ФИЗИКА PHYSICS
инфракрасные объективы с действительным выходным зрачком
Гаршин А.С., Цуканова Г.И.
ОАО «ГИРООПТИКА», Санкт-Петербург, Россия
В статье рассмотрены варианты построения оптических схем объективов с действительным выходным зрачком, работающих с охлаждаемыми приёмниками. Произведены габаритные расчёты схем и приведены примеры аберрационных расчётов. Также найдена перспективная схема построения многоспектральных оптических систем.
Ключевые слова: инфракрасные объективы, охлаждаемые приёмники, охлаждаемая диафрагма, выходной зрачок, коллектив, кривизна поля, многоспектральные системы.
INFRARED LENsEs wITH THE REAL ExIT pupil Garshin A.S., Zukanova G.I.
Joint-stock company GYROOPTICS Ltd., Saint-Petersburg, Russia
The article deals with the options for building optical schemes of infrared lenses with the real exit pupil. Overall calculation schemes have been determined and examples aberration calculations are shown. Also was found a promising scheme for the construction of multispectral optical systems.
Keywords: infrared lenses, cooled detectors, cooled stop, real exit pupil, field lens, field curvative, multispectral systems.
На данный момент такие сферы деятельности как военное дело и медицина невозможно представить без инфракрасных систем, также те-пловизионные приборы начинают играть все большую роль в процессах технического контроля и диагностики в строительстве, энергетике, металлургии, судостроении и т.д. Для всех этих задач необходимы системы визуализации, т.е. системы, принимающие сигналы в инфракрасной области спектра и преобразующие их в видимые изображения. Для этого совместно с оптической системой используются матричные (МПИ) либо линейные приёмники излучения[1, с. 140].
Если для работы системы необходимы большая частота кадров, к параметрам МПИ предъявляется ряд требований. Большая частота кадров в сочетании с большим количеством элементов требуют обеспечения высокой тактовой частоты, т.е. частоты считывания сигнала с отдельного элемента, а значит, приёмники должны быть малоинерционными и высокочувствительными. Сегодня этим требованиям в наибольшей степени соответствуют охлаждаемые МПИ.
Охлаждаемые приёмники, помимо охлаждения собственно фоточувствительного слоя, имеют охлаждаемую диафрагму, расположенную на некотором расстоянии перед самим фоточувствительным слоем[4, с. 4]. Такая диафрагма позволяет снизить уровень радиационного шума (вызванного флуктуациями фотонов), что особенно важно для инфракрасных систем, работающих в длинноволновом ИК-диапазоне с источниками слабых сигналов, сравнимых с этим шумом.
Поскольку для большинства задач военного применения необходимы объективы, работающие именно с охлаждаемыми приёмниками, проблема их расчёта остаётся актуальной. На данный момент не существует единой методики расчёта такого типа оптических систем.
При разработке оптических систем, работающих с охлаждаемыми приёмниками, важно учесть два основных требования:
• роль апертурной диафрагмы оптической системы должна играть охлаждаемая диафрагма приёмника, т.е. система должна иметь действительный выходной зрачок
• входной зрачок системы желательно должен находиться на первом элементе.
На рис. 1 приведены схемы двух систем, выполняющих первое требование. Система а) однокомпонентная, система б) двухкомпонентная, обе имеют одинаковый размер входного зрачка. В однокомпонентной
системе из-за того, что входной зрачок мнимый и расположен на большом расстоянии за системой (формула Ньютона [2, с. 48]), световой диаметр объектива значительно превышает диаметр входного зрачка. В случае двухкомпонентной системы, входной зрачок находится на первом элементе, т.е. при использовании такого построения системы можно добиться согласования зрачков. Именно такой принцип построения используется для расчёта приведенных далее схем.
Рис. 1. Системы с апертурной диафрагмой в пространстве изображений: а) однокомпонентная и б) двухкомпонентная
Рассмотрены три схемы построения оптической системы с действительным выходным зрачком.
На рис. 2 показана первая схема построения системы. состоит из первого положительного компонента, формирующего промежуточное изображение, и второго положительного компонента, проецирующего это изображение на ФПУ, а входной зрачок с первого компонента - на материальную диафрагму приёмника. Проведём габаритный расчёт схе-
мы, исходя из того, что нам известны фокусное расстояние объектива ^экв, размер входного зрачка Д размер выходного зрачка D' и расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображения р'.
Рис. 2. Первая схема построения системы
Зададим фокусное расстояние первого компонента как свободный параметр. Тогда эквивалентное фокусное расстояние всей системы равно:
Увеличение в зрачках в 2 равно:
D' а'
ßp2 ~ FT =
р'2 CL'2 ~ Р'
D а„2 а2 - f 1
1р 2
Составим систему уравнений, в которой неизвестными параметрами являются а и а':
Решив её, получим значения переднего и заднего отрезков второго компонента:
По формуле отрезков найдём фокусное расстояние второго компонента [2, с. 49]:
Такая схема является простейшей для построения подобного рода объективов, так как содержит только 2 компонента, причём оба компонента положительные, т.е. исправлять кривизну изображения в такой системе нечем.
