CC BY
318
ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ПЕРЕМЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Ксения Дмитриевна Волкова
ООО «Оптическое Расчетное Бюро», 630132, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 200, инженер-конструктор, тел. (923)240-77-94, e-mail: [email protected]
Татьяна Николаевна Хацевич
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. (913)742-34-93, e-mail: [email protected]
Рассматриваются недостатки и преимущества оптических систем с переменными характеристиками. Представлены результаты разработки оптической системы с переменной перископичностью: оптическая схема и результаты оценки качества изображения.
Ключевые слова: переменные характеристики, оптические системы,
панкратический, дискретный, прицел, перископ, качество изображения.
OPTICAL SYSTEMS WITH VARIABLE CHARACTERISTICS
Ksenia D. Volkova
Optical Design Office Co Ltd, 630074, Russia, Novosibirsk, Red avenue street 200, design engineer, tel. (923)240-77-94, e-mail: [email protected]
Tatyana N. Khatsevich
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Professor at the nanosystems and optical devices department of SSGA,
tel. (913)742-34-93, e-mail: [email protected]
Advantages and weaknesses of optical systems with variable characteristics are discussed. The results of design for optical system with variable periscopic characteristics, such as optical scheme and results of image quality assessment, are presented.
Key words: variable characteristics, optical systems, zoom-systems, discrete sight, periscope, image quality.
Работа выполнена с целью обоснования выбора направления
исследований и разработок оптических систем с переменными
характеристиками, направленных на повышение технических характеристик
оптических и оптико-электронных приборов.
В последние годы происходит интенсивное развитие производства
оптических приборов с переменными характеристиками. Обусловлено это
тем, что возможностей одной оптической системы с постоянными
характеристиками (традиционной) часто оказывается недостаточно для
решения различных зрительных задач, а одновременная работа с
несколькими приборами представляется пользователю нецелесообразной с
1
точки зрения эксплуатации, суммарной цены и транспортировки приборов: масса, габаритные размеры увеличиваются минимум в два раза. Поэтому приборы со сменными характеристиками сегодня широко применяются в различных областях науки и техники: военные приборы, наблюдательные приборы, фотография, кинематография, микроскопия, астрономические приборы, лазерная техника, тепловидение, телевидение, медицинская техника и т. д.
Перечень переменных характеристик, которые реализуются в оптических и оптико-электронных приборах, и современных разработок по созданию оптических систем с переменными характеристиками расширяется: это и традиционные характеристики - увеличение, поле зрения в наблюдательных приборах, прицелах, приборах ночного видения, тепловизионных приборах, микроскопах, офтальмологических приборах, лупах и т. п., фокусное расстояние объективов, окуляров, а также перископичность [1], удаление выходного зрачка [2], рабочий спектральный диапазон [3]. Наличие панкратического увеличения повышает эксплуатационные характеристики оптических и оптико-электронных приборов, обеспечивая возможность поиска объектов при малом увеличении и, соответственно, широком поле зрения и возможность распознавания - при большом увеличении и, соответственно, узком поле зрения. В случае необходимости быстрой смены увеличения, пользователи часто отдают предпочтение приборам с дискретной сменой увеличения. В настоящее время к разработке приборов с дискретной сменой характеристик сохраняется достаточно устойчивый интерес как в сфере приборов военного [4], так гражданского назначений1.
Недостатком оптических приборов с переменными характеристиками является сложность расчета оптической схемы и трудоемкость изготовления механизмов смены увеличения, длины, поля, перископичности и т. д. В зависимости от вида и величины изменяемой характеристики, в совокупности с остальными оптическими характеристиками и дополнительными требованиями, подходы к композиции оптической схемы могут быть различными, но основная цель расчета состоит в достижении требуемого качества изображения, формируемого оптической системой, для всего диапазона переменной характеристики (панкратические системы) или для нескольких ее значений (оптические системы с дискретной сменой характеристик). При разработке оптических схем с переменными характеристиками принимаются во внимание дополнительные ограничения, например: при расчете наблюдательной телескопической системы с
панкратической сменой увеличения одновременно необходимо обеспечить для каждого из увеличений стабильность положения выходного зрачка, обусловленную эксплуатационными требованиями.
