RU2220430C1

RU2220430C1 - Optical system of ir range of spectrum

Info

Publication number: RU2220430C1
Application number: RU2002108630A
Authority: RU
Inventors: И.Л. Струля; Ю.С. Пронин; Н.А. Брусник; А.К. Дмитриев; В.И. Лукьященко; Ю.Г. Гусев; Ю.Н. Долганин
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2003-12-27

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: optical system includes main concave mirror, aperture diaphragm and lens compensator installed in converging bundle of rays and photodetector. Zone of ray propagation from diaphragm to photodetector is limited by light-proof tube. Light- proof tube and aperture diaphragm are cooled and diameter D of optical surface of main mirror corresponds to condition D>fd/(f-L)+2Lsinω, where f is focal distance of main mirror; d is diameter of aperture diaphragm; L is distance from main mirror to aperture diaphragm; ω is half of round angle of view. Lens compensator can be installed in light-proof tube, between aperture diaphragm and photodetector. Light-proof tube can be placed inside central hole of scanning inclined mirror mounted across input of system. EFFECT: reduced effect of thermal background caused by radiation of elements of optical system, high temperature resolution with preservation of simplicity, small dimensions and negligible detuning. 2 cl, 3 dwg, 3 tbl

Description

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. The invention relates to optical instrumentation, in particular, it can be used to create systems operating in the middle and far infrared ranges of the electromagnetic spectrum, namely for remote sensing equipment for the Earth in the infrared range.

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). A significant problem that arises when creating optical equipment for the middle and far infrared ranges is the fight against light noise, associated primarily with the intrinsic thermal radiation of the structural elements of optical systems. There are various approaches to reducing this interference. Samples of infrared equipment are known using classical mirror schemes in which the reduction of light noise associated with the thermal radiation of structural elements is achieved by cooling the entire optical system to low temperatures (for example, astronomical infrared equipment of the European IRAS satellite, which used the Cassegrain optical system, cooled to cryogenic temperatures).

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. Cooling the entire optical system to a low temperature and its thermostating at this temperature requires a cumbersome and energy-intensive cryogenic system. In addition, with deep cooling of the optical system, problems arise with the preservation of optical quality due to inevitable temperature deformations.

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. Mirror optical systems are known, for example, a 4-mirror anastigmat [Oleinikov L.Sh. and others. "Cryo-lens for IR astronomy" Optical journal, February 2002], with an intermediate real image. The presence of a real exit pupil in such systems makes it possible to install an additional aperture (Lio diaphragm) in it, which cuts off the radiation reaching the image surface from non-optical structural elements.

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. Since the intrinsic emission of optical surfaces is small due to their low emissivity, cooling of the Lio diaphragm and the volume located between it and the image surface can lead to a significant reduction in light noise. A significant drawback of systems of this type is the large number of optical elements having a complex (aspherical) surface, which makes their manufacture, alignment and operation extremely difficult.

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. Known optical systems consisting of a main mirror and a lens compensator in converging beams of rays — the Ross system, the Churilovsky system [G. Slyusarev. Calculation of optical schemes. L .: Mechanical engineering. 1975, p. 357]. Despite the extreme simplicity, these systems provide good correction of basic aberrations at high aperture ratio and relatively large field angles. The aperture diaphragm in these systems coincides with the frame or edge of the main mirror, and the exit pupil, respectively, is located behind the image surface, which excludes its use for setting apertures.

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. The latter leads to the need for cooling the entire optical system to reduce light interference associated with its own thermal radiation. This optical system is in technical essence the closest to the proposed one and is selected as a prototype.

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. The task of increasing the effective field of view of the described optical systems is solved by installing at the input of the system a scanning oblique mirror with a central hole, for example, "Telescope", patent RK 2711251, pub. 01/21/95, MKI G 02 V 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. The aim of the proposed technical solution is to reduce the influence of the thermal background due to the radiation of most of the elements of the optical system, providing a high temperature resolution while maintaining its advantages such as simplicity, small size, low upsetability.

