	Уровень: Глоссарии:

Оптические системы ПНВ

Оптические системы в приборах ночного видения служат для формирования изображения объекта на фотокатоде ЭОП, излучения его на экране, а также для подсветки объектов. Таким образом, оптическим системам в ПНВ приходится работать либо с глазом наблюдателя, либо с фотоприемником излучения (ЭОП).

Основные параметры оптической системы, при помощи которых оцениваются качество и эффективность оптических систем, следующие: D - диаметр оптических элементов или размер входного зрачка; f ' - фокусное расстояние; t - коэффициент пропускания в рабочей области спектра; 2 a - угол поля зрения; N - разрешающая способность; стабильность оптических свойств при различных климатических условиях, при вибрации и тряске.

По этим параметрам можно определять габаритные, энергетические, аберрационные, пространственно-частотные, эксплуатационные и технико-экономические характеристики оптических систем.

В ПНВ применяют светосильные объективы с относительным отверстием 1:0,75 и фокусным расстоянием 100-200 мм, полем зрения до 30^о [3]^*, [6]^*. В ИК-диапазоне предельная разрешающая способность оптики ниже, чем в видимом участке спектра, и, казалось бы, эти системы могли бы быть проще по конструкции. Однако ИК-оптика используется в значительно более широком спектральном интервале, чем оптика видимого диапазона спектра. Сложная хроматическая коррекция и высокие требования по светосиле непременно требуют более сложного устройства оптической системы в сравнении с оптикой видимого участка спектра.

Основные проблемы расчета оптических систем для приборов, работающих при низкой освещенности, вызваны необходимостью иметь высокую разрешающую способность оптики, равномерную освещенность в плоскости изображения, стабильность размеров оптической системы при переменных условиях эксплуатации. Последнее требование обусловлено малой глубиной резкости светосильных систем, используемых в ночных приборах. Поэтому даже незначительные (до 0,15 мм) изменения расстояния от объектива до плоскости изображения нарушают разрешение системы.

В оптических системах ПНВ применяют линзовые системы, зеркальные, смешанные системы и элементы волоконной оптики.

ЛИНЗОВЫЕ СИСТЕМЫ. Линзовые системы состоят из нескольких оптических элементов, так как применяются светосильные оптические системы. Для объективов используют одну из следующих оптических систем:

систему Пецваля (рис. 40,а), состоящую из ахроматизированных положительных дублетов,
трехэлементную систему с воздушными зазорами (рис.40,б), в которой каждый элемент ахроматизирован и исправлен на сферическую аберрацию,
шестилинзовую систему Гаусса (рис.40,в).

Рис. 40. Схемы линзовых объективов, используемых в ПНВ

При выборе материала объектива надо обязательно учитывать физико-химические свойства оптического материала и спектральную область работы. Обычно в ближней (до 2 мкм) ИК-области можно с успехом применять оптические стекла, прозрачные в видимой области спектра. В некоторых ЭОП чувствительность фотокатодов, обладающих малой работой выхода, при длительном облучении видимым и УФ-светом снижается. Поэтому в ИК-объективах ПНВ последнюю линзу делают из красного стекла либо ставят заградительный ИК-фильтр, отрезающий видимую область спектра.

Достоинства линзовой оптики:

возможность хорошей аберрационной коррекции;
большое поле зрения;
технологическая простота при сборке и юстировке;
возможность совмещения функций защитного стекла и первого компонента.

Недостатки линзовых систем:

Объективы с относительным отверстием 1:0,85 имеют малое разрешение в центре и на краю поля зрения, соответственно 15-20 и 5-8 лин/мм, тогда как при относительном отверстии 1:1,4 оно составляет 60 и 45 лин/мм соответственно.
Малая глубина резкости изображения. Чтобы целиком использовать разрешающую способность объектива, необходимо совместить плоскость изображения с плоскостью фотокатода с точностью до 0,15 мм. В связи с этим возрастают требования к точности изготовления прибора, причем трудности в конструировании и изготовлении не являются преувеличенными.
Линзовые системы имеют низкий коэффициент пропускания. Многократные отражения на границах раздела стекло-воздух приводят к общим потерям света.
В линзовых системах кривизна фокальной плоскости противоположна кривизне поверхности фотокатода. Для сопряжения иногда применяют волоконную планшайбу.
В системах, работающих при малых освещенностях, отражения от фотокатода часто создают определенные трудности. Например, в системах с телеобъективом вогнутая тыльная поверхность последнего повторно фокусирует оптическое изображение, отражение фотокатодом.
Виньетирование наклонных пучков. Выравнивание достигается усложнением конструкции и диафрагмированием краевых пучков лучей.

ЗЕРКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ. Зеркала чаще всего имеют сферическую или параболическую форму. Параболоиды дают хорошее качество изображения удаленной точки на их оптической оси. Однако эти системы имеют существенную величину комы на изображениях, отстоящих от оси на доли градуса. Поэтому там, где требуется большое поле зрения, такие системы не применяют. Чаще используют объективы из двух зеркал, выполненных по схемам Кассегрена (рис. 41).

Рис. 41. Схема зеркального объектива

Зеркальный объектив состоит из главного 1 и вторичного 2 зеркал. Световой диаметр главного зеркала определяет относительное отверстие объектива. Вторичное зеркало служит для изменения сходимости пучка лучей, преломленных главным зеркалом. Так как вторичное зеркало диафрагмирует площадь главного, то площадь действующего объектива вычисляют по следующей формуле: А= ( p /4) Ч (D₁²-D ₂² ), где D₁ и D ₂ - диаметры зеркал.

