CC BY
16
УДК 681.7
М.П. Егоренко, В.С. Ефремов СГГА, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ ХРОМАТИЗМА МНОГОСПЕКТРАЛЬНОГО ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВОГО ОБЪЕКТИВА
M.P. Yegorenko, V.S. Yefremov SSGA, Novosibirsk
RESEARCH OF MULTISPECTRAL MIRROR-LENS CHROMATISM
Chromatic properties of Mangin mirror lens are considered concurrently in visual and thermal imaging (3-5 and 8-12 p,m) spectral ranges with different combinations of the design values. The graphs of chromatic sums against surface- thickness and radius curvature have been produced. The ranges of the least chromatic sums variations due to the design values have been found in order to achieve optimal compensation of aberrations in the system "positive lens and Mangin mirror plus meniscus".
В последние десятилетия появились оптические устройства, которые работают одновременно в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах, что значительно расширяют эксплуатационные свойства изделия. Для построения подобных систем требуется соответствующая оптическая элементная база, позволяющая добиться необходимого качества изображения в рабочих участках спектра. Однако вследствие ограниченного выбора подходящих материалов, в известных оптических схемах применяются оптические кристаллы, как правило, плохо сочетаемые по оптическим и физико-химическим свойствам.
В связи с этим определенный интерес могут представлять зеркально-линзовые объективы, состоящие из положительной линзы и зеркала Манжена (рис. 1), выполненных из одного материала [1].
Исследование хроматических свойств зеркала Манжена ранее проводились в работах [2, 3] Д. Д. Максутовым и Д. В. Гавриловым, однако, рассматривался только визуальный диапазон спектра.
Попытка исследования хроматизма увеличения объектива была предпринята в работе [4], которая показала, что хроматизм увеличения не зависит от материала оптических деталей, а определяется оптической силой составляющих объектив компонентов. В настоящей статье проведено дальнейшее исследование хроматических свойств объектива численными методами с целью определения области возможных решений и интервалов изменения отдельных конструктивных параметров объектива. Именно, рассматривается изменение хроматической суммы Snxp в зависимости от толщины и оптической силы компонентов объектива.
Поскольку на качество изображения систем с фотоприемниками большее значение оказывает хроматизм увеличения, то в качестве примера на рис. 2 приведены графики изменения 511хр от толщины линзы и системы «зеркало
Манжена + мениск». Здесь и на последующих, рисунках принята единая система обозначений графиков: 1 - линза, рабочий диапазон АХ = 0,5 - 0,9 мкм; 2 - линза, рабочий диапазон АХ = 3 - 5 мкм; 3 - линза, рабочий диапазон АХ = 8 - 12 мкм; 4 - система «зеркало Манжена + мениск», рабочий диапазон АХ = 0,5 - 0,9 мкм; 5 - система «зеркало Манжена + мениск», рабочий диапазон АХ = 3 - 5 мкм; 6 - система «зеркало Манжена + мениск», рабочий диапазон АХ = 8 - 12 мкм.
1 6 2 3 4 5
Рис. 1. Оптическая схема многоспектрального зеркально-линзового объектива: 1 - афокальный компенсатор; 2 - зеркало Манжена; 3, 4 - полевой
линзовый компенсатор; 5 - фокальная плоскость; 6 - апертурный луч
Видно, что изменение толщины оптических деталей объектива практически не влияет на изменение хроматизма увеличения объектива.
Более значительное влияние на изменение хроматической суммы 5!1хр, согласно [4], должны оказывать оптические силы линзы и зеркала Манжена и мениска.
Для рассмотрения влияния изменения оптических сил компонентов на Яшр будем изменять радиусы Ях, Я3 и Я4 первой, третьей и четвертой поверхностей объектива (радиус кривизны Я2 второй поверхности линзы на величину хроматизма практически не влияет) и введем нормировку:
К\ = Я1/Я4; К2 = Я3/Я4.
Это позволит представить на одном графике влияние изменения оптических сил отдельно взятых линзы, зеркала Манжена и мениска на Злхр соответственно.
Чтобы оптическая сила линзы и зеркала Манжена оставались положительными, а мениска - отрицательной, область изменения коэффициентов К1 и К2 должна лежать в интервале от 0,1 до 1,0.
'Пхр
12:2-
13,Т ■
■15,2" '
6
5 Толщина
2
мм
0,25 -0,15 -0,05 --0,05 --0,15 --0,25 --0,35 --0,45 -
Рис. 2. Изменение S11хp от толщины линзы и зеркала Манжена + мениска
1
На рис. 3 приведены графики изменения £лхр в зависимости от изменения радиусов кривизны поверхностей линзы и системы «зеркала Манжена + мениск». Из графиков следует, что в области значений коэффициентов К1 и К2 от 0,33 до 0,43 имеется разрыв функции £лхр. Численные результаты расчета для рассматриваемых спектральных диапазонов приведены в таблице.
8цхр
20 15 10 5 0 -5 -10
1,2
К1, К2
Рис. 3. Изменение 8ЦХР от оптической силы линзы,зеркала Манжена и мениска
Для дальнейшего анализа выберем часть графиков £лхр на рис. 3, расположенную справа от линии разрыва с диапазоном изменения К1 и К2 от 0,5 до 1,0 (где хроматизм минимален). Изменение £лхр в зависимости от оптической силы линзы и системы «зеркала Манжена + мениск» в указанном интервале значений К1 и К2 показано на рис. 4.
§нхр
0,4
0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1
Рис. 4. Изменение SIIхр от оптической силы линзы, зеркала Манжена и
мениска
52. •' 06" "" 0,7 0,8 0,9 1 К1' К2
/
/
Характер зависимостей на рис. 4 в целом соответствуют данным для видимой области спектра [5], согласно которым зеркало Манжена компенсирует примерно треть хроматической аберрации положительной линзы. Примерно такое же соотношение наблюдается и в спектральных интервалах 3 - 5 и 8 - 12 мкм, но сама величина £лхр в инфракрасной области спектра существенно меньше ( в - 10 раз - для диапазона 3 - 5 мкм и в -20 раз
- для диапазона 8 - 12 мкм).
Система «зеркало Манжена+мениск» компенсирует примерно половину хроматической аберрации положительной линзы, что открывает реальные возможности для дальнейшего уменьшения хроматизма, в частности, заменой зеркальной части первой линзы на второе зеркало Манжена.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. 10768558 СССР, МКИ 2 G02b 17/08. Зеркально-линзовый объектив [Текст] / Ефремов В.С., Павлюшенко Л.Н.; заявитель и патентообладатель ЦКБ «Точприбор»; заявл. 01.11.83; опубл. 12.06.84, Бюл. № 8. - С. 150.
2. Максутов, Д.Д. Астрономическая оптика [Текст] / Д.Д. Максутов, Д.В. Гаврилов.
- Л.: Наука. - 1979. - 395 с.
3. Гаврилов, Д.В. Расчет простой линзы с одной отражающей поверхностью [Текст] / Д. В. Гаврилов // Оптика и спектроскопия. - 1962. - Т. 13. - С. 436-431.
4. Егоренко, М. П. Расчет хроматизма увеличения многоспектрального зеркально-линзового объектива [Текст] / М. П. Егоренко // Изв. вузов Приборостроение. - 2007. - Т. 50, № 2. - С. 65-69.
5. Слюсарев, Г.Г. Расчет оптических систем [Текст] / Г.Г. Слюсарев. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние). - 1975.
© М.П. Егоренко, В.С. Ефремов, 2009
