Оптические системы специального назначения Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В.А. Гримм, С.А. Дубковский, К.Д. Лосев, С.А. Смирнов, Л. М. Студеникин

Введение

На кафедре квантовой электроники и биомедицинской оптики в течение многих лет ведутся работы в области расчета и конструирования различных по функциональному назначению оптических систем. Первые результаты были получены в проблемной лаборатории радиооптики, организованной в 1970 г. заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, профессором К.И. Крыловым. Основное направление исследований было связано с разработкой оптических систем микроволнового диапазона, используемых в системах прямого радиовидения, предназначенных для практического применения в ближней радиолокации и дефектоскопии материалов и изделий электронной техники. Специфические особенности микроволновых систем (малое число Френеля, жесткие требования, предъявляемые к массогабаритным характеристикам, изменение положения компонентов в пространстве в процессе функционирования, технологичность изготовления и т.п.) послужили основой для разработки методов расчета и специализированного программного обеспечения, позволившего в дальнейшем перейти к решению самых разнообразных задач в области создания оптических систем различного назначения, используемых для наблюдения удаленных объектов, фотографирования, транспортировки и формирования необходимых пространственных характеристик лазерного излучения в трактах технологических или медицинских установок, защиты приемных устройств от воздействия мощного лазерного излучения и т.д. В данной работе кратко описаны результаты наиболее типичных разработок последних лет, выполненные специалистами кафедры совместно с Лазерным центром ИТМО.

Лазерный сканирующий телескоп ТС-400

На рис. 1 представлен лазерный сканирующий телескоп ТС-400, предназначенный для исследования турбулентных свойств атмосферы. Он имеет следующие технические характеристики:

угловое увеличение 4

диаметр входного зрачка, мм 100

мгновенное поле зрения, мрад. ± 0.75

сканируемое поле зрения, мрад. ± 2.5

центральное экранирование, % 13

дистанция фокусировки, км 0.5...10

спектральный диапазон, мкм 0.4...4.0

масса, кг 60

Оптическая схема телескопа приведена на рис. 2. Полихроматический пучок световых лучей диаметром 100 мм (спектральный интервал 0.4-4 мкм, основная длина волны ^0=1.06 мкм) проходит через линзовый корректор аберраций (поз. 1-6) и отражается от наклонного зеркала (поз. 7), установленного под углом 45° к оси телескопа. Распространяясь далее, он испытывает последовательные отражения от малого сканирующего зеркала (поз. 9) и большого зеркала (поз. 10) и попадает в пространство изображений, имея диаметр сечения 400 мм и расчетную величину сходимости в интервале дистанций 0.5... 10 км. Линзовый корректор представляет собой афокальный триплет, который обеспечивает необходимую степень коррекции внеосевых аберраций при сканировании поля зрения на выходе телескопа малым зеркалом в заданных пределах угловых смещений оси телескопа (9 = ± 2.5 мрад). Для обеспечения компенсации остаточных ошибок изготовления, сборки и юстировки его средняя линза установлена с возможностью угловых разворотов вокруг вершины поз. 3 в пределах ±6 мрад, что

позволяет устранить при юстировке суммарную кому на оси телескопа при неблагоприятной ситуации с установкой прочих деталей (случай установки оптических деталей с суммированием комы в пределах заданных полей допусков). Корректор выполнен из моноблочных кристаллов фтористого кальция (СаБ2) и обеспечивает коэффициент пропускания на основной длине волны X0 0.99 и 0.95 в области 0.4-4.0 мкм за счет пятислойного просветляющего диэлектрического покрытия поверхностей линз. Наклонное зеркало, выполненное из ситалла с близким к нулю коэффициентом линейного расширения, консольно закрепленное в центральном отверстии большого зеркала, обеспечивает угловое смещение оси не более 15'' и поперечный сдвиг оси на корректоре не более 0.5 мм. Сканирование поля изображения обеспечивается угловым разворотом по двум координатным осям малого зеркала (ф = ± 6 мрад), которое установлено в карданном подвесе на расстоянии 100 мм от точки качания. Весь узел малого зеркала имеет возможность перемещаться вдоль оси телескопа в пределах 5 =0-3 мм для обеспечения фокусировки излучения на дистанциях от бесконечности до 485 м. Форма поверхности малого зеркала представляет собой гиперболоид вращения с эксцентриситетом е2=1.298 и максимальным отклонением от сферы не менее 2 мкм. Дистанция до объекта Я', на которой фокусируется излучение, и осевое смещение малого зеркала связаны соотношением

