Крупногабаритный многоспектральный объектив
УДК 681.7.015; 681.7.067 КРУПНОГАБАРИТНЫЙ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
© 2011 г.
О. А. Лебедев; В. Е. Сабинин, канд. хим. наук; С. В. Солк, канд. техн. наук
НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
E-mail: solk@sbor.net
Представлены оптическая схема и расчетные характеристики зеркально линзового объектива с апертурой 600 мм, относительным отверстием 1:3 и предназначенного для работы в области спектра 0,4–10 мкм.
Ключевые слова: крупногабаритный объектив, многоспектральный объектив, видимый и ИК спектральные диапазоны.
Коды OCIS: 110.0110, 350.1260
Поступила в редакцию 04.03.2011
В системах контроля космического пространства наряду с радиолокационными широко используются оптические системы, предназначенные для работы в сравнительно узких участках спектра и охватывающие в целом диапазон длин волн 0,8–13 мкм [1]. Требования к таким оптическим системам изложены в работах [1, 2]. Существуют различные подходы к проектированию подобных систем. Основное различие заключается в следующем – либо отдельная оптическая система создается для каждого спектрального диапазона, либо одна система работает в нескольких диапазонах. В работе [2] представлены две оптические схемы крупногабаритных (апертура 500 мм) светосильных (относительное отверстие 1:1,2) объективов для работы в спектральных диапазонах 1,8–2,6 и 3,2–4,2 мкм. Такой подход позволяет достигать высоких технических характеристик, получать хорошее качество изображения, но является при этом весьма затратным при производстве объективов.
Нами разработан объектив с апертурой 600 мм, относительным отверстием 1:3 и полем зрения 1°, работающий в спектральном диапазоне 0,4–10 мкм. Оптическая схема объектива приведена на рис. 1. Объектив представляет собой модифицированную схему Ричи–Кретьена с линзовым корректором. Коэффициент экранирования составляет 0,3. М одифицированная схема использована для того, чтобы отклонения параметров зеркал от теоретических вносили кому, которая компенсировала бы кому, вносимую линзовым коррек
600 179 52
тором [3]. Корректор является однолинзовым и в отличие от известных [3, 4] не является а фокальным.
По форме корректор выполнен в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к вторичному зеркалу. Мениск расположен на малом расстоянии (0,03–0,06 фокусного рас-
21
3
F
390,4 420 471,2
Рис. 1. Оптическая система объектива телескопа. 1 и 2 – зеркала, 3 – однолинзовый корректор (приведенные размеры – в мм).
24 “Оптический журнал”, 78, 11, 2011
Спектральный диапазон, мкм
0,4–0,8 1,8–2,7 3,2–4,2 4,5–5,3 8,0–10,0
Диаметр кружка рассеяния при концентрации энергии 83,8%, мм
Центр поля зрения, ω = 0°00′
Край поля зрения, ω = 0°30′
0,011
0,031
0,026 0,041 0,053
0,039 0,049 0,060
0,098
0,159
Коэффициент пропускания без учета центрального экранирования
0,68 0,74 0,85 0,87 0,82
стояния) от плоскости изображения и обладает небольшой (от –2,8 до –3,4) отрицательной оптической силой для исправления астигматизма и кривизны поверхности изображения. Хроматические аберрации положения и увеличения, вносимые однолинзовым корректором в рабочих спектральных диапазонах (окна прозрачности атмосферы), незначительны. Так, для линзового корректора, выполненного из BaF2, в спектральном диапазоне 0,4–0,8 мкм, остаточный продольный хроматизм, вноси-
мый корректором, составляет 8 мкм. Остаточный хроматизм увеличения для угла поля зрения 1° составляет 16 мкм. Остаточная дисторсия всей оптической системы не превышает 1%. Эффективное исправление перечисленных выше аберраций позволило увеличить с ветовые диаметры при минимальной длине оптической системы. Это заметно повысило светосилу и относительное отверстие объектива при существенно расширенном угле поля зрения, что ранее было недостижимо.
