КАТАДИОПТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2012 года по МПК G02B17/08 

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании объективов, предназначенных для получения изображений высокого качества, пригодных для использования в широком диапазоне оптического спектра.

В оптическом приборостроении распространены зеркальные объективы. Они имеют ряд преимуществ, включающих относительную простоту изготовления, в том числе крупногабаритных изделий, возможность работы в широком спектральном диапазоне. Их недостатком является наличие неустранимых полевых аберраций, включающих кому, астигматизм, кривизну изображения и дисторсию. Обычно для их исправления используют афокальные корректоры из преломляющих оптических элементов. Корректор позволяет устранять полевые аберрации, но усложняет конструкцию, технологию изготовления, сборки и юстировки, уменьшает пропускание, вносит собственные искажения.

Известна катадиоптрическая (катадиоптрическая - оптическая система, включающая как зеркала, так и элементы с преломляющими свет поверхностями, например зеркально-линзовая система. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983, с. 245) система [Заявка WO 2007067701, МПК G02B 17/08, опубл. 14.06.2007.], включающая двухзеркальный объектив и двухлинзовый корректор. Первый корректирующий элемент расположен в параллельном ходе лучей перед объективом и выполнен с центральным отверстием. Прошедший через него поток излучения попадает на зеркало, которое также выполнено с центральным отверстием. Второй корректирующий элемент расположен в центральной части первого корректирующего элемента в сходящемся потоке излучения, отраженного от первого зеркала и имеет заднюю отражающую поверхность, выполняющую функции второго зеркала. Поток излучения от второго корректирующего элемента собирается в фокальной плоскости. Недостатком этой системы является то, что ее габариты ограничены доступностью материала для первого корректирующего элемента, что особенно значимо в ситуациях, когда он изготовлен из кристаллических материалов. Поэтому система не может быть выполнена крупногабаритной. Соответственно, ограничен спектральный диапазон.

Известна выбранная нами в качестве прототипа катадиоптрическая система [Небо и телескоп. Ред.-сост. В.Г.Сурдин, М.: Физматлит, 2009, с.120], включающая зеркальный объектив, выполненный из двух, имеющих форму гиперболоидов зеркал с афокальным двухлинзовым корректором. Первое (В зеркальных объективах первым считается зеркало, на которое первоначально попадает свет, т.е. первое по ходу лучей. Н.Н.Михельсон. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976, с.231.) по ходу лучей зеркало вогнуто в направлении пространства предметов, в центре его выполнено отверстие, диаметр которого меньше или равен диаметру второго по ходу лучей зеркала, обращенного выпуклой стороной к первому зеркалу. В сходящемся потоке излучения, отраженном от второго зеркала, расположен двухлинзовый корректор, прозрачный в рабочем спектральном диапазоне. В качестве материала корректора использовано оптическое стекло.

К основным недостаткам системы относится малая светосила, наличие остаточных полевых аберраций, из которых наиболее значительны кривизна поля и астигматизм. Наличие в корректоре четырех оптических поверхностей предполагает необходимость нанесения просветляющих покрытий, что вносит дополнительные ограничения в рабочий спектральный диапазон, усложняет технологию изготовления, сборки и юстировки.

Нами предложена светосильная катадиоптрическая система, обеспечивающая получение высококачественного изображения в широком спектральном диапазоне, равномерного по полю зрения в угле ±30'. Для системы применимы стандартные технологии изготовления, сборки и юстировки.