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. This goal is achieved by installing an aperture diaphragm in convergent beams of rays and limiting the zone of propagation of rays from the aperture diaphragm to the photodetector with a light-shielding tube. In this case, cooling of the aperture diaphragm and light-shielding tube during operation is provided. The dimensions of the concave main mirror are increased to exclude the vignetting of inclined beams of rays.

На фиг. 1 представлена схема предложенной оптической системы для ИК-области спектра с линзовым компенсатором, размещенным внутри светозащитной трубки. In FIG. 1 shows a diagram of the proposed optical system for the infrared region of the spectrum with a lens compensator located inside the light-shielding tube.

На фиг. 2 представлен вариант этой оптической системы с линзовым компенсатором, размещенным вне светозащитной трубки, перед апертурной диафрагмой со стороны вогнутого главного зеркала. In FIG. Figure 2 shows a variant of this optical system with a lens compensator located outside the light-shielding tube, in front of the aperture diaphragm from the side of the concave main mirror.

На фиг. 3 представлена эта оптическая система со сканирующим наклонным зеркалом. In FIG. 3 shows this optical system with a scanning oblique mirror.

Предлагаемая оптическая система содержит вогнутое главное зеркало 1, апертурную диафрагму 2, светозащитную трубку 3, линзовый компенсатор 4, фотоприемное устройство 5, сканирующее наклонное зеркало 6. The proposed optical system comprises a concave main mirror 1, an aperture diaphragm 2, a light-shielding tube 3, a lens compensator 4, a photodetector 5, scanning an inclined mirror 6.

Предложенная оптическая система для ИК-области спектра работает следующим образом. The proposed optical system for the infrared region of the spectrum works as follows.

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. Electromagnetic radiation from the observed objects falls on the concave main mirror 1 of the system. After reflection from the concave main mirror 1, converging beams of rays are formed, the cross section of which is limited by the aperture diaphragm 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.In order to correct aberrations, converging beams of rays pass through the lenses of the compensator 4. The corrected beams form an image of the observed objects on the surface of the photodetector 5. The diameter of the optical surface of the concave main mirror 1 is selected from the condition to exclude the vignetting of the inclined beams of rays
D> fd / (fL) + 2Lsinω,
where f is the focal length of the main mirror;
d is the diameter of the aperture diaphragm;
L is the distance from the main mirror to the aperture diaphragm;
ω is half the full angle of view of the system.

При выполнении данного условия из любой точки рабочей поверхности фотоприемного устройства 5 через отверстие апертурной диафрагмы 2 видна только оптическая поверхность главного зеркала. When this condition is met, from any point on the working surface of the photodetector 5 through the hole of the aperture diaphragm 2, only the optical surface of the main mirror is visible.

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.Accordingly, the illumination in the infrared range of the working surface of the photodetector consists mainly of the following components:
- radiation entering through the optical system from the observed objects (useful signal);
- intrinsic thermal radiation of the inner surface of the aperture diaphragm and light protection tube.

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. Due to the low emissivity of the optical elements and their optical surfaces, the contribution of their own thermal radiation to the illumination of the working surface of the photodetector does not exceed 3-4% of the useful signal level.

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. The thermal radiation of the aperture diaphragm and the inner surface of the light-shielding tube can be reduced to almost any small value by cooling these elements to low temperatures. The required temperature values are estimated using the Planck formula for blackbody radiation.

Таким образом обеспечивается снижение до малозначимых величин фоновой засветки фотоприемного устройства. This ensures a reduction to insignificant values of the background illumination of the photodetector.

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. In the case of using a scanning inclined mirror 6 with a central aperture at the system input, the electromagnetic radiation of the infrared range from the observed surface enters the scanning inclined mirror 6 of the system. The scanning oblique mirror 6 cyclically changes its position in space, swinging about an axis parallel to the observed plane and perpendicular to the main optical axis of the system. At various positions of the scanning oblique mirror 6 in the direction of the concave main mirror 1, radiation is transmitted from different parts of the observed surface. After reflection from the concave main mirror 1, converging beams of rays are formed, passing through the aperture diaphragm 2 and the lens compensator 4, which ensures the correction of aberrations of this optical system. The rays passing through the optical system form an image of the observed objects on the sensitive surface of the photodetector 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. The location and dimensions of the aperture diaphragm 2 and the light-shielding tube 3 ensure that only the rays transmitted by the scanning and main mirrors 6 and 1 from the observed objects get onto the sensitive surface of the photo-receiving device 5. At the same time, the own thermal radiation of other (non-optical) structural elements is cut off. The intrinsic radiation of the aperture diaphragm 2 and the light-shielding tube 3 is suppressed due to their cooling.