Фокусное расстояние объектива зависит от формы зеркальных поверхностей и расстояния между ними. В свою очередь форма поверхности (кривизна) определяется остаточными аберрациями.

Так как сферические зеркала дают большие аберрации, то одно из зеркал выполняют асферическим, причем расчет проводят так, чтобы аберрации главного и вспомогательного зеркал взаимно компенсировались. Для объективов с полем зрения свыше 8^о требуется рассчитывать аберрации наклонных пучков.

Достоинства зеркальной оптики:

у зеркальных объективов отсутствует селективное поглощение в широком спектральном диапазоне;
зеркальные объективы имеют больший световой к.п.д.;
у зеркальных объективов нет хроматических аберраций, сферические аберрации меньше;
зеркальные объективы имеют сравнительно меньшие продольные размеры.

При использовании зеркальных объективов легче согласовать кривизну фокальной плоскости фотокатода и кривизну поля, так как они имеют одинаковый знак.

Недостатки зеркальных систем:

затруднена юстировка объектива;
высокая чувствительность к температурным воздействиям, требуется их компенсация, выполнение которой сопряжено с рядом трудностей;
имеется большое виньетирование.

Для защиты внутренней полости прибора зеркальные объективы должны иметь защитные стекла.

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЕ СИСТЕМЫ. Зеркально-линзовые системы применяются ограничено, когда для коррекции аберраций двухзеркальной системы с технологической и экономической точек зрения выгоднее использовать не асферические поверхности, а вводить в объектив коррекционные линзы, одна из которых выполняет функцию защитного стекла. В этих системах один элемент служит для снижения аберраций, создаваемых зеркальной системой. Наиболее распространены зеркально-линзовые системы Шмидта и Максутова, зеркало Манжена (рис.42).

Рис . 42. Схемы зеркально-линзовых объективов: а - система Шмидта; б - система Максутова; в - зеркало Манжена

В системе Шмидта специально скорректированную пластину, прозрачную в заданной области спектра, помещают в плоскости, проходящей через центр кривизны зеркала. Одна сторона пластины плоская, другая рассчитывается по зонам в зависимости от степени устранения сферической и полевых аберраций. Система Шмидта дает хорошее качество при углах поля зрения в несколько десятков градусов.

В системе Максутова в качестве коррекционной линзы применен ахроматический мениск 1, имеющий положительную сферическую аберрацию, способную скомпенсировать отрицательную аберрацию 2 и 3 объективов сферической формы. Устраняются при этом кома и сферическая аберрация. В некоторых случаях роль мениска выполняет обтекатель прибора. Система Максутова при относительном отверстии 1:1 имеет хорошее качество изображения при углах до 25^о. Ее недостатки - сложность изготовления, необходимость использования специальных материалов для изготовления менисков при работе в ИК-диапазоне.

Зеркало Манжена представляет собой зеркально-линзовую систему с одной отражающей поверхностью и одной преломляющей, используемой дважды. Такой поверхностью при минимальной сферической аберрации является зеркало с радиусами кривизны r₁= f ' и r₂ = 1,5 f ' при n = 1,5.

В ПНВ в качестве оптических элементов широко используются волоконные элементы и различные фильтры, а также сложные лупы. Волоконные элементы применяются в последнее время для улучшения качества изображения ЭОП. Фильтры необходимы для защиты серебряно-кислородно-цезиевых фотокатодов от сильных засветок. Для этого пригодны стекла марки КС-19. При выборе фильтра учитывают эффективность его влияния на мешающее излучение, а также изменение контраста объекта и фона .

Для создания увеличенного изображения на экране ЭОП применяются сложные лупы. В отличие от окуляра, направляющего в зрачок глаза параллельный пучок света, оптическая система лупы обеспечивает построение мнимого прямого и увеличенного изображения. Это изображение возникает потому, что из лупы в зрачок глаза идет расходящийся пучок лучей. Без заметного напряжения глаз может длительное время рассматривать объекты, находящиеся на расстоянии не менее 250 мм. При уменьшении этого расстояния резкое изображение на сетчатке глаза можно получить путем напряжения аккомодированных мышц глаза (хрусталика). Это вызывает утомление зрения. Чтобы угол отклонения лучей за лупой соответствовал непараллельности лучей при наблюдении реальных объектов с расстояния 250 мм, наблюдение реальных объектов ведется лупой с расстояния, находящегося вблизи передней фокальной плоскости, для чего окуляр смещают на -1дптр. Увеличение лупы, как известно, определяется выражением: Г_л = 250/ f ' _ок .

Световые потери в лупе можно компенсировать увеличением коэффициента усиления прибора. Увеличение окуляра должно быть таким, чтобы полностью использовать разрешающую способность системы, т.е. a _эГ_л = a _э ' > g _зр, где a _эи a _э ' - истинный и наблюдаемый через лупу угловые размеры структуры объекта на экране ЭОП; g _зр - минимальный разрешаемый глазом угол. Обычно используются сложные лупы с большим числом линз, дающие увеличение до 10-12^_ . Оптимальным для лупы считается увеличение 3-4^_ . Для неподвижного глаза полный угол поля зрения не превышает 30^о, но с учетом его поворота надо ориентироваться на поле зрения до 70^о. Кроме монокулярных луп применяют бинокуляры.