ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2008 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к длиннофокусным зеркально-линзовым объективам, и может быть использовано в оптико-электронных, фотографических и других приборах, работающих с различными приемниками излучения в широкой спектральной области, охватывающей видимый диапазон и ближнюю инфракрасную область.

Известен зеркально-линзовый объектив с дифракционным уровнем разрешения для аппаратуры дистанционного зондирования Земли (Бюллетень международной академии "Contenant", июль 2001 г, стр.15, 16, Схема I, Табл.2), содержащий передний двухлинзовый афокальный компенсатор, первичное вогнутое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием, вторичное выпуклое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием и задний четырехлинзовый афокальный компенсатор. Недостатками этого объектива являются большой коэффициент центрального экранирования, равный 0,5, и многолинзовость заднего компенсатора.

Известен зеркально-линзовый объектив RU 2000584, содержащий передний компенсатор, состоящий из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы с центральными отверстиями, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, первичное вогнутое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием, обращенное вогнутостью к предмету, вторичный отражатель в виде зеркала Манжена, обращенного выпуклостью к изображению, и задний компенсатор, выполненный в виде отрицательного мениска одиночного или склеенного из вогнуто-плоской и плоско-выпуклой линз. Недостатками этого объектива являются неудовлетворительное качество изображения по полю зрения, большой коэффициент центрального экранирования, повышенные требования к точности изготовления зеркала Манжена сравнительно со сферическим зеркалом с внешним отражающим покрытием, блики от преломляющей поверхности зеркала Манжена.

В качестве прототипа рассматривается наиболее близкая по конструктивному решению к предлагаемой оптическая схема зеркально-линзового фотографического объектива RU 2003145 с фокусным расстоянием f'=1000 мм, относительным отверстием 1:8, углом поля зрения 2ω=5°, коэффициентом центрального экранирования 0,54. Объектив содержит двухлинзовый коррекционный элемент из отрицательной и положительной линз, первичный отражатель в виде зеркала Манжена, вогнутого к предмету, вторичный отражатель в виде выпуклого сферического зеркала с внешним отражающим покрытием, обращенного выпуклостью к изображению, и двухлинзовый компенсатор из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, расположенных между вторичным зеркалом и плоскостью изображения. При этом эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента (0,9...1,1)f', а двухлинзового компенсатора (-0,3...-0,2)f', где f' - фокусное расстояние объектива.

Недостатками прототипа являются невысокое относительное отверстие, большой коэффициент центрального экранирования, низкая разрешающая способность по всему полю зрения, а также повышенные требования к точности изготовления зеркала Манжена сравнительно со сферическим зеркалом с внешним отражающим покрытием, блики от преломляющей поверхности зеркала Манжена. Эти недостатки ограничивают область использования прототипа, в частности, исключают возможность применения его в аппаратуре дистанционного зондирования Земли.

Целью изобретения является создание зеркально-линзового объектива с повышенной светосилой и уменьшенным коэффициентом центрального экранирования сравнительно с прототипом, с повышенным качеством изображения по всему полю, технологичного в изготовлении, для работы в спектральном диапазоне Δλ=(500...890) нм, охватывающем видимую область спектра и ближнюю инфракрасную, пригодного, в частности, для применения в аппаратуре дистанционного зондирования Земли.

Цель достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе, содержащем двухлинзовый коррекционный элемент из отрицательной и положительной линз, первичный отражатель - зеркало Манжена, вторичное сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием и двухлинзовый компенсатор из двояковогнутой и двояковыпуклых линз, расположенных между вторичным зеркалом и плоскостью изображения, первичный отражатель выполнен в виде сферического зеркала с внешним отражающим покрытием, вогнутостью обращенного к предмету, а двояковогнутая линза двухлинзового компенсатора удалена от двояковыпуклой на расстояние (0,06...0,12)f', где f' - фокусное расстояние объектива, при этом эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента составляет (6...9)f', а двухлинзового компенсатора (-1,5...0,9)f', в отличие от прототипа, где эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента (0,9...1,1)f', а двухлинзового компенсатора (-0,3...-0,2)f'.

