ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2007 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к оптическим системам и может использоваться в оптических приборах, работающих с ПЗС-матрицей, например, для приема энергии.

Известна оптическая система из зеркально-линзового объектива [1], содержащая расположенные по ходу луча линзовый компонент в виде одиночной положительной линзы, зеркало Манжена, вторичное зеркало, совмещенное со второй поверхностью линзового компонента, и линзовый компенсатор, выполненный из одиночных отрицательной и положительной линз, и мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов и склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз.

Наиболее близким к изобретению является оптическая система [2] из зеркально-линзового объектива, содержащего расположенные по ходу луча положительную линзу, зеркало Манжена, вторичное сферическое зеркало, совмещенное со второй поверхностью положительной линзы и компенсатор, включающий отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, положительную линзу, отрицательный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов и двояковыпуклую линзу.

Указанные оптические системы не позволяют получить угол поля зрения более 6°, эффективное относительное отверстие более 1:2.5 при центральном экранировании, не превышающем 40% от площади входного зрачка, и одновременно высокое качество изображения, позволяющее обеспечить прием энергии на матричную структуру приемника.

Задачей данного изобретения является создание оптической системы, обеспечивающей два поля зрения и увеличение относительного отверстия при одновременном сохранении высокого качества изображения.

Оптическая система включает зеркально-линзовый объектив, содержащий расположенные по ходу луча положительную линзу, зеркало Манжена, вторичное сферическое зеркало, совмещенное со второй поверхностью положительной линзы, и линзовый компенсатор из четырех компонентов, первый и третий компоненты которого отрицательные, а второй и четвертый - положительные, при этом первый компонент выполнен в виде мениска, в отличие от прототипа, в центральной части положительной линзы выполнено отверстие, в котором на оптической оси зеркально-линзового объектива размещен встроенный объектив из четырех компонентов, первый компонент которого выполнен в виде отрицательной двусклеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и положительного мениска, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент выполнен в виде отрицательной двусклеенной линзы, состоящей из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, четвертый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, расстояние между первым и вторым компонентами встроенного объектива составляет не менее 0.27 его фокусного расстояния, а расстояние между третьим и четвертым компонентами не менее 0.09 фокусного расстояния встроенного объектива, мениск первого компонента компенсатора обращен вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент компенсатора выполнен в виде двояковыпуклой линзы, третий и четвертый компоненты компенсатора выполнены в виде плосковогнутой и плосковыпуклой линз соответственно, причем фокусное расстояние отрицательного мениска компенсатора составляет -0.9 фокусного расстояния зеркально-линзового объектива, фокусное расстояние двояковыпуклой линзы компенсатора составляет 0.34 фокусного расстояния зеркально-линзового объектива.

В частности, суммарная оптическая сила плосковогнутой и плосковыпуклой линз компенсатора не превышает 0.0005 мм^-1, при этом плосковыпуклая линза установлена с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси для стабилизации изображения.

Размещение в центральной части положительной линзы встроенного объектива обеспечило получение второго поля зрения 2W=12° при работе этого объектива совместно с линзовым компенсатором зеркально-линзового объектива.

Конструкция первого компонента встроенного объектива в виде отрицательной двусклеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и положительного мениска, позволяет исправить сферическую аберрацию.

Конструкция второго компонента в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третьего компонента, выполненного в виде отрицательной двусклеенной линзы, состоящей из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, и четвертого компонента в виде двояковыпуклой линзы позволяет исправить полевые аберрации широких наклонных пучков.

Выбор расстояния между первым и вторым компонентами объектива не менее 0.27 фокусного расстояния встроенного объектива, а между третьим и четвертым компонентами объектива не менее 0.09 его фокусного расстояния позволил исправить кому и сферическую аберрацию.

В результате встроенный объектив совместно с линзовым компенсатором зеркально-линзового объектива обеспечивает качество изображения, позволяющее получить концентрацию энергии в диаметре кружка 0.025 мм не менее 91% для точки на оси и не менее 86% для края поля зрения 2W=12°.

