Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ик-области спектра
Телескоп может быть использован в оптических системах тепловизоров, в том числе, содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы. Телескоп имеет действительное и неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа. Положительный объектив телескопа включает положительный и отрицательный мениски, обращенные вогнутостью к плоскости выходного зрачка. В окуляре вторая отрицательная и третья двояковыпуклая подвижные линзы имеют по два фиксированных положения на оптической оси и малые подвижки вдоль оптической оси. Четвертый отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка. Последний положительный компонент - мениск, обращенный вогнутостью к выходному зрачку. Все преломляющие поверхности выполнены сферическими. Передний фокус окуляра при меньшем увеличении является действительным, при большем - мнимым. Параметры телескопа связаны соотношениями, указанными в формуле изобретения. Технический результат - повышение технологичности оптических деталей, снижение трудоемкости изготовления, улучшение условий фиксации подвижных объектов при смене увеличения при сохранении дифракционного качества изображения. 5 ил., 10 табл.
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к инфракрасным (ИК) телескопическим (афокальным) системам со сменой увеличения для дальней ИК-области спектра, и может быть использовано в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.
При смене увеличения в тепловизорах обычно реализуется два увеличения: при малом увеличении и соответственно широком поле осуществляется поиск объектов наблюдения; при большом увеличении и узком поле - распознавание объектов.
Известны оптические системы инфракрасных телескопов для дальней ИК-области спектра, в которых дискретная смена увеличения осуществляется путем выведения из нее дополнительных компонентов. Так, оптическая система инфракрасного телескопа [Патент РФ №2199143, 2003. Телескоп с дискретным изменением увеличения для дальней ИК-области спектра], обеспечивающая кратность смены увеличения, равную трем, содержит восемь линз, три из которых выводятся из хода лучей при смене увеличения, при этом компоненты имеют две асферические поверхности. Основной недостаток таких телескопов - наличие дополнительных линз, ведущее к повышению стоимости и снижению коэффициента пропускания, а также увеличение габаритных размеров.
Известны оптические системы инфракрасных телескопов для дальней ИК-области спектра, в которых смена увеличения осуществляется путем перемещения компонентов вдоль оптической оси [ЕПВ №0278777, 1988. Dual magnification infra-red telescope]. Оптическая система этого телескопа, обеспечивающая двукратное изменение увеличения, содержит также 10 линз. Основной недостаток - большое количество линзовых компонентов, снижающее коэффициент пропускания излучения, а также потеря объекта при смене увеличения.
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра [Патент РФ №2172971, 2001. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями], содержащий линзовые положительные объектив и окуляр, имеющий действительное и неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа, включающий расположенные по ходу лучей первый положительный компонент, в состав которого входит положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, вторую отрицательную подвижную линзу, имеющую два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, третью двояковыпуклую линзу, четвертый отрицательный мениск и последнюю положительную линзу, при этом отношение радиусов кривизны второй поверхности четвертого отрицательного мениска и первой поверхности первого положительного мениска по абсолютной величине не менее 0,2. Телескоп содержит три асферические поверхности и дифракционный оптический элемент на одной из них, а именно: первая поверхность третьей положительной линзы, первая поверхность последней положительной линзы и вторая поверхность первого положительного мениска являются асферическими, на последней из них сформирован дифракционный оптический элемент в виде киноформа. Телескоп имеет двукратную смену увеличения: узкое поле 4° при увеличении 9,2х; широкое поле 8° при увеличении 4,6х.
Основным недостатком прототипа является наличие в телескопе большого числа нетехнологичных поверхностей: асферических и киноформа, что повышает трудоемкость изготовления и стоимость инфракрасного телескопа. Кроме того, при перемещении второй отрицательной подвижной линзы вдоль оптической оси из одного фиксированного положения в другое происходит потеря объекта из поля зрения, что создает трудности при фиксации подвижных объектов.
Достижение дифракционного качества изображения при одновременном соблюдении специфического для сканирующих тепловизоров требования по уменьшению эффекта Нарцисса от преломляющих поверхностей в оптической системе инфракрасного телескопа - прототипа с двумя увеличениями при выполнении всех его поверхностей сферическими невозможно из-за наличия больших остаточных аберраций, из которых наибольшее значение имеют хроматизм положения, сферическая аберрация и аберрации главных лучей и широких пучков лучей. Влияние этих аберраций становится еще существеннее при повышении кратности смены увеличения более двух; последнее часто бывает необходимым для создания оптимальных условий по обнаружению и распознаванию объектов в инфракрасном диапазоне спектра.
