ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к оптическим системам и может быть использовано в оптико-электронных приборах визуализации изображений, работающих в широкой области спектра.

Известен зеркально-линзовый объектив (1). Он состоит из последовательно установленных на оптической оси по ходу лучей положительного однолинзового компенсатора, зеркала Манжена и двухлинзового положительного компенсатора полевых аберраций, выполненного в виде положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к фокальной плоскости.

Этот объектив имеет сравнительно большую массу, определяемую в основном однолинзовым компенсатором. Кроме того, такой объектив работает только в видимой и частично в ближней инфракрасной (ИК) областях спектра. В передней ИК области спектра он работать не может.

Известна принятая за прототип зеркально-линзовая система (2). Она представляет собой зеркально-линзовый объектив, содержащий последовательно установленные на оптической оси по ходу лучей зеркало Манжена, плоское зеркало-контротражатель, нанесенное на одну сторону подложки, трехлинзовый компенсатор полевых аберраций, выполненный в виде последовательно установленных отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к фокальной плоскости объектива, первого и второго положительных менисков, обращенных вогнутостью к той же плоскости.

Данный объектив за счет отсутствия однолинзового компенсатора имеет меньшую массу, но, как и объектив-аналог, он не допускает одновременной работы в области спектра 0,4-0,9 мкм и в средней ИК области спектра (в частности, 8-14 мкм), кроме того, система имеет незначительное поле зрения.

Задачей изобретения является расширение рабочей области спектра при одновременном расширении угла поля зрения.

Указанная задача решается тем, что зеркально-линзовая система, содержащая последовательно установленные на оптической оси по ходу лучей линзу зеркало Манжена, плоское зеркало-контротражатель, нанесенное на одну сторону подложки, трехлинзовый компенсатор полевых аберраций, выполненный в виде последовательно установленных отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к фокальной плоскости системы, первого и второго положительных менисков, обращенных вогнутостью к той же плоскости. Преломляющая поверхность линзы зеркала Манжена и плоское зеркало-контротражатель выполнены дихроичными, подложка выполнена в виде плоско вогнутой отрицательной линзы из германия, перед вогнутой поверхностью которой последовательно установлены отрицательные мениск и двояковогнутая линза, образующие вместе с плосковогнутой линзой и преломляющей поверхностью линзы зеркала Манжена афокальную телескопическую насадку, оптически сопряженную через последовательно установленные на оптической оси поворотное плоское зеркало и сканирующий отражатель с линзовым объективом, выполненным из последовательно установленных положительного и отрицательного менисков, вогнутости которых обращены к фокальной плоскости линзового объектива.

Таким образом, за счет нанесения дихроичного покрытия на первую преломляющую поверхность линзы зеркала Манжена (отражающего в области 8 14 и пропускающего в области 0,40,9 мкм) и на плоский контротражатель (отражающего в области 0,4^oC0,9 и пропускающего в области 8^oC14 мкм), а также за счет введения дополнительных линзовых компонентов на выходе контротражателя, преобразованного для канала на 8 14 мкм в отрицательную линзу, зеркально-линзовая система работает одновременно в областях спектра 0,4 0,9 и 8 14 мкм. При этом оба канала системы, соответствующие этим областям, имеют одно и то же общее входное окно, что существенно сокращает габариты данной системы по сравнению с габаритами аналогичных двухканальных систем. Наличие поворотного плоского зеркала обеспечивает работу канала на 8 - 14 мкм не только с увеличением, но и с большим полем зрения, значительно превосходящим угол поля зрения прототипа. Это зеркало позволяет и значительно сократить габариты данной системы по сравнению с прототипом.

