ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2003 года по МПК G02B23/12 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности может найти применение при создании систем, работающих в среднем и дальнем ИК-диапазонах электромагнитного спектра, а именно для аппаратуры дистанционного зондирования Земли в ИК-диапазоне.

Существенной проблемой, возникающей при создании оптической аппаратуры для среднего и дальнего ИК-диапазонов, является борьба со световыми помехами, связанными, в первую очередь, с собственным тепловым излучением конструктивных элементов оптических систем. Существуют различные подходы к уменьшению данных помех. Известны образцы ИК-аппаратуры, использующие классические зеркальные схемы, в которых уменьшение световых помех, связанных с тепловым излучением элементов конструкции, достигается охлаждением всей оптической системы до низких температур (например, астрономическая ИК-аппаратура европейского спутника IRAS, использовавшая оптическую систему Кассегрена, охлажденную до криогенных температур).

Охлаждение всей оптической системы до низкой температуры и ее термостатирование при этой температуре требует наличия громоздкой и энергоемкой криогенной системы. Кроме этого, при глубоком охлаждении оптической системы возникают проблемы с сохранением оптического качества из-за неизбежных температурных деформаций.

Известны зеркальные оптические системы, например 4-х зеркальный анастигмат [Олейников Л.Ш. и др. "Криообъектив для ИК-астрономии" Оптический журнал, февраль 2002 г. ] , имеющие промежуточное действительное изображение. Наличие в таких системах действительного выходного зрачка позволяет установить в нем дополнительную диафрагму (диафрагму Лио), отсекающую излучение, идущее к поверхности изображения от неоптических элементов конструкции.

Так как собственное излучение оптических поверхностей невелико из-за их низкой излучательной способности, то при охлаждении диафрагмы Лио и объема, расположенного между ней и поверхностью изображения, возможно значительное уменьшение световых помех. Существенным недостатком систем данного типа является большое число оптических элементов, имеющих сложную (асферическую) поверхность, что делает чрезвычайно сложным их изготовление, юстировку и эксплуатацию.

Известны оптические системы, состоящие из главного зеркала и линзового компенсатора в сходящихся пучках лучей - система Росса, система Чуриловского [Слюсарев Г. Г. Расчет оптических схем. Л.: Машиностроение. 1975 г., стр. 357] . Несмотря на крайнюю простоту эти системы обеспечивают хорошее исправление основных аберраций при большой светосиле и сравнительно больших полевых углах. Апертурная диафрагма в данных системах совпадает с оправой или краем главного зеркала, а выходной зрачок, соответственно, расположен за поверхностью изображения, что исключает его использование для установки диафрагм.

Последнее приводит к необходимости охлаждения всей оптической системы для уменьшения световых помех, связанных с собственным тепловым излучением. Эта оптическая система по технической сущности наиболее близка предлагаемой и выбрана в качестве прототипа.

Задача увеличения эффективного поля зрения описанных оптических систем решается установкой на входе системы сканирующего наклонного зеркала с центральным отверстием, например "Телескоп", патент РК 2711251, пуб. 21.01.95, МКИ G 02 В 23/02.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение влияния теплового фона, обусловленного излучением большей части элементов оптической системы, обеспечение высокого температурного разрешения при сохранении таких ее преимуществ, как простота, малые габариты, низкая расстраиваемость.

Поставленная цель обеспечивается установкой апертурной диафрагмы в сходящихся пучках лучей и ограничением зоны распространения лучей от апертурной диафрагмы до фотоприемного устройства светозащитной трубкой. При этом предусматривается захолаживание апертурной диафрагмы и светозащитной трубки в процессе работы. При этом размеры вогнутого главного зеркала увеличены, чтобы исключить виньетирование наклонных пучков лучей.

На фиг. 1 представлена схема предложенной оптической системы для ИК-области спектра с линзовым компенсатором, размещенным внутри светозащитной трубки.

На фиг. 2 представлен вариант этой оптической системы с линзовым компенсатором, размещенным вне светозащитной трубки, перед апертурной диафрагмой со стороны вогнутого главного зеркала.

