ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 1998 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к области объективов крупногабаритных наземных и космических телескопов, и может быть использовано для дискретного изменения оптических параметров (фокусного расстояния, углового поля зрения).

Известны аналоги - зеркально-линзовые объективы, содержащие три компонента, первый и второй из которых выполнены в виде вогнутого и выпуклого зеркал соответственно, а третий - в виде линзового компенсатора, причем один из компонентов - выпуклое зеркало - установлено с возможностью вывода из хода лучей для дискретного изменения оптических параметров. По такой схеме построены зеркально-линзовые объективы телескопов АЗТ-24 [1] и АЗТ-11 [2]. Изменение оптических параметров в этих объективах осуществляется за счет замены одного выпуклого зеркала на другое выпуклое зеркало с иным радиусом кривизны.

Основными недостатками этих зеркально-линзовых объективов является:
ограниченный интервал дискретных изменений оптических параметров;
необходимость введения дополнительного линзового компенсатора для обеспечения постоянства положения плоскости изображения при смене выпуклых зеркал, что существенно усложняет конструкцию объектива.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является зеркально-линзовый объектив, содержащий зеркальные компоненты, один из которых выполнен в виде вогнутого параболического зеркала, а второй - в виде выпуклого параболического зеркала, с возможностью вывода из хода лучей. Положение фокусов зеркал совпадают, и они образуют зеркальную телескопическую систему Мерсена. Третий компонент - линзовый - установлен за телескопической системой [3].

Основными недостатками этого объектива являются:
невозможность исправления кривизны изображения в зеркальной системе Мерсена, что ограничивает поле зрения в одной из двух систем (либо зеркально-линзовый, либо линзовый),
значительные габариты системы, т.к. длина L всего объектива определяется зависимостью:

где
- фокусные расстояния зеркальных компонентов;
- фокусное расстояние линзового компонента,
несовпадение входных зрачков линзовой и зеркально-линзовой систем приводит к увеличению световых размеров системы.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества объектива и уменьшение его габаритов.

Для решения поставленной задачи предложен объектив, содержащий вогнутое зеркало, выпуклое зеркало, установленное с возможностью вывода из хода лучей для дискретного изменения оптических параметров объектива, и линзовый компенсатор.

В отличие от прототипа предложенный объектив снабжен дополнительным линзовым компонентом, расположенным на оптической оси объектива перед выпуклым зеркалом или расположенным на параллельной оптической оси перед установленной перископической системой зеркал, при этом оптическая сила ϕ_д дополнительного линзового компонента и оптическая сила ϕ_л линзового компенсатора связаны соотношением:

где
d - расстояние между главными плоскостями дополнительного линзового компонента и линзового компенсатора;
S' - расстояние от линзового компенсатора до фокальной плоскости объектива.

При этом, при расположении дополнительного линзового компонента на параллельной оптической оси, перископическая система зеркал выполнена в виде первого зеркала, установленного на оси этого компенсатора за ним, и второго зеркала, выполненного на тыльной стороне выпуклого зеркала, установленного с возможностью поворота вокруг оси, пересекающей основную оптическую ось объектива и перпендикулярную ей.

Кроме того, при расположении дополнительного линзового компонента на параллельной оптической оси, перископическая система выполнена в виде первого зеркала, установленного на оси этого компонента за ним, и второго зеркала, установленного перед линзовым компенсатором с возможностью вывода его с оптической оси объектива.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что наличие в объективе дополнительного линзового компонента, оптическая ось которого параллельна оптической оси объектива, позволило скоррегировать как аберрации зеркально-линзовой системы, так и аберрации в линзовом объективе, и обеспечить высокое качество изображения в угловых полях . Кроме того, это позволило получить оптимальные габариты системы при достаточно больших фокусных расстояниях .

Такое конструктивное решение позволило реализовать широкий перепад значений оптических параметров.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема зеркально-линзового объектива; на фиг. 2 и 3 - варианты ее исполнения.

В табл. 1 и 2 приведен оптический выпуск схемы.

Объектив (фиг. 1) содержит вогнутое зеркало 1, выпуклое зеркало 2, имеющее возможность находиться в положении I, либо в положении II, линзовый компенсатор 3, дополнительный линзовый компонент 4. При этом как зеркально-линзовый объектив (элементы 1, 2, 3), так и линзовый (элементы 3 и 4) имеют защитное стекло 5 и единую фокальную плоскость 6.

На фиг. 2 обозначения элементов те же, что и на фиг. 1. На тыльной стороне выпуклого зеркала 2 нанесено зеркальное покрытие 7, а за дополнительным линзовым компонентом 4 установлено плоское зеркало 8.

На фиг. 3 - обозначения фиг. 1, объектив содержит дополнительную перископическую систему из двух плоских зеркал 9 и 10. Зеркало 10 установлено с возможностью ввода-вывода его оптической оси.

Зеркально-линзовый объектив на фиг. 1 работает следующим образом.

В случае, когда выпуклое зеркало 2 находится в положении I, параллельный пучок света после отражения от зеркал 1 и 2 попадает на линзовый компонент 3 и фокусируется в фокальной плоскости 6. Эквивалентное фокусное расстояние при этом равно , условное поле зрения

где
y' - линейный размер приемника в фокальной плоскости 6 объектива, а относительное отверстие составляет 1 : , где D - диаметр входного зрачка - обычно диаметр зеркала 1.

Аналогично работает зеркально-линзовый объектив на фиг. 2, когда выпуклое зеркало 2 находится в положении I, и объектив на фиг. 3, когда в положении I находится плоское зеркало 10.

