Особенности построения многоспектральных оптических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Университет ИТМО

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Гаршин А.С.

Проводится анализ существующих схем построения многоспектральных оптических систем. Предлагается перспективная схема построения оптической системы, работающей одновременно в трёх спектральных диапазонах. Рассматривается методика синтеза многоспектральных оптических систем. Приводится пример рассчитанной системы. оптический спектральный зрачок объектив

Расширение спектрального диапазона работы оптических систем различного назначения является актуальной задачей развития оптотехники. Многоспектральные оптические системы (МОС) находят применение в таких областях как медицина, астрономия, экология, военная техника, промышленный и технический контроль и другие. Во всех этих областях существуют задачи, требующие получения изображения одного и того же предмета в разных спектральных диапазонах. Крупногабаритные МОС, рассматриваемые в данной работе, требуются в первую очередь в областях астрономии и военном деле. В случае построения крупногабаритных МОС наиболее остро встаёт вопрос выбора схемы их построения. Простейший принцип - использование нескольких автономных оптических систем с отдельными приёмниками - в случае большого размера апертуры прибора конструктивно и экономически неоправдан. На данный момент известны три основные схемы построения многоспектральных оптических систем:

· Системы с общим входным компонентом и сменными фильтрами/приёмниками.

· Системы с многодиапазонными приёмниками.

· Системы с общим входным компонентом и спектроделителями.

Рассмотрение особенностей каждой из схем построения наиболее удобно и наглядно осуществить на примерах известных научных статей и патентов. Известен объектив [1], схему построения которого можно отнести к первому типу. Данный объектив представляет собой модифицированную схему Ричи-Кретьена с линзовым корректором (рис.1).

Рис.1. Крупногабаритный многоспектральный объектив

Рабочий спектральный диапазон объектива 0.4 - 10 мкм. Переход от одного рабочего диапазона к другому производится переключением приёмников с учётом смещения фокальной плоскости. Корректор изготавливается из материала, прозрачного в широком спектральном диапазоне (BaF2). Таким образом, достигается работа объектива в широком диапазоне при минимуме элементов. С другой стороны, такое построение системы не позволяет работать более чем в одном диапазоне одновременно, что является недостатком всех систем, построенных по первой схеме. Также в данной системе отсутствует возможность использования приёмников с охлаждаемой диафрагмой для среднего и дальнего ИК диапазонов. Это будет ограничивать потенциальные характеристики прибора, построенного на базе такого объектива (в частности, соотношение сигнал-шум).

Известен объектив [2], работающий одновременно в двух спектральных диапазонах (рис.2).

Рис.2. Двухспектральный инфракрасный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой

Представленный объектив скорректирован одновременно в областях 3-5 и 8-12 мкм, что позволяет ему работать с двухдиапазонным приёмником излучения и получать изображение одного объекта в двух диапазонах одновременно. Такая система содержит достаточно много элементов, что объясняется необходимостью одновременной коррекции хроматических аберраций в двух диапазонах. Объектив рассчитан для использования с приёмниками с охлаждаемой диафрагмой, однако, на данный момент в нашей стране отсутствует производство двухспектральных приёмников, что влияет на перспективность применения данной схемы.

Известен двухспектральный объектив[4],оптическую схему которого можно отнести к третьему типу (рис.3).

Рис.3. Мультиспектральный объектив

Система работает в двух спектральных диапазонах: 0.6-0.9 мкм и 8-12 мкм. В данной схеме нет силового общего компонента, общим является лишь входное окно из селенида цинка, имеющего хорошее пропускание во всем требуемом диапазоне. Разделение спектральных каналов происходит при помощи германиевого спектроделителя, установленного под углом 45 градусов к оптической оси. К недостаткам такой схемы можно отнести большое количество элементов и невозможность применения приёмника с охлаждаемой диафрагмой в длинноволновом канале. Практически, такая система является примером простейшего принципа механического объединения нескольких систем, работающих в различных диапазонах.

Известен объектив[4], схему построения которого можно отнести к третьему типу. Система, состоящая из общего зеркального объектива и линзовых каналов, строит изображения одновременно в видимой и средней ИК областях спектра (рис.4).