На рис. 3 показана вторая схема построения системы. Она отличается от первой наличием коллектива, установленного в плоскости промежуточного изображения. Коллектив имеет положительную оптическую силу и предназначен для согласования зрачков.
а2 =
Я' */'! + р' *£
Л
Г,
-щ рЩ
Рис. 3. Вторая схема построения системы
Проведём габаритный расчёт системы, исходя из того, что нам известны фокусное расстояние объектива^кв, размер входного зрачка Б, размер выходного зрачка D' и расстояние от апертурной диафрагмы до плоскости изображенияр'. Зададим фокусное расстояние первого компонента f¡ как свободный параметр, а выходной зрачок для удобства поместим на третий компонент.
Тогда из формулы линейного увеличения третьего компонента можно получить значение его переднего отрезка:
„ /'экв V' Л*р'
/' 1 а3 /'экв
Далее по формуле отрезков рассчитываем фокусное расстояние третьего компонента:
И аналогично рассчитываем фокусное расстояние второго компонента:
При первой схеме при заданном расстоянии от диафрагмы до плоскости изображения и выбранном фокусном расстоянии первого компонента, всегда получается одно решение, т.е. одно значение фокусного расстояния второго компонента. Здесь же, изменяя оптическую силу коллектива, можно управлять положением выходного зрачка относительно третьего компонента и менять его фокусное расстояние. Благодаря такому расположению коллектива можно добиться лучшей коррекции кривизны поля, чем в первой схеме.
Третья и последняя схема построения приведена на рис. 4. Она состоит из телескопической системы Кеплера и формирующего объектива. Коллектив, установленный в плоскости промежуточного изображения, имеет отрицательную оптическую силу и служит для согласования зрачков и увеличения выноса выходного зрачка телескопической системы. Также благодаря отрицательной силе он позволяет исправить кривизну поля [3, с. 39].
I
Рис. 4. Третья схема построения системы
Габаритный расчёт произведём исходя из условия, что нам известно эквивалентное фокусное расстояние объектива/'экд, диаметры входного Б и Б 'выходного зрачков. Также выбраны фокусные расстояния первого и третьего компонентов/'7 и/', и расстояние между третьим и четвертым компонентами т.
Определяем фокусное расстояние четвёртого компонента:
г, _ / экв * / з
/ 4 " г,
У 1
Определяем положение выходного и входного зрачков для четвёртого компонента:
а'р,4 = - р' _ а'р,4 * /'4
У 4 и р>4
Затем определяем положение выходного и входного зрачков для третьего компонента:
а'р/з = ар4 + т
_ а'уз * /'з
аР3 ~ г* _ а'
Уз а р>3
Определяем положение выходного и входного зрачков для второго компонента:
а'Р,2 = аРз + Гз ар2 =
И находим фокусное расстояние второго компонента:
ар2 * а'р2 2 ар2 - а'р2
При помощи такого построения системы достигается возможность поставить спектроделитель между окуляром системы Кеплера и формирующим объективом в параллельном пучке лучей. Таким образом, эта схема имеет перспективу для использования в качестве двухспектраль-ной или двухканальной, или в составе мультиспектральной оптической системы.
Для сравнения трёх схем построения, были выбраны исходные данные, типичные для данного типа систем:
фокусное расстояние 400 мм
относительное отверстие 1:2
Угловое поле в пространстве предметов 2°
спектральный диапазон 8-12 мкм
диаметр охлаждаемой диафрагмы приёмника 15 мм
Удаление диафрагмы от приёмника 30 мм входной зрачок на первом элементе
выходной зрачок на охлаждаемой диафрагме приёмника
Далее был произведён аберрационный расчёт примеров систем по трём схемам с помощью программы ZEMAX. На рисунках, представленных ниже, приведены результаты расчётов.
В линзовом варианте в качестве первого компонента используется ахромат из германия и селенида цинка, в зеркально-линзовом - объектив Ричи-Кретьена. Второй компонент в обоих случая состоит из трёх линз из германия с одной асферической поверхностью. Графики ЧКХ показывают, что даже при использовании асферики не удалось добиться дифракционного качества по всему полю, в основном из-за полевых аберраций - астигматизма и кривизны изображения. Астигматизм в данной схеме правился при помощи асферики, кривизну же править в принципе нечем.
Рис. 6. Частотно-контрастные характеристики систем,
Рис. 7. Примеры оптических систем, построенных по второй схеме
Рис. 8. Частотно-контрастные характеристики систем, построенных по второй схеме
Как видно из графиков ЧКХ, во второй схеме использование коллектива помогло добиться лучшей коррекции полевых аберраций, причём без использования асферической поверхности.
рис. 10. Частотно-контрастные характеристики систем, построенных по третьей схеме
В примерах расчётов по третьей схеме в оптические системы введены плоскопараллельные пластины из германия, которые могут играть роль спектроделителей в д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.