УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2000 года по МПК G02B13/14 G02B17/08 

Изобретение относится к области наблюдательных оптических приборов и может быть использовано для решения задач обнаружения, распознавания и идентификации объектов наблюдения в спектральном диапазоне 0,15-0,436 мкм.

Известен объектив для работы в ультрафиолетовой области спектра (Попов Г. М. Современная астрономическая оптика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит. , 1988. - с. 163,164), содержащий главное вогнутое зеркало, вторичное выпуклое зеркало и корректирующий элемент, отличающийся тем, что главное и вторичное зеркала имеют форму гиперболоидов вращения, а корректирующий элемент выполнен в виде квазиконцентрического отрицательного мениска с выпуклой эллиптической поверхностью, обращенной к пространству предметов.

Основным недостатком этой системы является малое поле зрения, которое не превышает 1,5^o.

Прототипом изобретения является объектив для работы в ультрафиолетовой области спектра (Wolf Е. // Progress in Optics. - 1983, V.20), содержащий главное вогнутое параболическое зеркало, вторичное сферическое зеркало и корректирующий элемент из двух линз, установленных по ходу луча позади вторичного зеркала, первая из которых выполнена в виде отрицательного мениска, вогнутостью обращенного к пространству изображений, а вторая - в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения.

Основным недостатком прототипа является низкое качество изображения и узкий спектральный диапазон работы (размеры пятна рассеяния в пределах углового поля 2ω = 2,5^o составляют порядка 10'' дуги в диапазоне спектра 0,185-0,250 мкм при относительном отверстии 1:2,6).

Необходимое улучшение качества изображения и расширение спектральной области работы в этой системе невозможно обеспечить из-за наличия больших остаточных аберраций, из которых первостепенное значение имеют: хроматизм увеличения и остаточная сферохроматическая аберрация.

Предложенная система объектива для работы в ультрафиолетовой области спектра позволяет обеспечить более высокие технические характеристики: улучшить качество изображения и расширить спектральный диапазон работы.

Более высокие технические характеристики предложенной системы обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков: корректирующий элемент состоит из трех линз, причем крайние линзы отрицательные и выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостью к пространству изображений, а центральная - двояковыпуклая.

Выполнение корректирующего элемента системы из трех линз дает возможность распределить оптическую силу отрицательной компоненты корректора между двумя линзами и разместить компоненты корректора по симметричной схеме: отрицательные линзы по краям, положительная в центре. Это дает возможность исправить хроматизм увеличения в широкой области спектра, который неизбежно возникает при окончательной компоновке системы (вводе реальных толщин линз), и который невозможно исправить полностью при двухлинзовой компоновке корректора.

Выполнение отрицательных линз корректора в виде менисков, обращенных вогнутостью к пространству изображений, а центральной, положительной линзы корректора в форме двояковыпуклой дает возможность уменьшения остаточной сферохроматической аберрации в широком диапазоне спектра, так как при этом уменьшаются углы падения лучей на оптические поверхности корректора. При этом также уменьшается и остаточная кома, в результате чего повышается качество изображения и расширяется спектральный диапазон работы системы.

Авторам неизвестны оптические системы объективов, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому данная оптическая система обладает существенными отличиями.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - оптическая схема объектива.

Фиг. 2 - поперечные аберрации на оси.

Поперечные аберрации вне оси:
Фиг. 3а - для 2ω = 2,5^o и λ = 0,15-0,254 мкм.

Фиг. 3б - для 2ω = 1,25^o и λ = 0,15-0,254 мкм.

Фиг. 3в - для 2ω = 2,5^o и λ = 0,254-0,436 мкм.

Фиг. 3г - для 2ω = 1,25^o и λ = 0,254-0,436 мкм.

Фиг. 4 - остаточный хроматизм увеличения.

Оптическая передаточная функция:
Фиг. 5а - для диапазона спектра λ = О,15-0,254 мкм.

Фиг. 5б - для диапазона спектра λ = 0,254-0,436 мкм.

На фиг. 1 изображена предлагаемая оптическая система объектива. Система содержит главное вогнутое параболическое зеркало 1, вторичное сферическое зеркало 2 и корректирующий элемент, установленный по ходу луча позади вторичного зеркала, состоящий из трех линз 3, 4 и 5, из которых крайние линзы 3 и 5 выполнены в виде отрицательных менисков, обращенных вогнутостью к пространству изображений, а центральная линза 4 - двояковыпуклая. Линзы корректора выполнены с одинаковым показателем преломления (из фтористого лития).

Лучи света, отражаясь от главного и вторичного зеркала 1 и 2, проходят через линзы корректора 3, 4 и 5, образуя изображение объекта наблюдения в фокальной плоскости, которая расположена позади главного зеркала 1.

