ПАНОРАМНЫЙ ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2002 года по МПК G02B13/06 G02B17/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к обзорно-панорамным системам, предназначенным для наблюдения предметов, расположенных в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.

Известны три типовых решения такой задачи: беззеркальные системы, системы, содержащие одну, и системы, содержащие две зеркальные поверхности. Примерами первой группы служат объектив Гилля*, состоящий из отрицательного компонента с большой кривизной поверхности и расположенного на большом расстоянии от него положительного, фокусирующего компонента или объектив по патенту US Patent 4070098 (G 02 B 17/08), состоящий из 25 преломляющих поверхностей. Ко второй группе можно отнести разработанную в конце прошлого века кольцевую отражающую линзу Манжена*, где в качестве отражающего элемента используется параболический тороид; к этой же группе относится и объектив, описанный Слюсаревым (Г.Г. Слюсарев. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969).

Патентуемая система относится к третьей группе - двухзеркальным системам.

Известен конический объектив Гончаренко (авт. свид 173978. Бюл. Изобр. 16, 1965, (G 02 B 17/08)), выполненный из двух конических зеркал, оси которых совпадают друг с другом, а вершины направлены в одну сторону. Первая поверхность по ходу лучей в сагиттальном сечении выпуклая и обладает отрицательной оптической силой, вторая - вогнутая и имеет положительную оптическую силу.

Этот объектив обладает тем недостатком, что использование конических зеркал приводит к неравномерности увеличения по полю, и, как следствие, неравномерной дисторсии.

Единой подгруппой выступают системы данной группы, построенные по схожей схеме. Вершины сферических отражающих поверхностей направляются в одном направлении, но первой по ходу луча ставится вогнутая отражающая поверхность, обладающая положительной оптической силой, а вторая поверхность - выпуклая отражающая, обладает отрицательной оптической силой. Кроме того, перед первой по ходу луча отражающей поверхностью ставится еще одна - дополнительная преломляющая поверхность. По ходу луча она является выпуклой, т.е. с отрицательной оптической силой, и, следовательно, обеспечивает дополнительное увеличение углового поля. Четвертая поверхность в зависимости от конструкции может быть различной формы. Конструктивно объектив выполняется в виде единого компонента.

Известна конструкция, предложенная Дональдом и Вильямом Бучел (Donald and William Buchele) (U.S. Patent 2638033, 1953 г., (G 02 B 17/08)). В патенте закреплены две двухзеркальные конструкции грибовидной формы, т.е. диаметр второй поверхности существенно меньше диаметра первой. В одной конструкции в качестве второй отражающей поверхности используется плоскость, во второй - асферическая поверхность. В качестве четвертой поверхности в обеих конструкциях используется выпуклая (по ходу луча) сфера.

Недостатком конструкции является наличие асферической поверхности.

Известна конструкция Яна Повелла (lan Powell) (U.S. Patent 5473474, 1995 г., (G 02 B 17/08)). Патент закрепляет грибовидную конструкцию, состоящую из четырех поверхностей. Три первые поверхности соответственно преломляющая и две отражающих имеют асферическую форму. В качестве четвертой поверхности в конструкции используется плоскость.

Недостатком конструкции является наличие асферической поверхности.

Ближайшим аналогом является конструкция Пола Грегусса (Pal Greguss) (U. S. Patent 4566763, 1986 г., (G 02 B 17/08)). Объектив с равными диаметрами отражающих поверхностей (обычной, негрибовидной конструкции) состоит из четырех поверхностей. Три первые поверхности соответственно преломляющая и две отражающих имеют асферическую форму. В качестве четвертой поверхности в конструкции используется плоскость. Диаметр третьей поверхности выбирается большим либо равным диаметру четвертой поверхности.

Недостатком системы является наличие асферических поверхностей и меньшее угловое поле по сравнению с аналогами.

Задачей изобретения является упрощение конструкции за счет исключения асферических поверхностей, при сохранении или увеличении поля обзора (углового поля) без потерь в качестве изображения.

Поставленная задача решается тем, что в панорамном зеркально-линзовом объективе, содержащим один оптический компонент, включающий четыре поверхности, первая из которых - преломляющая выпуклая, вторая - отражающая вогнутая, третья - отражающая выпуклая, четвертая - плоская преломляющая и апертурную диафрагму, совмещенную с четвертой поверхностью, причем световые диаметры первой и второй поверхности одинаковы, первые три поверхности выполнены сферическими, световые диаметры первой и второй поверхности составляют (0,95-0,98) удвоенного радиуса кривизны первой поверхности, световой диаметр третьей поверхности составляет (0,1-0,9) светового диаметра четвертой поверхности, а место соприкосновения первой и второй поверхности выполнено в виде цилиндрического пояска шириной (5-10) мм.