На фиг.1 представлена оптическая схема зеркально-линзовой системы, где: 1 линза Зеркало Манжена; 2 поверхность с дихроичным покрытием; 3 - подложка в виде плосковогнутой отрицательной линзы; 4 плоское дихроичное зеркало-контротражатель; 5 трехлинзовый компенсатор полевых аберраций; 6- первый отрицательный мениск трехлинзового компенсатора полевых аберраций; 7, 8 соответственно первый и второй положительные мениски трехлинзового компенсатора полевых аберраций; 9 отрицательный мениск); 10 отрицательная двояковогнутая линза; 11 поворотное плоское зеркало; 12 сканирующий отражатель; 13 линзовый объектив; 14 положительный мениск линзового объектива; 15 отрицательный мениск линзового объектива; 16 защитное стекло фотоприемного устройства; на фиг. 2 кривые пропускания T(λ₂),T(λ)₄ и отражения P(λ₂),P(λ)₄ для оптических поверхностей 2 и 4 зеркала Манжена 1 и плосковогнутой отрицательной линзы; на фиг. 3 графики аберраций канала зеркально-линзовой системы, работающей в области спектра 0,4 0,9 мкм (поз. 2, 4, 5 на фиг. 1); на фиг.4 графики аберраций длиннофокусного канала зеркально-линзовой системы, работающей в области спектра 8 14 мкм [поз. 1, 3, 9, 10, 11 (сплошная линия), 12, 13, 16] на фиг. 5 графики аберраций линзового объектива 13 короткофокусного канала зеркально-линзовой системы.

Зеркально-линзовая система (фиг. 1) содержит линзу зеркало Манжена 1, преломляющая поверхность 2 которого выполнена дихроичной: она отражает в области спектра 8 14 мкм и пропускает в области спектра 0,4 0,9 мкм (см. фиг. 2). На ее выходе установлена германиевая подложка 3, на одной стороне которой нанесено плоское зеркало-контротражатель с дихроичным покрытием, пропускающим в области 8 14 мкм и отражающим в области 0,4 0,9 мкм (см. фиг. 2). Вторая сторона подложки 3 выполнена вогнутой, так что подложка 3 представляет собой плосковогнутую отрицательную линзу. На выходе зеркала 4 установлен трехлинзовый компенсатор 5 полевых аберраций, выполненный в виде последовательно установленных отрицательного мениска 6, первого 7 и второго 8 положительных менисков. Элементы 1, 2, 4, 3, 5, ( 6, 7, 8) образуют ближневолновый канал зеркально-линзовой системы для области спектра 0,7 0,9 мкм с точкой фокуса F₁. На выходе вогнутой поверхности плосковогнутой линзы 3 последовательно установлены отрицательный мениск 9 и отрицательная двояковогнутая линза 10, образующие вместе с плосковогнутой линзой 3 и отражающей поверхностью 2 зеркала Манжена 1 афокальную телескопическую насадку длинноволнового канала зеркально-линзовой системы для области спектра 5 14 мкм. Она оптически сопряжена через последовательно установленные на оптической оси поворотное зеркало 11 и сканирующий отражатель 12 (например, плоское зеркало или зеркальный барабан) с линзовым объективом 13. Он выполнен из последовательно установленных положительного 14 и отрицательного 15 менисков, вогнутости которых обращены к фокальной плоскости F₂ линзового объектива 13. Он образует вместе с фокальной телескопической насадкой длиннофокусный канал зеркально-линзовой системы. Перед точкой фокуса F₂ этого канала (являющейся также точкой фокуса объектива 13) находится защитное стекло 16, защищающее фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого находится в фокальной плоскости, соответствующей точке фокуса F₂.

Зеркально-линзовая система работает следующим образом.