„, ппп 145500 4720 г п

Я ' = -770 +---+ —— [мм]. (1.1)

5 5

Большое зеркало, также как и малое, выполнено из ситалла с практически нулевым температурным коэффициентом линейного расширения. Форма его поверхности - гиперболоид вращения (е2=1.208) с максимальным отступлением от ближайшей сферы не более 5.5 мкм. Зеркальные поверхности имеют металлодиэлектрическое покрытие, обеспечивающее коэффициент отражения на основной длине волны 0.995, а в диапазоне 0.4-4.0 мкм не хуже 0.95.

Рис. 1. Лазерный сканирующий телескоп ТС-400 Телескоп ТС-535

На рис. 3 показан телескоп ТС-535, предназначенный для решения аналогичных задач и имеющий следующие технические характеристики:

угловое увеличение 4.55

диаметр входного зрачка, мм 85.5

диаметр выходного зрачка, мм 389

диапазон перефокусировки, км 0.4-5.0

поле зрения, мрад ± 0.956

центральное экранирование, % 12

рабочий интервал температур, °с -10 - +40

масса, кг 85

2) х2+у2= (4800 ± 2.4)СО.205±0.002)г2

Рис. 2. Оптическая схема телескопа ТС-400

Рис. 3. Телескоп ТС-535

Telescope ТС-535 optical scheme

Angular magnification - 4.55; Input pupil dia - 389mm; Output pupil dia - 85.5mm; Field of view angle in object space :

- 0.956mrad (only central screen losses (12%), no vignetting),

- 1.25 mrad (6% add due to vignetting); Distance between the output pupil and Nasmith mirror - 2800mm; Spectral range - 532nm, 700 ... llOOnm, 3000 ... 5000nm; Object location - 400 ... 5000m.

Рис. 4. Оптическая схема телескопа ТС-535

Оба телескопа имеют высокое оптическое качество. Среднеквадратичная деформация волнового фронта при фокусировке ТС-400 на бесконечность равна Х/14, а ТС-535, соответственно, Х/25 ( для центра поля зрения).

Оптическая система ОБ-143

Примером создания объективов, предназначенных для наблюдения и фотографирования удаленных объектов, является оптическая система ОБ-143, представленная на рис. 5. Основные технические параметры объектива приведены ниже.

Фокусное расстояние, мм 142.99

Диаметр входного зрачка, мм 90

Расстояние до плоскости изображения, мм 11.038

Поле зрения, град. ± 5

Размер поля изображения, мм ± 12.5

Спектральный диапазон, мкм 0.45...0.85 Разрешение (при контрасте Т=0.5)

по центру, лин\ мм не менее 50

по краю, лин\ мм не менее 25

На рис. 6 приведена оптическая схема, а на рис. 7 - результаты аберрационного расчета объектива ОБ-143.

Рис. 5. Оптическая система ОБ-143

Outer Baffle Entrance Pupil

Рис. 6. Оптическая схема объектива ОБ-143

При рассмотрении ряда вариантов возможной конструкции объектива для подтверждения ее работоспособности и принятия обоснованных конструкторских решений были разработаны математические модели линз и корпуса, на основании которых была проведена численная оценка термодеформаций рабочих поверхностей линз, корпуса и прогиба конструкции под действием собственного веса. Осесимметричная задача теории упругости решалась методом конечных элементов. С помощью разработанного алгоритма уравнения деформированных рабочих поверхностей линз аппроксимировались полиномами пятой степени с вычислением

коэффициентов аппроксимации, что позволило провести расчет допусков на изготовление оптических элементов и их влияния на оптические характеристики объектива.

