автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Синтез и расчет зрительных труб со стабилизацией изображения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

БАЛАЦЕНКО Ольга Николаевна

СИНТЕЗ И РАСЧЕТ ЗРИТЕЛЬНЫХ ТРУБ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

Специальность 05.11.07. — Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы.

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И

ОПТИКИ

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор А. П. Грамматин

доктор технических наук, профессор М.Н.Сокольский

Официальные оппоненты -

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Г.Н.Решшский

Ведущее предприятие - ФГУП "ГОИ им. СЛВавилова"

Защита диссертации состоится ** " в

_ч._мин. на заседании диссертационного совета Д.212.227.01

Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы при САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ по адресу: 197101, Санкт-Петербург,. Саблинская ул., д. 14.

Автореферат разослан " "ф^йМ&ЯМт.

Ваши отзывы и замечания по' автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., д.14, секретарю диссертационного совета Д.212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.227.01 кандидат технических наук, доцент

В.М.Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В последнее время к оптическим приборам все чаще и чаще, предъявляются два взаимно противоречивых требования: минимальность массы и габаритов и высокая угловая разрешающая способность. Эти же условия сохраняются и для приборов, работающих с подвижного основания, в частности с рук оператора. При этом линейные колебания носителя, если предмет находится на расстоянии практической бесконечности, не влияют на работу прибора, а угловые — вызывают уменьшение контраста и предела разрешения из-за инерционности зрения и, кроме того, могут привести к потере цели. Поэтому для получения максимальной разрешающей способности визуальных приборов, работающих с рук (или подвижного основания) необходима стабилизация изображения относительно глаз наблюдателя. С учетом вышеуказанных требований основным направлением в развитии приборов данного класса несомненно является стабилизация изображения относительно приемника или приемника относительно колеблющегося случайным образом изображения за счет перемещения отдельных элементов или узлов прибора. А для этого требуется принципиально иной подход к выбору оптической схемы и ее аберрационной коррекции. Поэтому изучение аберрационных свойств, разработка методики синтеза и анализа оптических систем со стабилизацией изображения является актуальной задачей вычислительной оптики.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета и синтеза зрительных труб со стабилизацией изображения. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработка оптимальных оптических схем зрительных труб с внутренним расположением стабилизирующих элементов;

• выработка требований ж исправлению аберраций компонентов оптических систем с внутренней стабилизацией.

Методы исследования. Решение поставленных задач основывалось на следующих методах:

• использование приближенных формул теории аберраций третьего порядка;

• современные автоматизированные методы расчета хода лучей через оптическую систему;

• применение математического аппарата.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

• » предложена наиболее целесообразная схема расположения

оптических стабилизирующих элементов - внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей;

• исследованы возможности создания практически безаберрационных труб Галилея, впервые предложено исправлять кривизну изображения за счет использования новых стекол, позволяющих существенно изменить параметр ж кривизны изображения;

• исследованы свойства зеркального коллектива (зеркала Манжена) и впервые предложена конструкция зрительной трубы со стабилизацией линии визирования с использованием зеркального коллектива, необходимого для исправления кривизны изображения;

• рассчитаны объективы-апохроматы без кристаллов, введены новые апохроматические пары стекол.

Основными результатами диссертации, полученными в ходе исследований и выносимыми на защиту, являются:

• условие расположения стабилизирующих элементов - внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей, что позволяет

избежать расфокусировки изображения при их прокачке и значительного увеличения массы и габаритов прибора;

• децентрированные оптические системы с использованием зеркального коллектива - зеркала Манжена, позволяющего исправить кривизну изображения;

• объективы-апохроматы без»кристаллов, выполненные на базе сочетаний особых кронов (ОК) со сверхтяжелыми кронами (СТК) и особых кронов (ОК) с кроном (К8). При этом особые кроны используются в положительной линзе, а сверхтяжелые кроны или кроны в отрицательной линзе;

• методика габаритного и аберрационного расчета визуальных оптических систем со стабилизированным изображением.

Практическая ценность работы:

• полученные результаты могут быть.использованы при разработке оптических систем с внутренней стабилизацией, в частности, зрительных труб большого увеличения (более 10);

• разработана и рассчитана оптическая схема зрительной трубы с внутренней стабилизацией со следующими оптическими характеристиками: видимое-увеличение 20х диаметр входного зрачка 60мм, угловое поле зрения 3°, угол стабилизации ±1,5°.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Прикладная оптика-96", на международной конференции* "Прикладная оптика-98", на конференции профессорско-преподавательского состава СШ6ГИТМО(ТУ) в' 1999 году. По материалам диссертации опубликовано б печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из»введения, пяти глав и заключения: изложена на странице машинописного

текста, содержит 3% рисунков, таблиц, У приложений и

список литературы, включающий наименований, всего страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность, научная новизна, теоретическая и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации результатов работы.

В первой главе даны амплитудно-частотные характеристики тремора рук, являющихся, в частном случае, подвижным основанием; рассмотрены основные оптические функциональные устройства, используемые для стабилизации изображения, и даны рекомендации по целесообразности их применения (раздел 1.1). В разделе 1.2 рассмотрена , стабилизация изображения с помощью плоских зеркал, установленных внутри оптической системы. Обращено внимание на возникающие в данном случае децентрировки, вызывающие появление дополнительных аберраций, снижающих разрешающую способность. Даны рекомендации по аберрационной коррекции оптической системы, включающей стабилизирующие зеркала.