Излучение от объекта наблюдения (и окружающего его фона) поступает на поверхность 2 линзы зеркала Манжена 1. Излучение в области спектра 0,4 0,9 мкм проходит через линзу зеркало Манжена 1, отражается от его зеркальной задней поверхности 2 и, преломившись, выходит из линзы зеркала Манжена 1, отражается от плоскости зеркала-контротражателя 4 и поступает в трехлинзовый компенсатор 5 (мениски 6, 7, 8), на выходе которого в фокальной плоскости, соответствующей точке фокуса F₁, формируется изображение. В этой плоскости может быть установлен фотокатод электронно-оптического преобразователя, чувствительный в области спектра 0,4 0,9 мкм. Излучение в области 8 14 мкм отражается от поверхности 2, выполняющей для данной области роль вогнутого сферического зеркала, последовательно проходит через линзу 3, мениск 9 и линзу 10, преобразуясь на выходе афокальной телескопической насадки (элементы 2, 3, 9, 10) в параллельный пучок. Он последовательно отражается от поворотного плоского зеркала 11, установленного в положение, показанное на фиг. 1 сплошной линией, от сканирующего отражателя 12, поступает в линзовый объектив 13 (мениски 14, 15) и проходит через защитное стекло 16. Объектив 13 вместе с телескопической насадкой 2, 4, 9, 10 образуют длиннофокусный длинноволновый канал зеркально-линзовой системы, формирующий изображение в фокальной плоскости, соответствующей точке фокуса F₁, где расположена чувствительная поверхность ИК фотоприемного устройства. Для работы с большим углом поля зрения и соответственно с меньшим фокусным расстоянием используется линзовый объектив 13, образующий короткофокусный канал зеркально-линзовой системы. Для работы этого канала поворотное зеркало 11 установлено в положение, показанное на фиг. 1 пунктиром. Излучение от объекта и фона в области 8 14 мкм последовательно отражается от зеркала 11, сканирующего отражателя 12 и поступает в объектив 13, формирующий изображение в фокальной плоскости с точкой фокуса F₂.

Из графиков фиг. 3, 4, 5 следует, что качество всех каналов зеркально-линзовой системы достаточно высоко как для области спектра 0,4 0,9 мкм, так и 8 14 мкм при значительной светосиле объектива.

По сравнению с прототипом данная система работает одновременно в области спектра 0,4 0,9 и 8 14 мкм за счет нанесения дихроичного покрытия на первую преломляющую поверхность линзы зеркала Манжена (отражающего в области 8 14 и пропускающего в области 0,4 0,9 мкм) и на плоский контротражатель (отражающего в области 0,4 0,9 и пропускающего в области 8 14 мкм), а также за счет введения дополнительных линзовых компонентов на выходе контротражателя, преобразованного для канала на 8 14 мкм в отрицательную линзу.

При этом оба канала системы, соответствующие этим объектам, имеют одно и то же общее входное окно, что сокращает габариты данной системы по сравнению с габаритами прототипа. Наличие поворотного плоского зеркала позволяет также сократить габариты, "сломав" ее оптическую ось, а также обеспечить работу канала на 8 14 мкм не только с большим увеличением, но и с большим углом поля зрения, превышающим данный параметр прототипа.

Использование: в оптико-электронных приборах визуализации изображений для широкой области спектра. Сущность изобретения: система содержит последовательно установленные линзу Манжена 1 с дихроичной поверхностью 2, плоское дихроичное зеркало-контротражатель 4, нанесенное на одну сторону германиевой плосковогнутой линзы 3, на выходе зеркала 4 - трехлинзовый компенсатор 5 (мениски 6, 7, 8), формирующие изображение в области спектра 0,4^oC 0,9 мкм, поверхность 2 для области спектра 8^oC14 мкм является вогнутым сферическим зеркалом, образующим совместно с линзой 3, мениском 9 и линзой 10 афокальную телескопическую насадку, оптически сопряженную через поворотное зеркало 11 и сканирующий отражатель 12 с линзовым объективом 13, формируя изображение для области 8^oC14 мкм. 5 ил.

1. Зеркально-линзовая система, содержащая первый оптический канал, включающий зеркало Манжена, плоское зеркало-контротражатель и трехлинзовый компенсатор, выполненный в виде первого мениска, обращенного выпуклостью к изображению, положительной линзы и второго положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, отличающаяся тем, что на первую преломляющую поверхность зеркала Манжена и плоскую поверхность контротражателя нанесено дихроичное покрытие, в систему введен второй оптический канал, включающий афокальную насадку, поворотное зеркало, сканирующий отражатель и объектив, при этом афокальная насадка состоит из расположенных по ходу луча дихроичной поверхности зеркала Манжена, плосковогнутой линзы, выполненной на германиевой подложке контротражателя, отрицательного мениска и двояковогнутой линзы, объектив выполнен в виде положительного и отрицательных менисков, обращенных вогнутостью к изображения, причем в трехлинзовом компенсаторе первого канала первый мениск выполнен отрицательным, а положительная линза в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению.