ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ТЕЛЕСКОП С ДВУМЯ УВЕЛИЧЕНИЯМИ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
FOUR-COMPONENT TELESCOPE WITH TWO MAGNIFICATION POWER VALUES FOR FAR INFRARED SPECTRUM

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в оптических системах тепловизионных приборов в качестве афокальной системы, используемой для увеличения эквивалентного фокусного расстояния оптической системы, организации смены увеличения и установки сканирующего элемента в выходном зрачке телескопа.
х
х
Известна оптическая система телескопа с двумя увеличениями для дальней инфракрасной (ИК) области спектра, содержащая пять линз [Патент РФ 2172971, 2001. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями]. В ней три поверхности из десяти являются асферическими, одна из поверхностей выполнена в виде дифракционного оптического элемента. Для смены увеличения используется перемещение вдоль оптической оси второй по ходу лучей линзы из одного фиксированного положения в другое. В телескопе реализуется двукратная смена увеличения (узкое поле 4° при увеличении 9,2; широкое поле 8° при увеличении 4,6). Основным недостатком этого телескопа является сложность конструкции, а именно: наличие сложных в изготовлении, нетехнологичных поверхностей.
Известны оптические системы инфракрасных телескопов, содержащих четыре линзы [Патент США 6274868, 2001. Фиг.20, фиг.8]. Каждый из телескопов обеспечивает одно из увеличений: 2,78 или 0,22 крата. При этом смена увеличения в тепловизионной системе в целом осуществляется путем переключения с помощью дополнительного зеркала и включения в ход лучей одного из телескопов. Недостаток аналога - сложность конструкции и большие габаритные размеры из-за наличия нескольких телескопов для решения задачи смены увеличения.
Известен инфракрасный телескоп, который содержит 10 линз и обеспечивает двукратную смену увеличения [ЕПВ №0278777, 1988. Dual magnification infra-red telescope]. Для организации смены увеличения используется перемещение вдоль оптической оси двух линз, размещенных внутри оптической схемы, из одного фиксированного положения в другое без сохранения равенства расстояний между вершинами их преломляющих поверхностей. Основной недостаток аналога - большое число линз, что усложняет конструкцию и снижает коэффициент пропускания излучения.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому изобретению является четырехкомпонентный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра [Патент РФ №2348955, 2009 г. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, таблица 1], имеющий неизменное при смене увеличения положение выходного зрачка за телескопом, содержащий оптически связанные установленные по ходу лучей первый и последний неподвижные компоненты и две подвижные одиночные линзы, расположенные между ними, при этом первый по ходу компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка, первая перемещающаяся линза имеет отрицательную оптическую силу, вторая перемещающаяся линза имеет положительную оптическую силу, подвижные линзы перемещаются в противоположных направлениях и имеют по два фиксированных положения на оптической оси, элементы оптической системы изготовлены из двух марок материалов и имеют сферические преломляющие поверхности. Первый по ходу компонент выполнен в виде двух линз, каждая из которых имеет форму мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости выходного зрачка. Первая перемещающаяся отрицательная линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка. Вторая перемещающаяся линза выполнена двояковыпуклой. Последний неподвижный компонент выполнен из отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклыми сторонами друг к другу, при этом оптическая сила компонента является отрицательной. Соотношение оптических сил двух подвижных линз в первом (большее увеличение, узкое поле зрения) и втором (меньшее увеличение, широкое поле зрения) фиксированных положениях составляет 1:0,34. Отношение оптических сил компонентов составляет, начиная с первого компонента, соответственно: 1:(-2,2):4,75:(-0,32). Линзы первого и последнего компонентов выполнены из материалов с показателями преломления 4,0 и 2,5 и отношением коэффициентов средних дисперсий в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм не менее 20. Подвижные линзы выполнены из материала с показателем преломления 4,0. Масса оптических деталей телескопа составляет 580 г.
Данное устройство телескопа обеспечивает трехкратную смену увеличений. Однако недостатком наиболее близкого аналога является наличие большого числа преломляющих поверхностей (шесть одиночных линз), что усложняет конструкцию, повышает массу, снижает коэффициент пропускания излучения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание технологичной конструкции с высокими техническими характеристиками.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении пропускания системы, снижении массы и упрощении конструкции за счет уменьшения числа линз в системе при сохранении качества изображения, близкого к дифракционному, и трехкратного перепада увеличений.