В случае, когда выпуклое зеркало 2 (фиг. 1) находится в положении II (выведено из хода лучей), параллельный пучок света падает на дополнительный линзовый компонент 4, проходит через линзовый компенсатор 3 и фокусируется в фокальной плоскости 6.

При нахождении в положении II выпуклого зеркала 2 на фиг. 2 параллельный пучок света после прохождения дополнительного линзового компонента 4 отражается от плоских зеркал 8 и 7 (тыльная сторона выпуклого зеркала), проходит через линзовый компенсатор 3 и также фокусируется в фокальной плоскости 6 объектива.

На фиг. 3 выпуклое зеркало 2 выводится из хода лучей путем ввода на оптическую ось объектива в положение II плоского зеркала 10. При этом зеркала 9 и 10 образуют перископическую систему, и параллельный пучок света, падающий на дополнительный линзовый компонент 4, проходит последний компенсатор 3 и фокусируется в фокальной плоскости 6 объектива.

Эквивалентное фокусное расстояние линзового объектива, образованного в результате выведения из хода лучей выпуклого зеркала 2 на фиг. 1, 2, 3 определяется только силовыми элементами: дополнительным линзовым компонентом 4 и линзовым компенсатором 3, а также расстоянием d между их главными плоскостями. Для данной оптической схемы угловое поле зрения

а относительное отверстие I : , где D_л - входное отверстие линзового объектива.

Линейный компенсатор 3 постоянно в оптических схемах с включенным и выключенным зеркалом 2. Его оптическая сила равна ϕ_л . Оптическая сила дополнительного линзового компенсатора 4 ϕ_д определяется из условия, что при вводе и выводе выпуклого зеркала плоскость изображения постоянна, т.е. фокальные плоскости обеих систем (зеркально-линзового объектива и линзового) совмещены. Этому условию соответствует следующее соотношение:

где
S₁ - расстояние от линзового компенсатора до фокальной плоскости объектива.

В качестве примера конкретного исполнения рассчитан зеркально-линзовый объектив (фиг. 1) для космического телескопа, предназначенного для зондирования Земли (табл. 1, 2).

Из материалов, представленных в табл. 1 и 2, видно, что первая оптическая система объектива (табл. 1), состоящая из главного 1, вторичного - 2 и линзового компенсатора 3, имеет фокусное расстояние = 4592 мм. В качестве приемника используется ПЗС-линейка размером 2y' = 200 мм, ей соответствует угловое поле 2β = 2^°30′.
Результаты аберрационного расчета обеспечивают качество изображения, требуемое для регистрации изображения Земли в процессе ее зондирования.

При выводе выпускного зеркала 2 из хода лучей вторая оптическая система линзового объектива образуется дополнительным компонентом 4 и линзовым компенсатором 3. Фокусное расстояние линзового объектива = 1773,7 мм, угловое поле 2β = 6^° (при 2y' = 200 мм). Оптический и аберрационный выпуски приведены в табл. 2.

Таким образом предложенное построение оптических схем объективов по фиг. 1 обеспечивает дискретное изменение фокусного расстояния объективов в раз путем вывода из хода лучей выпуклого зеркала.

В результате реализации предложенного технического решения получен зеркально-линзовый объектив, имеющий малый оптимальный габарит при достаточно больших значениях фокусных расстояний и обеспечивающий высокое качество изображения.

Использование: в качестве объективов в крупногабаритных наземных и космических телескопах для дискретного изменения оптических параметров (фокусного расстояния, углового поля зрения). Сущность: зеркально-линзовый объектив содержит зеркальные компоненты, один из которых выполнен в виде вогнутого зеркала, а второй - в виде выпуклого, установленного с возможностью вывода из хода лучей для дискретного изменения оптических параметров объектива, и третий - в виде линзового компенсатора. Объектив снабжен дополнительным линзовым компонентом, оптическая ось которого параллельна оптической оси объектива или совпадает с ней, при этом оптическая сила ϕ_д дополнительного линзового компонента связана с оптической силой ϕ_л линзового компенсатора соотношением: ϕ_д = (1-S′ϕ_л)/d+S′(1-dϕ_л) ,
где d - расстояние между главными плоскостями дополнительного линзового компонента и линзового компенсатора; S' - расстояние от линзового компенсатора до фокальной плоскости объектива. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

1. Зеркально-линзовый объектив, содержащий вогнутое зеркало, выпуклое зеркало, установленное с возможностью вывода из хода лучей для дискретного изменения оптических параметров объектива, и линзовый компенсатор, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным линзовым компонентом, расположенным на оптической оси объектива перед выпуклым зеркалом или расположенным на параллельной оптической оси перед установленной перископической системой зеркал, при этом оптическая сила ϕ_д дополнительного линзового компонента и оптическая сила ϕ_л линзового компенсатора связаны соотношением

где d - расстояние между главными плоскостями дополнительного линзового компонента и линзового компенсатора;
S' - расстояние от линзового компенсатора до фокальной плоскости объектива. 2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что при расположении дополнительного линзового компонента на параллельной оптической оси перископическая система зеркал выполнена в виде первого зеркала, установленного на оси этого компонента, за ним, и второго зеркала, выполненного на тыльной стороне выпуклого зеркала, установленного с возможностью поворота вокруг оси, пересекающей оптическую ось объектива и перпендикулярную ей. 3. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что при расположении дополнительного линзового компонента на параллельной оптической оси, перископическая система выполнена в виде первого зеркала, установленного на оси этого компонента за ним, и второго зеркала, установленного перед линзовым компенсатором с возможностью вывода его с оптической оси объектива.