Конструкция зеркально-линзового объектива, содержащая расположенные по ходу луча положительную линзу, зеркало Манжена, вторичное сферическое зеркало, совмещенное со второй поверхностью положительной линзы и линзовый компенсатор из четырех компонентов, первый отрицательный компонент которого выполнен в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент компенсатора выполнен в виде двояковыпуклой линзы, третий компонент компенсатора отрицателен и выполнен в виде плосковогнутой линзы, четвертый компонент компенсатора выполнен в виде плосковыпуклой линзы, причем фокусное расстояние отрицательного мениска компенсатора составляет -0.9 фокусного расстояния зеркально-линзового объектива, фокусное расстояние двояковыпуклой линзы компенсатора составляет 0.34 фокусного расстояния зеркально-линзового объектива, что позволяет увеличить эффективное относительное отверстие зеркально-линзового объектива до 1:2.3 при центральном экранировании, не превышающем 40% от площади входного зрачка, и обеспечивает высокое качество изображения, позволяющее получить концентрацию энегрии в диаметре кружка 0.025 мм не менее 95% для точки на оси и не менее 94% для края поля зрения 2W=2°.

Суммарная оптическая сила третьего и четвертого компонентов компенсатора не превышает 0.0005 мм^-1, что позволяет использовать эти компоненты для стабилизации изображения при амплитуде колебаний в пределах ±2.5 мрад, при этом четвертый компонент линзового компенсатора установлен с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемой оптической системы.

На фиг.2 приведены конструктивные параметры предлагаемой оптической системы, где R - радиусы кривизны поверхностей линз, D - расстояния между поверхностями линз, n_е - показатель преломления стекол линз для линии е (λ=546 нм), ν - число Аббе для линии е.

На фиг.3 приведены конструктивные параметры встроенного объектива.

Оптическая система (фиг.1) содержит расположенные по ходу луча положительную линзу 1, выполненную двояковыпуклой, зеркало Манжена 2, вторичное сферическое зеркало, совмещенное со второй поверхностью положительной линзы 1, линзовый компенсатор 3 из четырех компонентов, встроенный объектив 4. Линзовый компенсатор 3 состоит из одиночных линз 5, 6, 8, 9 и светофильтров 7 и 10, служащих для выделения рабочей области спектра (790...910) нм. Первый компонент компенсатора представляет собой отрицательный мениск 5, обращенный вогнутой поверхностью к пространству изображений, его фокусное расстояние составляет -0.9 фокусного расстояния зеркально-линзового объектива. Второй компонент компенсатора выполнен в виде двояковыпуклой линзы 6 и имеет фокусное расстояние, составляющее 0.34 фокусного расстояния зеркально-линзового объектива. Третий компонент компенсатора выполнен в виде плосковогнутой линзы 8, четвертый компонент компенсатора выполнен в виде плосковыпуклой линзы 9. Суммарная оптическая сила линз 8 и 9 равна 0.00042 мм^-1, что позволяет использовать эти линзы для стабилизации изображения без ухудшения качества всего объектива при перемещении линзы 9 перпендикулярно оптической оси.

В отверстии центральной части положительной линзы 1 установлен на оптической оси зеркально-линзового объектива встроенный объектив 4, первый компонент которого содержит отрицательную двусклеенную линзу 11, состоящую из двояковогнутой линзы и положительного мениска, второй компонент - положительный мениск 12, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент - отрицательная двусклеенная линза 13, состоящая из двояковогнутой и двояковыпуклых линз, четвертый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы 14. Расстояние между линзами 11 и 12 составляет не менее 0.27 фокусного расстояния встроенного объектива, а расстояние между линзами 13 и 14 - не менее 0.09 его фокусного расстояния.

Зеркально-линзовый объектив имеет следующие характеристики:

- фокусное расстояние332 мм,- эффективный световой диаметр140 мм- угол поля зрения2 град.

Встроенный объектив имеет фокусное расстояние 54,3 мм.

Встроенный объектив совместно с линзовым компенсатором имеет следующие характеристики:

- фокусное расстояние объектива44.6 мм- диаметр входного зрачка8.2 мм- угол поля зрения12 град.