Для решения указанной задачи необходимо найти такое сочетание оптических сил, показателей преломления, коэффициентов основных средних дисперсий, а также форм линз и характера перемещений подвижных линз в четырехкомпонентном телескопе с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, чтобы при условии выполнения каждого компонента в виде одиночной линзы обеспечить такую коррекцию остаточных аберраций в системе, при которой полихроматическая частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) и функция концентрации энергии (ФКЭ) в пятне имели высокие значения, близкие к дифракционному пределу, в пределах всего поля зрения в каждом из двух фиксированных положений подвижных компонентов при сохранении величины перепада увеличений в телескопе.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в известном инфракрасном телескопе с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, имеющем неизменное при смене увеличения положение выходного зрачка за телескопом, содержащем оптически связанные установленные по ходу лучей первый и последний неподвижные компоненты и две подвижные одиночные линзы, расположенные между ними, при этом первый по ходу компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка, первая перемещающаяся линза имеет отрицательную оптическую силу, вторая перемещающаяся линза имеет положительную оптическую силу, подвижные линзы перемещаются в противоположных направлениях и имеют по два фиксированных положения на оптической оси, элементы оптической системы имеют сферические преломляющие поверхности и изготовлены из двух марок материалов, первый по ходу лучей компонент выполнен в виде одиночного мениска, первая перемещающаяся линза выполнена двояковогнутой, вторая перемещающаяся линза выполнена в виде мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости выходного зрачка, последний неподвижный компонент выполнен в виде одиночного положительного мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости выходного зрачка. Перемещающиеся линзы выполнены из различных материалов. Отношение оптических сил системы подвижных линз в первом и втором фиксированных положениях составляет 1:(0,4÷0,5). Оптические силы компонентов, начиная с первого компонента, относятся как 1:-(0,15÷0,10):(2,6÷3,2):(1,7÷2,4). Первая подвижная линза выполнена из материала с показателем преломления не менее 3,2, остальные линзы телескопа - из материала с показателем преломления 4,0, при этом коэффициенты относительных средних дисперсий материалов в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм отличаются не более чем в 12 раз.
На фиг.1а и 1б приведена оптическая схема четырехкомпонентного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра соответственно для первого и второго фиксированных положений подвижных линз.
На фиг.2а и 2б показаны ЧКХ четырехкомпонентного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра соответственно для первого и второго фиксированных положений подвижных линз для примера реализации.
На фиг.3а и 3б показаны графики среднеквадратической волновой аберрации (волновой RMS) для четырехкомпонентного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра соответственно для первого и второго фиксированных положений подвижных линз для примера реализации.
На фиг.4а и 4б приведены ФКЭ четырехкомпонентного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра соответственно для первого и второго фиксированных положений подвижных линз для примера реализации.
Четырехкомпонентный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра (фиг.1а) содержит четыре оптически связанных компонента 1, 2, 3, 4, расположенных по ходу лучей. Первый положительный компонент 1 выполнен в виде одиночного положительного мениска, ориентированного вогнутой стороной к плоскости выходного зрачка телескопа. Вторая отрицательная линза 2 имеет двояковогнутую форму и выполнена подвижной вдоль оптической оси. Третья линза 3 имеет форму положительного мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости выходного зрачка, и также выполнена подвижной вдоль оптической оси. Компонент 4 выполнен в виде одиночного положительного мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости выходного зрачка телескопа. Все линзы имеют сферические преломляющие поверхности. В положении линз, соответствующем показанному на фиг.1а, обеспечивается большее по абсолютной величине угловое увеличение телескопа и, соответственно, узкое поле зрения в пространстве предметов. В положении линз, показанном на фиг.1б, в котором подвижные линзы 2 и 3 находятся во втором фиксированном положении, обеспечивается меньшее по абсолютной величине угловое увеличение телескопа и, соответственно, широкое поле зрения в пространстве предметов. Отношение оптических сил системы подвижных линз в первом и втором фиксированных положениях составляет 1:(0,4÷0,5). Оптические силы линз 1, 2, 3, 4 относятся как 1:-(0,15÷0,10):(2,6÷3,2):(1,7÷2,4). Подвижная линза 2 выполнена из материала с показателем преломления не менее 3,2, остальные линзы телескопа - из материала с показателем преломления 4,0, при этом коэффициенты относительных средних дисперсий материалов в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм отличаются не более чем в 12 раз.