Такой технический результат получен нами, когда в катадиоптрической системе, включающей зеркальный объектив из двух, расположенных по ходу лучей зеркал, оптические поверхности которых выполнены гиперболическими, первое обращено вогнутой стороной к пространству предметов, второе обращено к первому выпуклой стороной, первое зеркало выполнено с центральным отверстием, диаметр D₁ которого выбран из условия D₁≤D₂, где D₂ - световой диаметр второго зеркала, на оптической оси объектива, вблизи его фокальной плоскости расположен изготовленный из материала, прозрачного в рабочем спектральном диапазоне, линзовый корректор, все рабочие поверхности которого сферические, а световой диаметр D₃ выбран из условия D₃≤D₁, новым является то, что первое зеркало объектива имеет оптическую силу φ1, выбранную из условия -3,0≤φ1≤-3,2, с квадратом эксцентриситета e₁ ² выбранным из условия 1,00≤e₁ ²≤1,26, второе зеркало имеет оптическую силу φ2, выбранную из условия -8,0≤φ2≤-7,0, с квадратом эксцентриситета e₂ ², выбранным из условия 4,5≤e₁ ²≤6,5, расстояние d_1-2 между первым и вторым зеркалами выбрано из условия -0,2f≤d_1-2≤-0,3f, где f - фокусное расстояние оптической системы, корректор изготовлен в форме мениска, обращенного выпуклой поверхностью ко второму зеркалу, с оптической силой φ3, выбранной из условия -2,8≤φ3≤-3,4, расположен на расстоянии d_2-3 от второго зеркала, выбранном из условия 0,16f≤d_2-3≤0,3f, при этом толщина h мениска корректора выбрана из условия 0,004f≤h≤0,006f.

Фокусное расстояние обычно задается в мм.

Подходы к взаимному согласованию характеристик оптических элементов: их взаимному расположению на основе выбранной оптической схемы и фокусного расстояния - известны [1, 2, 3].

Авторам не известны светосильные катадиоптрические системы с использованием обладающего оптической силой одноэлементного линзового корректора, обеспечивающие возможность получение изображения высокого качества по всему полю зрения в диапазоне прозрачности материала корректора, в том числе выполненного из кристаллических оптических материалов.

На фигуре представлена оптическая схема предложенной системы, где первое по ходу лучей зеркало - 1, второе по ходу лучей зеркало - 2, корректор - 3;

F' - фокальная плоскость оптической системы;

d_1-2 - расстояние от первого зеркала до второго;

d_2-3 - расстояние от второго зеркала до корректора;

h - толщина мениска корректора.

→ - ход лучей.

Объектив работает следующим образом.

Оптическое излучение, идущее от удаленного объекта, отражаясь последовательно от зеркал 1, 2 и преломляясь в линзовом корректоре 3, фокусируется в плоскости F' изображения оптической системы. После последовательного отражения от первого и второго зеркал формируется осесимметричный сходящийся поток излучения. Традиционно, при построении оптических систем формирования изображения в качестве узла, строящего изображение, применяется зеркальный узел. Коррекционный узел выполняет вспомогательную функцию исправления остаточных полевых аберраций изображения.

Нами предложен иной подход для решения задачи. В предложенной нами катодиоптрической системе изображение строится одновременно двумя узлами, как зеркальным, так и корректирующим линзовым. Специально подобранные оптические силы обоих зеркал φ1, φ2, расстояния между ними d_1-2 и значения квадратов эксцентриситета e₁ ², e₂ ² только исправляют сферическую аберрацию, дисторсию и частично - кому. Нами впервые выбран одноэлементный, специальной конструкции линзовый корректор, с оптической силой, который в совокупности с зеркальным узлом специальной конструкции, с одной стороны принимает участие в построении изображения, а с другой стороны исправляет остаточные полевые аберрации: кому, астигматизм и кривизну изображения, которые полностью исправить традиционным подходом не удается. Заметим, что вносимые таким одноэлементным линзовым корректором собственные хроматические аберрации и дисторсия малы. В частности, для линзового корректора, выполненного из фтористого бария, в спектральном диапазоне Δλ=0.4-0.8 мкм, остаточный продольный хроматизм, вносимый корректором, составляет 8 мкм. Остаточный хроматизм увеличения для угла поля зрения до ±30' составляет 16 мкм, остаточная дисторсия не превышает 1%. Эффективное исправление всех перечисленных выше аберраций позволило увеличить световые диаметры при минимальной длине оптической системы, что в свою очередь повысило светосилу и относительное отверстие объектива при существенно расширенном угле поля зрения, что ранее было недостижимо. Выбранный нами одноэлементный линзовый корректор позволяет обойтись без просветляющих оптических покрытий, что обеспечивает его повышенную устойчивость к внешним воздействиям и высокое значение пропускания объектива в широком рабочем спектральном диапазоне, который, например, для фтористого бария составляет 0,2-12,0 мкм.