(а)
H Y1 Y0 Y2
(б) H
dX dY
(в) H dX dY
0,005
мм
0,02 мм
0,02 мм
(г) dis
Zs Zm
(д)
(е) Y1, 2
0,05 мм
0,02 мм
0,005
мм
Рис. 2. Графики геометрических аберраций для диапазона 0,4–0,8 мкм. а – сферическая аберрация для трех длин волн: 0,546 мкм – кривая Y0′, 0,4 мкм – кривая Y1′ , 0,8 мкм – кривая Y2′ ; б и в – полевые аберрации для полевых углов в пространстве предметов ω = 0,35° и ω = 0,5° соответственно (линейное поле
2Y′ = 32 мм); г – дисторсия; д – составляющие астигматизма Z′m (меридиональная) и Z′s (сагитталь-
ная); е – хроматизм увеличения для первой и второй длин волн – Y1′, 2.
“Оптический журнал”, 78, 11, 2011
25
(а)
H Y2
Y0 Y1
0,02 мм
(б) H dX dY
0,02 мм
(в) H dX dY
0,02 мм
(г) dis
(д) Zs Zm
(е) Y1,2
0,05 мм
0,02 мм
0,01 мм
Рис. 3. Графики геометрических аберраций для диапазона 8–10 мкм. а – сферическая аберрация для трех длин волн: 9 мкм – кривая Y0′ , 8 мкм – кривая Y1′, 10 мкм – кривая Y2′ ; б и в – полевые аберрации для полевых углов в пространстве предметов ω = 0,35° и ω = 0,5° соответственно (линейное поле
2Y′ = 32 мм); г – дисторсия; д – составляющие астигматизма Z′m (меридиональная) и Z′s (сагитталь-
ная); е – хроматизм увеличения для первой и второй длин волн – Y1′, 2.
Применение однолинзового корректора по- из инвара, титана или алюминия составит 0,4,
зволяет использовать для его изготовления 2,4, 6,7 мм соответственно. Компенсация мо-
м атериалы, которые прозрачны в широком жет осуществляться перемещением вторичного
спектральном диапазоне без нанесения допол- зеркала. Наибольшее перемещение будет при
нительных просветляющих покрытий. В на- изготовлении корпуса объектива из алюминия
шем случае был использован BaF2. Такой подход позволяет, меняя приемники излучения
и составит 0,6 мм. Диаметр пятен рассеяния при этом изменится не более чем на 5%.
в зависимости от задач и условий наблюдения
Опыт нашего предприятия по проектирова-
или используя спектроделители, применять нию и изготовлению крупногабаритных объ-
один объектив для работы в нескольких спект ективов показывает, что главное и вторичное
ральных диапазонах.
зеркала телескопа могут быть изготовлены
В таблице приведены диаметры пятен рас из ситалла или церодура с высокой степенью
сеяния и коэффициенты пропускания для о блегчения. Разгрузка типа Ласселя главного
спектральных диапазонов 0,4–0,8; 1,8–2,7; зеркала позволяет осуществлять сканирование
3,2–4,2; 4,5–5,3 и 8–10 мкм в центре и по полю. по азимуту (0–360°) и углу места (0–90°). Отра-
На рис. 2 и 3 приведены графики геометриче- жающее покрытие зеркал (алюминий с защи-
ских аберраций для спектральных диапазо- той) позволяет получить отражение 85% в ви-
нов: 0,4–0,8 и 8–10 мкм.
димом и 96% в ИК диапазонах.
Смещение плоскости изображения при из-
На оптическую систему с описанным выше
менении температуры в пределах ±40° в слу- компенсатором подана заявка на патент
чае изготовления деталей корпуса объектива № 2010152188 от 20.12.2010.
* * * * *
26 “Оптический журнал”, 78, 11, 2011
ЛИТЕРАТУРА
1. Гришин Е.А., Миловидов В.Л., Шаргородский В.Д. Современное состояние инфракрасных систем наблюдения за космическими объектами с земли // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 1. С. 3–17.
2. Потапова Н.И., Стариков А.Д., Цветков А.Д. Светосильный зеркально-линзовый объектив для инфракрасного диапазона // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 4. С. 76–81.
3. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976. 512 с.
4. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. Л.: Машиностроение, 1968. 312 с.