При работе телескопа линзы 2 и 3 перемещаются вдоль оптической оси в противоположных направлениях из одного фиксированного положения в другое без сохранения постоянства расстояния между вершинами их преломляющих поверхностей. При этом линзы 1 и 4, а также положение апертурной диафрагмы, являющейся выходным зрачком телескопа, остаются неподвижными. В результате происходит изменение углового увеличения афокальной системы и изменение углового поля в пространстве предметов (реализация широкого или узкого полей зрения). В выходной зрачок может устанавливаться сканирующий элемент при использовании телескопа в системе тепловизионного прибора.
В таблице приведен пример конкретного исполнения четырехкомпонентного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, содержащего четыре одиночные линзы, оптические силы и форма выполнения которых соответствуют вышенайденным соотношениям, с использованием оптических материалов, соответствующих вышеуказанным сочетаниям показателей преломления и коэффициентов основных средних дисперсий в рабочем спектральном диапазоне. Все линзы имеют сферические преломляющие поверхности.
Параметры примера реализации четырехкомпонентного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра(γ<sub>1</sub>=-8,5<sup>х</sup>; 2ω<sub>1</sub>=3°50<sup>/</sup>; γ<sub>2</sub>=-2,8<sup>x</sup>; 2ω<sub>2</sub>=10°30<sup>/</sup>)
Номер линз в соответствии с фиг.1а и 1б
Относительная оптическая сила
Расстояние вдоль оптической оси в соответствии с фиг.1а
Расстояние вдоль оптической оси в соответствии с фиг.1б
Материал линз
1
1,00
0,639
0,901
Ge
2
-0,125
0,702
0,095
GaAs
3
2,89
0,090
0,435
Ge
4
1,88
0,191*
0,191*
Ge
* Расстояние до выходного зрачка.
В таблице приняты следующие обозначения:
1
γ - угловое увеличение телескопа при положениях линз, соответствующих схеме на фиг.1а (узкое поле обзора);
1
1
2ω - угловое поле в пространстве предметов при увеличении γ;
2
γ - угловое увеличение телескопа при положениях линз, соответствующих схеме на фиг.1б (широкое поле обзора);
2
2
2ω - угловое поле в пространстве предметов при увеличении γ.
1
1
2
2
х
/
x
/
В положении линз, соответствующем показанному на фиг.1а, телескоп обеспечивает угловое увеличение γ=-8,5 и угловое поле в пространстве предметов 2ω=3°50. В положении линз, соответствующем показанному на фиг.1б, телескоп обеспечивает угловое увеличение γ=-2,8 и угловое поле в пространстве предметов 2ω=10°30, т.е. при перемещении линз 2 и 3 вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое обеспечивается трехкратная смена увеличений. Линзы 2 и 3 перемещаются в противоположных направлениях. Положение выходного зрачка не меняется при смене увеличения и составляет 0,191 от фокусного расстояния линзы 1. Входной зрачок телескопа в положении линз, показанном на фиг.1а, совмещен с линзой 1, что позволяет минимизировать диаметр линзы 1, имеющей наибольший диаметр среди линз 1-4, при этом относительное отверстие линзы 1 составляет 1:1,17. Входной зрачок телескопа в положении линз, показанном на фиг.1б, располагается также вблизи линзы 1. Указанные в таблице оптические силы линз 1, 2, 3, 4 в примере реализации относятся как 1:-0,125:2,89:1,88. Отношение оптических сил системы подвижных линз в первом и втором фиксированных положениях (соответственно показанных на фиг.1а и 1б) в соответствии с таблицей составляет 1:0,34. Линза 1 выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости выходного зрачка, линза 2 выполнена двояковогнутой, линза 3 имеет форму мениска, обращенного выпуклой стороной к плоскости выходного зрачка, линза 4 - мениск, обращенный вогнутой стороной к плоскости выходного зрачка. Подвижная линза 2 выполнена из материала с показателем преломления 3,3 (GaAs), остальные линзы телескопа - из материала с показателем преломления 4,0 (Ge), при этом коэффициенты относительных средних дисперсий материалов в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм составляют 106 и 1160, т.е. отличаются в 10,9 раза. Таким образом, в конкретном примере исполнения выполняются все количественные соотношения, заявляемые выше. Масса оптических деталей телескопа составляет 290 г, что почти вдвое меньше массы оптики наиболее близкого аналога.