ОС: оЫ43и64

Сферическая ТдШ' .34

Ах1а1АЬ Йберрации осевого пучка

Неизопл Лу.1 Tg(UJ .34

03 mm

Sph

Волновая(дп.в.) Tg (I)' ) .34

.7 X

3 \

WavAb

Field АЬ

Аберрации главных лучей (XoJ =0 t VoJ =0 )

Кривизна tubs) Масштаб(отн .У.)

13 mm

13 mm

Хром.ув—ния

у' 13 mm

Освещ. (отн .У.) у' 13 mm

\

. 11mm

m,s-CV

1.1 У.

.011 mm

СИ

Transverse Ray Ab

Дата 08/10/95

Хроматизм Uaue ,86^m

11 mm

CI

Диет. (отн .У.)

у' 13 mm

17 X

.03 X

Г =0

•'s... 1. \

1 .03

i

••

Йберрации внеосевого пучка (VOZ-сечение) Meridian V=4.6905 V=9.3813

Tg(U') ..34 Tg(UJ ) .34

dY'

-.34

rf

.09 mm

dY'

.09 mm

'dY'

-.34

-.34

V=12.509 Tg(U'i . 34

.1:1 1:

surf 1

,09 mm

dY'

-.34

X' =0 Tg(UJ) .34

Йберрации внеосевого пучка (XOZ-сечение) Sagittal

X' =0 Tg(U') .34

XJ =0 Tg(UJ ) .34

X' =0 Tg(U') .34

.03 mm "dX'

№

.03 mm dX'

5 mm

j .1

| dX'

I

-.34 -.34 -.34 -.34

Рис. 7. Результаты аберрационного расчета объектива ОБ-143

Разработанная конструкция объектива предусматривает автокомпенсацию радиального изменения зазора между корпусом и оправами линз как подбором соответствующих материалов оправ и корпуса, так и установкой оправ в корпусе по методу радиально-лучевого центрирования. Таким образом, обеспечивается центрирование компонентов не хуже 0.01 мм. Конструкция обеспечивает юстировку оптической системы путем осевого и поперечного смещения специально выделенных для этой цели компонентов. Конструкция также обеспечивает автокомпенсацию

изменения рабочего отрезка объектива, возникающую при изменении температуры в интервале 0-40° с точностью не хуже 0.005 мм.

Лазерный панкратический наконечник PZL-1.5

В последние годы существенно увеличился объем разработок оптических систем для лазерных медицинских установок, используемых в хирургии, стоматологии, офтальмологии и косметологии. В качестве примера можно привести лазерный панкратический наконечник Р2Ь-1.5 (рис. 8), который представляет собой 5-линзовый панкратический объектив, используемый в лазерной косметологической установке. Технические характеристики объектива приведены ниже.

Увеличение, крат 12 - 20

Диаметр пятна на выходе, мм 7.2-12.0 Максимальная угловая расходимость, мрад 16.3-10.8

Задний отрезок, мм 180-180.5

Длина волны, мкм 1.06 Неравномерность амплитуды поля

в плоскости изображения, % не более 5

Продольный габарит, мм 120

Масса, г 350

Ввод лазерного излучения производится через оптическое волокно диаметром 600 мкм с числовой апертурой КЛ=0.16. На рис. 9 показана конструкция наконечника Р2Ь-1.5. Система состоит из 5 линз. Внешние линзы неподвижны, вторая и третья линзы вместе перемещаются поступательно по линейному закону. Четвертая линза также перемещается поступательно, но скорость ее перемещения в 8 раз больше. Изменение освещенности в пределах заданного размера пятна в плоскости изображения составляет 0.6 %о (М = -20), 1.8 % (М = -15.62) и 1.9 %о (М = -12), размытие края пятна не более 1.32 мм (М = -20) и 0.8 (М = -12).