Выполнение первичного отражателя в виде сферического зеркала с внешним отражающим покрытием делает его более технологичным сравнительно с зеркалом Манжена прототипа, так как при этом снижаются требования к точности изготовления зеркальной поверхности, а отсутствие преломляющей поверхности зеркала Манжена исключает ошибки изготовления ее формы и центрировки. При этом также улучшаются светотехнические характеристики объектива, так как исключаются блики от преломляющей поверхности зеркала Манжена, светорассеяние на ней, поглощение и светорассеяние в толще стекла зеркала Манжена.

Выполнение двухлинзового компенсатора компонентом "значительной" толщины удалением двояковогнутой линзы от двояковыпуклой на расстояние (0,06...0,12)f' позволяет повысить качество изображения объектива по полю зрения.

Высокая аберрационная коррекция предлагаемого объектива достигается при эквивалентном фокусном расстоянии двухлинзового коррекционного элемента (6...9)f', а двухлинзового компенсатора (-1,5...0,9)f'.

Вышеприведенные доводы свидетельствуют о том, что конструктивные отличия первичного отражателя и двухлинзового компенсатора являются существенными отличиями предлагаемого технического решения от прототипа. Совокупность существенных конструктивных отличий с отличиями эквивалентных фокусных расстояний двухлинзового коррекционного элемента и двухлинзового компенсатора соответствует условию новизны и позволяет получить положительный эффект, а именно увеличить относительное отверстие объектива, уменьшить центральное экранирование, повысить качество изображения объектива по всему полю зрения, улучшить его светотехнические характеристики и технологичность.

Пример конкретного выполнения объектива согласно предлагаемой формуле изобретения приведен на Фиг.1.

На Фиг.2 приведена таблица конструктивных параметров объектива, изображенного на Фиг.1.

На Фиг.3 приведена таблица коэффициентов передачи модуляции К на пространственной частоте N=50 мм^-1 предлагаемого объектива в сравнении с безаберрационным объективом с дифракционным качеством изображения и с прототипом.

На Фиг.4 приведена разрешающая способность предлагаемого объектива при уровне контраста К=0,5 в сравнении с прототипом.

На Фиг.1 изображен предлагаемый объектив для дистанционного зондирования Земли в спектральном диапазоне Δλ=(500...890) нм с f'=860 мм, относительным отверстием 1:5.06, угловым полем 5°, коэффициентом центрального экранирования 0,41. Объектив содержит двухлинзовый коррекционный элемент из отрицательной линзы 1 и положительной линзы 2, первичное вогнутое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием 3, обращенное вогнутостью к предмету, вторичное выпуклое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием 4, обращенное выпуклостью к изображению, и двухлинзовый компенсатор из двояковогнутой линзы 5 и двояковыпуклой линзы 6. В состав объектива в его задний фокальный отрезок дополнительно введены плоско-параллельные пластины 7-9, представляющие собой, соответственно, фокусировочное устройство из двух клиньев с одинаковыми преломляющими углами и противоположными вершинами, развертку призменного светоделительного устройства разделения спектральных каналов, входное окно приемника оптического изображения.

Объектив работает следующим образом.

Световой поток от предмета проходит линзы 1, 2, отражается от зеркал 3, 4, проходит через линзы 5, 6, пластины 7-9 и фокусируется в плоскости светочувствительных элементов (пикселей) приемника. Защита приемника от прямой засветки обеспечивается двумя внутренними коническими блендами.

