Однолинзовый объектив

Важнейшей частью как приемной, так и передающей оптической системы любого ОЭП является объектив. В передающей системе объектив окончательно формирует пучок лучей, направляемый на исследуемый объект или в приемную оптическую систему. В приемной системе объектив служит в первую очередь для сбора энергии излучения и образования изображения исследуемого или наблюдаемого объекта (или пространства объектов). Требования к качеству этого изображения, а следовательно, и к объективу определяются задачами, решаемыми с помощью прибора, условиями его работы и конструктивными особенностями, свойственными каждому конкретному случаю.

Специфичны методы и особенно порядок расчета объективов приемных оптических систем ОЭП. Они заметно отличаются от тех, которые приняты при расчете визуальных систем.

Габаритный расчет всей приемной оптической системы ОЭП и объектива, в частности, чаще всего приходится начинать с выполнения энергетического расчета, целью которого в данном случае является определение необходимого размера входного зрачка системы, обычно его диаметра D. Помимо энергетических соотношений на выбор диаметра входного зрачка могут влиять такие факторы, как, например, необходимость перекрытия диапазона возможных колебаний приходящего пучка, уменьшение влияния флуктуации прозрачности атмосферы и др. Для увеличения уровня полезного сигнала- потока от излучателя малой площади всегда целесообразно увеличивать D, однако этому на практике препятствуют как трудности технологического или конструктивного характера (сложность изготовления, большие размеры и т.п.), так и принципиальные причины, например, трудность аберрационной коррекции при росте отношения D/f', увеличение влияния посторонних помех, усложнение конструкции других звеньев оптической системы.

После выбора диаметра входного зрачка, а правильнее, его площади, обычно рассчитывают или подбирают фокусное расстояние объектива f' и его относительное отверстие D/f'. Фокусное расстояние объектива является вторым важнейшим габаритным параметром. На его выбор влияют также аберрационные соотношения, т.е. требования к качеству изображения, так как после выбора D фокусное расстояние остается свободным параметром, которым можно варьировать. В измерительных оптико-электронных системах, особенно в высокоточных, фокусное расстояние, исходя из требования обеспечения необходимой точности линейных или угловых измерений, как правило, стремятся сделать возможно большим, если позволяют размеры прибора. При этом уменьшается погрешность измерения (слежения, наведения), обусловленная неточностью анализирующего или отсчетного устройства, устанавливаемого обычно в фокальной плоскости объектива. Например, если цена деления отсчетной сетки, установленной в этой плоскости, равна Δy, то соответствующий угол в угловом поле прибора составит

Δβ = Δy / f'. (5)

Очевидно, что по мере роста f' уменьшается значение Δβ. Если Δy – допуск на погрешность отсчетного устройства или анализатора, а f' – заданная угловая чувствительность прибора, то f' может быть найдено из (5): f' ≥ Δy / Δβ.

Угловое поле объектива обычно определяется техническим заданием на прибор, а также способом работы системы. В ряде случаев это поле выбирается малым, что позволяет улучшить энергетические соотношения между полезным сигналом и помехами. Для обеспечения просмотра больших углов в этом случае применяют сканирующие системы. При малых угловых полях легче обеспечить лучшее качество изображения за счет уменьшения полевых аберраций - комы, астигматизма, кривизны поля, дисторсии.

Определив значения важнейших габаритных параметров объектива, разработчик ОЭП может перейти к выбору его конструкции, после чего рассчитывается окончательное значение коэффициента пропускания объектива τ_ο.

При выборе конструкции объектива ОЭП на практике всегда приходится искать компромиссное решение, как с точки зрения улучшения пропускания, т.е. уменьшения потерь потока, так и исходя из требований обеспечения нужного качества изображения. Первое приводит к необходимости максимально упрощать систему, уменьшать число компонентов объектива; для обеспечения второго требования приходится применять достаточно сложные, многокомпонентные объективы.

Для оценки возможностей обеспечения этого компромисса кратко рассмотрим наиболее распространенные разновидности конструкций объективов ОЭС. Их можно разделить на три большие группы: линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые.