Предложен инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающимися по величине не менее чем в два раза, содержащий линзовые положительные объектив и окуляр, имеющий действительное и неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа. Телескоп включает расположенные по ходу лучей первый положительный компонент, в состав которого входит положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, вторую отрицательную подвижную линзу, имеющую два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, третью двояковыпуклую линзу, четвертый отрицательный мениск и последнюю положительную линзу, при этом отношение радиусов кривизны второй поверхности четвертого отрицательного мениска и первой поверхности первого положительного мениска по абсолютной величине не менее 0,2. В первый положительный компонент дополнительно введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенный на малом расстоянии за положительным мениском и выполненный из материала с большей величиной дисперсии, чем у материала положительного мениска, образующий совместно с ним положительный объектив телескопа. Третья двояковыпуклая линза выполнена подвижной, имеющей два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях. Четвертый отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка. Последний положительный компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка. Все преломляющие поверхности объектива и окуляра выполнены сферическими. В предлагаемом телескопе передний фокус окуляра, включающего вторую отрицательную подвижную линзу, третью двояковыпуклую линзу, четвертый отрицательный и последний положительный мениски, при меньшем увеличении является действительным, при большем - мнимым, и имеют место следующие соотношения:
где Ф7 - оптическая сила отрицательного мениска объектива;
Ф1 - оптическая сила объектива;
s'F'ок I - задний фокальный отрезок окуляра в первом фиксированном положении (большее увеличение, узкое поле);
s'F'ок II - задний фокальный отрезок окуляра во втором фиксированном положении (меньшее увеличение, широкое поле);
s'F'ок - задний фокальный отрезок окуляра;
s'P' - удаление выходного зрачка телескопа от последней поверхности окуляра;
R1(3) - радиус первой по ходу лучей преломляющей поверхности третьей двояковыпуклой подвижной линзы;
R2(3) - радиус второй по ходу лучей преломляющей поверхности третьей двояковыпуклой подвижной линзы.
Предлагаемый инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра позволяет при сохранении дифракционного качества изображения обеспечить более высокие технические характеристики: повысить технологичность оптических деталей, снизить трудоемкость изготовления, улучшить условия фиксации подвижных объектов при смене увеличения.
Более высокие технические характеристики предлагаемого инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:
- в первый положительный компонент дополнительно введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенный на малом расстоянии за положительным мениском, выполненный из материала с большей величиной дисперсии, чем у материала положительного мениска, и образующий совместно с ним положительный объектив телескопа, при этом имеет место следующее соотношение:
где Ф7 - оптическая сила отрицательного мениска объектива;
Ф1 - оптическая сила объектива;
- третья двояковыпуклая линза выполнена подвижной, имеющей два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, при этом имеют место следующее соотношение:
где R1(3) - радиус первой по ходу лучей преломляющей поверхности третьей двояковыпуклой подвижной линзы;
R2(3) - радиус второй по ходу лучей преломляющей поверхности третьей двояковыпуклой подвижной линзы;
- четвертый отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка, а последний положительный компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка;
- все преломляющие поверхности объектива и окуляра выполнены сферическими, при этом передний фокус окуляра, включающего вторую отрицательную подвижную линзу, третью двояковыпуклую линзу, четвертый отрицательный и последний положительный мениски, при меньшем увеличении является действительным, при большем - мнимым и имеют место следующие соотношения:
где s'F'ок I - задний фокальный отрезок окуляра в первом фиксированном положении (большее увеличение, узкое поле);
s'F'ок II - задний фокальный отрезок окуляра во втором фиксированном положении (меньшее увеличение, широкое поле);
s'F'ок - задний фокальный отрезок окуляра;
s'P' - удаление выходного зрачка телескопа от последней поверхности окуляра.
Введение в первый положительный компонент отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенного на малом расстоянии за положительным мениском и использование для отрицательного мениска материала с большей величиной дисперсии, чем у материала положительного мениска, образующего совместно с ним положительный объектив телескопа при соблюдении указанного соотношения (1) позволяет устранить хроматизм положения в телескопе и обеспечить устранение аберраций широких наклонных пучков в объективе телескопа.
