close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Спектроделительная оптическая система для приборов работающих одновременно в двух различных областях ИК спектра..pdf

код для вставкиСкачать
СПЕКТРОДЕЛИТЕЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ДЛЯ ПРИБОРОВ, РАБОТАЮЩИХ ОДНОВРЕМЕННО
В ДВУХ РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ИК СПЕКТРА
А.П. Грамматин, К.Т. Чан
Рассмотрена оптическая система, предназначенная для разделения лучей по участкам ИК спектра в приборах, которые работают одновременно в двух различных областях спектра с двумя отдельными приемниками. Подробно разработана оптическая система спектроделителя, расположенная в сходящемся пучке
лучей в пространстве изображения объектива, которая состоит из наклонной плоскопараллельной пластины и компенсатора аберраций, вносимых ею.
Введение
Были созданы оптические приборы, которые работают одновременно в двух различных областях спектра. В этих приборах с целью разделения лучей по участкам спектра
были использованы спектроделители в виде либо куб-призм, либо наклонной пластины,
расположенной в параллельном пучке. Однако обе схемы имеют свои недостатки. В приборах с двумя ИК приемниками, работающими в двух различных спектрах, использование
спектроделителей в виде куб-призм невозможно из-за отсутствия клея, прозрачного в этой
области спектра и способного соединять соответствующие оптические материалы. Недостатком второй схемы является то, что эта схема приведет к недопустимым габаритам как
самой пластины, так и прибора в целом из-за необходимости использования двух различных объективов. Поэтому создание новой системы спектроделителя, обеспечивающей разделение лучей по различным участкам ИК спектра и позволяющей уменьшить габариты
прибора в целом, является одной из важных задач в современной оптике. В данной работе
после исследования нескольких разных вариантов предлагается оптическая система спектроделителя, которая состоит из наклонной плоскопараллельной пластины, расположенной в пространстве изображения объектива прибора, и компенсатора децентрировки – комы и астигматизма – вносимых самой пластиной.
1. Принцип компенсации аберраций, вносимых наклонной плоскопараллельной
пластиной
Наклонная пластина существенно вносит кому и астигматизм. Компенсация этих
аберраций была выполнена использованием линзы, имеющей цилиндрическую поверхность для исправления астигматизма [4]. Цилиндрическая линза имеет разные по меридиональной и сагиттальной плоскостям радиусы кривизны поверхностей, именно поэтому, когда предмет будет расположен на конечном расстоянии, его изображения в
главном сечении и в сечении, перпендикулярном главному сечению, получаются на
различных расстояниях, т.е возникает астигматизм первого порядка. Эта аберрация
компенсирует астигматизм, вносимый пластиной, учинением децентрировки компенсатора для исправления комы [4]. Компенсатор содержит неподвижные поверхности и
поверхности, которые перемещаются на определенную величину в направлении, перпендикулярном оптической оси. При перемещениях поверхностей будет создана децентрировка и в то же время компенсируется кома наклонной пластины за счет комы, вызванной именно этой децентрировкой.
2. Расчет компенсатора аберраций
Для расчета конструктивных параметров компенсатора требуются знать следующие величины.
• величина предмета AB, являющегося созданным объективом изображением;
54
•
•
числовая апертура в пространстве изображения объектива A’;
расстояние а от первой поверхности компенсатора до предмета AB. Это расстояние
примерно вычисляется по следующей формуле:
d
(1)
a = S' − Z1 − Z 2 −
n
где S’– последний отрезок объектива (см. рис. 1), Z1 – расстояние от последней поверхности объектива до пластины, Z2 – расстояние от пластины до первой поверхности компенсатора, d – толщина пластины.
Компенсатор был выбран так, чтобы его предмет AB и изображение A’B’ вместе
находились справа от компенсатора. Компенсатор имеет видимое увеличение, равное
приблизительно единице, в соответствии с положением предмета, чтобы создающееся
им изображение идентифицировалось с создающим объективом изображением по
остальному направлению.
Компенсатор сначала был выбран как одиночная линза. Пусть видимое увеличение этой линзы равно 0.99, тогда углы первого параксиального луча с оптической осью
имеют значения α1 = 1, α2 и α3 = 1.01. Толщина d1 линзы не может быть меньше 4 для
обеспечения возможности разделения на две части. В то же время увеличение толщины
приводит к росту аберрации высшего порядка. В данной работе были выбраны исходные параметры d1 = 5 мм, α2 = 0.5.