Конструктивные параметры предложенного объектива приведены в таблице, где:
i - номер поверхности; r_i - радиусы кривизны поверхностей; d_i - толщины линз и воздушные промежутки; n_i - показатели преломления; O⊘_i - световые диаметры поверхностей. Все линейные параметры системы приводятся в мм.

Для улучшения качества изображения спектральная область работы предлагаемого объектива 0,15-0,436 мкм разбивается на два поддиапазона: 0,15-0,254 мкм и 0,254-0,436 мкм. Объектив для работы в ультрафиолетовой области спектра имеет следующие характеристики:
Фокусное расстояние f' = 411 мм.

Задний фокальный отрезок
для 0,15-0,254 мкм S''_F = 51,26 мм;
для 0,254-0,436 мкм S''_F = 51,22 мм.

Угловое поле 2ω = 2,5^o.

Относительное отверстие D: f'= 1:3,16.

Основная длина волны
для 0,15-0,254 мкм λ = 0,203 мкм;
для 0,254-0,436 мкм λ = 0,334 мкм.

На фиг. 2, 3а, 3б, 3в, 3г, 4 изображены графики остаточных аберраций предлагаемой системы для длин волн 0,15; 0,203; 0,254; 0,334 и 0,436 мкм.

На фиг. 2 показан ход поперечных осевых аберраций, где по оси ординат отложены зоны входного зрачка m (мм), а по оси абсцисс - значения поперечных аберраций ΔY′ (мм).

На фиг. 3а, 3б приведены графики поперечных аберраций предлагаемой системы в диапазонах спектра от λ = 0,15 мкм до λ = 0,254 мкм и от λ = 0,254 мкм до λ = 0,436 мкм (фиг. 3в, 3г) для двух углов наклона главного луча с осью системы 2ω = 2,5^o и 2ω = 1,25^o, где по оси ординат отложены зоны входного зрачка m (мм) и М (мм) в меридиональном и сагиттальном сечении соответственно, а по оси абсцисс - значения поперечных аберраций Δy (мм) в меридиональном и ΔY (мм), ΔZ (мм) в сагиттальном сечениях.

На фиг. 4 приводятся графики остаточного хроматизма увеличения, где ω^o - половина углового поля, a значения хроматизма увеличения. Из приведенных графиков видно, что данная хроматическая аберрация достаточно хорошо исправлена в спектральном диапазоне 0,15-0,436 мкм.

Из фиг. 2 - 4 видно, что остаточные аберрации в предлагаемой системе малы, особенно это относится к хроматизму увеличения, который в диапазоне спектра 0,15-0,254 мкм не превышает 0,08%, и остаточным аберрациям на оси системы, которые, как показали сравнения, значительно меньше, чем в прототипе.

На фиг. 5а, 5б изображены графики частотно-контрастной характеристики предлагаемого объектива в диапазоне спектра 0,15-0,254 мкм и 0,254-0,436 мкм соответственно, где Т - контраст, а N (линий/мм) - разрешающая способность. Видно, что в пределах поля 2ω = 2,5^o предлагаемый объектив разрешает не менее 45 линий/мм при уровне контраста 40%. В центре поля разрешение повышается до 62 линий/мм в диапазоне 0,15-0,254 мкм и 150 линий/мм в диапазоне 0,254-0,436 мкм.

Анализ данных работы [2] показывает, что в диапазоне спектра 0,185-0,250 мкм разрешающая способность прототипа (при ⊘ 130 мм, относительном отверстии 1: 2,6 и поле 2ω = 2,5^o) в среднем на 10 линий/мм меньше, чем в предлагаемой системе.

Таким образом, предлагаемый объектив для работы в ультрафиолетовой области спектра имеет более высокую разрешающую способность и, как это видно из приведенных выше данных, значительно более широкий спектральный диапазон работы.

Предлагаемый объектив может быть использован для решения задач обнаружения, распознавания и идентификации объектов наблюдения в атмосфере, а также в астрономических телескопах, работающих в ультрафиолетовой области спектра от 0,15 до 0,436 мкм.

ЛИТЕРАТУРА
1. Попов Г.М. Современная астрономическая оптика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1988. - 192 с.

2. Wolf E. //Progress in Optics. - 1983. - V. 20.

Сущность изобретения: объектив содержит главное вогнутое параболическое зеркало, вторичное сферическое зеркало и корректирующий элемент. Корректирующий элемент состоит из трех линз с одинаковым показателем преломления. Крайние линзы отрицательные и выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостью к пространству изображений, а центральная - двояковыпуклая. Обеспечивается улучшение качества изображения и расширение спектрального диапазона работы. 5 ил., 1 табл.

Объектив для работы в ультрафиолетовой области спектра, содержащий главное вогнутое параболическое зеркало, вторичное сферическое зеркало и корректирующий элемент, выполненный из линз с одинаковым показателем преломления, отличающийся тем, что корректирующий элемент состоит из трех линз, причем крайние линзы отрицательные и выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостью к пространству изображений, а центральная - двояковыпуклая.