Например, Бобцов

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПРИЗМЫ ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ШИРОКИХ ПОЛЕЙ ОБЗОРА

УДК 621.383
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПРИЗМЫ ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ШИРОКИХ ПОЛЕЙ ОБЗОРА

© 2010 г. М. В. Дорофеева, канд. техн. наук НПО “Государственный институт прикладной оптики”, г. Казань E-mail: postmaster@gipo.kazan.ru

Рассмотрена работа прямоугольной сканирующей призмы, установленной внутри сферического обтекателя. Показано влияние параметров и взаимного расположения призмы и обтекателя на качество изображения оптической системы в процессе сканирования зоны обзора.

Ключевые слова: сканирование, прямоугольная призма, сферический обтекатель.

Коды OCIS: 200.0220; 200.0200

Поступила в редакцию 01.10.2009

При решении ряда научных и практических задач возникает необходимость в обзоре полусферической (или близкой к ней) зоны пространства. В частности, такой обзор требуется в приборах обнаружения различного рода малоразмерных теплоизлучающих объектов. В качестве сканирующего устройства в подобных приборах возможно использование призмы-куб, расположенного перед объективом и вращающегося (или колеблющегося) относительно двух взаимно перпендикулярных осей, одна из которых совпадает с оптической осью объектива, а вторая – перпендикулярна главному сечению призмы. При очень компактной конструкции призма-куб работает только в параллельных пучках лучей, и при ее установке внутри сферического обтекателя требуется введение дополнительной перемещающейся линзы [1]. В отличие от призмы-куб прямоугольная призма с некоторыми ограничениями может применяться в сочетании со сферическим обтекателем.
На рис. 1 изображена оптическая схема прибора обнаружения. Она содержит защитный элемент (обтекатель) 1, сканирующую призму 2, объектив 3 и многоэлементный фотоприемник 4. Центр обтекателя O0 расположен на оптической оси объектива ОО. При вращении призмы вокруг оси O1 главный луч, вышедший из центра фотоприемника и прошедший через призму в обратном ходе, перемещается относительно точки O0, вследствие чего возникает децентрировка обтекателя относительно объекти-

ва. Ее значение зависит от угла поворота призмы α вокруг оси O1, размеров призмы и расстояния от точки O0 до оси O1. Поскольку сферический обтекатель обладает оптической силой, его децентрировка, а также изменяющийся наклон призмы относительно объектива влияют на качество изображения оптической системы.
В работах [2, 3] при расчете призмы, работающей в напряженных условиях и при больших полях зрения, рекомендуется использовать точные формулы, учитывающие параметры действительного проходящего через нее пучка лучей, который в большинстве случаев имеет форму кругового конуса. Исходными данными для расчета размеров сканирующей прямоугольной призмы являются зона обзора 2ω0,

1
2 O O0 O1

34 O

Рис. 1. Оптическая схема прибора обнаружения.

30 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010

угловое поле зрения объектива 2ω, диаметр пучка лучей d в месте расположения преломляющей грани призмы, обращенной к объективу, и показатель преломления материала призмы n.
Диапазон углов поворота призмы вокруг оси О1 составляет в общем случае Δα ≥ (ω0/2) – ω, а при обзоре полусферы – Δα ≥ (45° – ω) с учетом того, что отклонение луча призмой в два раза больше угла ее поворота. Длина хода луча в призме изменяется при сканировании и достигает максимального значения при минимальном угле между ее гипотенузной гранью и оптической осью системы, составляющем α1 ≤ ω/2. Поэтому габаритные размеры призмы следует численно определять при таком ее расположении.
На рис. 2 показан ход лучей через развертку призмы АВС в направлении от объектива. Ось О1 расположена на биссектрисе прямого угла В с целью уменьшения дисбаланса призмы при ее движении. Кроме указанных выше параметров, обозначено: z1 – смещение осевого луча при прохождении через развертку призмы, i1 и i′1, i2 и i2′ – соответственно, углы падения и преломления осевого и крайнего лучей, О1′ – изображение на развертке оси О1, O0 и O′0 соответственно, центр обтекателя и его изображение на развертке. Расстояние между точкой O0′ и направлением выходящего из развертки призмы осевого луча является значением децентрировки обтекателя e1 при данном расположении призмы.
Из треугольников ADE и ACE определим отрезок AE, а затем длину гипотенузной грани l призмы и длину ее катета c

AE = dcosω/cos(i1 + ω),

(1)

l = AC = AEcosi2′ /sin(45° – i′2) = = dcosi2′ cosω/[sin(45° – i2′ )cos(i1 + ω)], (2)

где i1 = 45° – α1, i2′ = arcsin{[(sin(i1 + ω)]/n},

c = AB = l/ 2.

(3)

Длина хода луча в призме, равная длине отрезка GK, определяется выражением

lх = c/cosi1′,

(4)

где i1′ = arcsin[(sini1)/n]. Изменение длины lх при максимальном из-
менении угла i1 (от 0 до 45°) составляет 0,134 с при n = 1,5 и 0,016 с при n = 4,0.
Графики, приведенные на рис. 3, дают на-
глядное представление о зависимости отношения
l/d от показателя преломления n при различ-

B

Д i2 E

i2

O

F i1 G

O1 O0

O

i1 A

Н O1

1
O0

C

d e1
z1

B Рис. 2. Развертка призмы.

l/d
10

8

4
6
3
2
4
1

2 2

3 n4

Рис. 3. Зависимости отношения l/d от показателя преломления n при различных углах ω. 1 – 0°, 2 – 5°, 3 – 10°, 4 – 15°.