Выполнение третьей двояковыпуклой линзы подвижной, имеющей два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, способствует сохранению видимости объектов наблюдения между двумя фиксированными положениями в телескопе, что позволяет улучшить условия фиксации подвижных объектов при смене увеличения. Малые подвижки третьей двояковыпуклой линзы вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях позволяют упростить конструктивную реализацию термокомпенсации в условиях реальных температур эксплуатации и перефокусировку на конечные расстояния до объектов наблюдения. Соблюдение указанных соотношений (2) способствует уменьшению эффекта Нарцисса от поверхностей третьей линзы.
Ориентация четвертого отрицательного мениска выпуклостью к плоскости выходного зрачка и выполнение последнего положительного компонента в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка, дает возможность уменьшить астигматизм и кривизну изображения инфракрасного телескопа и при соблюдении указанных соотношений (3) влиять на аберрации широких наклонных пучков в окуляре для двух увеличений инфракрасного телескопа, уменьшив тем самым необходимость исправления указанных аберраций в объективе инфракрасного телескопа и улучшив их взаимную компенсацию, а также уменьшить влияние эффекта Нарцисса от преломляющих поверхностей указанных менисков на качество изображения.
Выполнение всех преломляющих поверхностей объектива и окуляра телескопа сферическими позволяет повысить технологичность оптических деталей, снизить трудоемкость изготовления инфракрасного телескопа.
Выполнение переднего фокуса окуляра, включающего вторую отрицательную подвижную линзу, третью двояковыпуклую линзу, четвертый отрицательный и последний положительный мениски, при меньшем увеличении действительным, при большем - мнимым при одновременном выполнении указанных соотношений (3) позволяет реализовать между объективом и окуляром ход главных лучей, близкий к телецентрическому, что способствует обеспечению малой величины дисторсии, неизменное положение плоскости выходного зрачка при смене увеличения, уменьшению влияния эффекта Нарцисса от преломляющих поверхностей окуляра телескопа на качество изображения.
Предлагаемая совокупность отличительных признаков позволяет обеспечить в инфракрасном телескопе для дальней ИК области спектра с двумя увеличениями, отличающимися по величине не менее чем в два раза, высокую технологичность оптических деталей, низкую трудоемкость изготовления последних, улучшить условия фиксации подвижных объектов при смене увеличения при одновременном сохранении качества изображения, близкого к дифракционному, приемлемой величины эффекта Нарцисса и отсутствии дисторсии.
Авторам не известны оптические системы инфракрасных телескопов с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающими по величине не менее чем в два раза, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому данная система инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра обладает существенными отличиями.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1а - Оптическая схема инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра для узкого поля;
Фиг.1б - Оптическая схема инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра для широкого поля;
Фиг.2а - Частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле);
Фиг.2б - ЧКХ инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (широкое поле);
Фиг.3а - ЧКХ инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (узкое поле);
Фиг.3б - ЧКХ инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (широкое поле);
Фиг.4а - Дисторсия инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле);
Фиг.4б - Дисторсия инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (широкое поле);
Фиг.5а - Дисторсия инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (узкое поле);
Фиг.5б - Дисторсия инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (широкое поле);
На фиг.1а и 1б изображена предлагаемая оптическая схема инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра соответственно для узкого и широкого полей в пространстве предметов.
Оптическая система содержит линзовые положительные объектив и окуляр, имеющий действительное и неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа. Телескоп включает расположенные по ходу лучей первый положительный компонент 1, вторую отрицательную подвижную линзу 2, третью двояковыпуклую линзу 3, четвертый отрицательный мениск 4 и последний мениск 5. Первый положительный компонент 1 состоит из положительного мениска 6 и отрицательного мениска 7, обращенных вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенных на малом расстоянии друг относительного друга, при этом мениск 7 выполнен из материала с большей величиной дисперсии, чем у материала мениска 6, образующий совместно с ним положительный объектив телескопа, при этом имеет место вышеприведенное соотношение (1). Отрицательная подвижная линза 2 имеет два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, показанных на фиг.1а и 1б, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях. Двояковыпуклая линза 3 выполнена подвижной, имеющей два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, показанных на фиг.1а и 1б, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях. Отрицательный мениск 4 обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка. Положительная линза 5 выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка. Отношение радиусов кривизны второй поверхности отрицательного мениска 4 и первой поверхности положительного мениска 6 по абсолютной величине не менее 0,2. Все преломляющие поверхности объектива и окуляра выполнены сферическими.