Рис. 8. Лазерный панкратический наконечник Р7Ь-1.5

Рис. 9. Конструкция лазерного панкратическогой наконечника Р7Ь-1.5

Анаморфотный кинообъектив

Анаморфотный кинообъектив (рис. 10) предназначен для широкоэкранной кинематографии при использовании пленки с форматом кинокадра 24.0x18.67мм. Диапазон фокусировок объектива от да до 1м (отсчет от плоскости кинокадра) обеспечивается осевым перемещением фронтальной линзы. Ее максимальное смещение составляет 25 мм. Дополнительного смещения всего объектива при фокусировке на конечные дистанции не требуется.

Высокое качество изображения (^60 мм-1 в центре и ^40 мм-1 по краю поля) обеспечивается на расстояниях от да до 2м и падает до «50 мм-1 в центре и «35 мм-1 по краю при фокусировке на дистанцию 1 м (по пороговой кривой чувствительности негативной кинопленки КН-1). При перефокусировках обеспечивается постоянство анаморфозы как в центре, так и вне оси для выбранной точки поля в пределах ±0.2 %. Изменение абсолютного значения анаморфозы для фиксированной дистанции в пределах кадра не превышает -3.9 % для вертикальных и +1.9 % для горизонтальных сечений. Дисторсия при фокусировке на да в горизонтальном сечении не превышает -4.7 %, а в углах кадра ее составляющие по вертикальному и горизонтальному сечениям равны соответственно -5.1 % и -5.5 %. Объектив отличают существенно сниженные габаритно-весовые характеристики. Его длина (от 1-ой до последней поверхности) составляет около 150 мм при световом диаметре на первой линзе 85 мм.

Оптическая схема объектива обеспечивает достигнутое качество изображения в широком интервале изменения температур - от-25°С до +50°С (по ЧКХ снижение

разрешения составляет не более 2-4мм-1). Освещенность изображения для крайних точек кадра соответствует достигнутому в лучших образцах данного класса объективов и составляет порядка 60 % для сторон кадра и порядка 30 % в углах (при фокусировке на да). При перефокусировках на дистанциях от 1м до да происходит уменьшение угла поля зрения. Так, в горизонтальной плоскости угол меняется от 54.8° до 49.5° (изменение на -9.7 %), а в вертикальной плоскости от 23.36° до 21.07° (изменение на -9.8 %). В табл. 1 приведены значения глубины резкости для ряда дистанций,

Таблица 1

Дистанция, м 1 1.5 2.25 3.5 5 8

Глубина резкости (мм):

вертикальная плоскость 12 30 50 100 200 500

горизонтальная плоскость 50 120 200 400 800 2000

Разная глубина резкости в вертикальной и горизонтальной плоскости обусловлена двумя факторами: эллиптическим входным зрачком объектива и его анаморфозой.

Объектив рассчитан для работы в спектральном интервале длин волн от 0.435 мкм до 0.656 мкм. Основная длина волны - 0.546 мкм.

В оптической схеме объектива можно выделить три основные части:

• переднюю фокусирующую на линзах 1 и 2 с подвижной отрицательной и неподвижной положительной линзами, суммарная оптическая сила которых незначительна, но все же имеет конечное отрицательное значение;

• анаморфотную длиннофокусную оборачивающую систему, в состав которой входят линза 5, а также скрещенные цилиндрические линзы 3, 4 и 8 для обеспечения характеристик объектива в горизонтальной плоскости и линзы 6 и 7 для обеспечения характеристик в вертикальной плоскости;

• объектив с постоянными характеристиками на линзах 9-16, который по оптической схеме можно отнести к модифицированному объективу типа "Планар".

Широкоугольный кинообъектив

Широкоугольный кинообъектив (рис. 11) предназначен для широкоэкранной кинематографии при использовании пленки с форматом кинокадра 24.0x18.67 мм. Диапазон фокусировок объектива от да до 0.25 м (отсчет от плоскости кинокадра) обеспечивается осевым перемещением группы из двух линз (фокусатора). Ее максимальное смещение составляет 2.556 мм. Дополнительного смещения всего объектива при фокусировке на конечные дистанции не требуется.