Хотя, согласно источнику [5], «прицелов с переменным увеличением, принятых на вооружение, до 2001 г. в нашей армии не было», тогда как еще
1 zomz.ru
«к началу 90-х годов большинство снайперского оружия США и НАТО было оснащено прицелами с переменным увеличением 10, 12 и более крат и объективами
диаметром 40, 50 и 56 мм», сегодня ряд отечественных фирм разрабатывает и выпускает прицелы с панкратической сменой увеличения: ООО «Луггар» , ОАО «Швабе - Оборона и Защита»3 (до 2013 г. - ОАО «ПО НПЗ»), ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева»4, ОАО «Вологодский оптикомеханический завод»5, ЗАО «Дедал-НВ»6 и др.
Оптические системы серийно выпускаемых прицелов для стрелкового, охотничьего и спортивного оружия, в том числе с переменным увеличением, для смены увеличения в которых осуществляется смещение компонентов оборачивающей системы только вдоль ее оптической оси [6], построены по принципу широко известного прицела ПСО-1 и его модификаций. Необходимо отметить, что в подобных схемах принципиально не осуществима возможность обеспечить диапазон выверки А больше по величине, чем величина поля зрения при максимальном увеличении 2ю Гтах, что является ограничением для величины максимального увеличения.
В 2012 г. одним из авторов данной статьи была разработана оптическая схема прицела с панкратической сменой увеличения от 5 до 25 крат [7], диаметром входного зрачка 56 мм, угловым полем зрения от 4°12'до 50,04', углом ввода поправок 0-20, удалением выходного зрачка 95 мм. Оптическая схема построена таким образом, что при вводе углов поправок (изменении направления визирной оси прибора) центр перекрестия сетки прибора не смещается с центра поля зрения, наблюдаемого через окуляр, а положение глаза наблюдателя сохраняется неизменным при смене увеличения. Это обеспечивается качанием в пределах небольшого угла панкратической системы совместно с сеткой вокруг центра качания, совпадающего с передним фокусом окуляра. Для исключения увода визирной линии при смене увеличения прицельная сетка расположена в фокальной плоскости объектива. Конструкция прибора разработана компанией ООО «Луггар» для ОАО «Швабе - Оборона и Защита».
Поскольку в приборах подобного типа большинство характеристик, включая массогабаритные, определяются характеристиками и параметрами оптической системы, то вполне обоснованно можно утверждать, что высокие характеристики прибора ПО 525 по сравнению с известными аналогами (рис. 1), обусловлены его оптикой.
2 luggar.org
3 www.npzoptics.ru
4 www.zenit-foto.ru
5 www.vomz.ru
6 nightvision.ru
Согласно рис. 1, восемь характеристик из двенадцати максимально реализованы в прицеле ПО 525, а его характеристика Л/ 2ю Гтах превышает на 27 % аналогичную характеристику Schmidt&Bender 5-25хРМ11/ЬР.
100
80
= 60 сГ
t 40
§■ 20
х
а о
ШННйНННЙНдн^
I I IIIII II I I I 1111 IB І і 11111 і ІІIIII lili
з §
■ НПЗ П0525 KAHLES К624І
■ Schmidt&Bender 5-25x26 PM П/LP
Хар актеристики
Рис. 1. Сравнение характеристик прицелов
Вышесказанное иллюстрирует скачок, сделанный за последние 13 лет в России в области отечественных разработок по оптическим системам со сменными характеристиками, направленный на ликвидацию имевшего место к концу 20 века отставания в этом направлении от зарубежных разработок. Но и сегодня нельзя утверждать, что весь арсенал оптических и оптикоэлектронных приборов с переменными характеристиками находится на уровне лучших мировых достижений. Например, актуальной задачей является разработка и производство компактных панкратических инфракрасных телеобъективов с вынесенными выходными зрачками с коэффициентами телесокращения менее 0,5 для тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными приемниками.
