ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2015 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в космических телескопах.

Известны зеркальные и зеркально-линзовые оптические системы с тремя отражениями, отличающиеся схемным решением, габаритами и степенью коррекции аберраций. Например, трехзеркальный объектив, описанный в патенте США №4733955, МПК G02B 17/06, опубликованном 29.03.1988, представляющий собой анастигматическую оптическую систему, в которой зеркала децентрированы как по апертуре, так и по полевому углу. В этом объективе первое зеркало - внеосевой фрагмент эллипсоида с положительной оптической силой, второе - внеосевой фрагмент гиперболоида с отрицательной оптической силой, третье - внеосевой фрагмент эллипсоида с положительной оптической силой. Результатом наличия в схеме трех внеосевых асферических поверхностей являются повышенные требования к точности взаимного расположения оптических элементов, и, как следствие, сложность механической конструкции, трудности при юстировке и контроле.

Также известен объектив, описанный в патенте РФ №2327194, МПК G02B 17/06, опубликованном 27.01.2008, представляющий собой анастигматическую оптическую систему, внеосевую и децентрированную как по апертуре, так и по полевому углу, в которой первый компонент - внеосевой фрагмент зеркального гиперболоида, обращенный вогнутостью к предмету, с положительной оптической силой, близкой к силе всей системы, второй компонент - выпуклый зеркальный сфероид, симметричный относительно оптической оси системы, с отрицательной оптической силой, третий компонент - внеосевой фрагмент зеркального сплюснутого эллипсоида, обращенного вогнутостью к изображению, с положительной оптической силой. При этом все три упомянутых зеркала образованы поверхностями вращения с общей осью. Расстояние между первым и вторым зеркалами меньше фокусного расстояния первого 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 первого и третьего зеркал совмещены. Апертурная диафрагма расположена на втором зеркале. Наличие в объективе двух внеосевых асферических поверхностей значительно осложняет его сборку, юстировку и контроль. При этом объектив имеет малое угловое поле 2ω=2,3° и невысокое качество изображения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является зеркально-линзовый объектив в соответствии с публикацией А.А. Токарева «Длиннофокусные объективы с эксцентрично расположенным полем изображения» // Известия вузов, серия «Приборостроение», том XXXI, 1988 г., №7, с.74-79. Он представляет собой трехзеркальную систему с центрами кривизны всех оптических поверхностей, находящимися на одной общей оси, состоящую из трех последовательно по ходу луча установленных первого - внеосевого вогнутого, второго - внеосевого выпуклого, третьего - внеосевого вогнутого фрагментов сферических зеркал, двухлинзового корректора аберраций из одной марки оптического стекла, размещенного между первым и вторым зеркалами, и апертурной диафрагмы, совпадающей с оправой одной из линз корректора. Первое и третье зеркала имеют положительную оптическую силу и обращены вогнутостью к плоскости предметов, второе имеет отрицательную оптическую силу, а линзовый корректор состоит из двух отрицательных менисков, обращенных вогнутой поверхностью к плоскости предметов. В данном объективе, вследствие размещения апертурной диафрагмы на одном из компонентов линзового корректора, все зеркала являются внеосевыми, что позволяет избежать центрального экранирования, но приводит к усложнению механической конструкции объектива и затруднениям при его сборке, юстировке и контроле. При этом объектив имеет высокое качество изображения только при низком относительном отверстии 1:8,5 и малом угловом поле в сагиттальном направлении 2ω_s=7,8°.

Задачей данного изобретения является создание зеркально-линзового объектива с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - повышение качества изображения зеркально-линзового объектива с относительным отверстием не менее 1:6 без центрального экранирования в пределах углового поля 13,8° в широком спектральном диапазоне (450÷1800) нм, и повышение технологичности изготовления.

Это достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе, состоящем из последовательно установленных по ходу луча первого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, линзового корректора аберраций, второго зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента выпуклого отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к линзовому корректору аберраций, третьего зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, и апертурной диафрагмы, причем центры кривизны всех оптических поверхностей расположены на одной общей оси, при этом в меридиональном сечении объектива первое зеркало расположено ниже оптической оси, а второе и третье зеркала - выше оптической оси, линзовый корректор аберраций выполнен, по крайней мере, из отрицательной линзы и мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, в отличие от известного, линзовый корректор аберраций выполнен в виде трех одиночных осесимметричных линз из разных оптических материалов, первая линза в котором - двояковыпуклая, отрицательная линза выполнена в виде двояковогнутой линзы, а мениск выполнен положительным, отражающая поверхность второго зеркала является асферической не более чем второго порядка, причем апертурная диафрагма объектива совпадает с оправой первой поверхности второй по ходу луча линзы корректора аберраций, а оптическая сила первой линзы в 1…1,25 раз меньше оптической силы второй линзы и превышает оптическую силу всего объектива в 2…3 раза, показатель преломления материала первой линзы в 1,001…1,003 раз больше показателя преломления материала второй линзы, коэффициент дисперсии материала первой линзы в 0,99…1,02 раз меньше коэффициента дисперсии материала второй линзы, оптическая сила третьей линзы в 10…15 раз меньшей оптической силы всего объектива, показатель преломления материала в 1,02…1,10 раз меньше, а коэффициент дисперсии материала в 1,2…1,3 раза больше, чем соответствующие характеристики второй линзы корректора. Кроме того, в зеркально-линзовом объективе перед плоскостью изображения может быть установлена плоскопараллельная пластина, толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству

0,004|f′₀|≤d·n≤0,010|f′₀|,

где f′₀ - фокусное расстояние всего объектива.