“Оптический журнал”, 78, 11, 2011
27
© 2011 г.
О. А. Лебедев; В. Е. Сабинин, канд. хим. наук; С. В. Солк, канд. техн. наук
НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
E-mail: solk@sbor.net
Представлены оптическая схема и расчетные характеристики зеркально линзового объектива с апертурой 600 мм, относительным отверстием 1:3 и предназначенного для работы в области спектра 0,4–10 мкм.
Ключевые слова: крупногабаритный объектив, многоспектральный объектив, видимый и ИК спектральные диапазоны.
Коды OCIS: 110.0110, 350.1260
Поступила в редакцию 04.03.2011
В системах контроля космического пространства наряду с радиолокационными широко используются оптические системы, предназначенные для работы в сравнительно узких участках спектра и охватывающие в целом диапазон длин волн 0,8–13 мкм [1]. Требования к таким оптическим системам изложены в работах [1, 2]. Существуют различные подходы к проектированию подобных систем. Основное различие заключается в следующем – либо отдельная оптическая система создается для каждого спектрального диапазона, либо одна система работает в нескольких диапазонах. В работе [2] представлены две оптические схемы крупногабаритных (апертура 500 мм) светосильных (относительное отверстие 1:1,2) объективов для работы в спектральных диапазонах 1,8–2,6 и 3,2–4,2 мкм. Такой подход позволяет достигать высоких технических характеристик, получать хорошее качество изображения, но является при этом весьма затратным при производстве объективов.
Нами разработан объектив с апертурой 600 мм, относительным отверстием 1:3 и полем зрения 1°, работающий в спектральном диапазоне 0,4–10 мкм. Оптическая схема объектива приведена на рис. 1. Объектив представляет собой модифицированную схему Ричи–Кретьена с линзовым корректором. Коэффициент экранирования составляет 0,3. М одифицированная схема использована для того, чтобы отклонения параметров зеркал от теоретических вносили кому, которая компенсировала бы кому, вносимую линзовым коррек
600 179 52
тором [3]. Корректор является однолинзовым и в отличие от известных [3, 4] не является а фокальным.
По форме корректор выполнен в виде мениска, обращенного выпуклой поверхностью к вторичному зеркалу. Мениск расположен на малом расстоянии (0,03–0,06 фокусного рас-
21
3
F
390,4 420 471,2
Рис. 1. Оптическая система объектива телескопа. 1 и 2 – зеркала, 3 – однолинзовый корректор (приведенные размеры – в мм).
24 “Оптический журнал”, 78, 11, 2011
Спектральный диапазон, мкм
0,4–0,8 1,8–2,7 3,2–4,2 4,5–5,3 8,0–10,0
Диаметр кружка рассеяния при концентрации энергии 83,8%, мм
Центр поля зрения, ω = 0°00′
Край поля зрения, ω = 0°30′
0,011
0,031
0,026 0,041 0,053
0,039 0,049 0,060
0,098
0,159
Коэффициент пропускания без учета центрального экранирования
0,68 0,74 0,85 0,87 0,82
стояния) от плоскости изображения и обладает небольшой (от –2,8 до –3,4) отрицательной оптической силой для исправления астигматизма и кривизны поверхности изображения. Хроматические аберрации положения и увеличения, вносимые однолинзовым корректором в рабочих спектральных диапазонах (окна прозрачности атмосферы), незначительны. Так, для линзового корректора, выполненного из BaF2, в спектральном диапазоне 0,4–0,8 мкм, остаточный продольный хроматизм, вноси-
мый корректором, составляет 8 мкм. Остаточный хроматизм увеличения для угла поля зрения 1° составляет 16 мкм. Остаточная дисторсия всей оптической системы не превышает 1%. Эффективное исправление перечисленных выше аберраций позволило увеличить с ветовые диаметры при минимальной длине оптической системы. Это заметно повысило светосилу и относительное отверстие объектива при существенно расширенном угле поля зрения, что ранее было недостижимо.