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.As an example of a specific implementation, an optical system in infrared remote sensing equipment of the Earth can be considered. The main mirror 1 with a diameter of 330 mm has a hyperbolic optical surface. Aperture diaphragm 2 with a diameter of 70 mm is installed in converging launches of rays at a distance of 400 mm from the main mirror. The lens compensator 4 consists of two germanium lenses that provide correction of aberrations in the spectral range with wavelengths of 3.5-12 microns. A photodetector 5 is installed in the focal plane. The diameter of the entrance pupil of the optical system is D _BX = 270 mm, the focal length is f = 490 mm, and the field of view of the pupil is 2ω = 3 degrees. The transmission of the optical system is 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).The illumination created by the observed object in the image plane of the optical system is determined by the formula
E = 0.25τQ (D _BX / f) ² ,
where Q is the energy luminosity of the observed object. The values of Е at various temperatures of absolutely black observable objects are given in Table 1 (Table 1-3, see the end of the description).

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.Reducing the illumination of the image plane due to the intrinsic radiation of structural elements (background illumination) is achieved by cooling the aperture diaphragm 2 and the light-shielding tube 3. The temperature of the diaphragm and tube is chosen so that their own thermal radiation is much lower than the useful illumination created by the observed object. The values of the background illumination E _f at various temperature levels of the aperture diaphragm and light-shielding tube, calculated using the Planck formula, are presented in Table 2.

Сравнение данных табл.1 и 2 позволяет определить требуемые значения температур апертурной диафрагмы 2 и светозащитной трубки 4. A comparison of the data in Tables 1 and 2 allows us to determine the required temperature values of the aperture diaphragm 2 and the light-shielding tube 4.

Температуры, необходимые для получения отношения фон/полезный сигнал не более 0,1, приведены в табл.3. The temperatures necessary to obtain a background / useful signal ratio of not more than 0.1 are shown in Table 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.In this case, heat can be removed from the aperture diaphragm 2 and the light-shielding tube 3 by means of a radiator cooler with a useful area of 0.5 m ² connected to them by heat pipes.

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. To increase the effective field of view of the equipment to values of 18-20 degrees at the input of the system, as in the analogue (patent FR 2711251), a scanning inclined mirror 6 is installed.

Как следует из описания заявляемой оптической системы, в ней обеспечивается высокое температурное разрешение при достаточной простоте исполнения, малых габаритах и низкой ее расстраиваемости. As follows from the description of the claimed optical system, it provides high temperature resolution with sufficient simplicity of execution, small size and low frustration.

Claims

1. The optical system for the infrared region of the spectrum, consisting of a concave main mirror, an aperture diaphragm, a lens compensator in converging beams of rays and a photodetector, characterized in that the aperture diaphragm is installed in converging beams of rays, and the propagation zone of the rays from the aperture diaphragm to the photodetector the device is limited by a light-shielding tube, while the light-shielding tube and aperture diaphragm are blocked, and the diameter of the optical surface of the main mirror D corresponds to

D> fd / (f-L) + 2Lsinω,

where f is the focal length of the main mirror;

d is the diameter of the aperture diaphragm;

L is the distance from the main mirror to the aperture diaphragm;

ω is half the full angle of view of the system.

2. The optical system according to claim 1, characterized in that the lens compensator is installed in the light-shielding tube between the aperture diaphragm and the photodetector.

3. The optical system according to claim 1 or 2, characterized in that a light-shielding tube is placed inside the central hole of the scanning oblique mirror mounted at the input of the system.