На фиг.1 представлена принципиальная схема зеркально-линзового объектива, на фиг.2 - его полихроматическая модуляционная передаточная функция (МПФ) для крайней точки поля изображения, а на фиг.3 - график хроматической аберрации положения для центра входного зрачка.

Зеркально-линзовый объектив (фиг.1) состоит из последовательно по ходу луча установленных первого зеркала 1, трехлинзового корректора аберраций, первая линза которого выполнена в виде двояковыпуклой линзы 2, вторая - в виде двояковогнутой линзы 3, третья - в виде положительного мениска 4, второго зеркала 5 и третьего зеркала 6, а также апертурной диафрагмы 7. Первое зеркало 1 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов и расположенного в меридиональном сечении объектива ниже оптической оси. Двояковыпуклая линза 2 является осесимметричной и имеет оптическую силу, превышающую оптическую силу всего объектива в 2…3 раза. Двояковогнутая линза 3 корректора аберраций является осесимметричной и имеет оптическую силу, превышающую оптическую силу всего объектива в 2…3 раза, при этом оптическая сила двояковыпуклой линзы 2 в 1…1,25 раз меньше оптической силы двояковогнутой линзы 3. Положительный мениск 4 является осесимметричным, имеет оптическую силу в 10…15 раз меньшую оптической силы всего объектива и обращен вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Второе зеркало 5 выполнено в виде внеосевого фрагмента выпуклого отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к линзовому корректору аберраций, и расположено в меридиональном сечении объектива выше оптической оси. Отражающая поверхность фрагмента второго зеркала 5 является асферической не более чем второго порядка и имеет форму гиперболоида. Третье зеркало 6 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и в меридиональном сечении объектива, расположенного выше оптической оси. Первая линза корректора аберраций выполнена в виде двояковыпуклой линзы 2, вторая линза корректора аберраций выполнена в виде двояковогнутой линзы 3 и третья линза корректора аберраций выполнен в виде положительно мениска 4, вместе образуют трехлинзовый корректор аберраций зеркальной части объектива. Показатель преломления материала первой линзы корректора - двояковыпуклой линзы 2 - в 1,001…1,003 раз больше показателя преломления материала второй линзы корректора - двояковогнутой линзы 3. Коэффициент дисперсии материала первой линзы корректора - двояковыпуклой линзы 2 - в 0,99…1,02 раз меньше коэффициента дисперсии материала второй линзы корректора - двояковогнутой линзы 3. Показатель преломления материала третьей линзы корректора аберраций - положительного мениска 4 - в 1,02…1,10 раз меньше, а коэффициент дисперсии материала в 1,2…1,3 раза больше, чем соответствующие характеристики второй линзы корректора - двояковогнутой линзы 3. Центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, а апертурная диафрагма 7 расположена на первой по ходу луча поверхности двояковогнутой линзы 3. Также объектив с целью повышения качества изображения и оптимизации корректировки аберраций может быть дополнен плоскопараллельной пластиной 8 (фиг.1), толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству 0,004|f′₀|≤d·n≤0,010|f′₀|, где f′₀ - фокусное расстояние всего объектива. Включение плоскопараллельной пластины 8 в оптическую схему обусловлено необходимостью учета защитного стекла приемника излучения при расчете объектива. Важными особенностями данного объектива являются использование эксцентрично расположенного поля изображения и, как следствие, отсутствие центрального экранирования (фиг.1), близкое к дифракционному пределу значение полихроматической МПФ (фиг.2) и суперапохроматическая степень коррекции хроматической аберрации положения для центра входного зрачка, т.е. исправление данной аберрации для четырех длин волн (фиг.3).

Объектив работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на первое зеркало 1, затем, отразившись от него, проходит последовательно через линзу 2, линзу 3 и линзу 4, претерпевает отражение на втором зеркале 5 и третьем зеркале 6, проходит через плоскопараллельную пластину 8 и фокусируется в плоскости изображения.

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

Объектив имеет следующие характеристики.

- Фокусное расстояние: 1000 мм.

- Относительное отверстие: 1:6.

- Угловое поле в меридиональном направлении ω_y0=8,1°, ω_ymax=10,6°.

- Угловое поле в сагиттальном направлении 2ω_x=13,8°.