А именно, указано на невозможность компенсации аберраций между компонентами, т.к. при децентрировках она нарушается. Следовательно, отдельные части оптической системы должны быть самостоятельно скорригированы. .

Рассмотрены расположение стабилизирующих зеркал в сходящемся пучке лучей и возникающие при их повороте расфокусировки в центре и на краю плоскости изображения. Дан анализ возможных путей устранения расфокусировки в центре поля. При этом доказана невозможность устранения указанной расфокусировки посредствам создания соответствующей кривизны изображения у оптической системы, предшествующей зеркалам, на примере тонких систем, триплетов и объективов типа Петцваля. Поэтому для устранения расфокусировки изображения в центре поля предложено стабилизирующие зеркала, расположенные в сходящемся пучке лучей, одновременно поворачивать и

смещать вдоль оптической оси по определенному закону (раздел 1.3). Приведен вывод закона движения зеркал для двух случаев:

• изображение, создаваемое объективом, плоское (реализуется с помощью объектива типа триплет).

Функциональная схема движения плоского стабилизирующего зеркала, расположенного в сходящемся пучке лучей.

При этом угол поворота зеркала Л13 будет равен:

Ар=агсвт --(1)

2^/2 f+?г-гv

где размер стабилизируемого изображения;

1 — расстояние между центром вращения зеркала и плоскостью изображения.

Смещение оси вращения зеркала z вдоль оптической оси от первоначального положения равно:

где р - угол наклона зеркала к оптической оси. • Изображение, создаваемое объективом, имеет средний радиус кривизны, отличный от расстояния между, плоскостью изображения и осью вращения зеркала (реализуется с помощью объектива типа Петцваля с увеличенным задним отрезком или трехлинзового объектива, состоящего из простой линзы и склейки).

Функциональная схема движения плоского стабилизирующего зеркала, расположенного в сходящемся пучке лучей.

Тогда угол по:

Др=агсзт—. " (3)

ЦР + ^-/(^«„й-у1 +/)

Яег - средний радиус кривизны изображения;

к - стрелка кривизны изображения.

И соответственно смещение оси вращения зеркала вдоль оптической оси:

-ЛЯ^2 ^Я^-К^И-у* +У)-21со5М (4)

151П р '

Однако при повороте зеркала в сходящемся пучке лучей неизбежно возникает наклон изображения а, приводящий к расфокусировке А на краю поля. В разделе 1.4 приведен вывод формул этих величин для двух указанных

случаев и получены следующие выражения:

• Изображение, создаваемое объективом, плоское:

а = 2Д/7 (5)

Д = /зта (6)

• Изображение, создаваемое объективом, имеет средний радиус кривизны, отличный от расстояния между плоскостью изображения и осью вращения зеркала:

а = 2Д£-2аггаш (7)

Д£/япег-2йзщгу (8)

Во избежание этой расфокусировки предложено устанавливать стабилизирующие элементы внутри оптической системы в параллельном пучке лучей. Реализовать подобный вариант можно с помощью телескопической насадки.

Вторая глава посвящена системам Галилея с уменьшенной кривизной изображения.

Как указано в главе 1, для устранения расфокусировки на краю поля, возникающей при прокачке зеркал, расположенных в сходящемся пучке

лучей, целесообразно размещение стабилизирующих элементов в параллельном пучкеЛ Для реализации данного варианта могут быть использованы насадки в виде трубы Галилея или системы Кеплера с зеркальным коллективом. Однако переисправленная кривизна изображения системы Галилея неприемлема для систем с внутренней стабилизацией, поскольку при прокачке зеркал,возникают децентрировки, и фактически любая точка поля может стать центральной. В результате возникает расфокусировка изображения, построенного последующей системой (чаще всего системой Кеплера), в направлении противоположном тому, в котором глаз может аккомодировать, т.е. положительная диоптрийность. Поэтому для такого применения необходимо уменьшить кривизну изображения системы Галилея. В разделах 2.1 и 2.2 рассмотрены возможные пути решения этой проблемы. А именно

• усложнение конструкции объектива трубы Галилея (создание трехкомпонентной системы Галилея)

Ф1

Ф2

ФЗ

М

ИЗ

Л

сИ

с!2

Ф

рис.3

• впервые предложено использование новых стекол (не вошедших в таблицы Слюсарева и Трубко), позволяющих существенно изменить параметр тт. Это дает возможность при соответствующем подборе комбинаций материалов в объективе и окуляре трубы Галилея заметно уменьшить кривизну изображения.

Доказано) что усложнение конструкции системы Галилея, при сохранении общей длины, не приводит к уменьшению кривизны изображения по сравнению с двухкомпонентной системой. Следовательно, этот путь оказался тупиковым. Поэтому уменьшить кривизну изображения системы Галилея можно лишь изменяя параметр тс, путем соответствующего подбора материалов в объективе и окуляре

Исследования проводились в видимой и инфракрасной (АХ=3-5мкм, 2,6-Змкм) областях спектра. При этом в видимой области спектра достичь удовлетворительных результатов (волновые аберрации по полю не превышают одной длины волны) возможно лишь при весьма небольших значениях видимых увеличений угловых полях

относительных отверстиях компонентов (до 1:4). Длина системы Галилея в этом случае составляет примерно 2D, где D — диаметр входного зрачка. В случаях же большего видимого увеличения подобный результат получается при большем диафрагменном числе что является уже

нецелесообразным из-за увеличения длины системы до 3D. Но возможность реализации подобной идеи открывается при работе в инфракрасной (ик) области- спектра, где используются материалы, имеющие более высокие значения показателей преломления и коэффициентов дисперсии. Рассмотрено два различных подхода к выбору материалов (при одинаковом уровне качества):

• выбор материалов по тому же принципу, что и в видимой области спектра, т.е. Яав-*тах, (тг лежит в пределах от 0,05 до 1,22);

• применение пары материалов (■й'Са/У, обладающих в области спектра 2,6-Змкм очень малым значением основного параметра кривизны изображения (я=0,05), что дает возможность, используя только эти два материала, добиться существенного уменьшения кривизны изображения при видимых увеличениях до 3х:

Проведенные исследования показали, что в ик-области спектра можно получить видимые увеличения до 3,2., угловые поля до 0°, относительные отверстия до 1:3. Длина системы, так же как и в видимой области спектра, составляет примерно два диаметра входного зрачка (2Б).

Третья глава посвящена системам Кеплера с зеркальным коллективом, которые целесообразно применять в качестве насадки в зрительных трубах со стабилизацией изображения. Рассмотрены свойства коллектива, выполненного в виде сферического зеркала с наружным отражением (раздел 3.1) и зеркала Манжена (раздел 3.2). Проанализированы аберрации, вносимые коллективом как при совпадении его с оптической осью всей системы (осесимметричная система), так и при наклоне его оси (нецентрированная система). Основной причиной возникновения специфических полевых аберраций децентрировки (комы и наклонного и продольного астигматизма) при наклоне зеркального коллектива — сферического зеркала является изменение его линейного увеличения в пределах поля зрения, что приводит к нарушению взаимной компенсации аберраций частей оптической системы, расположенных до и после коллектива. Выведена формула для величины добавочной комы ДК",

возникающей в результате изменения увеличения зеркального коллектива при его наклоне:

где Ж- основной параметр комы;

л - основной параметр кривизны изображения;

у' - размер изображения, даваемого объективом, расположенным перед коллективом;

- задняя апертура объектива;

- угол наклона зеркального коллектива по отношению к оптической оси; Уоб — фокусное расстояние объектива.

соответствующими расчетами на ЭВМ.

Для устранения явления изменения линейного увеличения зеркального коллектива при его наклоне и соответственно передачи аберраций объектива, стоящего перед коллективом, с увеличением Р=1Х предложено использовать афокальное зеркало Манжена. Показано, что в случае применения зеркала Манжена в качестве зеркального коллектива даже при малой толщине кривизна изображения Петцваля не зависит от оптической силы. Приведены формулы волновых аберраций комы и астигматизма даваемых наклонным зеркалом Манжеяа, подтвержденные соответствующими расчетами на ЭВМ.

ДЛГ=ЗЙГ

Г«

(9)

Полученные теоретические результаты подтверждены

Л

ЩгОЦ9<*'М (И)

где ё- толщина зеркала Манжена; А' — задняя апертура объектива;

в - угол наклона коллектива по отношению к оптической~оси; к - длина волны.

Предложены схемы с использованием зеркального коллективаЛ позволяющего исправить кривизну изображения.

рис.4

В четвертой главе рассмотрен вопрос исправления вторичного-спектра - аберрации, определяющейткачество изображения для зрительных-труб большого увеличения. Дано обоснование необходимости исправления вторичного спектра в визуальных приборах, работающих как в условиях дневного, так и сумеречного зрения. Рассмотрены различные варианты конструктивных решений объективов, позволяющие при определенном выборе материалов исправить вторичный спектр (трехлинзовый несклеенный объектив, телеобъектив). Предложены альтернативные общепринятым комбинации апохроматических пар стекол на основе особых кронов и сверхтяжелых или тяжелых кронов (например, ОК1-СТК15) и особых кронов и крона (ОК4-К8). При этом особые кроны (ОК) используются в качестве материала положительных линз, а тяжелые (ТК), сверхтяжелые (СТК) кроны иК8- отрицательных.

Преимущества предложенных комбинаций по сравнению с общепринятыми наглядно показаны в таблице 1 и на рисунке 5.

Сравнительная таблица оптических сил линз и коэффициентов вторичного спектра различных сочетаний оптических материалов. ,

I

Комбинация материалов <Р/ ■к

Длина волны А, им

404.36 435.83 480 643.85 706.52 >768.2

Л в Р' С' г А'

К18-Ф13 2.50 0.00424 0.00203 0.000557 0.000557 0.00126 0.00208

СаР2 - ОФ4 1.83 0.00111 0.000601 0.000111 0.000109 0.000209 0.000288

СаРз -СТК15 2.35 ■ ' 0.000348 0.000123 0.000012 0.000012 0.0000025 -0.000062

ВаР2 - ОФ4 2.13 0.000836 0.000300 0.000034 -0.000034 0.000018 0.000150

ОК4-ОФ4 1.90 0.00144 0.000663 -0.000031 0.000172 0.000373 . *

ОК4-К8 3.31 0.000155 0.000043 -0.000354 0 -0.000029 . *

ОК4-ТК23 2.99 0.000445 0.000213 -0.000245 0.000075 0.000173

ОК4-СТКЗ 2.68 0.000798 0.000380 -0.000178 0.000123 0.000284 _ *

ОК4-СТК15 2.49 0.000698 0.000241 -0.000185 0.000084 0.000190 . +

ОК1-ОФ4 2.31 0.00171 0.000774 0.000193 0.000166 0.000341 0.000514

ОК1-ОФ6 2.98 0.000792 0.000274, 0.000028 -0.000055 -0.000039 0.000063

ОК1-СТК15 3.53 0.000593 0.000241 0.000051 ' 0.000014 0.000014 -0.000023

*- Данные по стеклу ОК4 для длины волны А' отсутствуют.

