ТРЕХЗЕРКАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БЕЗ ЭКРАНИРОВАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G02B17/06 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к классу полностью зеркальных оптических систем без центрального экранирования, и может быть использовано в фотографии, проекционной технике, Фурье-спектрометрах и другой аппаратуре, работающей с различными приемниками излучения, которые требуют увеличенного заднего фокального отрезка, хода лучей, близкого к телецентрическому, высокой коррекции аберраций в спектральном диапазоне, ограниченном лишь свойствами отражающих покрытий зеркал, и высокой радиационно-оптической устойчивости, например, при использовании в составе космической аппаратуры, работающей вблизи радиационных поясов в условиях воздействия космического излучения с высокой мощностью.

Известны зеркальные оптические системы с двумя и тремя отражениями, которые отличаются габаритами и степенью коррекции аберраций.

Объективы с двумя отражениями типа Кассегрена [1. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л., Машиностроение (Ленингр. отд-е), 1975, с.323] и Ричи-Кретьена [2. Chrétien H. "Rev. D' Optique", 1922, t.1] имеют недостаточно большую светосилу, большое центральное экранирование и обусловленный им увеличенный, по сравнению с объективами без экранирования, размер дифракционного пятна рассеяния, недостаточную степень коррекции полевых аберраций и связанную с ним небольшую (обычно менее 1°) величину углового поля, при этом ход лучей, близкий к телецентрическому, не обеспечивается.

В объективах с тремя отражениями в принципе могут быть хорошо исправлены все аберрации кроме дисторсии. Но экранирование в той или иной степени в большинстве систем [3. Rumsey. US Pat. No 4,101,195 cl.359/859; 4. Korsch Dietrich G. US Pat. No.4,101,195 cl.359/366 и др.] присутствует и, как правило, ход лучей, близкий к телецентрическому, не обеспечивается.

Все рассмотренные объективы выполнены из материалов, не имеющих высокой радиационно-оптической устойчивости, и не могут быть использованы в аппаратуре, работающей в условиях воздействия космического излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является трехзеркальная анастигматическая система [5. Cook Lacy G.; US Pat. No 4,265,510 cl.359/366], содержащая три оптически сопряженных компонента, в которой первый компонент - эллипсоидное зеркало с положительной оптической силой, обращенное вогнутостью к предмету, задающее положение оси системы, второй компонент - гиперболоидное зеркало с отрицательной оптической силой, третий компонент - эллипсоидное зеркало с положительной оптической силой, обращенное вогнутостью к изображению, создающие в совокупности анастигматическую оптическую систему, которая строит изображение и является внеосевой и децентрированной как по апертуре, так и по полевому углу. Система имеет относительное отверстие от 1:2,5 до 1:5 и угловое поле более 3°.

Данная система не обеспечивает ход лучей, близкий к телецентрическому, в силу того, что вторичное и третичное зеркала наклонены и децентрированы относительно оптической оси первичного зеркала, следствием последнего является также то, что система должна иметь сложную, и потому тяжелую, механическую конструкцию, и должна быть сложна в юстировке. Ее зеркала изготавливаются из обычных марок оптических материалов, из-за чего она не обладает достаточной радиационно-оптической устойчивостью.

Целью предлагаемого изобретения является создание легкого, простого в производстве и юстировке зеркального объектива без экранирования, с ходом лучей, близким к телецентрическому, с относительным отверстием до 1:3, с угловым полем не менее 2° и задним отрезком S'_F' до 0,7ƒ'_{системы}.

Эта цель достигается тем, что в известной трехзеркальной создающей действительное анастигматическое изображение оптической системе, являющейся внеосевой и децентрированной, как по апертуре, так и по полевому углу, все три зеркала образованы поверхностями вращения с общей осью, причем отражающая поверхность первичного зеркала - сегмент вогнутого гиперболоида с силой, близкой к силе всей системы, вторичное зеркало - выпуклое сферическое, отражающая поверхность третичного зеркала - сегмент вогнутого сплюснутого эллипсоида, расстояние между первичным и вторичным зеркалами меньше фокусного расстояния первичного зеркала, а центры отражающих поверхностей всех зеркал расположены в вершинах треугольника, включающего общую ось этих зеркал, и с разных сторон от этой оси вершины первичного и третичного зеркал совмещены, а боковые и задние поверхности первичного и третичного зеркал опираются на общие опорные поверхности, при этом все зеркала могут быть выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.

На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема трехзеркального объектива без экранирования с ходом лучей, близким к телецентрическому.

Объектив состоит из трех компонентов 1-3. Компонент 1 выполнен в виде внеосевого сегмента вогнутого гиперболоида, обращенного вогнутостью к предмету, компонент 2 - выпуклая сфера, компонент 3 - внеосевой сегмент вогнутого эллипсоида, обращенного вогнутостью к изображению.

На фиг.2 приведены в качестве примера конструктивные параметры системы. Ее фокусное расстояние ƒ'=319,64 мм, относительное отверстие 1:3, угловое поле 2 ω=2,3°, задний фокальный отрезок S'_F'=221,82 мм, что составляет 0,7ƒ'.