Качество изображения предлагаемого объектива (Фиг.1 и 2) представлено на Фиг.3 величинами коэффициентов передачи модуляции К на пространственной частоте N=50 мм^-1, определяемой размером пикселя 0,01×0,01 мм приемника. На Фиг. 3 приведены также К безаберрационного объектива с характеристиками предлагаемого: f', относительным отверстием, центральным экранированием, полем зрения, виньетированием. Из сравнения К предлагаемого объектива с безаберрационным следует, что предлагаемый объектив близок к безаберрационному, в котором качество изображения определяется только дифракцией. На Фиг.3 еще приведены величины К на частоте N=50 мм^-1 прототипа, полученные по графикам Фиг.2 описания прототипа, из которых следует, что частота N=50 мм^-1 является нерабочей для края поля зрения прототипа.

На Фиг.4 качество изображения предлагаемого объектива представлено разрешающей способностью при уровне контраста К=0,5 - характеристикой, приведенной в описании прототипа внизу столбца 4 для центра поля 2ω=0°, середины поля 2ω=2°30' и края поля 2ω=5°. Из Фиг.4 следует, что выполнение объектива согласно предлагаемой формуле изобретения позволяет по сравнению с прототипом увеличить относительное отверстие объектива, уменьшить центральное экранирование и значительно повысить качество изображения.

Дисторсия предлагаемого объектива не превышает 0,25% на краю поля 2ω=5°. Освещенность на краю поля составляет 44% относительно центра. Длина объектива (Фиг.1 и 2) от передней поверхности линзы 1 до задней поверхности линзы 6 составляет 249 мм. Задний фокальный отрезок зеркально-линзового объектива (дет поз 1...6) составляет 90 мм. Длина объектива с пластинами (дет поз 1...9) составляет 363 мм.

Авторами выполнены контрольные расчеты, подтверждающие высокое качество изображения объектива при удалении двояковогнутой линзы двухлинзового компенсатора от его двояковыпуклой на расстояние в диапазоне (0,06...0,12)f'. При этом эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента изменяется в диапазоне (6...9)f', а двухлинзового корректора в диапазоне (-1,5...0,9)f'.

В приведенном примере выполнения объектива (Фиг.1 и 2) двояковогнутая линза двухлинзового компенсатора удалена от двояковыпуклой на расстояние 0,114 f', эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента составляет 6,3 f', а двухлинзового компенсатора 0,83 f'.

Объектив содержит двухлинзовый коррекционный элемент, выполненный в виде отрицательной и положительной линз, первичный отражатель, вторичное выпуклое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием, обращенное выпуклостью к изображению, и двухлинзовый компенсатор, выполненный в виде двояковогнутой и двояковыпуклой линз, расположенных между вторичным зеркалом и плоскостью изображения. Первичный отражатель выполнен в виде вогнутого сферического зеркала с внешним отражающим покрытием, вогнутостью обращенного к предмету. Двояковогнутая линза двухлинзового компенсатора удалена от двояковыпуклой на расстояние (0,06...0,12)f′, где f′ - фокусное расстояние объектива. Эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента может быть (6...9)f′, a двухлинзового компенсатора - (-1,5...0,9)f′. Технический результат - повышение светосилы, качества изображения по всему полю и технологичности, а также уменьшение центрального экранирования. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Зеркально-линзовый объектив, содержащий двухлинзовый коррекционный элемент, выполненный в виде отрицательной и положительной линз, первичный отражатель, вторичное выпуклое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием, обращенное выпуклостью к изображению, и двухлинзовый компенсатор, выполненный в виде двояковогнутой и двояковыпуклой линз, расположенных между вторичным зеркалом и плоскостью изображения, отличающийся тем, что первичный отражатель выполнен в виде вогнутого сферического зеркала с внешним отражающим покрытием, вогнутостью обращенного к предмету, а двояковогнутая линза двухлинзового компенсатора удалена от двояковыпуклой на расстояние (0,06...0,12)f′, где f′ - фокусное расстояние объектива.2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента составляет (6...9)f′, a двухлинзового компенсатора (-1,5...0,9)f′.