光纤望远系统设计

　　引　言

　　利用柔性光纤传象束传输二维光学图象,成为当前特种光纤应用的一个重要领域。其中,以大截面光纤传象束作为中继传象元件的光纤望远系统,构成了一类具有“刚”、“柔”相结合体制的新型观测仪器。由于象束的柔性和长光路,因而使这类仪器具有灵活、轻便、自由度大等突出优点,便于实施特殊条件下的隐蔽观察。然而,光纤望远系统也存在着明显的弱点,由于传象束的抽样结构特点和传象机理,决定了系统所传输的图象具有颗粒性,即具有离散特征,分辨率、透过率较低,并且象束的制造成本也较高。因此,根据使用要求,充分利用光纤传象束的优点,克服其弱点,研制具有良好观察分辨效果、较高的系统性能指标(倍率、视场等)、轻便而实用的新型光纤望远系统,具有实际的意义。本文结合设计研制观察距离为数十米至数公里目标的柔性光纤望远镜的实践,探讨了满足上述要求的光纤望远系统的设计规律。

　　1　光纤望远系统的组成和成象原理

　　“光纤望远(镜)系统”系指在由物镜和目镜所组成的基本望远系统中,加入光纤传象束作为中继传象器件而构成的对远距离目标进行观测的系统(图1)。远距离目标Y经物镜后,于传象束的前端面成象为Y1,Y1经传象束后在后端面显示为Y2,人眼可通过目镜观察其放大象Y′。

望远物镜和目镜焦距所决定的基本放大率;ω′与ω分别为系统象方与物方视场角;Y1与Y2分别为象束的输入端面与输出端面上象的大小;β为象束的输出与输入端两根光纤对应的线量之比,在一般情况下,β≈1。“-”表示倒象。为使光纤望远系统获得正象,利用象束中间部分的柔性,采用将象束的输出端面相对于输入端面扭转180°的方案。目标对光纤望远系统构成的视角为

式中Y为被分辨目标的线量,L为目标的距离(均以米为单位)。若目标上有相距为0.2米(相当于人体人头宽度)的两点要求人眼在比较轻松的条件下能分辨(取人眼的分辨角εr=4′),则光纤望远系统对于在不同距离上的目标应有的放大倍率如表1所示。

　　根据表1计算结果,参考现有步兵潜望镜及一些轻型观察器材的性能参数,光纤望远系统为实现对1公里左右目标的观察,其视放大率以选择4-8倍比较合适。

　　2　光纤望远系统设计

　　2.1　光纤传象束的选取

　　光纤传象束的主要性能指标包括数值孔径、透过率、分辨率等,这些决定了象束的传象效果和质量;此外,象束的截面积和长度等结构参量还将影响整个光纤望远系统功能。作为光纤望远系统的核心器件——大截面光纤传象束,其性能规格的选取主要考虑如下因素:(a)传输图象亮度光纤望远系统的传输图象亮度可由下式表示