Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 19 )

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, бо́льшие угловые поля, технологическая простота конструкции (проще сборка и юстировка, бо́льшая 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 из этих недостатков нет у зеркальных систем; основными достоинствами их являются возможность работы в широком спектральном диапазоне с небольшими потерями энергии излучения, 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).

Для большинства зеркальных систем характерна некоторая технологическая усложненность по сравнению с однотипными линзовыми объективами.

В последние десятилетия 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 ахроматическими. Иногда поверхности зеркал в этих системах выполняются асферическими, а в ряде случае в них вводят и корригирующие линзы, помещаемые обычно вблизи фокальной плоскости 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.

Параметры некоторых отечественных объективов приведены в табл.4.1.

Таблица 4.1

Параметры некоторых отечественных объективов

Тип объектива	f¢, мм	D/f¢	2b, угл. гр	τ	Разрешающая способность, линий/мм, в центре поля/ на краю поля	Масса, г
П-5	120,3	1:2	14	0,9	90/40	1430
Р-109-1А	49,93	1:1,2	14	0,82	90/45	350
Орион-15	27,94	1:6	75	0,8	45/18	80
Руссар МР-2	19,71	1:5,6	95	0,7	32/20	95
Юпитер-12	35,7	1:2,8	63	0,75	36/18	130
Гелиос-44	58,6	1:2	40	0,81	35/14	230
МТО-500	500,7	1:8	5	0,58	35/22	1500
Таир-11	133,2	1:2,8	18	0,8	28/12	560
Триплет Т-43	41,78	1:4	55	0,87	45/19	227
Индустар-11М1	301,24	1:9	45	-	20/8	665
Индустар-50	52,4	1:3,5	45	0,8	38/22	126

4.5. Конденсоры приемных оптических систем

Поток излучения, собранный объективом, непосредственно им же может быть направлен на приемник излучения. Простейшим случаем является расположение чувствительного слоя приемника в фокальной плоскости объектива или в непосредственной близости от нее (рис. 4.6). В этом случае размер приемника l зависит от фокусного расстояния f¢ объектива и его углового поля 2w:

. (4.6)

Однако такая простая оптическая схема имеет ряд недостатков. Во-первых, размер приемника может быть слишком большим, что ухудшает его пороговую чувствительность (при увеличении площади чувствительного слоя возрастают шумы приемника); во-вторых, при изменении угла падения лучей на входной зрачок изображение удаленного источника, имеющее малый размер, будет переходить с одного участка чувствительного слоя приемника на другой, а при этом за счет неравномерности чувствительности по площади приемника возникает неконтролируемое изменение выходного сигнала – так называемый шум из-за неравномерности чувствительности по слою. В-третьих, в ряде случаев в фокальной плоскости объектива необходимо располагать не чувствительный слой приемника, а устройство, анализирующее закон распределения освещенности в изображении. При этом приходится отодвигать приемник, что ведет к крайне нежелательному увеличению площади его чувствительного слоя. Иногда необходимо уменьшить влияние перемещения изображения вдоль оси системы (при взаимном сближении или удалении объектива и источника), что довольно трудно получить в системе, представленной на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Простейшая приемная оптическая система ОЭП

Для устранения перечисленных вредных явлений, т. е. для увеличения на выходе приемника отношения сигнал-шум, используют специальные оптические элементы, трансформирующие световой пучок после объектива – конденсоры. Их основное назначение – уменьшать размер чувствительного слоя приемника и устранять влияние неравномерности чувствительности по площадке.

Рис. 4.6. Приемная оптическая система с конденсором

Общая схема оптической системы (в тонких компонентах) с конденсором представлена на рис. 4.6. В данном случае конденсор переносит изображение входного зрачка, положение которого принято близким к главной плоскости объектива, в плоскость чувствительного слоя приемника. В плоскости изображения удаленного источника помещается растр анализатора изображений, оправа которого размером lа, является полевой диафрагмой. Очевидно, что расстояние D между плоскостью анализа (плоскость, в которой строится и анализируется изображение) и главной плоскостью конденсора не может быть отрицательным, так как в последнем случае нельзя осуществить анализ изображения в фокальной плоскости объектива. Фокусное расстояние конденсора f¢к по абсолютной величине может быть больше, меньше или равно D. Целесообразно иметь f¢к£D, так как при f¢к>D пучок на выходе конденсора расширяется, что противоречит самому смыслу применения конденсора. При f¢к=D ход лучей в системе телецентрический (телескопическая система).

Используя принятые на рис. 4.6 обозначения и применяя хорошо известную в оптике формулу отрезков 1/s¢–1/s = 1/f¢к, найдем положение выходного зрачка на оси:

, где .

Для системы, находящейся в воздухе, диаметр выходного зрачка

(4.7)

а диаметр конденсора

(4.8)

Из анализа (4.7) следует, что для уменьшения размера чувствительного слоя приемника, располагаемого в плоскости выходного зрачка, т. е. для уменьшения D¢, необходимо увеличивать D и уменьшать f¢к. Однако это невыгодно на практике, так как с увеличением D растет диаметр конденсора Dк, что следует из формулы (4.8), т. е. увеличивается относительное отверстие конденсора Dк/f¢к. Кроме того, увеличиваются продольные размеры системы.