ных углах ω. С целью уменьшения размеров призмы применительно к коническому пучку лучей с относительно большим углом ω следует использовать материал с большим n.
Для определения децентрировки обтекателя e1 вновь обратимся к рис. 2. Обозначим отрезок О1O0 = g. Его значение будем считать положительным при расположении точки O0 справа от точки О1 и отрицательным – при расположении слева от О1.
Из треугольников AFG и BGО1 найдем
BО1 = (csin(45° + α1) – d/2)/cosα1. (5)
Кроме того, из рассмотрения рисунка следует

О1О1′ = 2(BH – BO1) = 2(l/2 – BO1), O0O0′ = О1О1′ – 2gsinα1, e1 = z1 – O0O′0cosα1.

(6) (7) (8)

“Оптический журнал”, 77, 7, 2010

31

e, мм

4

6 05
4 3 –4 2
1

–8 10

20 30 , угл. град.

Рис. 4. Зависимости децентрировки обтекателя e от угла α при различных смещениях g. 1 – –1,5, 2 – 0, 3 – 1,5, 4 – 3,0, 5 – 4,5, 6 – 6,0 мм.

Известно, что поперечное смещение луча, проходящего через наклонную плоскопараллельную пластинку (в данном случае через развертку призмы, равную длине ее катета с), определяется по формуле [3]

( )z1 = csini1 1− cosi1/ n2−sin2i1 .

(9)

В общем случае при повороте призмы на произвольный угол α формулы (7–9) будут иметь вид

O0O0′ = О1О1′ – 2gsinα,
e = z – O0O′0cosα,
( )z = csini 1−cosi/ n2−sin2i ,

(10) (11)
(12)

где i = 45° – α. Рассмотрим изменение величины e как функ-
цию угла α на конкретном примере при следующих исходных данных: 2ω0 = 180°, 2ω = 26°, d = 12 мм, n = 3,424. Найдем α1 ≤ 6,5°. Приняв α1 = 5° (с учетом перекрытия угловых полей при

сканировании), получим: Δα = 35°, c = 26 мм. На рис. 4 приведены графики зависимости e от α при различных значениях g. Как видно, при смещении центра обтекателя в положительную сторону децентрировка на краю зоны обзора (при α = 40°) несколько увеличивается, в центре зоны (при α = 5°) заметно уменьшается и при некотором значении g может быть равна нулю. При этом увеличивается высота обтекателя, необходимая для пропускания пучков лучей на краю зоны обзора без виньетирования, а следовательно, сложность его изготовления. В ряде случаев целесообразно выбрать такое значение g, при котором влияние децентрировки примерно одинаково в центре и на краю зоны обзора.
Децентрировка обтекателя и наклон призмы вызывают появление дополнительных аберраций в точке изображения на оптической оси объектива, а именно, комы и астигматизма. В качестве иллюстрации рассмотрим оптическую систему с обтекателями из различных материалов с радиусами кривизны поверхностей 40 и 35 мм, призмой, параметры которой и углы поворота приведены выше, и объективом в виде безаберрационной параксиальной линзы с фокусным расстоянием 20 мм и относительным отверстием 1:2. Примем значение g = 1,2 мм, при котором абсолютное значение децентрировки одинаково для крайних углов поворота призмы и равно 4,1 мм. В таблице приведены результаты расчетов комы δуk′ , астигматизма (xs′ – x′m) и концентрации энергии F, сосредоточенной в кружке, равном кружку Эри, от бесконечно удаленного точечного источника при крайних положениях призмы. Расчеты выполнены с помощью пакета программ ZEMAX. Как видно, кома зависит от оптической силы обтекателя и примерно одинакова в центре и на краях зоны обзора. С увеличением угла наклона призмы к оптической оси объектива и с уменьшением модуля фокусного расстояния обтекателя | f0′ | астигматизм увеличивается, а концентрация энергии F уменьшается.

Результаты расчета комы, астигматизма и концентрации энергии при крайних положениях призмы для обтекателей, различающихся оптической силой

Материал обтекателя f0′, мм (λ = 4,5 мкм)

Керамика КО1

–1090,5

α, угл. град.
40 5

δуk′ , мкм
–5,1 5,5

(xs′ – xm′ ), мкм
–10,7 –11,9

F, %
82,6 82,3

Лейкосапфир

–709,7

40

–6,7

–13,3

81,8

5

6,8

–16,6

80,8

Германий

–372,7

40

–8,4

–11,6

80,9

5

8,9

–27,6

75,4

32 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010

Изменение длины хода луча в призме при сканировании в рассматриваемом примере составляет 0,018 с = 0,46 мм, что практически не вызывает расфокусировки изображения на фотоприемнике, поскольку обтекатель является слабой отрицательной линзой.
Окончательный выбор параметров сферического обтекателя и его расположения относительно сканирующей призмы может быть сделан на основании оценки качества изображения с реальным объективом в соответствии с требова-

ниями, предъявляемыми к оптической системе в целом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1966. 564 с.
2. Русинов М.М. Габаритные расчеты оптических систем. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 400 с.
3. Кожевников Ю.Г. Оптические призмы. М.: Машиностроение, 1975. 192 с.

“Оптический журнал”, 77, 7, 2010

33