Синтез и расчет зрительных труб со стабилизацией изображения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Балаценко, Ольга Николаевна

• Балаценко, Ольга Николаевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Балаценко, Ольга Николаевна

1. Введение.

Глава 1. Принципы построения оптических систем со стабилизацией изображения.

1.1. Сравнительный анализ оптических элементов стабилизации изображения.

1.1.1. Призменные устройства стабилизации.

1.1.2. Устройства стабилизации с плоскими зеркалами.

1.2. Стабилизация изображения зеркалами, расположенными внутри оптической системы.

1.2.1. Анализ возможности создания кривизны изображения в оптической системе, необходимой для устранения расфокусировки в центре поля зрения.

1.2.2. Устранение расфокусировки в центре поля зрения путем одновременного смещения и поворота зеркала.

Глава 2. Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения.

2.1. Анализ целесообразности создания трехкомпонентной трубы Галилея.

2.1.1. Двухкомпонентная система Галилея.

2.1.2. Трехкомпонентная система Галилея.

2.2. Уменьшения кривизны изображения трубы Галилея за счет специального подбора материала линз.

2.2.1. Анализ возможности создания трубы Галилея с уменьшенной кривизной изображения в видимой области спектра.

2.2.2. Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения, работающие в инфракрасной области спектра.

Глава 3. Системы Кеплера с зеркальным коллективом.

3.1. Зеркальный коллектив- одиночное сферическое зеркало с наружным отражением.

3.2. Зеркальный коллектив — зеркало

Манжена.

Глава 4. Исправление вторичного спектра в зрительных трубах.

4.1:0 возможности исправления вторичного спектра в двух-, трехлинзовых объективах.

4.2. О возможности исправления вторичного спектра в телеобъективах.

4.2.1. Параметры С для первого и второго компонентов одинаковы (С 1=С2).

4.2.2. Параметры С для первого и второго компонентов различны (С 1*С2).

Глава 5. Расчет и сравнительный анализ различных вариантов зрительных труб со стабилизацией изображения.

5.1. Сложная зрительная труба, состоящая из систем Галилея и Кеплера.

5.1.1 .Габаритный расчет.

5.1.2. Аберрационный расчет.

5.2. Сложная зрительная труба, состоящая из двух систем Кеплера с использованием зеркального коллектива.

5.2.1. Габаритный расчет.

5.2.2. Аберрационный расчет.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и расчет зрительных труб со стабилизацией изображения»

В последнее время к оптическим приборам все чаще и чаще предъявляются, в основном, два взаимно противоречивых требования: высокое угловое разрешение и минимальность массы и габаритов. Эти требования сохраняются также и для аппаратуры, работающей с подвижных или недостаточно устойчивых оснований, к числу которых, в частности, относятся и руки оператора. В последнем случае прибор перемещается относительно предмета или цели наблюдения, которая, в свою очередь, может также двигаться. Подобное взаимное движение вызывает изменение направления визирного луча. При этом линейные перемещения носителя оптического прибора вызывают параллельные самому себе перемещения визирного луча. Если эти перемещения в плоскости предметов меньше, чем линейная разрешающая способность в этой плоскости, то не происходит или почти не происходит ухудшения основных характеристик оптического прибора. В большинстве случаев это так. Поэтому считается [1,2], что линейные колебания не влияют на работу прибора, если предмет наблюдения находится на расстоянии практической бесконечности. Иначе обстоит дело с угловыми перемещениями основания, которые Moiyr вызывать значительные отклонения визирного луча в плоскости предметов, приводя к уменьшению контраста и предела разрешения из-за инерционности зрения и, кроме того, могут приводить к потере цели, нарушая работоспособность прибора.

Для сохранения потенциальных возможностей прибора в области разрешающей способности в основном используют различные механические устройства, снижающие влияние движения основания на качество изображения. Наиболее часто встречающимся вариантом является установка оптического прибора на гиростабилизированную платформу. Однако при всей очевидности выбора подобного решения задачи стабилизации от него нередко приходится отказываться. Это объясняется тем, что соотношение между массами стабилизируемого прибора и стабилизирующей установки равны 1:3 — 1:4 [7] при невысоком уровне компенсации. Кроме того, существует зависимость массы установки от точности ее работы. С увеличением точности масса ее растет, и приведенное выше соотношение ухудшается. Поэтому в настоящее время является актуальной разработка приборов со стабилизацией изображения относительно приемника или приемника относительно колеблющегося случайным образом изображения за счет перемещения отдельных элементов или узлов прибора, масса которых, по крайней мере, на порядок меньше массы всего прибора. А подобная задача требует принципиально иного подхода к выбору оптической схемы прибора и ее расчету, с вытекающими отсюда требованиями к качеству изображения, создаваемого ею.