Вторая отрицательная подвижная линза 2, третья двояковыпуклая линза 3, четвертый отрицательный мениск 4 и последний мениск 5 образуют окуляр инфракрасного телескопа, при этом передний фокус окуляра при меньшем увеличении является действительным, при большем - мнимым и имеют место вышеприведенные соотношения (2) и (3).
Инфракрасное излучение, идущее от каждой точки удаленного объекта, проходя последовательно компоненты 1, 2, 3, 4, 5 телескопа, выходит из выходного зрачка телескопа параллельными пучками. При этом в фиксированных положениях компонентов 2 и 3, соответствующих схеме, представленной на фиг.1а, обеспечивается узкое поле обзора в пространстве предметов (т.е. большее угловое увеличение телескопа), а в фиксированных положениях, соответствующих схеме, представленной на фиг.1б, - широкое поле обзора в пространстве предметов (т.е. меньшее угловое увеличение телескопа). В процессе перемещения двух компонентов 2 и 3 из одного фиксированного положения в другое обеспечивается возможность наблюдения объектов, т.е. объект не исчезает из поля зрения наблюдателя, что облегчает фиксацию подвижных объектов.
Для осуществления термокомпенсации в условиях реальных температур эксплуатации и для перефокусировки на конечные расстояния до объектов наблюдения используются малые по величине подвижки компонентов 2 и (или) 3 вдоль оптической оси в фиксированных положениях.
В качестве конкретных примеров исполнения инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра в таблицах 1-10 приведены конструктивные параметры оптических систем телескопов с двумя увеличениями, отличающимися по величине в три и четыре раза, а также значения ЧКХ и дисторсии для каждой системы в двух фиксированных положениях ее перемещающихся компонентов, подтверждающие высокое качество изображения, даваемое инфракрасными телескопами.
| Таблица 1 | ||||||
| Конструктивные параметры инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающимися по величине в три раза (γ1=4,67x; 2ω1=3°40'; γ2=1,56х; 2ω2=10°50'; D'=10,2 мм) | ||||||
| Поз. | № пов | R, мм | d, мм | Материал | ||
| узкое поле | широкое поле | |||||
| 1 | 6 | 1 | 110,710 | 10,00 | 10,00 | Германий |
| 2 | 159,630 | 8,00 | 8,00 | |||
| 7 | 3 | 350,834 | 8,00 | 8,00 | ZnSe | |
| 4 | 285,783 | 65,50 | 120,11 | |||
| 2 | 5 | 1320,996 | 3,00 | 3,00 | Германий | |
| 6 | 135,955 | 68,94 | 5,00 | |||
| 3 | 7 | 128,092 | 5,80 | 5,8 | Германий | |
| 8 | -150,000 | 4,22 | 13,55 | |||
| 4 | 9 | -34,767 | 5,00 | 5,00 | ZnSe | |
| 10 | -46,843 | 2,18 | 2,18 | |||
| 5 | 11 | 33,292 | 4,40 | 4,4 | Германий | |
| 12 | 31,860 | 20,00 | 20,00 |
| Таблица 2 | ||||||
| Конструктивные параметры инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающимися по величине в четыре раза (γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; γ2=1,17х; 2ω2=14°26'; D'=10,2 мм) | ||||||
| Поз. | № пов. | R, мм | d, мм | Материал | ||
| узкое поле | широкое поле | |||||
| 1 | 6 | 1 | 106,323 | 10,00 | 10,00 | Германий |
| 2 | 147,611 | 8,00 | 8,00 | |||
| 7 | 3 | 185,763 | 8,00 | 8,00 | ZnSe | |
| 4 | 160,546 | 65,46 | 111,19 | |||
| 2 | 5 | -256,951 | 3,00 | 3,00 | Германий | |
| 6 | 324,522 | 77,14 | 5,00 | |||
| 3 | 7 | 253,170 | 5,80 | 5,80 | Германий | |
| 8 | -150,00 | 12,98 | 39,38 | |||
| 4 | 9 | -25,378 | 5,00 | 5,00 | ZnSe | |
| 10 | -31,824 | 2,19 | 2,19 | |||
| 5 | 11 | 33,134 | 4,40 | 4,40 | Германий | |
| 12 | 35,327 | 20,00 | 20,00 |
| Таблица 3 | |||||
| ЧКХ инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле - γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; D'=10,2 мм) | |||||
