Например, Бобцов

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