(а)
H Y1 Y0 Y2
(б) H
dX dY
(в) H dX dY
0,005
мм
0,02 мм
0,02 мм
(г) dis
Zs Zm
(д)
(е) Y1, 2
0,05 мм
0,02 мм
0,005
мм
Рис. 2. Графики геометрических аберраций для диапазона 0,4–0,8 мкм. а – сферическая аберрация для трех длин волн: 0,546 мкм – кривая Y0′, 0,4 мкм – кривая Y1′ , 0,8 мкм – кривая Y2′ ; б и в – полевые аберрации для полевых углов в пространстве предметов ω = 0,35° и ω = 0,5° соответственно (линейное поле
2Y′ = 32 мм); г – дисторсия; д – составляющие астигматизма Z′m (меридиональная) и Z′s (сагитталь-
ная); е – хроматизм увеличения для первой и второй длин волн – Y1′, 2.
“Оптический журнал”, 78, 11, 2011
25
(а)
H Y2
Y0 Y1
0,02 мм
(б) H dX dY
0,02 мм
(в) H dX dY
0,02 мм
(г) dis
(д) Zs Zm
(е) Y1,2
0,05 мм
0,02 мм
0,01 мм
Рис. 3. Графики геометрических аберраций для диапазона 8–10 мкм. а – сферическая аберрация для трех длин волн: 9 мкм – кривая Y0′ , 8 мкм – кривая Y1′, 10 мкм – кривая Y2′ ; б и в – полевые аберрации для полевых углов в пространстве предметов ω = 0,35° и ω = 0,5° соответственно (линейное поле
2Y′ = 32 мм); г – дисторсия; д – составляющие астигматизма Z′m (меридиональная) и Z′s (сагитталь-
ная); е – хроматизм увеличения для первой и второй длин волн – Y1′, 2.
Применение однолинзового корректора по- из инвара, титана или алюминия составит 0,4,
зволяет использовать для его изготовления 2,4, 6,7 мм соответственно. Компенсация мо-
м атериалы, которые прозрачны в широком жет осуществляться перемещением вторичного
спектральном диапазоне без нанесения допол- зеркала. Наибольшее перемещение будет при
нительных просветляющих покрытий. В на- изготовлении корпуса объектива из алюминия
шем случае был использован BaF2. Такой подход позволяет, меняя приемники излучения
и составит 0,6 мм. Диаметр пятен рассеяния при этом изменится не более чем на 5%.
в зависимости от задач и условий наблюдения
Опыт нашего предприятия по проектирова-
или используя спектроделители, применять нию и изготовлению крупногабаритных объ-
один объектив для работы в нескольких спект ективов показывает, что главное и вторичное
ральных диапазонах.
зеркала телескопа могут быть изготовлены
В таблице приведены диаметры пятен рас из ситалла или церодура с высокой степенью
сеяния и коэффициенты пропускания для о блегчения. Разгрузка типа Ласселя главного
спектральных диапазонов 0,4–0,8; 1,8–2,7; зеркала позволяет осуществлять сканирование
3,2–4,2; 4,5–5,3 и 8–10 мкм в центре и по полю. по азимуту (0–360°) и углу места (0–90°). Отра-
На рис. 2 и 3 приведены графики геометриче- жающее покрытие зеркал (алюминий с защи-
ских аберраций для спектральных диапазо- той) позволяет получить отражение 85% в ви-
нов: 0,4–0,8 и 8–10 мкм.
димом и 96% в ИК диапазонах.
Смещение плоскости изображения при из-
На оптическую систему с описанным выше
менении температуры в пределах ±40° в слу- компенсатором подана заявка на патент
чае изготовления деталей корпуса объектива № 2010152188 от 20.12.2010.
* * * * *
26 “Оптический журнал”, 78, 11, 2011
ЛИТЕРАТУРА
1. Гришин Е.А., Миловидов В.Л., Шаргородский В.Д. Современное состояние инфракрасных систем наблюдения за космическими объектами с земли // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 1. С. 3–17.
2. Потапова Н.И., Стариков А.Д., Цветков А.Д. Светосильный зеркально-линзовый объектив для инфракрасного диапазона // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 4. С. 76–81.
3. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976. 512 с.
4. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. Л.: Машиностроение, 1968. 312 с.
“Оптический журнал”, 78, 11, 2011
27