| Частота, мм-1 | Точка на оси | ω=1° | ω1=1°50' | ||
| М | S | М | S | ||
| 10,0 | 0,69 | 0,66 | 0,69 | 0,65 | 0,66 |
| 20,0 | 0,41 | 0,38 | 0,42 | 0,36 | 0,39 |
| 30,0 | 0,20 | 0,17 | 0,20 | 0,15 | 0,18 |
| 40,0 | 0,05 | 0,04 | 0,05 | 0,03 | 0,04 |
| 50,0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| Таблица 4 | |||||
| ЧКХ инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (широкое поле - γ2=1,56х; 2ω2=10°50' D'=10,2 мм) | |||||
| Частота, мм-1 | Точка на оси | ω=3° | ω2=5°25' | ||
| М | S | М | S | ||
| 10,0 | 0,66 | 0,66 | 0,66 | 0,63 | 0,66 |
| 20,0 | 0,40 | 0,39 | 0,41 | 0,33 | 0,40 |
| 30,0 | 0,19 | 0,17 | 0,19 | 0,14 | 0,18 |
| 40,0 | 0,04 | 0,04 | 0,04 | 0,03 | 0,03 |
| 50,0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| Таблица 5 | |||||
| ЧКХ инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (узкое поле - γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; D'=10,2 мм) | |||||
| Частота, мм-1 | Точка на оси | ω=1° | ω1=1°50' | ||
| М | S | М | S | ||
| 10,0 | 0,65 | 0,65 | 0,66 | 0,61 | 0,65 |
| 20,0 | 0,40 | 0,38 | 0,39 | 0,35 | 0,37 |
| 30,0 | 0,19 | 0,18 | 0,19 | 0,14 | 0,19 |
| 40,0 | 0,04 | 0,04 | 0,04 | 0,03 | 0,04 |
| 50,0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| Таблица 6 | |||||
| ЧКХ инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (широкое поле - γ2=1,17х; 2ω2=14°16'; D'=10,2 мм) | |||||
| Частота, мм-1 | Точка на оси | ω=4°30' | ω2=7°13' | ||
| М | S | М | S | ||
| 10,0 | 0,67 | 0,68 | 0,69 | 0,64 | 0,68 |
| 20,0 | 0,39 | 0,42 | 0,42 | 0,37 | 0,42 |
| 30,0 | 0,20 | 0,19 | 0,20 | 0,16 | 0,18 |
| 40,0 | 0,05 | 0,04 | 0,04 | 0,03 | 0,04 |
| 50,0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
| Таблица 7 | |
| Дисторсия инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле - γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; D'=10,2 мм) | |
| ω1, отн. ед. | Относительная дисторсия, % |
| 0,2 | 0,04 |
| 0,4 | 0,17 |
| 0,6 | 0,35 |
| 0,8 | 0,66 |
| 1,0 | 0,70 |
| Таблица 8 | |
| Дисторсия инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (широкое поле - γ2=1,56х; 2ω2=10°50' D'=10,2 мм) | |
| ω2, отн. ед. | Относительная дисторсия, % |
| 0,2 | 0,01 |
| 0,4 | 0,04 |
| 0,6 | 0,10 |
| 0.8 | 0,17 |
| 1.0 | 0,28 |
| Таблица 9 | |
| Дисторсия инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (узкое поле - γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; D'=10,2 мм) | |
| ω1, отн. ед. | Относительная дисторсия, % |
| 0,2 | 0,02 |
| 0,4 | 0,09 |
| 0,6 | 0,17 |
| 0,8 | 0,24 |
| 1,0 | 0,23 |
| Таблица 10 | |
| Дисторсия инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (широкое поле - γ2=1,17х; 2ω2=14°26'; D'=10,2 мм) | |
| ω2, отн. ед. | Относительная дисторсия, % |
| 0,2 | -0,04 |
| 0,4 | -0,14 |
| 0,6 | -0,30 |
| 0,8 | -0,45 |
| 1,0 | -0,52 |
В таблице 1 приведены конструктивные параметры инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающимися по величине в три раза. В первом фиксированном положении угловое увеличение телескопа γ1=4,67х, угловое поле в пространстве предметов 2ω1=3°40'. Во втором положении - соответственно γ2=1,56х и 2ω2=10°50'. Диаметр выходного зрачка в первом и втором положении D'=10,2 мм. В таблице 1 позиция линз указана в соответствие с фиг.1а и 1б; № пов. - номер преломляющей поверхности по ходу луча; R - радиус преломляющих поверхностей; d - толщины линз и воздушных промежутков. Значения толщин указаны для двух фиксированных положений: для узкого и широкого полей в пространстве предметов. Значение толщины, указанное в последней строке таблицы, соответствует положению апертурной диафрагмы (выходного зрачка) инфракрасного телескопа.