Геометрические характеристики объектива, нормированные на величину фокусного расстояния, равного 1, при относительном отверстии 1:3 приведены в таблице 1.

Таблица 1 № оптического элемента на рисунке Оптическая сила φ Промежутки между оптическими элементами, мм Относительный световой диаметр 1 φ1=-3.103 d_1-2=-0.233 1,0 2 φ2=-7.420 d_2-3=0.217 0,3 3 φ3=-3.118 - 0,087

Пример конкретного исполнения.

Исходя из выбранного спектрального диапазона, требуемого угла поля зрения, размера фотоприемного устройства и качества изображения определяют исходные требования к фокусному расстоянию, относительному отверстию, габаритным размерам объектива и величине остаточных аберраций. По известным зависимостям между оптическими характеристиками и формой оптических элементов выбирают принципиальную оптическую схему оптической системы и проводят оптический расчет. Характеристики светосильного зеркального объектива с одноэлементным линзовым корректором, выполненным из фтористого бария, в котором входной зрачок расположен на поверхности первого зеркала, пригодного для работы в спектральном диапазоне от 0,4 до 12,0 мкм, для диаметра входного зрачка, равного 600 мм, приведены в таблицах 2, 3, 4 и 5. Выбор материала линзового корректора объектива обусловлен необходимостью требуемого пропускания и исправления хроматической аберрации в рабочем спектральном диапазоне, а также доступностью монокристалла с нужными габаритами.

Таблица 2 Фокусное расстояние, мм 1800 Относительное отверстие 1:3 Угловое поле зрения, град 1 Линейное поле изображения по диагонали, мм 31,8 Коэффициент экранирования первого зеркала вторым 0.3 Отражающий материал зеркал алюминий Задний отрезок от линзового корректора объектива до фокальной плоскости, мм 72.04

Габаритные характеристики оптической системы приведены в таблице 3. Уравнение гиперболы поверхности первого зеркала: F(z,y)=y²+2320z-0,11z²=0, где y - положение точки по оси абсцисс, z - положение по оси ординат. Радиус при вершине поверхности R₀=-1160 мм. Квадрат эксцентриситета e₁ ²=1,11. Уравнение гиперболы поверхности второго зеркала: F(z,y)=y²+970,23z-4,53z²=0. Радиус при вершине поверхности R₀=-485.15 мм. Квадрат эксцентриситета e₂ ²=5,53.

Таблица 3 Наименование оптического элемента Порядковый номер
поверхности Световой диаметр, мм Воздушные промежутки, мм Зеркало 1 600 di.2=- 420.0 Зеркало 2 180 d2.3=390.4 Мениск 3 51.5 толщина мениска h=8.8 4 45.5

Коэффициент экранирования первого зеркала вторым составляет 0,3, что обеспечивает допустимые потери падающего излучения по пропусканию и высокий контраст изображения. Распределение энергии в кружках рассеяния по полю для видимого спектрального диапазона от 0,4 до 0.8 мкм для различных углов наблюдения ω в сопоставлении с теоретически возможными, определяемыми дифракционными пределами, приведено в таблице 4.

Таблица 4 Концентрация энергии Диаметр кружков рассеяния, мм предел ω=0°00' ω=±0°15' ω=±0°30' 80% 0.006 0.009 0.014 0.027 83.8% 0.007 0.011 0.015 0.031 90% 0.009 0.016 0.018 0.043

Распределение энергии в кружках рассеяния по полю для «дальнего» спектрального диапазона от 8,0 до 12,0 мкм приведено в таблице 5.