Компонент 1 имеет оптическую силу ϕ₁, примерно равную оптической силе системы ϕ. Компонент 2 имеет оптическую силу ϕ₂=-3ϕ. Компонент 3 имеет оптическую силу ϕ₃=2ϕ. Расстояние d между компонентом 2 и компонентами 1 и 3 меньше фокусного расстояния компонента 1 и составляет приблизительно 0,6ƒ', а центры C₁, С₂, С₃ отражающих поверхностей всех зеркал лежат в вершинах треугольника, включающего общую ось O₂-О_1.3 и всех зеркал, и расположены с разных сторон этой оси. Вершины первичного O₁ и третичного О₃ зеркал совмещены. Боковые 4 и задние 5 поверхности первичного и третичного зеркал опираются на общие опорные поверхности 6.

Зеркала выполнены из радиационно-устойчивых материалов, а именно из кварцевого стекла серии Р.

Рабочая область спектра системы ограничена лишь свойствами покрытий зеркал.

На фиг.3 приведена полихроматическая ЧКХ оптической системы для относительного отверстия 1:3 и углового поля 2 ω=2,3°, рассчитанная для пяти длин волн.

Положительный эффект предлагаемой конструкции трехзеркальной оптической системы заключается в том, что она

- обеспечивает высокое качество изображения при использовании только двух асферических поверхностей (в прототипе три), что упрощает и удешевляет производство и уменьшает технологическую составляющую пятна рассеяния, так как ошибки изготовления в случае сферических поверхностей всегда меньше, чем в случае асферических;

- не имея экранирования и виньетирования, обеспечивает ход лучей, близкий к телецентрическому (в прототипе отсутствует), что позволяет эффективно работать с Фурье-спектрометрами и фотоэлектрическими приемниками излучения;

- за счет того, что боковые и задние поверхности первичного и третичного зеркал опираются на общие опорные поверхности, снижается потребность в количестве степеней свободы юстировочных подвижек до трех линейных (в прототипе пять, так как первичное и третичное зеркала наклонены и децентрированы относительно оптической оси первичного зеркала), а следовательно, уменьшаются сложность, габариты и масса системы, что черезвычайно важно при космическом применении.

Изобретение возможно использовать в Фурье-спектрометрии, фотографии, проекционной технике, а также при работе с приемниками излучения, которые требуют увеличенного заднего фокального отрезка, например в составе спутниковой аппаратуры, работающей в условиях воздействия космического излучения высокой мощности. Трехзеркальная система является внеосевой и децентрированной как по апертуре, так и по полевому углу, и содержит зеркала, образованные поверхностями вращения с общей осью. Отражающая поверхность первичного зеркала - сегмент вогнутого гиперболоида с оптической силой, близкой к силе всей системы, вторичное зеркало - выпуклое сферическое, отражающая поверхность третичного зеркала - сегмент вогнутого сплюснутого эллипсоида. Расстояние между первичным и вторичным зеркалами меньше фокусного расстояния первичного зеркала. Центры отражающих поверхностей всех зеркал расположены в вершинах треугольника, плоскость которого включает общую ось этих зеркал, и с разных сторон относительно этой оси. Вершины первичного и третичного зеркал совмещены. Для облегчения конструкции и упрощения юстировки боковые и задние поверхности первичного и третичного зеркал опираются на общие опорные поверхности. Все зеркала могут быть выполнены из материалов с высокой радиационно-оптической устойчивостью к воздействию космического излучения высокой мощности. Обеспечивается создание легкой, простой в производстве и юстировке зеркальной системы без экранирования, с ходом лучей, близким к телецентрическому, с относительным отверстием до 1:3, с угловым полем не менее 2° и задним отрезком S'_F' до 0,7f' системы. 3 ил.

Трехзеркальная система без экранирования, содержащая три оптически сопряженных компонента, создающие в совокупности анастигматическую оптическую систему, которая строит изображение и является внеосевой и децентрированной как по апертуре, так и по полевому углу, и в которой первый компонент с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к предмету, второй компонент - зеркало с отрицательной оптической силой, третий компонент с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к изображению, отличающаяся тем, что все три упомянутые зеркала образованы поверхностями вращения с общей осью, причем отражающая поверхность первичного зеркала - сегмент вогнутого гиперболоида с оптической силой, близкой к силе всей системы, вторичное зеркало - выпуклое сферическое, отражающая поверхность третичного зеркала - сегмент вогнутого сплюснутого эллипсоида, расстояние между первичным и вторичным зеркалами меньше фокусного расстояния первичного зеркала, а центры отражающих поверхностей всех зеркал расположены в вершинах треугольника, плоскость которого включает общую ось этих зеркал, и с разных сторон относительно этой оси, вершины первичного и третичного зеркал совмещены, а боковые и задние поверхности первичного и третичного зеркал опираются на общие опорные поверхности, при этом все зеркала могут быть выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.