ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ТЕЛЕСКОПА Российский патент 1994 года по МПК G02B17/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к зеркальным объективам, и может быть использовано при создании телескопов, когда предъявляются требования обеспечения в жестких эксплуатационных условиях хорошего качества изображения в широкой спектральной области на поле величиной в несколько градусов, при высоких относительных отверстиях.

Известны трехзеркальные объективы, построенные по оптической схеме Пауля [1] .

Объектив по схеме Пауля может иметь сравнительно высокое значение относительного отверстия (А= 1: 3-1: 4), но из-за неисправленной кривизны изображения не может обеспечить хорошее качество на плоском поле, превосходящем несколько десятков минут.

Известный трехзеркальный объектив Рамзеля [2] , являющийся наиболее близким к заявленному решению, состоит из первичного вогнутого, вторичного выпуклого и третьего вогнутого гиперболоидальных зеркал, причем вершина третьего зеркала совмещена с вершиной первичного зеркала и они выполнены в виде единой поверхности на общей подложке. При этом оптическая сила третьего зеркала равна оптической силе первичного зеркала. В объективе Рамзея группе, состоящей из первичного и вторичного зеркал, придана положительная оптическая сила. В этой схеме исправлена кривизна изображения, поэтому поле зрения объектива Рамзея существенно превосходит поле зрения объектива Пауля.

Но и этот объектив обеспечивает высокое качество изображения на поле не большем, чем 2 ω = 1^о30', при относительном отверстии до А= 1: 3,5.

Целью изобретения является повышение относительного отверстия трехзеркального объектива.

Сущность изобретения заключается в том, что группе, включающей в себя первичное и вторичное зеркала, придана отрицательная оптическая сила, третьему зеркалу придана оптическая сила не менее чем в полтора и не более чем в два раза превосходящая оптическую силу первичного зеркала, между вершиной сферы, ближайшей к поверхности первичного зеркала, и вершиной третьего зеркала выдержано расстояние, лежащее в пределах от 0,002 до 0,015 величины фокусного расстояния объектива, первичному зеркалу приведена форма ретушированного гиперболоида.

Кроме того, при обеспечении достижения первоначальной цели ставились и дополнительные цели:
- увеличение поля зрения и уменьшение аберрации астигматизма;
- уменьшение влияния смещения плоскости анализа изображения относительно фокальной плоскости на изменение масштаба изображения;
- придание кружку рассеяния размера, превосходящего в несколько раз диаметр дифракционного кружка, при сохранении возможности осуществления контроля децентрировки зеркал с высокой точностью.

Сущность изобретений, позволяющих достигнуть указанные дополнительные цели одновременно с первоначальной, заключается соответственно в следующем:
- поверхность третьего зеркала ретуширована, ей придана асферическая форма;
- апертурная диафрагма объектива совмещена с вторичным зеркалом.

На фиг. 1 изображены объектив и ход лучей осевого пучка; на фиг. 2 приведены конструктивные параметры факультативного объектива; на фиг. 3 изображены графики аберраций объектива, параметры которого приведены на фиг. 2. Аберрации приведены с учетом введения в ход лучей защитного стекла фотоприемника (плоскопараллельной пластины толщиной d= 2 мм и показателем преломления n = 1,518294); на фиг. 4 приведены конструктивные параметры объектива, третьему зеркалу которого придана асферическая форма; на фиг. 5 изображены графики аберраций объектива, параметры которого приведены на фиг. 4.

Объектив включает в себя рабочие поверхности трех зеркал: первичного вогнутого 1, вторичного выпуклого 2 и третьего вогнутого 3.

Первичному вогнутому зеркалу 1 придана форма ретушированного гиперболоида, профиль которого определен уравнением y²+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴++a₅x⁵+a₆x⁶= 0, в котором хотя бы один коэффициент а_i при члене Х в степени выше второй не равен нулю.

Вторичному зеркалу 2 придана форма гиперболоида. В центральной части зеркала 2 выполнено отверстие, диаметр которого не превосходит 0,6 диаметра вторичного зеркала. Группе, состоящей из первичного и вторичного зеркал, придана отрицательная оптическая сила, по своему абсолютному значению лежащая в пределах от 0,15 до 0,25 оптической силы объектива. Третьему зеркалу придана оптическая сила не менее, чем в полтора и не более чем в два раза превосходящая оптическую силу первичного зеркала.

Рабочая поверхность третьего зеркала нанесена на общей подложке с поверхностью первичного зеркала. Между вершиной сферы, являющейся ближайшей к асферической поверхности первичного зеркала, и вершиной третьего зеркала выдержано расстояние, лежащее в пределах 0,002 до 0,015 величины фокусного расстояния объектива.

Для предотвращения засветки изображения объектив снабжен светозащитными блендами 5, устраняющими попадание в фокальную плоскость пучков лучей, отраженных от зеркал 1 и 3 и не попавших на зеркало 2.