Краткое описание чертежей
Данное изобретение поясняется подробным описанием конкретного примера его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
на фиг.1 - схематическое изображение панорамного объектива;
на фиг.2 - конструктивные параметры объектива (табл. 1);
на фиг.3 - приведены аберрации осевого пучка (табл. 2);
на фиг.4 - приведены аберрации главного пучка (табл. 3).

Заявленный объект содержит (фиг.1):
- выпуклую преломляющую поверхность 1;
- вогнутую отражающую поверхность 2;
- выпуклую отражающую поверхность 3;
- плоскую преломляющую поверхность 4;
- апертурную диафрагму 5;
- цилиндрический поясок 6.

Конструктивные параметры объектива представлены в табл. 1 на фиг.2.

Предмет находится на бесконечности. Апертурная диафрагма совпадает с четвертой поверхностью. Ее диаметр AD=19. Относительное отверстие D/f'=l:1.7
Линейное поле: 2Y= 0 угловое: 2w= 179^o55'00". Введена дефокусировка, Δ = 0.6.
Параксиальные характеристики:
f=-4.004 sf=16.306 sh=20.31
f'=4.004 sf'=-31.61 sh'=-35.61
Входной зрачок: sp=15.8 Dp=2.4
Выходной зрачок: sp'=0 Dp'=19
Увеличение в зрачках Вр=-7.9
Положение предмета и изображения: s1=∝ s'=-31.61
Аберрации осевого пучка представлены в таблице 2 на фиг.3.

Аберрации главного пучка представлены в таблице 3 на фиг.4.

Объектив работает следующим образом.

Излучение от предмета, находящегося вблизи горизонта, преломляется, попадает на край второй поверхности. Отражаясь от нее, излучение попадает на край третьей поверхности, строя мнимое изображение предмета в зените.

Излучение от предмета вблизи зенита, преломившись на первой поверхности, попадает на внутреннюю часть второй поверхности и отражается от нее на внутреннюю же часть третьей поверхности, строя мнимое изображение в зените.

На третьей поверхности излучение как от предмета, расположенного вблизи горизонта, так и от предмета, расположенного вблизи зенита, отражается на угол, близкий к 180^o и строит изображение предмета в надир.

Таким образом, на выходе система формирует мнимое, кольцевое плоское изображение пространства предметов.

Зеркально-линзовый панорамный объектив может использоваться в качестве:
- панорамного объектива для фотоаппаратов;
- объектива систем, исследующих внутренние полости поверхностей (трубы, колодцы, стволы артиллерийских орудий, сопла ракет и т.д.);
- объектива систем панорамного обзора или слежения (системы охраны, системы наведения и сопровождения);
Пример панорамного изображения, полученного объективом "Сакура", в качестве панорамной насадки к объективу "Мир 1В", представлен на прилагаемой фотографии (на фиг.5).

Панорамный зеркально-линзовый объектив содержит один оптический компонент, включающий четыре поверхности и апертурную диафрагму. Первая из поверхностей - выпуклая преломляющая, вторая - вогнутая отражающая, третья - выпуклая отражающая, четвертая - плоская преломляющая, а апертурная диафрагма совмещена с четвертой поверхностью. Первые три поверхности выполнены сферическими. Световые диаметры первой и второй поверхностей равны и составляют 0,95-0,98 удвоенного радиуса первой поверхности. Световой диаметр третьей поверхности может составлять 0,1-0,9 диаметра четвертой поверхности. Место соединения первой и второй поверхностей может быть выполнено в виде цилиндрического пояска шириной 5-10 мм. Обеспечивается упрощение конструкции при сохранении или увеличении поля обзора без потерь в качестве изображения. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Панорамный зеркально-линзовый объектив, содержащий один оптический компонент, включающий четыре поверхности, первая из которых - выпуклая преломляющая, вторая - вогнутая отражающая, третья - выпуклая отражающая, четвертая - плоская преломляющая, и апертурную диафрагму, совмещенную с четвертой поверхностью, причем световые диаметры первой и второй поверхностей равны, отличающийся тем, что первые три поверхности выполнены сферическими, причем световой диаметр первой и второй поверхностей составляет 0,95-0,98 удвоенного радиуса первой поверхности. 2. Панорамный зеркально-линзовый объектив по п. 1, отличающийся тем, что световой диаметр третьей поверхности составляет 0,1-0,9 диаметра четвертой поверхности. 3. Панорамный зеркально-линзовый объектив по п. 1, отличающийся тем, что место соединения первой и второй поверхностей выполнено в виде цилиндрического пояска шириной 5-10 мм.