Оптическая система работает следующим образом: при работе встроенного объектива вся поверхность зеркально-линзового объектива, кроме центральной части, закрывается шторкой, при этом параллельный пучок света с углом поля зрения 2W=12° проходит через входной зрачок встроенного объектива 4 и, преломившись через поверхности линз 11, 12, 13 и 14, попадает на линзовый компенсатор 3, после прохождения которого фокусируется в плоскости изображения, где расположена ПЗС-матрица. При работе зеркально-линзового объектива встроенный объектив 4 закрывается заслонкой, при этом параллельный пучок лучей с углом поля зрения 2W=2° проходит положительную линзу 1 и, отразившись от зеркала Манжена 2, попадает на вторичное зеркало, совмещенное со второй поверхностью линзы 1, после отражения от которого попадает на линзовый компенсатор 3, и после его прохождения фокусируется в той же плоскости изображения, что и при работе встроенного объектива с компенсатором. Перемещение линзы 9 компенсатора 3 в направлении перпендикулярном оптической оси, позволяет стабилизировать изображение.

Таким образом, предлагаемая оптическая система, состоящая из зеркально-линзового объектива со встроенным в центральной части первой линзы объективом, обеспечивает два поля зрения, имеет большое эффективное относительное отверстие зеркально-линзовой части при сохранении высокого качества изображения по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. A.c. SU № 711519, публикация 1980 г., МКИ G02B 17/08.

2. Патент RU № 2047201, публикация 1995 г., МКИ G02B 17/08.

Оптическая система включает зеркально-линзовый объектив, содержащий расположенные по ходу луча положительную линзу, зеркало Манжена, вторичное сферическое зеркало, совмещенное со второй поверхностью положительной линзы, и линзовый компенсатор из четырех компонентов, а также дополнительно размещенный на оптической оси зеркально-линзового объектива в отверстии, выполненном в центральной части положительной линзы, встроенный объектив из четырех компонентов, первый из которых выполнен в виде отрицателоной двусклеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и положительного мениска, второй компонент - в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент - в виде отрицательной двусклеенной линзы, состоящей из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, четвертый - в виде двояковыпуклой линзы. В линзовом компенсаторе первый компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй - в виде двояковыпуклой линзы, третий и четвертый - в виде плосковогнутой и плосковыпуклой линз соответственно. Плосковыпуклая линза установлена с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси для стабилизации изображения. Технический результат - обеспечить два поля зрения и увеличение относительного отверстия при одновременном сохранении высокого качества изображения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптическая система, включающая зеркально-линзовый объектив, содержащий расположенные по ходу луча положительную линзу, зеркало Манжена, вторичное сферическое зеркало, совмещенное со второй поверхностью положительной линзы, и линзовый компенсатор из четырех компонентов, первый и третий компоненты которого отрицательные, а второй и четвертый - положительные, при этом первый компонент выполнен в виде мениска, отличающаяся тем, что в центральной части положительной линзы выполнено отверстие, в котором на оптической оси зеркально-линзового объектива размещен встроенный объектив из четырех компонентов, первый компонент которого выполнен в виде отрицательной двусклеенной линзы, состоящей из двояковогнутой линзы и положительного мениска, второй компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к пространству предметов, третий компонент выполнен в виде отрицательной двусклеенной линзы, состоящей из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, четвертый компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, расстояние между первым и вторым компонентами встроенного объектива составляет не менее 0,27 его фокусного расстояния, а расстояние между третьим и четвертым компонентами не менее 0,09 фокусного расстояния встроенного объектива, мениск первого компонента компенсатора обращен вогнутой поверхностью к пространству изображений, второй компонент компенсатора выполнен в виде двояковыпуклой линзы, третий и четвертый компоненты компенсатора выполнены в виде плосковогнутой и плосковыпуклой линз соответственно, причем фокусное расстояние отрицательного мениска компенсатора составляет - 0,9 фокусного расстояния зеркально-линзового объектива, фокусное расстояние двояковыпуклой линзы компенсатора составляет 0,34 фокусного расстояния зеркально-линзового объектива.2. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что суммарная оптическая сила плосковогнутой и плосковыпуклой линз компенсатора не превышает 0,0005 мм^-1, при этом плосковыпуклая линза установлена с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси для стабилизации изображения.