Как следует из таблицы 1, в оптической системе инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающимися по величине в три раза, выполняются следующие соотношения между параметрами:
т.е. соблюдаются вышеприведенные соотношения (1)-(3).
В таблице 2 приведены конструктивные параметры инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающимися по величине в четыре раза, при этом γ1=4,67х, 2ω1=3°40', γ2=1,17х, 2ω2=14°26', D'=10,2 мм. Обозначения аналогичны таблице 1.
Как следует из таблицы 2, в оптической системе инфракрасного телескопа с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающимися по величине в четыре раза, выполняются следующие соотношения между параметрами:
т.е. соблюдаются вышеприведенные соотношения (1)-(3).
В таблице 3 и на фиг.2а приведены ЧКХ инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле - γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; D'=10,2 мм). В таблице 3 коэффициенты передачи контраста указаны в относительных единицах для пространственных частот в диапазоне от 0 до 50 мм-1, отнесенных к фокальной плоскости идеального объектива с фокусным расстоянием 25 мм, расположенного по ходу лучей за выходным зрачком инфракрасного телескопа. Значения коэффициентов передачи контраста указаны для точки на оси и для двух значений углов: ω=1° и ω1=1°50'. Для внеосевых точек изображения коэффициенты передачи контраста приведены для меридионального (М) и сагиттального (S) сечений.
На фиг.2а по оси абсцисс отложены указанные значения пространственных частот, в мм-1; по оси ординат - значения коэффициентов передачи контраста, отн. ед. Графики ЧКХ представлены для точки на оси (обозначение «0») и для точек на краю поля зрения (обозначение «ω1») как для меридионального (м), так и сагиттального сечений (s). Для сравнения на фиг.2а приведена также ЧКХ безаберрационного объектива (обозначение «Дифр.»).
В таблице 4 и на фиг.2б приведены ЧКХ инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (широкое поле - γ2=1,56х; 2ω2=10°50'; D'=10,2 мм). Значения коэффициентов передачи контраста указаны для точки на оси и для двух значений углов: ω=3° и ω2=5°25'. Остальные обозначения в таблице 4 и на фиг.2б аналогичны таблице 3 и фиг.2а.
Для сравнения с прототипом отметим, что частоте 50 мм-1, отнесенной к фокальной плоскости идеального объектива с фокусным расстоянием 25 мм, соответствует частота 3 мин-1 в пространстве предметов инфракрасного телескопа. Как следует из таблиц 3, 4 и фиг.2а и 2б оптическая система инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения в каждом из фиксированных положений обеспечивает качество изображения, близкое к дифракционному.
В таблице 5 и на фиг.3а приведены ЧКХ инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (узкое поле - γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; D'=10,2 мм). Расчет ЧКХ проведен совместно с идеальным объективом, установленным за выходным зрачком телескопа и имеющим фокусное расстояние 25 мм. Обозначения аналогичны таблице 3 и фиг.2а.
В таблице 6 и на фиг.3б приведены ЧКХ инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (широкое поле - γ2=1,17х; 2ω2=14°26'; D'=10,2 мм). Расчет ЧКХ проведен совместно с идеальным объективом, установленным за выходным зрачком телескопа и имеющим фокусное расстояние 25 мм. Значения коэффициентов передачи контраста указаны для точки на оси и для двух значений углов: ω=4°30' и ω2=7°13'. Остальные обозначения аналогичны таблице 3 и фиг.2а.
Как следует из таблиц 5, 6 и фиг.3а и 3б оптическая система инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения в каждом из фиксированных положений обеспечивает качество изображения, близкое к дифракционному.