Достаточно высокое качество изображения («62 мм-1 в центре и «25 мм-1 по краю поля) обеспечивается на расстояниях от да до 0.55 м и постепенно падает до «50 мм-1 в центре и «10 мм-1 по краю при фокусировке на дистанции до 0.25 м (по пороговой кривой чувствительности негативной кинопленки КН-1). Дисторсия при фокусировке на дистанцию 1 м в горизонтальном сечении не превышает -5.8 %, в вертикальном -4.85%, а в углах кадра по диагонали составляет - 4.7%. Таким образом, кривизна вертикального края кадра составляет 0.13 мм, а горизонтального - 0.014 мм. В плоскости предмета для дистанции 1 м это соответствует 9.6 мм и 1 мм.

Объектив отличают сниженные габаритно-весовые характеристики. Его длина (от 1-ой до последней поверхности) составляет 125.3 мм, световой диаметр первой линзы 85.2 мм, бленды на входе - 126 мм. Соотношение диаметра последней линзы и заднего отрезка позволяет использовать как европейский разъем, так и разъем "Panavision". Оценочный вес оптики - около 500гр.

Оптическая схема объектива обеспечивает достигнутое качество изображения в широком интервале изменения температур - от-45°С до +60°С (по ЧКХ снижение разрешения составляет не более 2-4 мм-1). Освещенность изображения для крайних точек кадра соответствует достигнутому уровню в данном классе объективов - порядка 55 % и 38 % для сторон кадра и порядка 18 % в углах. При перефокусировках на дистанциях от да до 0.25 м происходит уменьшение максимального угла поля зрения с 52.5° до 51.3° (на сторону). Относительное изменение угла поля зрения составляет 2.3 %.

Объектив рассчитан для работы в спектральном интервале длин волн 0.435-0.656 мкм. Основная длина волны - 0.546 мкм

Объектив состоит из 16 линз, две из которых склеены. Условно линзы 1-4 можно рассматривать как широкоугольную насадку. В хвостовой части объектива расположены подвижные линзы 12 и 13, которые обеспечивают фокусировку объектива на конечные дистанции.

КИНООБЪЕКТИВ ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ДЛЯ 35мм ПЛЕНКИ.

Р=12.0тт, Р#1.8, 2№=105с1ед, 1_=158.2тт, 8пгш=-91.8тт, 8|=32.887гпт, |*|ауе=546пгп, 435-656пт

Бленда 0126.0

Примечание:

1 С1 - подвижный компонент на линзах 12 и 13. Обеспечивает фокусировку объектива на заданную дистанцию от плоскости кадрового окна (показан в положении фокусировки "на бесконечность"). При фокусировке на дистанцию 0.25м его перемещение в сторону предмета составляет 2.556мм. Воздушные промежутки до и после С1 соответственно равны 3.6...1.044 и 0.2...2.756мм.

2. Окончательное значение заднего отрезка определяется по положению плоскости наилучшей установки (ПНУ) при фокусировке объектива на дистанцию 1м. Чувствительность подвижки ПНУ 0.005мм.

Date 11/08/00 OS: Of12_dfа

Рис. 11. Широкоугольный кинообъектив

Многоканальная оптическая система для зондирования атмосферы

При исследовании поглощающих сред часто возникает необходимость в излучении достаточной мощности для зондирования среды на необходимую глубину. Тривиальным решением задачи увеличения мощности лазерного излучения является простое увеличение числа лазерных излучателей. Однако при исследовании атмосферы и атмосферных образований имеет значение не только глубина проникновения в исследуемый объект, но и возможность однозначно ответить на вопрос о том, с какого участка исследуемого объекта получена та или иная информация. Решение данной задачи напрямую связано с вопросом о разрешающей способности оптической системы (ОС), формирующей лазерное излучение в направлении исследуемого объекта. Наиболее эффективный способ решения обеих задач состоит в создании оптической системы с так называемой синтезированной выходной апертурой. В этом случае характеристики излучения (синтезированного пучка) на выходе из оптической системы приобретают качественно новые черты, существенно отличные от того, что можно было бы ожидать от простого сложения составляющих это излучение элементарных пучков.

