительное покрытие 3, выполненное в виде покрытия Д.В.017+ по ОСТЗ-1901-95 и нанесенное на сторону первой плоскопараллельной пластины, обращенную к объективу.
2
3
4
2
3
4
2
4
3
В первом варианте исполнения вторая, третья и четвертая плоскопараллельные пластины 4, 5 и 6 выполнены из стекла К8 с показателями преломления n=n=n=1.508, и имеют толщину d=d=d=5MM. Габаритные размеры этих пластин определяются апертурой объектива 1 и его угловым полем зрения. Нормали к поверхностям плоскопараллельных пластин 4, 5 и 6 наклонены к оптической оси объектива на углы α=α=-45° и α=45°. Величины аберраций пучка лучей, прошедшего через данный набор пластин, представлены на фиг.4.
2
2
3
4
3
4
2
3
4
0
Во втором варианте исполнения вторая плоскопараллельная пластина 4 выполнена из стекла К8 с показателем преломления n=1.508 и имеет ту же толщину d=5мм, что и первая плоскопараллельная пластина. Третья и четвертая плоскопараллельные пластины 5 и 6 выполнены из стекла К8 с показателем преломления n=n=1.508 и имеют одинаковую толщину d=d=12.185мм. Габаритные размеры этих пластин определяются апертурой объектива 1 и его угловым полем зрения. Нормаль к поверхности плоскопараллельной пластины 4 наклонена на угол α=-45° к оптической оси объектива. Нормали к поверхностям плоскопараллельных пластин 5 и 6 наклонены к оптической оси объектива на углы α=30° и α=-30. Величины аберраций пучка лучей, прошедшего через данный набор пластин, представлены на фиг.5.
2
2
3
4
3
4
2
4
3
В третьем варианте исполнения вторая плоскопараллельная пластина 4 выполнена из стекла К8 с показателем преломления n=1.508 и имеет ту же толщину d=5MM, что и первая плоскопараллельная пластина. Третья и четвертая плоскопараллельные пластины 5 и 6 выполнены из стекла СТК19 с показателем преломления n=n=1.73 и имеют одинаковую толщину d=d=5.325мм. Габаритные размеры этих пластин определяются апертурой объектива 1 и его угловым полем зрения. Нормали к поверхностям плоскопараллельных пластин 4, 5 и 6 наклонены к оптической оси объектива на углы α=α=-45° и α=45°. Величины аберраций пучка лучей, прошедшего через данный набор пластин, представлены на фиг.6.
Система разделения оптических каналов работает следующим образом.
Излучение, попадающее в объектив 1, фокусируется им и попадает на светоделительное покрытие 3, нанесенное на первую плоскопараллельную пластину 2, нормаль к поверхности которой наклонена на угол 45°°к оптической оси объектива, при этом часть излучения отражается от светоделительного покрытия 3 под углом 90° к оптической оси объектива и образует первый оптический канал. Остальная часть излучения проходит через светоделительное покрытие 3 и первую плоскопараллельную пластину
2 и образует второй оптический канал. Однако, установка наклонной плоскопараллельной пластины в сходящихся или расходящихся пучках лучей, вносит в систему такие искажения, как кома и астигматизм (фиг.3). Прохождение излучения через вторую плоскопараллельную пластину, у которой угол наклона нормали к оптической оси объектива и ее параметры удовлетворяют соотношению (1), позволяет скомпенсировать аберрацию комы, но при этом величина астигматизма пучка лучей, прошедшего через первую пару плоскопараллельных пластин, равна величине, определяемой формулой (4). Далее излучение проходит через третью и четвертую плоскопараллельные пластины, у которых нормали к поверхности этих пластин наклонены на углы аз и 04, но в противоположных направлениях, а параметры подобраны так, что выполняется соотношение (2) и, таким образом, у этой пары пластин скомпенсирована кома. Поскольку величина астигматизма для второй пары плоскопараллельных пластин определяется выражением (5), то при выполнении соотношения (3) величины астигматизма первой и второй пары будут равны. Так как плоскость наклона третьей и четвертой плоскопараллельных пластин перпендикулярна плоскости наклона первой и второй плоскопараллельных пластин, то прохождение излучением третьей и четвертой плоскопараллельных пластин, приводит к компенсации астигматизма и, таким образом, устраняются аберрации во втором оптическом канале.
Если применяются плоскопараллельные пластины, изготовленные из одного материала, то аберрации заявляемой системы можно скомпенсировать в широкой спектральной области.
Система разделения оптических каналов может быть использована наиболее выгодно в приборах, обладающих большой светосилой, но небольшими углами поля зрения, так как в точке на оси аберрации, возникающие от плоскопараллельной пластины, устраняются полностью, а в точках лежащих вне оси, частично. Допустимое угловое поле зрения
определяется техническими требованиями, предъявляемыми к качеству изображения оптической системы.
Источники информации:
1) Н.П.Гвоздева, К.И.Коркина. Прикладная оптика и оптические измерения. М., «Машиностроение», 1976, стр. 350.
2) Прицел-прибор наведения 11013. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1465.00.00.000ТО, п.5.5. Описание оптико-кинематической схемы БОМ.
3) Н.П.Гвоздева, К.И.Коркина. Прикладная оптика и оптические измерения. М., «Машиностроение», 1976, стр. 305-306 (прототип).