где - относительная оптическая сила положительной линзы

У / - число Аббе материала, используемого в положительной линзе; - число Аббе материала, используемого в отрицательной линзе

- вторичный спектр оптической системы - разность отрезков до параксиальных изображений осевой точки предмета для длины волны и основной длины волны при условии, что в заданном спектральном интервале хроматическая аберрация исправлена не менее, чем для двух длин волн, т. е.

- коэффициент вторичного спектра

- относительная частная дисперсия материала линзы;

- показатель преломления материала для соответствующей длины

волны;

- основная и дополнительные длины волн, соответственно.

График зависимости коэффициента вторичного спектра от длины волны.

рис.5

Проведенный анализ этих данных показал, что величина вторичного спектра тонкого объектива, выполненного из стекол OK1-CTKJ5, в ультрафиолетовой части спектра приблизительно в 2 раза, а в ближней ИК области на порядок меньше соответствующих величин при использовании традиционных материалов Сар2-ОФ4.

Проведен расчет нескольких вариантов объективов-апохроматов на основе предложенных и традиционных пар материалов со следующими оптическими характеристиками: фокусное расстояние объектива Гиб.~1000мм, диаметр входного зрачка DP-120MM (т.е. 1:К=1:8). Дан сравнительный анализ указанных вариантов по критерию Штреля. Повышение значений чисел Штреля в среднем на 30-50% при использовании предложенных комбинаций по сравнению с традиционными дало возможность повышения относительного отверстия объективов до 1:6 (Рр=1б0лш), не меняя конструкции (трехлинзовый несклеенный объектив).

.Результаты расчета также приведены в разделе 4.1.

В разделе 4.2 рассмотрена возможность исправления вторичного спектра в телеобъективе. Доказана невозможность исправления вторичного спектра в условиях одинаковых значений параметра хроматизма для положительного и отрицательного компонентов (С\=С2)- Выведена формула, связывающая задний отрезок я' телеобъектива и расстояние ё между компонентами при

Предложены альтернативные общепринятым комбинации материалов для отрицательного компонента телеобъектива, обладающие увеличенным значением коэффициента вторичного спектра. А именно, применение комбинаций на основе СТК16/СТФ11 и СТК16/ТФ11 в отрицательном компоненте дает возможность существенно уменьшить вторичный спектр в телеобъективе в целом при использовании метода компенсации. Приведен соответствующий расчет.

В пятой главе приведен расчет нескольких вариантов зрительных труб со стабилизацией изображения, обладающих одинаковыми оптическими характеристиками (Г=2(Р, 2(0^3°, Вр=60мм). А именно:

-зрительная труба, состоящая из систем Галилея и Кеплера, между которыми в параллельном пучке лучей располагаются стабилизирующие Зеркала;

-зрительная труба с насадкой в виде системы Кеплера с зеркальным коллективом — зеркалом Манжена:

• объектив насадки — трехлинзовый (линза + склейка);

• объектив насадки — двухлинзовый ("расклейка");

• объектив насадки — телеобъектив.

Проведен сравнительный анализ рассчитанных вариантов и сделан вывод о наиболее целесообразной конструкции зрительной трубы. Кроме того, дан сравнительный аберрационный анализ выбранного варианта зрительной трубы и имеющихся аналогов. Сравнение" проведено как для центрированных систем, так и в условиях максимальной прокачки стабилизирующих элементов, результаты которого приведены в таблицах 2 и 3.

Характеристика Сложные зрительные трубы, состоящие из 2-х систем Кеплера с зеркальным коллективом -зеркалом Манжена. Простые зеркальные трубы.

Тип объектива.

расклейка (1-1 телеобъектив Я р| ж ГОИ |

А! линза + склейка 1 и. ДИ1 и "МО

1 2 3 '• 4 5 6

Видимое увеличение, I* 20 20 19 16' 1 15

Диаметр входного зрачка, мм 60 60 60 64 . . 45

Угловое поле, 2 со0 3» . зц 3й 3й Зи44!