Точные значения оптических сил, радиусов преломляющих поверхностей и толщин вдоль оптической оси под конкретные значения показателей преломления и коэффициентов основных средних дисперсий материалов по каталогам производителей оптических материалов, прозрачных в дальней ИК-области спектра, заданных с точностью 4-6 значащих цифр после запятой, устанавливаются стандартной оптимизацией по методу наименьших квадратов, входящей в состав всех современных программ для оптических расчетов.
Анализ примера реализации телескопа проведен в программе для расчета оптических система Zemax. Для удобства анализа качества изображения, даваемого телескопом, при расчетах после него введена дополнительная параксиальная линза (идеальный объектив) с фокусным расстоянием 25 мм.
На фиг.2а и 2б приведены ЧКХ телескопа совместно с указанной параксиальной линзой для различных точек поля. По оси абсцисс отложена пространственная частота, отнесенная к задней фокальной плоскости указанной дополнительной параксиальной линзы.
1
1
1
1
2
-1
На фиг.2а кривые, обозначенные ωm и ωs, соответствуют меридиональному (m) и сагиттальному (s) сечениям пучков лучей для точки на краю изображения; кривые, обозначенные 0,7ωm и 0,7ωs, соответствуют точке на зоне; кривая, обозначенная 0, соответствует точке на оси; кривая с обозначением «дифр.» соответствует безаберрационной ЧКХ для точки на оси. Обозначения на фиг.2б выполнены аналогично, но только для положений подвижных линз, соответствующих широкому полю зрения 2ω. Из приведенных графиков следует, что коэффициенты передачи контраста для пространственной частоты 20 мм лежат в диапазоне от 0,25 до 0,45 для всех точек поля как при узком поле зрения, так и при широком поле зрения телескопа, т.е. близки к дифракционному пределу.
0
1
2
Наряду с ЧКХ, интегральной характеристикой качества изображения может служить волновая RMS аберрация, выраженная в долях основной длины волны, графики которой приведены на фиг.3а и 3б соответственно для положений подвижных линз, приведенных на фиг.1а и 1б (соответственно для узкого поля зрения и для широкого поля зрения), для различных точек поля зрения. Графики приведены как для монохроматических (обозначения λ, λ и λ соответствуют основной длине волны, первой и второй дополнительной длинам волн рабочего спектрального диапазона конкретного охлаждаемого приемника излучения), так и для полихроматической (обозначение «полихром») волновой RMS.
Как следует из фиг.2а и 2б, значения волновой RMS удовлетворяют критерию Марешаля для качественных оптических систем.
На фиг.4а и фиг.4б приведены ФКЭ в примере реализации соответственно для первого и второго фиксированных положений подвижных линз, рассчитанные совместно с указанной дополнительной параксиальной линзой. В пятне радиусом 0,020 мм концентрируется не менее 70% энергии для любой точки поля как в первом, так и во втором положениях подвижных линз.
Расчетные интегральные характеристики качества изображения, приведенные на фиг.2, 3 и 4, свидетельствуют о сохранении высокой степени коррекции монохроматических и хроматических аберраций, достигаемой при соблюдении заявляемых соотношений оптических сил, показателей преломления, коэффициентов основной средней дисперсии, форм линз и характера перемещений последних при организации смены увеличений в четырехкомпонентном телескопе с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, т.е. подтверждают сохранение дифракционно ограниченного качества изображения и перепада увеличений при выполнении каждого компонента телескопа в виде одиночных линз.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение основано на впервые установленной заявителями зависимости между оптическими силами, показателями преломления, коэффициентами основной средней дисперсии, формой линз и характером перемещений линз из одного фиксированного положения в другое в четырехкомпонентном телескопе с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра.
Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом заявленный четырехкомпонентный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра обеспечивает более простую конструкцию, более высокий коэффициент пропускания и меньшую массу за счет использования только четырех одиночных линз.
Использование предлагаемого четырехкомпонентного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра позволяет создать более технологичную конструкцию тепловизионной системы в целом, обеспечив при этом более высокие технические характеристики.
Литература
1. Патент РФ 2172971, 2001. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями.
2. Патент США 6274868, 2001.
3. ЕПВ №0278777, 1988. Dual magnification infra-red telescope.
4. Патент РФ №2348955, 2009 г. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра (наиболее близкий аналог).