На фиг. 3 представлена эта оптическая система со сканирующим наклонным зеркалом.

Предлагаемая оптическая система содержит вогнутое главное зеркало 1, апертурную диафрагму 2, светозащитную трубку 3, линзовый компенсатор 4, фотоприемное устройство 5, сканирующее наклонное зеркало 6.

Предложенная оптическая система для ИК-области спектра работает следующим образом.

Электромагнитное излучение от наблюдаемых объектов попадает на вогнутое главное зеркало 1 системы. После отражения от вогнутого главного зеркала 1 формируются сходящиеся пучки лучей, сечение которых ограничивается апертурной диафрагмой 2.

С целью коррекции аберраций сходящиеся пучки лучей проходят через линзы компенсатора 4. Скорректированные пучки формируют изображение наблюдаемых объектов на поверхности фотоприемного устройства 5. Диаметр оптической поверхности вогнутого главного зеркала 1 для исключения виньетирования наклонных пучков лучей выбирается из условия
D>fd/(f-L)+2Lsinω,
где f - фокусное расстояние главного зеркала;
d - диаметр апертурной диафрагмы;
L - расстояние от главного зеркала до апертурной диафрагмы;
ω - половина полного угла зрения системы.

При выполнении данного условия из любой точки рабочей поверхности фотоприемного устройства 5 через отверстие апертурной диафрагмы 2 видна только оптическая поверхность главного зеркала.

Соответственно, освещенность в ИК-диапазоне рабочей поверхности фотоприемного устройства складывается, в основном, из следующих компонентов:
- излучения, поступающего через оптическую систему от наблюдаемых объектов (полезного сигнала);
- собственного теплового излучения внутренней поверхности апертурной диафрагмы и светозащитной трубки.

В силу низкой излучательной способности оптических элементов и их оптических поверхностей вклад их собственного теплового излучения в освещенность рабочей поверхности фотоприемного устройства не превышает 3-4% от уровня полезного сигнала.

Тепловое излучение апертурной диафрагмы и внутренней поверхности светозащитной трубки может быть понижено до практически любых малых величин охлаждением данных элементов до низких температур. Требуемые значения температур оцениваются с использованием формулы Планка для излучения абсолютно черного тела.

Таким образом обеспечивается снижение до малозначимых величин фоновой засветки фотоприемного устройства.

В случае использования на входе системы сканирующего наклонного зеркала 6 с центральным отверстием электромагнитное излучение ИК-диапазона от наблюдаемой поверхности попадает на сканирующее наклонное зеркало 6 системы. Сканирующее наклонное зеркало 6 циклически меняет свое положение в пространстве, осуществляя качания относительно оси, параллельной наблюдаемой плоскости и перпендикулярной главной оптической оси системы. При различных положениях сканирующего наклонного зеркала 6 в направлении вогнутого главного зеркала 1 передается излучение от различных участков наблюдаемой поверхности. После отражения от вогнутого главного зеркала 1 формируются сходящиеся пучки лучей, проходящие через апертурную диафрагму 2 и линзовый компенсатор 4, обеспечивающий коррекцию аберраций данной оптической системы. Прошедшие через оптическую систему лучи формируют изображение наблюдаемых объектов на чувствительной поверхности фотоприемного устройства 5.

Расположение и размеры апертурной диафрагмы 2 и светозащитной трубки 3 обеспечивают попадание на чувствительную поверхность фоториемного устройства 5 только лучей, передаваемых сканирующим и главным зеркалами 6 и 1 от наблюдаемых объектов. При этом отсекается собственное тепловое излучение прочих (неоптических) элементов конструкции. Собственное излучением апертурной диафрагмы 2 и светозащитной трубки 3 подавляется за счет их захолаживания.