Теоретическая разрешающая способность 2,3" 2,3" • 2,3" 2,2" 3,1"

Используемое материалы ТК.СТКК, ОК, ТФ, ОФ к тк, стк, ОК, ТФ, ОФ К, ТК, СТК, ОК, ТФ, СТФ, ОФ К, ТК, СТК, БК, Ф, ТФ ТК, СПС, Ф, БФ, ТФ

1 2 3 4 5 6

Масса оптики, кг 0,455 0,349 0,483 0,437 1 0,322

Габаритные размеры, ЬхОхН мм 281,2x115x87 281,2x115x87 292,4x115x87 280x260x125 177,6x45x45

Положение оптических стабилизаторов Внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей Внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей Внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей. Внутри оптической 1 (, • ■ • системы, в сходящемся пучке лучей. 1 Внутри оптической системы, в сходящемся пучке лучей

Диаметр геом. пятна рассеяния, в которое укладывается примерно 80% энергии (центрированный вариант) 0,24 0,35 0,40 0,30 0,80

Размер пятна рассеяния в угловой мере в пространстве предметов (центрированный вариант) 4,9" 7,2" 8,2" 7,7" 22"

Из сравнения аберрационных возможностей различных вариантов сложных зрительных труб видно, что из рассчитанных в данной главе, наиболее предпочтительным является первый вариант — объектив первой части зрительной трубы — трехлинзовый (линза + склейка). Сравнение с имеющимися аналогами (ЛИТМО и ГОИ) показывает, что при большем .видимом увеличение вместо /э^) и большем диаметре входного зрачка

{Dp-бОмм вместо DP=45MM) качество изображения примерно в 2 раза лучше, чем в аналогах. Сравнение размеров геометрических кружков рассеяния различных вариантов, проводилось при условии перефокусировки окуляра телескопической системы на Здптр (для лучшего видения края поля). Замечу, что сравнение систем было проведено для центрированных вариантов (без учета поворота стабилизирующих элементов). Указанный подход был применен вследствие отсутствия данных о качестве изображения во всех имеющихся аналогах при повороте стабилизирующих элементов. Кроме того, была проведена оценка диаметра пятна рассеяния, в которое укладывается примерно 80% энергии, при максимальной прокачке зеркал в выбранном варианте (объектив первой системы Кеплера — линза + склейка) в сравнении с системой, рассчитанной в ЛИТМО.

Характеристика Сложная зрительная труба, состоящая из 2-х систем Кеплера с зеркальным коллективом-зеркалом Манжена. Объектив -трехлинзовый (линза+склейка). ЛИТМО

Диаметр геом. пятна рассеяния, в которое укладывается примерно 80% энергии (аст=1,?) 0,24мм 0,48лш

Размер пятна рассеяния в угловой мере в пространстве предметов 4,9" 12,4"

Анализ полученных результатов показывает, что в условиях максимальной прокачки зеркал (^„,=/,5°) в рассчитанном в диссертации варианте угловые размеры пятна рассеяния, по сравнению с центрированным вариантом, не изменяются в отличии от аналогов.

Сложная зрительная труба, состоящая из двух систем Кеплера с использованием зеркального коллектива - зеркала Манжена. Объектив первой трубы Кеплера - трехлинзовый (линза + склейка).

45**4*47'

Выходной зрачок\

А

45*±4*47'

Пространственная схема сложной зрительной трубы, состоящей из двух систем Кеплера с использованием зеркального коллектива - зеркала Манжена. Объектив первой трубы Кеплера - трехлинзовый (линза + склейка).

рис.8

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации:

1. При проектировании оптических систем со стабилизацией изображения (в - частности, зрительных труб) предпочтение следует отдавать стабилизирующим элементам, обладающим-наименьшей массой, например, плоским, зеркалам. Эти стабилизирующие элементы, по возможности, необходимо размещать внутри оптической системы.

2. Расположение стабилизирующих зеркал внутри оптической системы возможно как в сходящемся, так и в параллельном пучке лучей. Однако их размещение в сходящемся пучке лучей при. прокачке неизбежно - приводит к расфокусировке как в центре, так и на краю поля зрения. Для устранения расфокусировки в центре поля зрения необходимо одновременное с поворотом смещение стабилизирующих зеркал вдоль оптической оси по определенному закону. Устранение расфокусировки на* краю поля зрения возможно лишь при размещении стабилизирующих элементов в параллельном пучке лучей.

3. Для. создания параллельного хода лучей внутри оптической системы возможно использование насадки в виде системы Галилея или системы Кеплера с зеркальным коллективом -зеркалом Манжена.

4. При использовании трубки Галилея в качестве насадки необходимо уменьшение ее переисправленной кривизны изображения. Доказано, что это возможно лишь путем соответствующего выбора материалов как в видимой, так и в инфракрасной областях. Однако в видимой области спектра

положительных результатов «можно достичь лишь при весьма небольших значениях видимых увеличений.

5. Предложено использовать в качестве насадки системы Кеплера с зеркальным коллективом, что позволяет исправить кривизну изображения. Однако неизбежный наклон зеркального элемента приводит к возникновению нецентрированных аберраций (комы и астигматизма). Для устранения явления изменения линейного увеличения зеркального коллектива при его наклоне и, соответственно, передачи аберраций объектива с увеличением "1"'предложено использование афокального зеркала Манжена в, качестве коллектива. Исследованы свойства зеркального' коллектива — зеркала Манжена. Рассчитана система Кеплера с зеркальным коллективом с исправленной кривизной изображения.

6. В зрительных трубах с большим видимым увеличением, работающих как в условиях дневного, так и сумеречного зрения, аберрацией, определяющей качество изображения, является вторичный спектр, который необходимо исправлять. Предложена альтернативная общепринятым комбинация апохроматических пар стекол,, позволяющая на: порядок уменьшить величину вторичного спектра. Рассчитаны объективы-апохроматы на основе предложенных комбинаций..