В таблице 7 приведены значения относительной дисторсии инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (узкое поле - γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; D'=10,2 мм) для различных значений углов ω1, а на фиг.4а - график дисторсии. По оси ординат отложены углы ω1, отн. ед., а по оси абсцисс - относительная дисторсия, %.
В таблице 8 приведены значения относительной дисторсии инфракрасного телескопа с 3-кратной сменой увеличения (широкое поле - γ2=1,56х; 2ω2=10°50'; D'=10,2 мм) для различных значений углов ω2, а на фиг.4б - график дисторсии. По оси ординат отложены углы ω2, отн. ед., а по оси абсцисс - относительная дисторсия, %.
Величина дисторсии в инфракрасном телескопе с 3-кратной сменой увеличения не превышает 0,7%, что является приемлемым для использования инфракрасного телескопа в оптических системах тепловизоров, содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.
В таблице 9 приведены значения относительной дисторсии инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (узкое поле - γ1=4,67х; 2ω1=3°40'; D'=10,2 мм) для различных значений углов ω1, а на фиг.5а - график дисторсии. По оси ординат отложены углы ω1, отн. ед., а по оси абсцисс - относительная дисторсия, %.
В таблице 10 приведены значения относительной дисторсии инфракрасного телескопа с 4-кратной сменой увеличения (широкое поле - γ2=1,17х; 2ω2=14°26'; D'=10,2 мм) для различных значений углов ω2, а на фиг.5б - график дисторсии. По оси ординат отложены углы ω2, отн. ед., а по оси абсцисс - относительная дисторсия, %.
Величина дисторсии в инфракрасном телескопе с 4-кратной сменой увеличения не превышает 0,52%, что является приемлемым для использования инфракрасного телескопа в оптических системах тепловизоров
Таким образом, предлагаемый инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков, в сравнении с прототипом позволяет при сохранении дифракционного качества изображения обеспечить более высокие технические характеристики: повысить технологичность оптических деталей, снизить трудоемкость изготовления, улучшить условия фиксации подвижных объектов при смене увеличения.
Предлагаемый инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра может быть использован в оптических системах тепловизоров, в том числе содержащих сканирующие элементы, устанавливаемые в выходном зрачке телескопической системы.
Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра, отличающимися по величине не менее чем в два раза, содержащий линзовые положительные объектив и окуляр, имеющий действительное и неизменяемое при смене увеличения положение выходного зрачка за окуляром телескопа, включающий расположенные по ходу лучей первый положительный компонент, в состав которого входит положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, вторую отрицательную подвижную линзу, имеющую два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, третью двояковыпуклую линзу, четвертый отрицательный мениск и последнюю положительную линзу, при этом отношение радиусов кривизны второй поверхности четвертого отрицательного мениска и первой поверхности первого положительного мениска по абсолютной величине не менее 0,2, отличающийся тем, что в первый положительный компонент дополнительно введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости выходного зрачка телескопа, расположенный на малом расстоянии за положительным мениском и выполненный из материала с большей величиной дисперсии, чем у материала положительного мениска, образующий совместно с ним положительный объектив телескопа, третья двояковыпуклая линза выполнена подвижной, имеющей два фиксированных положения на оптической оси для смены увеличения, а также малые подвижки вдоль оптической оси в этих фиксированных положениях, четвертый отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости выходного зрачка, последний положительный компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости выходного зрачка, все преломляющие поверхности объектива и окуляра выполнены сферическими, при этом передний фокус окуляра, включающего вторую отрицательную подвижную линзу, третью двояковыпуклую линзу, четвертый отрицательный и последний положительный мениски, при меньшем увеличении является действительным, при большем - мнимым, и имеют место следующие соотношения:
где Ф7 - оптическая сила отрицательного мениска объектива;
Ф1 - оптическая сила объектива;
s'F'ок I - задний фокальный отрезок окуляра в первом фиксированном положении (большее увеличение, узкое поле);
s'F'ок II - задний фокальный отрезок окуляра во втором фиксированном положении (меньшее увеличение, широкое поле);
s'F'ок - задний фокальный отрезок окуляра;
s'P' - удаление выходного зрачка телескопа от последней поверхности окуляра;
R1(3) - радиус первой по ходу лучей преломляющей поверхности третьей двояковыпуклой подвижной линзы;
R2(3) - радиус второй по ходу лучей преломляющей поверхности третьей двояковыпуклой подвижной линзы.