В системе управления при этом возможно два варианта решения [7,15]. Первое связано с использованием механических или лазерных высокочувствительных гироприборов, которые фиксируют непрограммируемые перемещения подвижного основания в пространстве и выдают соответствующие сигналы на следящие системы, управляющие исполнительными устройствами в оптической схеме и компенсирующие динамические сдвиги изображения. Это косвенная стабилизация, т.к. само изображение не контролируется и информация о нем в систему не поступает.

Второе решение связано с использованием информационных систем контроля смещения изображения и с разработкой замкнутых систем управления непосредственно по изображению.

Таким образом, задача стабилизации линии визирования наблюдательных приборов отдельными оптическими элементами, разработка оптимальных оптических схем с внутренней стабилизацией, с выработкой требований к качеству изображения становятся актуальными вопросами вычислительной оптики.

Поэтому целью данной диссертационной работы является разработка методики расчета и синтеза зрительных труб со стабилизированным изображением.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработка оптимальных оптических схем зрительных труб с внутренним расположением стабилизирующих элементов;

• выработка требований к исправлению аберраций компонентов оптических систем с внутренней стабилизацией.

Решение поставленных задач основывалось на следующих методах:

• использование приближенных формул теории аберраций третьего порядка;

• современные автоматизированные методы расчета хода лучей через оптическую систему;

• применение математического аппарата.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

• предложена наиболее целесообразная схема расположения оптических стабилизирующих элементов — внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей;

• исследованы возможности создания практически безаберрационных труб Галилея, впервые предложено исправлять кривизну изображения за счет использования новых стекол, позволяющих существенно изменить параметр л кривизны изображения;

• исследованы свойства зеркального коллектива (зеркала Манжена) и впервые предложена конструкция зрительной трубы со стабилизацией линии визирования с использованием зеркального коллектива, необходимого для исправления кривизны изображения;

• рассчитаны объективы-апохроматы без кристаллов, введены новые апохроматические пары стекол.

Основными результатами диссертации, полученными в ходе исследований и выносимыми на защиту, являются:

• условие расположения стабилизирующих элементов - внутри оптической системы, в параллельном пучке лучей, что позволяет избежать расфокусировки изображения при их прокачке и значительного увеличения массы и габаритов прибора;

• децентрированные оптические системы с использованием зеркального коллектива - зеркала Манжена, позволяющего исправить кривизну изображения;

• объективы-апохроматы без кристаллов, выполненные на базе сочетаний особых кронов (ОК) со сверхтяжелыми кронами (СТК) и особых кронов (ОК) с кроном (К8);

• методика габаритного и аберрационного расчета визуальных оптических систем со стабилизированным изображением.

Практическая ценность работы:

• полученные результаты могут быть использованы при разработке оптических систем с внутренней стабилизацией, в частности, зрительных труб большого увеличения (более 10х);

• разработана и рассчитана оптическая схема зрительной трубы с внутренней стабилизацией со следующими оптическими характеристиками: видимое увеличение 20х, диаметр входного зрачка 60мм, угловое поле зрения 3°, угол стабилизации ±1,5°.

Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Прикладная оптика-96", на международной конференции "Прикладная оптика-98", на конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО(ТУ) в 1999 году. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения: изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 52 таблицы, 4 приложения и список литературы, включающий 34 наименования, всего 189 страниц.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Балаценко, Ольга Николаевна

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах.

1. Балаценко О.Н. «Стабилизация изображения зеркал в сходящемся пучке лучей», Прикладная оптика-96: Тезисы докладов. Международная конференция. СПб, 1996г-с.128.

2. Балаценко О.Н. «Стабилизация изображения зеркалами, расположенными в сходящемся пучке лучей», Оптический журнал-1997г.-Т.64-№3-с.63-66.

3. Балаценко О.Н. «Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения». Оптический журнал-1998г.-Т.65-№6-с.73-76.

4. Балаценко О.Н. «Системы Галилея с уменьшенной кривизной изображения», Прикладная оптика-98: Тезисы докладов. Международная конференция. СПб, 1998г.-с.130

5. Балаценко О.Н., Грамматин А.П. «Зеркальный коллектив», Конференция Цроффесорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ):Тезисы дою]ада. СПб, 1999г.

6. Балаценко О.Н., Грамматин А.П. «Объективы-апохроматы без кристаллов», Оптический журнал-2002г.-Т.69-№2-с.21-24.

Заключение.

В заключении сформулируем основные результаты работы.

1. При проектировании оптических систем со стабилизацией изображения, в частности зрительных труб, предпочтение следует отдавать элементам, позволяющим осуществлять стабилизацию, обладающим наименьшей массой, в частности плоским зеркалам. Указанные оптические элементы необходимо, по возможности, располагать внутри оптической системы.

2. Расположение стабилизирующих зеркал внутри оптической системы возможно как в сходящемся, так и в параллельном пучке лучей. Однако, их размещение в сходящемся пучке лучей при прокачке зеркал неизбежно приводит к расфокусировке изображения в центре и на краю поля. Доказано, что единственный путь устранения расфокусировки в центре поля зрения-одновременное с поворотом смещение зеркал по определенному закону. Расфокусировку по краю поля возможно устранить лишь при размещении стабилизирующих элеменов в параллельном пучке лучей.