Рис.4. Двухспектральный объектив

К недостаткам системы можно отнести использование наклонного спектроделителя в сходящемся пучке лучей, вносящего аберрации, которые не могут быть скомпенсированы аберрациями центрированных элементов. В этом случае необходимо использование цилиндрических линз, т.е. увеличение количества компонентов системы и уменьшения её пропускания.

Несмотря на эти недостатки, именно эта схема видится перспективной для создания многоспектральных систем, поскольку все эти недостатки могут быть устранены. А именно: спектроделитель, стоящий под углом к оптической оси должен устанавливаться в параллельном пучке лучей. В этом случае он не будет вносить аберраций нецентрированной системы, что позволит отказаться от использования лишних элементов (цилиндрических линз). Также видится возможным добавления третьего канала, работающего в дальней ИК области спектра с охлаждаемым приёмником.

На рис. 5 представлена схема предлагаемой многоспектральной оптической системы. Система имеет общий входной компонент - зеркальный объектив Кассегрена/Ричи-Кретьена. Спектроделитель 3 (установлен перпендикулярно оптической оси и не вносит больших аберраций) отражает видимую часть спектра и пропускает излучение в средней и дальней ИК областях. Линзовый компенсатор 4 позволяет получить необходимое качество изображения на приёмнике 5. Компонент 7 работает в обоих ИК диапазонах, формируя параллельный ход лучей, в который устанавливается спектроделитель 8. Объективы 9 и 11 формируют изображения на ИК приёмниках с охлаждаемыми диафрагмами 10 и 12. Коллектив 6 служит для согласования входного и выходного зрачков системы, а также для увеличения расстояния между компонентами 7 и 11. Таким образом, система позволяет одновременно работать в трёх спектральных диапазонах.

Рис.5. Схема построения многоспектральной оптической системы

Зная относительное отверстие системы и её угловое поле, можно выбрать целесообразное увеличение системы Кеплера (зеркальный объектив-коллектив-общий компонент 7), исходя из конструктивных соображений и коррекционных возможностей схемы. Габаритный расчёт произведём исходя из условия, что известно эквивалентное фокусное расстояние всей системы f'экв, диаметры входного D и D' выходного зрачков. Также выбраны фокусные расстояния зеркального объектива f'12 и общего компонента f'7.

Определяем положение выходного и входного зрачков для объектива 11:

,

,

Затем определяем положение выходного и входного зрачков для общего компонента 7, выбираем величину m из конструктивных соображений (т.е. достаточную для установки наклонного спектроделителя между компонентами 7 и 11):

,

,

Определяем положение выходного и входного зрачков для коллектива 6:

,

,

И находим фокусное расстояние коллектива 6:

,

На рис.6 представлен пример оптической схемы объектива [5], построенного по предлагаемой схеме.

Рис.6. Трёхканальная зеркально-линзовая оптическая система

Аберрационный расчёт такой системы наиболее удобно проводить по частям. Сначала рассчитывается зеркальный объектив по известным методикам (желательно, при коррекции полевых аберраций оставить у зеркального объектива высокое качество на оси для облегчения юстировки), а также компенсатор A. Общий объектив В может быть рассчитан как тонкий объектив из необходимого числа линз путём решения системы уравнений (масштаба, устранения хроматизма положения в двух диапазонах, кривизны изображения и т.д.) и дальнейшей оптимизации. Объективы С и D требуют предварительного габаритного расчёта с заданием положений входного и выходного зрачков, а также плоскости изображения. Коллектив 7 может быть рассчитан как мениск требуемой оптической силы из материала, имеющего приблизительно равные значения числа Аббе в обоих рабочих диапазонах.

Список литературы

1. Лебедев О.А., Сабинин В.Е., Солк С.В. Крупногабаритный многоспектральный объектив // «Оптический журнал». - 2011. - Т. 78 №11. - с.24-27

2. Хацевич Т.Н., Терешин Е.А. Двухспектральный инфракрасный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмы // Патент РФ № 2410733. 2010

3. Патент US 7248401 B2, 2005. Common-aperture multispectral objective.

4. Патент US 5841574 A, 1998. Multi-spectral decentered catadioptric optical system.

5. Попова И.В., Цуканова Г.И., Гаршин А.С., Курнель Г.И., Егорова М.Г. Трёхканальная зеркально-линзовая оптическая система // Патент на полезную модель РФ №136198. 2013

Размещено на Allbest.ru