7. На основе проведенных исследований рассчитан ряд зрительных труб со стабилизацией изображения различных по конструкции,. но обладающих одинаковыми оптическими характеристиками :

пределы стабилизации ±/,5°). Показано, что в условиях максимальной« прокачки1

стабилизирующих элементов качество изображения рекомендуемого варианта не ухудшаете* в отличие от аналогов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Балаценко О.Н. Стабилизация изображения зеркалами, расположенными в сходящемся пучке лучей.//Прикладная оптика-96:Тез. докл. Международная конференция. - СПб, 1996.-c.128.

2. Балаценко О.Н. Стабилизация изображения зеркалом в сходящемся пучке лучейУ/Оптический журнал.-1997.-Т.64-№3.-с.63-66.

3. Балаценко О.Н. Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения.//Оптический журнал.-1998.-Т.65-№6-с.73-76.

4. Балаценко О.Н. Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения.// Прикладная оптика-98:Тез.докл. Международная конференция. — СПб, 1998.-е. 130.

5. Балаценко О.Н., Грамматин А.П. Зеркальный коллектив./Лез.докл. Конференция проффессорско-преподавательского состава СП6ТИТМО(ТУ) - СПб, 1999.

6. Балаценко О.Н., Грамматин А.П. Объективы-апохроматы без кристаллов.//Оптический журнал .-2002.-Т.69-№2-с.21 -24.

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре «Университетские телекоммуникации». Санкт-Петербург, Саблинская ул,. 14. Тел. (812) 233-46-69. Тираж 100 экз.

Р-3451

1. Введение.

Глава 1. Принципы построения оптических систем со стабилизацией изображения.

1.1. Сравнительный анализ оптических элементов стабилизации изображения.

1.1.1. Призменные устройства стабилизации.

1.1.2. Устройства стабилизации с плоскими зеркалами.

1.2. Стабилизация изображения зеркалами, расположенными внутри оптической системы.

1.2.1. Анализ возможности создания кривизны изображения в оптической системе, необходимой для устранения расфокусировки в центре поля зрения.

1.2.2. Устранение расфокусировки в центре поля зрения путем одновременного смещения и поворота зеркала.

Глава 2. Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения.

2.1. Анализ целесообразности создания трехкомпонентной трубы Галилея.

2.1.1. Двухкомпонентная система Галилея.

2.1.2. Трехкомпонентная система Галилея.

2.2. Уменьшения кривизны изображения трубы Галилея за счет специального подбора материала линз.

2.2.1. Анализ возможности создания трубы Галилея с уменьшенной кривизной изображения в видимой области спектра.

2.2.2. Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения, работающие в инфракрасной области спектра.

Глава 3. Системы Кеплера с зеркальным коллективом.

3.1. Зеркальный коллектив- одиночное сферическое зеркало с наружным отражением.

3.2. Зеркальный коллектив — зеркало

Манжена.

Глава 4. Исправление вторичного спектра в зрительных трубах.

4.1:0 возможности исправления вторичного спектра в двух-, трехлинзовых объективах.

4.2. О возможности исправления вторичного спектра в телеобъективах.

4.2.1. Параметры С для первого и второго компонентов одинаковы (С 1=С2).

4.2.2. Параметры С для первого и второго компонентов различны (С 1*С2).

Глава 5. Расчет и сравнительный анализ различных вариантов зрительных труб со стабилизацией изображения.

5.1. Сложная зрительная труба, состоящая из систем Галилея и Кеплера.

5.1.1 .Габаритный расчет.

5.1.2. Аберрационный расчет.

5.2. Сложная зрительная труба, состоящая из двух систем Кеплера с использованием зеркального коллектива.

5.2.1. Габаритный расчет.

5.2.2. Аберрационный расчет.

В последнее время к оптическим приборам все чаще и чаще предъявляются, в основном, два взаимно противоречивых требования: высокое угловое разрешение и минимальность массы и габаритов. Эти требования сохраняются также и для аппаратуры, работающей с подвижных или недостаточно устойчивых оснований, к числу которых, в частности, относятся и руки оператора. В последнем случае прибор перемещается относительно предмета или цели наблюдения, которая, в свою очередь, может также двигаться. Подобное взаимное движение вызывает изменение направления визирного луча. При этом линейные перемещения носителя оптического прибора вызывают параллельные самому себе перемещения визирного луча. Если эти перемещения в плоскости предметов меньше, чем линейная разрешающая способность в этой плоскости, то не происходит или почти не происходит ухудшения основных характеристик оптического прибора. В большинстве случаев это так. Поэтому считается [1,2], что линейные колебания не влияют на работу прибора, если предмет наблюдения находится на расстоянии практической бесконечности. Иначе обстоит дело с угловыми перемещениями основания, которые Moiyr вызывать значительные отклонения визирного луча в плоскости предметов, приводя к уменьшению контраста и предела разрешения из-за инерционности зрения и, кроме того, могут приводить к потере цели, нарушая работоспособность прибора.