3. Для создания внутри зрительной трубы параллельного хода лучей, в котором будут располагаться стабилизирующие зеркала, возможно использование насадки в виде системы Галилея. При этом в трубке Галилея необходимо уменьшение кривизны изображения. В противном случае при прокачке зеркал возникает расфокусировка изображения, построенного последующей частью (в частности системой Кеплера) зрительной трубы. Направление расфокусировки будет противоположно тому, в котором глаз может аккомодировать, т.е. возникнет положительная диоптрийность.

4. Доказано, что уменьшение переисправленной кривизны изображения системы Галилея возможно только путем соответствующего подбора материалов в двухлинзовых несклеенных объективе и окуляре трубы, позволяющего существенно изменить параметра. Обнако, в видимой области спектра создание труб Галилея с уменьшенной кривизной изображения ограничено значениями их оптических характеристик. Положительные результаты могут быть получены только при видимых увеличениях до 2х , уголовых полях зрения до 3° и диафрагменных числах компонентов до 4. Возможность создания труб Галилея с уменьшенной кривизной изображения появляется в инфракрасной области спектра, где используются материалы, имеющие более высокие значения показателей преломления и коэффициентов дисперсий. Здесь можно получить видимые увеличения до 3,2х , угловые поля до 9° , диафрагменные числа до 3°. при этом длина системы Галилея, имеющей указанные характеристики, как в видимом , так и в инфракрасном диапазонах спектра, составляет примерно два диаметра входного зрачка.

5. Использование в качестве насадки для создания параллельного хода лучей систем Кеплера с зеркальным коллективом позволяет исправить кривизну изображения. Однако, неизбежный наклон зеркального элемента приводит к возникновению нецентрированных аберраций - комы и астигматизма.

6. Для устранения изменения увеличения наклонного зеркального коллектива предложено использование афокального зеркала Манжена.

Доказано, что в данном случае, фокусное расстояние коллектива и S /увеличины независимые. Выведены формулы для определения волновых комы и астигматизма, даваемых наклоненным зеркалом Манжена, подтвержденные расчетом на ЭВМ.

7. Рассчитана система Кеплера с зеркальным коллективом - афокальным зеркалом Манжена - с исправленной кривизной изображения, обладающая следующими оптическими характеристиками: видимое увеличение Г—3,2х , угловое поле зрения 2q)z=3° , диаметр входного зрачка D=60mm. Оптическая система работает в видимом диапазоне.

8. В зрительных трубах в большими Г, работающих как в условиях дневного, так и сумеречного зрения, аберрацией, определяющей качество изображения в широком диапазоне длин волн, является вторичный спектр, который необходимо исправлять.

9. Рассмотрено несколько типов объективов (телеобъектив, двухлинзовый и трехлинзовый) зрительных труб и дана оценка возможности исправления вторичного спектра. Предложены альтернативные общепринятым комбинации апохроматических пар стекол на основе особых кронов в положительных линзах и сверхтяжелых или тяжелых кронов - в отрицательных , а также особых кронов и стекла марки К8. Указанные комбинации значительно улучшают апохроматическую коррекцию и, как следствие, улучшают качество изображения.

10. На основе проведенных исследования рассчитан ряд зрительных труб со стабилизацией изображения различных по конструкции, но обладающих одинаковыми оптическими характеристиками (Л=20х, 2со=3°, Dp=60mm). И дан их сравнительных аберрационный анализ. А также проведен сравнительный анализ рассчитанных вариантов с имеющимися аналогами. Дана оценка качества изображения рассчитанных вариантов в условиях максимальной прокачки зеркал.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Балаценко, Ольга Николаевна, 2004 год

1. Бабаев А.А. «Амортизация, демпфирование и стабилизация бортовых оптических приборов». JI.: Машиностроение, 1984г,232с.

2. Бабаев А.А. «Стабилизация оптических приборов». JL: Машиностроение , 1975г, 192с.

3. Губель Н.Н. «Аберрации децентрированных оптических систем», JL: Машиностроение, 1975г, 272с.

4. Ю.Кравков С.В. «Глаз и его работа». M.-JI.: Издательство Академии наук СССР, 1950г,532с.

5. П.Левин И .Я. «Справочник конструктора точных приборов», М. Машиностроение, 1967г,743с.

6. Луизов А.В. «Глаз и свет», Л.: Энергоатомиздат, 1983,248с.

7. Слюсарев Г.Г. «Расчет оптических систем», JI.Машиностроения, 1975г, 640с.

8. Трубко С.В. «Расчет двухлинзовых склеенных объективов», JL: Машиностроение, 1984, 144с.

9. Чуриловский В.Н. «Теория оптических приборов», M.-JL: Машиностроение, 1966,564с.