Пучки лучей бесконечно удаленного предмета после отражений последовательно от 1, 2 и 3 зеркал и прохождения через отверстие во вторичном зеркале строят изображение предмета в фокальной плоскости 4.

На фиг. 2 приведены конструктивные параметры факультативного выполнения объектива, обладающего фокусным расстоянием 800 мм, геометрическим относительным отверстием 1: 2 и угловым полем зрения 2 ω = 2^о.

На фиг. 3 изображены в виде графиков геометрические аберрации этого варианта конструктивного выполнения объектива, из рассмотрения которых видно, что размеры кружка рассеяния в пределах угла поля зрения 2 ω = 2^о составляют в угловой мере величину 2-2,5''.

В варианте конструктивного выполнения объектива, приведенного на фиг. 2, третьему зеркалу придана сферическая форма. Расчеты показали, что, если, с целью увеличения поля зрения и уменьшения влияния аберрации астигматизма, третьему зеркалу придать асферическую форму, профиль которой определен уравнением вида:
у²+а₁х+а₂х² = 0
при значении коэффициента а₂, лежащего в пределах 0 < а₂ < 1, то высокое качество изображения может быть получено в пределах поля 2 ω = 4^о при геометрическом относительном отверстии 1: 2.

Из рассмотрения графиков аберраций фиг. 5 видно, что размеры кружка рассеяния в пределах угла поля зрения 2 ω = 4^о при относительном отверстии 1: 2 составляют в угловой мере величину ≈2''.

Апертурная диафрагма объектива совмещена с вторым зеркалом. Таким образом обеспечивается ход лучей в пространстве изображения объектива, близкий к телецентрическому.

При этом в центре поля зрения значение поперечной сферической аберрации δ уuвыдержано в соответствии с соотношением:
δ yu= K sin³u, где u- задний апертурный угол объектива, и значение К лежит в пределах 2 < К < 6, а отступление сферической аберрации от указанного соотношения не превышает 0,25λ.

Объектив позволяет построить изображение удельного точечного объектива в виде симметричного кружка, сохраняющего симметрию и на краю поля зрения, при обеспечении плавного падения освещенности от центра к краю.

Введение в его ход лучей объектива технологической компенсационной плоскопараллельной пластиной толщиной d = 21,4 мм из стекла К8 позволяет уменьшить значение волновой сферической аберрации до величины, не превышающей 0,25 λ и таким образом осуществить контроль зацентрировкой зеркал на отсутствие аберрации комы на оси с высокой степенью точности.

Изобретение дает существенный положительный эффект при оснащении им телескопа, звездных датчиков и других оптико-электронных приборов как в части использования, ввиду высоких оптических характеристик по светосиле, качеству изображения в широкой спектральной области, стабильности масштаба изображения и отсутствия разъюстировки, так и в части совершенствования технологии изготовления и сборки зеркальных объективов. (56) 1. Попова Т. М. Современная астрономическая оптика. М. : Наука, 1988, с. 140.

2. Слюсарев Г. Т. Расчеты оптических систем. Л. " Машиностроение, 1975, с. 379-382.

Использование: создание телескопов , звездных датчиков. Сущность изобретения: объектив состоит из первичного вогнутого и вторичного выпуклого сферических зеркал и третьего вогнутого, поверхность которого нанесена на общую подложку с первичным. При этом группе, включающей в себя первичное и вторичное зеркала, придана отрицательная оптическая сила, третьему зеркалу придана оптическая сила, в 1,5 - 2 раза превосходящая оптическую силу первичного зеркала, которому придана форма ретушированного гиперболоида. Поверхность третьего зеркала также может быть ретуширована, а апертурная диафрагма совмещена с вторичным зеркалом. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ТЕЛЕСКОПА , содеpжащий пеpвичное вогнутое и втоpичное выпуклое гипеpболоидальные зеpкала, тpетье вогнутое зеpкало, pабочая повеpхность котоpого pасположена на общей подложке с пеpвичным зеpкалом, и апеpтуpную диафpагму, отличающийся тем, что пеpвичное и втоpичное зеpкала выполнены с отpицательной эквивалентной оптической силой, а тpетье зеpкало - с оптической силой, в 1,5 - 2 pаза пpевышающей оптическую силу пеpвичного зеpкала, пpи этом pасстояние между веpшиной сфеpы, ближайшей к повеpхности пеpвичного зеpкала, и веpшиной тpетьего зеpкала составляет 0,002 - 0,015 величины фокусного pасстояния объектива, а пpофиль повеpхности пеpвичного зеpкала опpеделен уpавнением вида
y²+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵+a₆x⁶= 0,
в котоpом хотя бы один из коэффициентов a_i пpи члене x в степени выше втоpой не pавен 0. 2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что пpофиль повеpхности тpетьего зеpкала опpеделен уpавнением вида
y²+a₁x+a₂x²= 0 при значении коэффициента a*₂, лежащего в пределах
0 < a₂ < 1. 3. Объектив по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что апеpтуpная диафpагма объектива совмещена с втоpичным зеpкалом.