Для сохранения потенциальных возможностей прибора в области разрешающей способности в основном используют различные механические устройства, снижающие влияние движения основания на качество изображения. Наиболее часто встречающимся вариантом является установка оптического прибора на гиростабилизированную платформу. Однако при всей очевидности выбора подобного решения задачи стабилизации от него нередко приходится отказываться. Это объясняется тем, что соотношение между массами стабилизируемого прибора и стабилизирующей установки равны 1:3 — 1:4 [7] при невысоком уровне компенсации. Кроме того, существует зависимость массы установки от точности ее работы. С увеличением точности масса ее растет, и приведенное выше соотношение ухудшается. Поэтому в настоящее время является актуальной разработка приборов со стабилизацией изображения относительно приемника или приемника относительно колеблющегося случайным образом изображения за счет перемещения отдельных элементов или узлов прибора, масса которых, по крайней мере, на порядок меньше массы всего прибора. А подобная задача требует принципиально иного подхода к выбору оптической схемы прибора и ее расчету, с вытекающими отсюда требованиями к качеству изображения, создаваемого ею.

В системе управления при этом возможно два варианта решения [7,15]. Первое связано с использованием механических или лазерных высокочувствительных гироприборов, которые фиксируют непрограммируемые перемещения подвижного основания в пространстве и выдают соответствующие сигналы на следящие системы, управляющие исполнительными устройствами в оптической схеме и компенсирующие динамические сдвиги изображения. Это косвенная стабилизация, т.к. само изображение не контролируется и информация о нем в систему не поступает.

Второе решение связано с использованием информационных систем контроля смещения изображения и с разработкой замкнутых систем управления непосредственно по изображению.

Таким образом, задача стабилизации линии визирования наблюдательных приборов отдельными оптическими элементами, разработка оптимальных оптических схем с внутренней стабилизацией, с выработкой требований к качеству изображения становятся актуальными вопросами вычислительной оптики.

Поэтому целью данной диссертационной работы является разработка методики расчета и синтеза зрительных труб со стабилизированным изображением.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработка оптимальных оптических схем зрительных труб с внутренним расположением стабилизирующих элементов;

• выработка требований к исправлению аберраций компонентов оптических систем с внутренней стабилизацией.

Решение поставленных задач основывалось на следующих методах:

• использование приближенных формул теории аберраций третьего порядка;

• современные автоматизированные методы расчета хода лучей через оптическую систему;

• применение математического аппарата.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

• предложена наиболее целесообразная схема расположения оптических стабилизирующих элементов — внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей;

• исследованы возможности создания практически безаберрационных труб Галилея, впервые предложено исправлять кривизну изображения за счет использования новых стекол, позволяющих существенно изменить параметр л кривизны изображения;

• исследованы свойства зеркального коллектива (зеркала Манжена) и впервые предложена конструкция зрительной трубы со стабилизацией линии визирования с использованием зеркального коллектива, необходимого для исправления кривизны изображения;

• рассчитаны объективы-апохроматы без кристаллов, введены новые апохроматические пары стекол.

Основными результатами диссертации, полученными в ходе исследований и выносимыми на защиту, являются:

• условие расположения стабилизирующих элементов - внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей, что позволяет избежать расфокусировки изображения при их прокачке и значительного увеличения массы и габаритов прибора;

• децентрированные оптические системы с использованием зеркального коллектива - зеркала Манжена, позволяющего исправить кривизну изображения;

• объективы-апохроматы без кристаллов, выполненные на базе сочетаний особых кронов (ОК) со сверхтяжелыми кронами (СТК) и особых кронов (ОК) с кроном (К8);

• методика габаритного и аберрационного расчета визуальных оптических систем со стабилизированным изображением.

Практическая ценность работы:

• полученные результаты могут быть использованы при разработке оптических систем с внутренней стабилизацией, в частности, зрительных труб большого увеличения (более 10х);

• разработана и рассчитана оптическая схема зрительной трубы с внутренней стабилизацией со следующими оптическими характеристиками: видимое увеличение 20х, диаметр входного зрачка 60мм, угловое поле зрения 3°, угол стабилизации ±1,5°.

Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Прикладная оптика-96", на международной конференции "Прикладная оптика-98", на конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО(ТУ) в 1999 году. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения: изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 52 таблицы, 4 приложения и список литературы, включающий 34 наименования, всего 189 страниц.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах.

1. Балаценко О.Н. «Стабилизация изображения зеркал в сходящемся пучке лучей», Прикладная оптика-96: Тезисы докладов. Международная конференция. СПб, 1996г-с.128.

2. Балаценко О.Н. «Стабилизация изображения зеркалами, расположенными в сходящемся пучке лучей», Оптический журнал-1997г.-Т.64-№3-с.63-66.

3. Балаценко О.Н. «Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения». Оптический журнал-1998г.-Т.65-№6-с.73-76.

4. Балаценко О.Н. «Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения», Прикладная оптика-98: Тезисы докладов. Международная конференция. СПб, 1998г.-с.130

5. Балаценко О.Н., Грамматин А.П. «Зеркальный коллектив», Конференция Цроффесорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ):Тезисы дою]ада. СПб, 1999г.

6. Балаценко О.Н., Грамматин А.П. «Объективы-апохроматы без кристаллов», Оптический журнал-2002г.-Т.69-№2-с.21-24.

Заключение.

В заключении сформулируем основные результаты работы.

1. При проектировании оптических систем со стабилизацией изображения, в частности зрительных труб, предпочтение следует отдавать элементам, позволяющим осуществлять стабилизацию, обладающим наименьшей массой, в частности плоским зеркалам. Указанные оптические элементы необходимо, по возможности, располагать внутри оптической системы.