Вместе с тем, и более простые с точки зрения разработки оптической системы приборы - малогабаритные перископы - востребованы на рынке оптических приборов. Подобные приборы имеют за рубежом традиционное применение: их используют спецслужбы, армия, полиция, но появились и новые для перископов применения, например, использование на поле для гольфа для удобства наблюдения за игрой и т. п. Количество фирм, производящих малогабаритные ручные перископы, ограничено: три-четыре компании за границей. Российские предприятия их не производят, а последние отечественные модели подобных перископов относятся ко времени Великой Отечественной Войны, и, конечно, среди них нет ни одной модели со сменной характеристикой. Из зарубежных фирм, производящих малогабаритные перископы, только у двух имеются модели с переменными
7 8
характеристиками: Micro-Times LLC и Mickelson Group Inc. Именно поэтому перед одним из авторов статьи была поставлена задача - разработать
7
www.micro-times.com
8 www.mickelsongroup.com
малогабаритный перископ со сменной перископичностью. Технические характеристики, согласно техническому заданию (ТЗ), а также их значения для двух крайних величин перископичности Н разработанного перископа представлены в табл. 1.
Данные таблицы свидетельствуют, что характеристики оптической системы удовлетворяют заданным в ТЗ значениям.
Таблица 1
Технические характеристики разработанной оптической системы перископа
Технические характеристики ТЗ Система с Н = 550 мм Система с Н = 400 мм
Увеличение, крат 6±0,3 5,9 5,9
Угловое поле зрения, градус 8±0,4 8,0 8,0
Диаметр выходного зрачка, мм 4±0,2 3,9 3,9
Удаление выходного зрачка, мм 18±1,8 16,4 20,2
Н1, мм 400-40 - 400
Н 2, мм 550_55 550 -
Рабочий спектральный диапазон видимый видимый видимый
На рис. 2 представлена разработанная оптическая схема перископа в положении ее компонентов, соответствующих наибольшей и наименьшей величине перископичности. Призмы АР-90° 1 и 6 изменяют направление оптической оси, размер по вертикали между центром входного окна и оптической осью окуляра определяет перископичность. Объектив 2 формирует на передней поверхности плоскопараллельной пластинки 8, с нанесенной на ней шкалой, промежуточное изображение удаленных объектов. Первый компонент 3 оборачивающей системы образует совместно с объективом 2 афокальную систему. Второй компонент 5 оборачивающей системы формирует второе действительное изображение в плоскости полевой диафрагмы 9, с которой совмещена передняя фокальная плоскость окуляра 7. Для смены перископичности предусмотрено изменение расстояния между компонентами оборачивающей системы 3 и 5 с одновременным изменением положения апертурной диафрагмы 4.
Зависимость аберраций для точек вне оси - кривизны изображения, астигматизма, хроматизма увеличения, дисторсии и комы - от положения апертурной диафрагмы в оптической системе накладывает дополнительные ограничения и требует включения дополнительных коррекционных параметров при балансировке аберраций в изображении.
Синтез отдельных оптических элементов и оптической системы в целом проводился с использованием мультиконфигурационной оптимизации. Для разработки данной оптической системы оказалось достаточно ограничиться при оптимизации двумя конфигурациями, соответствующими крайним значениям перископичности, и осуществить после нее анализ изображения
для промежуточных значений перископичности. Результаты расчета среднеквадратических значений пятен рассеяния в изображении точек, расположенных в различных точках поля зрения, представлены на рис. 3, их величины: 1,4' на оси; 2,5'
и 2,8' - на зоне и на краю поля зрения. Качество изображения, формируемого оптической системой перископа, отвечает критериям «хорошо» и «отлично», рекомендуемым, согласно источникам [10 -13], для полевых
наблюдательных приборов.