Таблица 5 Концентрация энергии Диаметр кружков рассеяния, мм предел ω=0°00' ω=±0°15' ω=±0°30' 80% 0.090 0.090 0.092 0.096 83.8% 0.098 0.098 0.100 0.106 90% 0.132 0.134 0.134 0.159

Достоинствами заявленной катадиоптрической системы являются высокое качество изображения, сопоставимое с дифракционным, его равномерность по полю в видимом, «среднем» и «дальнем» ИК спектральном диапазонах при высокой светосиле и значительном угле поля зрения, возможность изготовления крупногабаритных изделий, доступность стандартных технологий изготовления, сборки и методик юстировки.

Литература

1. В.Н.Чуриловский. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. Л.: Машиностроение, 1968, с.291-304.

2. Г.Г.Слюсарев. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975, с.322-360.

3. Н.Н.Михельсон. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976, с.343-359.

Система включает два расположенных по ходу лучей гиперболических зеркала, первое обращено вогнутой стороной к пространству предметов, второе - выпуклой стороной к первому. Первое зеркало имеет центральное отверстие диаметром D₁, причем D₁≤D₂, где D₂ - световой диаметр второго зеркала. Вблизи фокальной плоскости объектива расположен линзовый корректор, все рабочие поверхности которого сферические, а световой диаметр D₃ выбран из условия D₃≤D₁. Первое зеркало имеет оптическую силу φ1, выбранную из условия -3,2≤φ1≤-3,0, с квадратом эксцентриситета e₁ ², выбранным из условия 1,00≤e₁ ²≤1,26. Второе зеркало имеет оптическую силу φ2, выбранную из условия -8,0≤φ2≤-7,0, с квадратом эксцентриситета е₂ ², выбранным из условия 4,5≤e₂ ²≤6,5. Расстояние d_1-2 между первым и вторым зеркалами выбрано из условия -0,3f≤d_1-2≤-0,2f, где f - фокусное расстояние системы. Корректор изготовлен в форме мениска, обращенного выпуклой поверхностью ко второму зеркалу, с оптической силой φ3, выбранной из условия -3,4≤φ3≤-2,8 и расположен на расстоянии d_2-3 от второго зеркала, выбранном из условия 0,16f≤d_2-3≤0,3f. Толщина h мениска корректора выбрана из условия 0,004f≤h≤0,006f. Технический результат - получение высококачественного изображения в широком спектральном диапазоне, равномерного по полю зрения в угле +30' при использовании стандартных технологий изготовления, сборки и юстировки. 1 ил., 5 табл.

Катадиоптрическая система, включающая зеркальный объектив из двух расположенных по ходу лучей зеркал, оптические поверхности которых выполнены гиперболическими, первое обращено вогнутой стороной к пространству предметов, второе обращено к первому выпуклой стороной, первое зеркало выполнено с центральным отверстием, диаметр D₁ которого выбран из условия D₁≤D₂, где D₂ - световой диаметр второго зеркала, на оптической оси объектива вблизи его фокальной плоскости расположен изготовленный из материала, прозрачного в рабочем спектральном диапазоне, линзовый корректор, все рабочие поверхности которого сферические, а световой диаметр D₃ выбран из условия D₃≤D₁, отличающаяся тем, что первое зеркало объектива имеет оптическую силу φ1, выбранную из условия -3,2≤φ1≤-3,0, с квадратом эксцентриситета e₁ ², выбранным из условия 1,00≤e₁ ²≤1,26, второе зеркало имеет оптическую силу φ2, выбранную из условия -8,0≤φ2≤-7,0, с квадратом эксцентриситета е₂ ², выбранным из условия 4,5≤e₂ ²≤6,5, расстояние d_1-2 между первым и вторым зеркалами выбрано из условия -0,3f≤d_1-2≤-0,2f, где f - фокусное расстояние оптической системы, корректор изготовлен в форме мениска, обращенного выпуклой поверхностью ко второму зеркалу, с оптической силой φ3, выбранной из условия -3,4≤φ3≤-2,8, расположен на расстоянии d_2-3 от второго зеркала, выбранном из условия 0,16f≤d_2-3≤0,3f, при этом толщина h мениска корректора выбрана из условия 0,004f≤h≤0,006f.