2. Расположение стабилизирующих зеркал внутри оптической системы возможно как в сходящемся, так и в параллельном пучке лучей. Однако, их размещение в сходящемся пучке лучей при прокачке зеркал неизбежно приводит к расфокусировке изображения в центре и на краю поля. Доказано, что единственный путь устранения расфокусировки в центре поля зрения-одновременное с поворотом смещение зеркал по определенному закону. Расфокусировку по краю поля возможно устранить лишь при размещении стабилизирующих элеменов в параллельном пучке лучей.

3. Для создания внутри зрительной трубы параллельного хода лучей, в котором будут располагаться стабилизирующие зеркала, возможно использование насадки в виде системы Галилея. При этом в трубке Галилея необходимо уменьшение кривизны изображения. В противном случае при прокачке зеркал возникает расфокусировка изображения, построенного последующей частью (в частности системой Кеплера) зрительной трубы. Направление расфокусировки будет противоположно тому, в котором глаз может аккомодировать, т.е. возникнет положительная диоптрийность.

4. Доказано, что уменьшение переисправленной кривизны изображения системы Галилея возможно только путем соответствующего подбора материалов в двухлинзовых несклеенных объективе и окуляре трубы, позволяющего существенно изменить параметра. Обнако, в видимой области спектра создание труб Галилея с уменьшенной кривизной изображения ограничено значениями их оптических характеристик. Положительные результаты могут быть получены только при видимых увеличениях до 2х , уголовых полях зрения до 3° и диафрагменных числах компонентов до 4. Возможность создания труб Галилея с уменьшенной кривизной изображения появляется в инфракрасной области спектра, где используются материалы, имеющие более высокие значения показателей преломления и коэффициентов дисперсий. Здесь можно получить видимые увеличения до 3,2х , угловые поля до 9° , диафрагменные числа до 3°. при этом длина системы Галилея, имеющей указанные характеристики, как в видимом , так и в инфракрасном диапазонах спектра, составляет примерно два диаметра входного зрачка.

5. Использование в качестве насадки для создания параллельного хода лучей систем Кеплера с зеркальным коллективом позволяет исправить кривизну изображения. Однако, неизбежный наклон зеркального элемента приводит к возникновению нецентрированных аберраций - комы и астигматизма.

6. Для устранения изменения увеличения наклонного зеркального коллектива предложено использование афокального зеркала Манжена.

Доказано, что в данном случае, фокусное расстояние коллектива и S /увеличины независимые. Выведены формулы для определения волновых комы и астигматизма, даваемых наклоненным зеркалом Манжена, подтвержденные расчетом на ЭВМ.

7. Рассчитана система Кеплера с зеркальным коллективом - афокальным зеркалом Манжена - с исправленной кривизной изображения, обладающая следующими оптическими характеристиками: видимое увеличение Г—3,2х , угловое поле зрения 2q)z=3° , диаметр входного зрачка D=60mm. Оптическая система работает в видимом диапазоне.

8. В зрительных трубах в большими Г, работающих как в условиях дневного, так и сумеречного зрения, аберрацией, определяющей качество изображения в широком диапазоне длин волн, является вторичный спектр, который необходимо исправлять.

9. Рассмотрено несколько типов объективов (телеобъектив, двухлинзовый и трехлинзовый) зрительных труб и дана оценка возможности исправления вторичного спектра. Предложены альтернативные общепринятым комбинации апохроматических пар стекол на основе особых кронов в положительных линзах и сверхтяжелых или тяжелых кронов - в отрицательных , а также особых кронов и стекла марки К8. Указанные комбинации значительно улучшают апохроматическую коррекцию и, как следствие, улучшают качество изображения.

10. На основе проведенных исследования рассчитан ряд зрительных труб со стабилизацией изображения различных по конструкции, но обладающих одинаковыми оптическими характеристиками (Л=20х, 2со=3°, Dp=60mm). И дан их сравнительных аберрационный анализ. А также проведен сравнительный анализ рассчитанных вариантов с имеющимися аналогами. Дана оценка качества изображения рассчитанных вариантов в условиях максимальной прокачки зеркал.

1. Бабаев А.А. «Амортизация, демпфирование и стабилизация бортовых оптических приборов». JI.: Машиностроение, 1984г,232с.

2. Бабаев А.А. «Стабилизация оптических приборов». JL: Машиностроение , 1975г, 192с.

3. Губель Н.Н. «Аберрации децентрированных оптических систем», JL: Машиностроение, 1975г, 272с.

4. Ю.Кравков С.В. «Глаз и его работа». M.-JI.: Издательство Академии наук СССР, 1950г,532с.

5. П.Левин И .Я. «Справочник конструктора точных приборов», М. Машиностроение, 1967г,743с.

6. Луизов А.В. «Глаз и свет», Л.: Энергоатомиздат, 1983,248с.

7. Слюсарев Г.Г. «Расчет оптических систем», JI.Машиностроения, 1975г, 640с.

8. Трубко С.В. «Расчет двухлинзовых склеенных объективов», JL: Машиностроение, 1984, 144с.

9. Чуриловский В.Н. «Теория оптических приборов», M.-JL: Машиностроение, 1966,564с.