Простейший объектив - это одиночная линза. Основным ее недостатком является плохое качество изображения, так как ей присущи все виды аберраций, среди которых особенно существенны хроматизм и сферическая аберрация. Гораздо лучшее качество изображения за счет устранения хроматизма и уменьшения сферической аберрации и комы обеспечивают сравнительно простые двухлинзовые склеенные и несклеенные объективы. Их относительное отверстие обычно не превышает 1: 3 при угловом поле около 10° и диаметре входного зрачка не более 100…150 мм.

Для обеспечения хорошего качества изображения при больших угловых полях следует применять более сложные системы (триплеты, многокомпонентные объективы и т. д), обладающие меньшим пропусканием.

Преимущества линзовых систем по сравнению с зеркальными следующие: возможность хорошей аберрационной коррекции, большие угловые поля, технологическая простота конструкции (проще сборка и юстировка, большая нерасстраиваемость вследствие температурных воздействий и т. п.), возможность совмещения функций защитного стекла и первого компонента.

В то же время линзовым системам присущи такие недостатки, как высокое селективное поглощение в ряде участков оптического спектра, сравнительно большие хроматические аберрации, значительные продольные размеры и масса, большая стоимость некоторых оптических материалов, из которых изготовляют линзы для УФ и ИК диапазона, трудность осуществления оптико-механического сканирования.

Многих этих недостатков нет у зеркальных систем; основными достоинствами их являются возможность работы в широком спектральном диапазоне с небольшими потерями энергии излучения, а также отсутствие хроматизма и меньшие продольные размеры. Одиночное зеркало часто служит в качестве простейшего объектива, особенно если оно является параболическим. Довольно широко используются и более сложные зеркальные системы (система Гершеля, зеркальная система Кассегрена и др.), основным недостатком которых является экранирование части входного зрачка либо приемником, либо вторичными отражателями (контррефлекторами). При одинаковых значениях относительного отверстия зеркальная система обеспечит выигрыш в количестве собираемой энергии, если соблюдается неравенство

τ_з (D²-d²)>τ_лD²,

где τ_з и τ_л – коэффициенты пропускания зеркального и линзового объективов соответственно; d – диаметр экранирующей диафрагмы. Для большинства зеркальных систем характерна некоторая технологическая усложненность по сравнению с однотипными линзовыми объективами.

В последние годы в связи с развитием адаптивных оптических систем появились зеркальные системы с управляемым в процессе работы ОЭП профилем отражающей поверхности (составные зеркала, зеркала с синтезированной апертурой, гибкие зеркала и др.).

Многими преимуществами линзовых и зеркальных систем обладают зеркально-линзовые системы, которые кроме достаточно высокого пропускания могут иметь большие относительные отверстия и значительные угловые поля. В ряде таких систем довольно просто осуществляется оптико-механическое сканирование.

Широко используются в ОЭП зеркально-линзовые системы Максутова и Максутова-Кассегрена с мениском в качестве первого компонента. Мениски позволяют исправить сферическую аберрацию, кроме того, их можно сделать ахроматичными. Иногда поверхности зеркал в этих системах выполняются асферическими, а в ряде случае в них вводят и корригирующие линзы, помещаемые обычно вблизи фокальной плоскости объектива.

В качестве примера на рисунке 9 приведена схема объектива, в котором одна из отражающих поверхностей выполнена с отклонениями от сферы порядка 38…57 мкм, что позволило при относительном отверстии 1: 1,5, диаметре входного зрачка 16,6 см и угловом поле 5,8 сосредоточить 75% собираемой энергии в кружок диаметром 15 мкм.

Рисунок 9 – Схема зеркально-линзового объектива

За последние годы внимание разработчиков привлекли зеркала Манжена, в которых используется отражение от внутренней, а не от наружной поверхности зеркала. В них сферическая аберрация легко сводится к минимуму.

В заключение можно указать, что перечисленные достоинства и недостатки линзовых и зеркальных систем свойственны во многом не только объективам ОЭП, но и другим их оптическим звеньям, т е. всей оптической системе ОЭП.