1, 6 - призма АР-90°; 2 - объектив; 3 - первый компонент оборачивающей системы;
4 - апертурная диафрагма; 5 - второй компонент оборачивающей системы; 7 - окуляр; 8 - плоскопараллельная пластинка; 9 - полевая диафрагма; 10 - выходной зрачок
Рис. 2. Оптическая схема малогабаритного перископа: а) Н = 550 мм; б) Н = 400 мм
Рис. 3. Формы и размеры пятен рассеяния для крайних значений перископичности
Представленная на рис. 4 матричная диаграмма пятен рассеяния в изображении точек, расположенных в различных точках поля зрения, для 22 конфигураций, соответствующих различным значениям перископичности, свидетельствуют о стабильности качества изображения (изменение размеров пятен рассеяния не превышает 10 %) при изменении перископичности.
Рис. 4. Диаграмма форм пятен рассеяния для 22 конфигураций, соответствующих различным значениям перископичности
Заключение
Учитывая тенденции в области проектирования современных оптических и оптико-электронных приборов со сменными характеристиками, представляется необходимым совершенствование методики расчета их
оптических систем, вплоть до разработки пошагового алгоритма композиции оптики конкретных типов приборов, с целью создания оригинальных оптических схем с форсированными характеристиками: повышением
перепада увеличений, уменьшением массогабаритных характеристик, повышением качества изображения, повышением коэффициента пропускания и т. п. В статье приведены два примера разработок. Дальнейшая работа будет направлена на исследование и разработку оптических систем оптических и оптико-электронных приборов с панкратической и дискретной сменой характеристик.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волкова К. Д. Разработка оптической системы перископа сменной перископичности / К. Д. Волкова // LXI студенческая научная конференция СГГА, 8-13 апреля 2013 г.: сборник тезисов докладов: - Новосибирск: СГГА, 2013. - С. 14 - 15.
2. Дружкин Е. В., Дружкин Е. В., Хацевич Т. Н. Малогабаритные тепловизионные приборы // Оптический журнал - 2013. - Т. 80. № 6. - С. 20-27.
3. Хацевич Т. Н. Парфенова Т. В. Двухдиапазонные объективы для инфракрасной области спектра // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 69-72.
4. Проспект Raytheon ELCAN Optical Technologies Specter DR Dual Role 1,5 - 6x Combat Sight. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.elcan.com, свободный. -Загл. с экрана.
5. Бельский А. Б. Снайперские панкратические прицелы нового поколения // Вопросы оборонной техники. - 2009. - № 9 - 10, серия 16.
6. Оружие и технологии России. Энциклопедия. XXI век: Т. XI: Оптико-электронная и лазерная техника / Издательский дом «Оружие и технологии», 2005. - С. 250-269, 270277.
7
7. Пат. 2501051 Российская Федерация, МПК G 02 B 23/10 , F 41 G 1/38. Способ изменения направления визирной оси в оптическом прицеле и прицел с переменным увеличением, реализующий способ [Текст] / Хацевич Т. Н., Дружкин Е. А.; патентообладатели Хацевич Т. Н., Дружкин Е. В. - № 2012124196/28; заявл. 09.06.2012; опубл. 10.12.2013, Бюл. № 34.
8. Хацевич Т. Н. Прикладная оптика: лабораторный практикум. - Новосибирск: СГГА, 2006. - 108 с.
9. Запрягаева Л. А., Свешникова И. С. Расчет и проектирование оптических систем. -М.: Логос, 2000. - 584 с.
10. Верхотуров О. П. Введение в вычислительную оптику: учебное пособие. -Новосибирск, 1998. - 273 с.
11. Кирюшин, С. И. Габаритный и аберрационный расчет призменного монокуляра: учеб. пособие для курсового проектирования по курсу «Теория оптических систем»; под ред. Н. П. Заказнова. - М.: МВТУ, 1983. - 36 с.
© К. Д. Волкова, Т. Н. Хацевич, 2014