В качестве примера конкретного исполнения может быть рассмотрена оптическая система в ИК-аппаратуре дистанционного зондирования Земли. Главное зеркало 1 диаметром 330 мм имеет гиперболическую оптическую поверхность. Апертурная диафрагма 2 диаметром 70 мм устанавливается в сходящихся пусках лучей на расстоянии 400 мм от главного зеркала. Линзовый компенсатор 4 состоит из двух германиевых линз, обеспечивающих исправление аберраций в спектральном диапазоне с длинами волн 3,5-12 мкм. В фокальной плоскости устанавливается фотоприемное устройство 5. Диаметр входного зрачка оптической системы D_BX= 270 мм, фокусное расстояние f=490 мм, поле зрения зрачка 2ω=3 градуса. Пропускание оптической системы τ=0,7.

Освещенность, создаваемая наблюдаемым объектом в плоскости изображения оптической системы, определяется по формуле
Е=0,25τQ(D_BX/f)²,
где Q - энергетическая светимость наблюдаемого объекта. Значения Е при различных температурах абсолютно черных наблюдаемых объектов приведены в табл.1 (табл.1-3, см. в конце описания).

Снижение освещенности плоскости изображения, обусловленной собственным излучением элементов конструкции (фоновой освещенности), достигается охлаждением апертурной диафрагмы 2 и светозащитной трубки 3. Температура диафрагмы и трубки выбирается такой, чтобы их собственное тепловое излучение было много меньше, чем полезная освещенность, создаваемая наблюдаемым объектом. Значения фоновой освещенности Е_ф при различных уровнях температур апертурной диафрагмы и светозащитной трубки, рассчитанные с использованием формулы Планка, представлены в табл.2.

Сравнение данных табл.1 и 2 позволяет определить требуемые значения температур апертурной диафрагмы 2 и светозащитной трубки 4.

Температуры, необходимые для получения отношения фон/полезный сигнал не более 0,1, приведены в табл.3.

При этом сброс тепла с апертурной диафрагмы 2 и светозащитной трубки 3 может осуществляться с помощью холодильника излучателя с полезной площадью 0,5 м², соединенного с ними тепловыми трубами.

Для увеличения эффективного поля зрения аппаратуры до величин 18-20 градусов на входе системы, так же как в аналоге (патент FR 2711251), устанавливается сканирующее наклонное зеркало 6.

Как следует из описания заявляемой оптической системы, в ней обеспечивается высокое температурное разрешение при достаточной простоте исполнения, малых габаритах и низкой ее расстраиваемости.

Оптическая система содержит вогнутое главное зеркало, апертурную диафрагму и линзовый компенсатор, установленные в сходящихся пучках лучей, и фотоприемное устройство. Зона распространения лучей от диафрагмы до фотоприемного устройства ограничена светозащитной трубкой. Светозащитная трубка и апертурная диафрагма захоложены, а диаметр оптической поверхности главного зеркала D соответствует условию: D>fd/(f-L)+2Lsinω, где f - фокусное расстояние главного зеркала, d - диаметр апертурной диафрагмы, L - расстояние от главного зеркала до апертурной диафрагмы, ω - половина полного угла зрения системы. Линзовый компенсатор может быть установлен в светозащитной трубке между апертурной диафрагмой и фотоприемным устройством. Светозащитная трубка может быть помещена внутри центрального отверстия сканирующего наклонного зеркала, установленного на входе системы. Обеспечивается уменьшение влияния теплового фона, обусловленного излучением элементов оптической системы, а также высокого температурного разрешения при сохранении простоты, малых габаритов и низкой расстраиваемости. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Оптическая система для ИК-области спектра, состоящая из вогнутого главного зеркала, апертурной диафрагмы, линзового компенсатора в сходящихся пучках лучей и фотоприемного устройства, отличающаяся тем, что апертурная диафрагма установлена в сходящихся пучках лучей, а зона распространения лучей от апертурной диафрагмы до фотоприемного устройства ограничена светозащитной трубкой, при этом захоложены светозащитная трубка и апертурная диафрагма, а диаметр оптической поверхности главного зеркала D соответствует условию

D>fd/(f-L)+2Lsinω,

где f - фокусное расстояние главного зеркала;

d - диаметр апертурной диафрагмы;

L - расстояние от главного зеркала до апертурной диафрагмы;

ω - половина полного угла зрения системы.