В данном случае мы имеем до 16-ти лазерных пучков, которые получены в результате специальной разводки от 4-х лазерных излучателей. Центры пучков расположены на окружности диаметром 75 мм, диаметр каждого пучка 1.6 мм, угловая расходимость порядка 5 мрад и длина волны излучения 532 нм. На рис. 12 показана в изометрии оптическая схема и ход лучей отдельно взятого пучка с номером ]=0, на рис. 13 - общий вид и ход лучей в 16-канальной системе.

Рис. 12. Оптическая схема и ход лучей отдельного пучка

Оптическая система для каждого элементарного лазерного пучка состоит из двух телескопов. Первый, расширитель, является своим для каждого пучка. Его назначение -

обеспечить необходимое заполнение входного окна и юстировку расходимости элементарного пучка. Второй - телескоп кассегреновского типа с большим гиперболическим зеркалом (А=0.004) и малым параболическим (А=0) - обеспечивает необходимые параметры синтезированной выходной апертуры и является общим для всех пучков

Рис. 13. Ход лучей в 16-канальной системе

В данном разделе приведены результаты расчета диаграмм направленности и дана оценка угловой разрешающей способности в пространстве исследуемых объектов при наличии постоянных фазовых смещений между исходными лазерными пучками. В предлагаемой расчетной модели ОС есть несущественное отличие от реальной модели. Действительные начальные фазы волновых фронтов от 4-х лазерных источников излучения моделируются набором фазовых корректоров уже на выходе излучения из расширителей. Набег фазы для у-того пучка задается простым выражением:

А = /5/(#-1) ,у=0, ....N-1; (2)

где М - количество каналов; 5 - начальная фаза (8 = 0; А/4; А/2).

Рис. 14. Иллюстрация фазового распределения

Из приведенной формулы видно, что в случае 5 = 0 исследовались синфазные излучатели. В этом случае начальные сдвиги фаз для пучков всех каналов отсутствовали или могли быть кратны целому числу длин волн. В случае 5 = А/4 для каждого следующего пучка вводилось дополнительное смещение фазы А/4, а в случае

5 = А/2 смещение фазы составляло для каждого следующего пучка А/2. Для случая 5 = А/4 на рисунке одинаковой штриховкой показаны синфазные пучки для 16-ти и 12-ти канальных оптических систем.

Рис. 14 наглядно демонстрирует отсутствие симметрии в фазовом распределении, что подтверждается также и графиками распределения интенсивности (рис. 15, 16) в зависимости от угла расходимости излучения в пространстве исследуемого объекта.

PSFd-m

— .9

angle .5-05rad

PSFd-s -.8

wi

h=0

angle .5-05rad

PSFd-m

-.3

J

angle .5-05rad angle .5-05rad

ъ=ш

PSFd-m PSFd-s .2 --.2 -,

h = M

angle .5-05rad angle .5-G5rad

Рис. 15. Угловое распределение интенсивности для 16-канальной ОС: m меридиональное сечение,в - сагиттальное сечение

PSFd-n в

iJ

Уд

PSFd-s

— .8 -,

angle .5-05rad angle .5-05rad

5=0

PSFd-m

— .5 -,

A

/У

FSFd-s -.3

angle .5-05rad angle .5-05rad

& = Л/2

ь=ш

angle .5-05rad

angle .5-05rad

Рис. 15. Угловое распределение интенсивности для 12-канальной ОС: т - меридиональное сечение,в - сагиттальное сечение

Полученные результаты расчета диаграмм направленности позволяют сделать вывод о целесообразности использования в многоканальных лазерных ОС специальных устройств, которые позволяли бы вводить постоянное смещение фазы для группы пучков, полученных от определенного лазерного источника излучения. Обеспечив синфазность волновых фронтов в каналах, можно повысить интенсивность излучения до 4-х раз (относительно возможного наихудшего случая) при одновременном увеличении разрешающей способности или уменьшении угловой расходимости пучка. Зависимость расходимости излучения в пространстве исследуемых объектов от сдвига фазы можно использовать для плавного управления размером облучаемой поверхности исследуемого объекта.