Объектив имеет следующие аберрации для длины волны λ=656,3 нм.

- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,014 мм.

- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,075 мм.

- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,076 мм.

- Дисторсия не более 0,075%.

- Хроматическая аберрация положения в центре входного зрачка исправлена для четырех длин волн, и ее остаточное значение в спектральном диапазоне (0,45÷4,80) мкм не превышает 0,003 мм.

Таблица 1 № пов. Радиус, мм Толщина, мм Показатель преломления 0,45 0,65628 1,80 1 -2558,648 -433,094 -1 -1 -1 2 -1117,134 -26,882 -1,715712 -1,695621 -1,672728 3 376,742 -1,1 -1 -1 -1 4 363,847 -9,707 -1,712504 -1,692680 -1,669973 5 -1034,756 -12,181 -1 -1 -1 6 -507,272 -9,077 -1,631364 -1,617267 -1,597963 7 -524,314 -186,732 -1 -1 -1 8 -645,593* 387,643 1 1 1 9 -874,635 -727,111 -1 -1 -1 10 ∞ -3 -1,524910 -1,513880 -1,496882 11 ∞ s′_ПНИ=-7,47 -1 -1 -1 *Коническая константа поверхности 8: с=-1,534031

Таким образом, создан зеркально-линзовый объектив без центрального экранирования, имеющий относительное отверстие 1:6, близкое к дифракционному качеству изображения в широком спектральном диапазоне 450-1800 нм в пределах углового поля 13,8°, хроматическую аберрацию положения, исправленную для четырех длин волн, в котором центрального экранирования удается избежать за счет использования эксцентрично расположенного поля изображения, внеосевых фрагментов осесимметричных зеркал и специального расположения апертурной диафрагмы, причем все зеркальные и линзовые элементы объектива образованы поверхностями вращения не более чем второго порядка с общей осью, что повышает технологичность объектива.

Объектив может быть использован в космических телескопах. Объектив содержит первое зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, линзовый корректор аберраций, выполненный в виде трех одиночных осесимметричных линз из разных оптических материалов: двояковыпуклой, двояковогнутой и положительного мениска, второе зеркало в виде внеосевого фрагмента выпуклого зеркала, обращенного выпуклостью к линзовому корректору аберраций, третье зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, и апертурную диафрагму, совпадающую с оправой первой поверхности второй линзы корректора аберраций. Центры кривизны всех оптических поверхностей расположены на одной общей оси. В меридиональном сечении объектива первое зеркало расположено ниже оптической оси, а второе и третье - выше оптической оси. Оптические силы, показатели преломления и коэффициент дисперсии удовлетворяют соотношениям, приведенным в формуле изобретения. Технический результат - повышение качества изображения зеркально-линзового объектива с относительным отверстием не менее 1:6 без центрального экранирования в пределах углового поля 13,8° в широком спектральном диапазоне (450÷1800) нм и повышение его технологичности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Зеркально-линзовый объектив, состоящий из последовательно установленных по ходу луча первого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, линзового корректора аберраций, второго зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента выпуклого отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к линзовому корректору аберраций, третьего зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, и апертурной диафрагмы, причем центры кривизны всех оптических поверхностей расположены на одной общей оси, при этом в меридиональном сечении объектива первое зеркало расположено ниже оптической оси, а второе и третье зеркала - выше оптической оси, линзовый корректор аберраций выполнен, по крайней мере, из отрицательной линзы и мениска, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, отличающийся тем, что линзовый корректор аберраций выполнен в виде трех одиночных осесимметричных линз из разных оптических материалов, первая линза в котором - двояковыпуклая, отрицательная линза выполнена в виде двояковогнутой линзы, а мениск выполнен положительным, отражающая поверхность второго зеркала является асферической не более чем второго порядка, причем апертурная диафрагма объектива совпадает с оправой первой поверхности второй по ходу луча линзы корректора аберраций, а оптическая сила первой линзы в 1…1,25 раз меньше оптической силы второй линзы и превышает оптическую силу всего объектива в 2…3 раза, показатель преломления материала первой линзы в 1,001…1,003 раз больше показателя преломления материала второй линзы, коэффициент дисперсии материала первой линзы в 0,99…1,02 раз меньше коэффициента дисперсии материала второй линзы, оптическая сила третьей линзы в 10…15 раз меньшей оптической силы всего объектива, показатель преломления материала в 1,02…1,10 раз меньше, а коэффициент дисперсии материала в 1,2…1,3 раза больше, чем соответствующие характеристики второй линзы корректора.

2. Зеркально-линзовый объектив по п.1, отличающийся тем, что перед плоскостью изображения установлена плоскопараллельная пластина, толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству: $$\mathrm{0,004}\left|f_0^{\text{'}}\right|\le d\cdot n\le \mathrm{0,010}\left|f_0^{\text{'}}\right|$$ ,
где $$f_0^{\text{'}}$$ - фокусное расстояние всего объектива.