Задав эти данные в программу автоматического проектирования оптики СAРО;
корригировав сферическую аберрацию, кому и астигматизм параметрами α2, d1 и смещением плоскости установки; получили, что одиночная линза стала безаберрационной
линзой.
Рис 1. Схема расчета компенсатора
Потом эта линза была разделена плоскостями на две части 1 и 2 (см. рис.1). Плоская поверхность линзы 1 была преобразована в цилиндрическую для исправления астигматизма, вносимого пластиной. Вторая по ходу лучей поверхность линзы 2 была перемещена в меридиональной плоскости на определенную величину m по направлению,
перпендикулярному оптической оси для создания децентрировки, компенсирующей
кому пластины.
3. Некоторые примеры расчета
С помощью программы автоматического проектирования оптики СAРO были разработаны некоторые варианты конструктивных параметров спектроделительной представленной системы.
3.1. Первый вариант, где пропускающий спектр пластины 3–5 мкм, пластина
располагается под углом 45° к оптической оси, а объектив прибора имеет следующие
характеристики:
55
•
•
•
величина изображения y’ = 5 мм;
числовая апертура в пространстве изображения A’ = 0.25;
последний отрезок объектива s’ = 59 мм.
Конструктивные параметры спектроделительной системы выведены в табл. 1.
Материал
Показатель
преломления
для λ = 4 мкм
Световой
диаметр
(мм)
Перемещения
по оси У относительно
опт. оси (мм)
18
Воздух
1
40.5
0
0
2
Германий
4.0245
57.6
0
3
0
13.043
Воздух
1
56.7
0
4
191.716
2.8
Германий
4.0245
23.3
0.251
5**
Цилиндр
0.15
Воздух
1
22.8
0
6
0
2.8
Германий
4.0245
22.6
0
7
183.431
25.30
Воздух
1
21.9
-0.53
№
пов
Радиус
кривизны
(мм)
Толщина
(мм)
1*
0
2
8
0
Воздух
1
11
0.753
Примечание таблицы 1:
«*» - Фиксированная поверхность или последняя поверхность объектива,
«**» - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси
У) и уравнение x2 - 19908.86z + z2 = 0.
Таблица 1: Конструктивные параметры системы первого примера
На рис. 2 показаны пятна рассеяния.
Рис. 2. Пятна рассеяния в первом примере
56
На рис. 3 показаны графики частотно- контрастной характеристики (ЧКХ) первого
варианта системы. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм-1, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат – коэффициенты передачи
контраста Т в относительных единицах, причем жирная кривая представляет ЧКХ в меридианной поверхности, а остальные кривые – в сагиттальной.
Рис.3. Частотно- контрастная характеристика первого примера
3.2. Второй вариант, где пропускающий спектр пластины 8–14 мкм, пластина
располагается под углом 45° к оптической оси, а объектив имеет следующие характеристики:
• величина изображения y’ = 5 мм;
• числовая апертура в пространстве изображения A’ = 0.25;
• последний отрезок объектива s’ = 50 мм.
Конструктивные параметры спектроделительной системы приведены в табл. 2.
Материал
Показатель
преломления
для λ = 10.6
мкм
Световой
диаметр
(мм)
Перемещения
по оси У относительно
опт. оси (мм)
20
Воздух
1
35.84
0
0
3
Германий
4.004
48.7
0
3
0
14.99
Воздух
1
47.4
0
4
210.341
2.5
Германий
4.004
17.7
0.381
5**
Цилиндр
0.15
Воздух
1
17.3
0
6
0
2.0
Германий
4.004
17.2
0
7
205.97
13.2051
Воздух
1
19.74
-1.5683
№
пов
Радиус
кривизны
(мм)
Толщина
(мм)
1*
0
2
8
0
Воздух
1
10.1
1.949
Примечание таблицы 2:
«*» - Фиксированная поверхность или последняя поверхность объектива,
«**» - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси
У) и следующее уравнение: x2 - 3572.481z + z2 = 0.
Таблица 2: Конструктивные параметры системы второго примера
На рис. 4 показаны пятна рассеяния.
57
Рис 4. Пятна рассеяния во втором примере
На рис. 5 показаны графики ЧКХ второго варианта.
Рис. 5. Частотно- контрастная характеристика второго примера
Литература
1.
2.
3.
4.
58
Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. М.: Мир; 1964.
Грамматин А.П. Автоматизация проектирования оптических систем. Л., 1989.
Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем; М., 1937.
Русинов М.М. Вычислительная оптика. Справочник. Л., 1984.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
3 256 Кб
Теги
областям, спектр, оптические, работающих, система, одновременно, pdf, приборов, различных, двух, спектроделительная
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа