ДВУХКАНАЛЬНЫЙ 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, 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.

Также известен объектив, описанный в патенте РФ №2461030, МПК G02B 17/08, опубликованном 10.09.2012, представляющий 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 - внеосоевого вогнутого фрагментов сферических зеркал, двухлинзового корректора аберраций, первая линза которого размещена между первым и вторым зеркалами и выполнена в виде фрагмента одиночного положительного мениска, вторая линза представляет собой линзу Манжена и является третьим зеркалом, апертурная диафрагма объектива расположена на втором зеркале. Данный объектив обладает малым угловым полем 2ω=3,1°.

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 светосила в видимом и инфракрасном каналах одинакова. Однако, вследствие того что отношение сигнал/шум изменяется для оптико-электронных преобразователей пропорционально квадрату апертурного угла, а чувствительность приемников в инфракрасном диапазоне значительно ниже чувствительности приемников видимого диапазона, для получения одинаковых значений сигнал/шум светосила инфракрасного канала должна быть в 4-6 раза больше светосилы видимого канала.

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

Технический результат - создание двухканального зеркально-линзового объектива без центрального экранирования с повышенным качеством изображения в пределах углового поля 10° в широком спектральном диапазоне 450-1700 нм и повышенной технологичностью.

Это достигается тем, что зеркально-линзовый объектив, состоящий из последовательно установленных по ходу луча первого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого гиперболического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, линзового компенсатора аберраций, одна из линз которого - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к первому зеркалу, второго зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента сферического выпуклого отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к линзовому компенсатору аберраций, третьего зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, 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, в отличие от известного, линзовый компенсатор аберраций состоит из трех линз, первая из которых - плосковыпуклая, обращенная плоскостью к первому зеркалу, вторая - двояковыпуклая, а третья - отрицательный мениск, причем на первую поверхность первой линзы линзового компенсатора аберраций нанесено спектроделительное покрытие, пропускающее излучение в спектральном диапазоне 450-1000 нм видимого канала и отражающее в спектральном диапазоне 1500-1700 нм инфракрасного канала, кроме того, объектив дополнен линзовым компенсатором аберраций инфракрасного канала, установленным в ходе лучей, отраженных от первой поверхности линзового компенсатора аберраций видимого канала, линзовый компенсатор аберраций инфракрасного канала состоит из трех линз, выполненных в виде внеосевых фрагментов осесимметричных линз, в меридиональном сечении объектива расположенных выше оптической оси, причем первая линза - двояковыпуклая, вторая линза - двояковогнутая, третья линза - двояковыпуклая, апернутная диафрагма видимого канала расположена на первой по ходу луча поверхности двояковыпуклой линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала, а апертурная диафрагма инфракрасного канала расположена на плоской поверхности плосковыпуклой линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала, при этом в объективе выполняются следующие соотношения:

0,06≤|φ_1ВД/φ_ВД|≤0,15; 1,75≤|φ_1ИК/φ_ИК|≤1,85; 0,9≤|φ_2ВД/φ_ВД|≤1,2; 2,5≤|φ_2ИК/φ_ИК|≤2,6; 0,7≤|φ_3ВД/φ_ВД|≤0,8; 1,55≤|φ_3ИК/φ_ИК|≤1,7; 0,65≤n_2ВД/n_1ВД≤0,9; 0,87≤n_2ИК/n_1ИК≤0,9; 1,05≤n_3ВД/n_1ВД≤1,1; 0,8≤n_3ИК/n_1ИК≤0,82; 1,68≤ν_2ВД/ν_1ВД≤1,8; 0,93≤ν_2ИК/ν_1ИК≤0,98; 0,95≤ν_3ВД/ν_1ВД≤0,9; 1,8≤ν_3ИК/ν_1ИК≤1,85;

где

- φ_1ВД, φ_2ВД, φ_3ВД - оптические силы первой, второй и третьей линз линзового компенсатора аберраций видимого канала;

- φ_ВД - оптическая сила объектива видимого канала;

- φ_ИК - оптическая сила объектива инфракрасного канала;

- n_1ВД, n_2ВД, n_3ВД - показатели преломления первой, второй и третьей линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала;

- ν_1ВД, ν_2ВД, ν_3ВД - коэффициенты дисперсии первой, второй и третьей линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала;

- φ_1ИК, φ_2ИК, φ_3ИК - оптические силы первой, второй и третьей линзы линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала;

- n_1ИК, n_2ИК, n_3ИК - показатели преломления первой, второй и третьей линзы инфракрасного канала;

- ν_1ИК, ν_2ИК, ν_3ИК - коэффициенты дисперсии первой, второй и третьей линзы линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала.

Кроме того, перед плоскостью изображения видимого канала может быть установлена плоскопараллельная пластина, толщина d_ВД и показатель преломления n_ВД которой удовлетворяют неравенству

,

где $$f_{0ВД}^{\text{'}}$$ - фокусное расстояние объектива видимого канала.

А перед плоскостью изображения инфракрасного канала может быть установлена плоскопараллельная пластина, толщина d_ИК и показатель преломления n_ИК которой удовлетворяют неравенству

,

где $$f_{0ИК}^{\text{'}}$$ - фокусное расстояние объектива инфракрасного канала.

На фиг.1 представлена принципиальная схема двухканального зеркально-линзового объектива, на фиг.2 - полихроматическая модуляционная передаточная функция МПФ видимого канала, на фиг.3 - полихроматическая МПФ инфракрасного канала.

Двухканальный зеркально-линзовый объектив (фиг.1) состоит из двух каналов. Видимый канал состоит из последовательно, по ходу луча установленных первого зеркала 1, линзового компенсатора аберраций видимого канала, выполненного из трех одиночных осесимметричных линз, первая из которых - линза 2, вторая - линза 3 и третья - линза 4, второго зеркала 5, третьего зеркала 6 и апертурной диафрагмы 7. Первое зеркало 1 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого гиперболического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов и расположенного в меридиональном сечении объектива ниже оптической оси. Линза 2 линзового компенсатора аберраций видимого канала выполнена в виде одиночной осесимметричной плосковыпуклой линзы, имеющей оптическую силу 0,06-0,15 от оптической силы объектива видимого канала, плоской поверхностью обращенной к первому зеркалу 1. На плоскую поверхность линзы 2 нанесено спектроделительное покрытие, пропускающее излучение в спектральном диапазоне 450-1000 нм и отражающее излучение в спектральном диапазоне 1500-1700 нм. Линза 3 линзового компенсатора аберраций видимого канала выполнена в виде одиночной осесимметричной двояковыпуклой линзы, имеющей оптическую силу 0,9-1,2 от оптической силы объектива видимого канала. Линза 4 выполнена в виде одиночного осесимметричного отрицательного мениска, имеющего оптическую силу 0,7-0,8 от оптической силы объектива видимого канала и обращенного выпуклой поверхностью к первому зеркалу 1. Показатель преломления линзы 3 линзового компенсатора аберраций видимого канала в 0,65…0,9 раза больше, а коэффициент дисперсии в 1,68…1,8 раза больше, чем у линзы 2 линзового компенсатора аберраций видимого канала, показатель преломления линзы 4 линзового компенсатора аберраций видимого канала в 1,05…1,1 раза больше, а коэффициент дисперсии в 0,95…1,0 раза больше, чем у линзы 2 линзового компенсатора аберраций видимого канала. Второе зеркало 5 выполнено в виде внеосевого фрагмента выпуклого сферического отрицательного зеркала, обращено выпуклостью к первому зеркалу 1 и расположено в меридиональном сечении объектива выше оптической оси. Третье зеркало 6 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращено вогнутой поверхностью к плоскости предметов и расположено в меридиональном сечении объектива выше оптической оси. Инфракрасный канал состоит из последовательно по ходу луча установленных первого зеркала 1, плоского зеркала, выполненного в виде первой по ходу луча поверхности первой линзы 2 линзового компенсатора аберраций ВД канала с нанесенным на нее спектроделительным покрытием, отражающим излучение в спектральном диапазоне 1500-1700 нм, и линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала, выполненного из трех одиночных осесимметричных линз. Первая линза линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала выполнена в виде двояковыпуклой линзы 9, вторая линза выполнена в виде двояковогнутой линзы 10, третья линза выполнена в виде двояковыпуклой линзы 11, причем части линз линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала, расположенные в меридиональном сечении объектива инфракрасного канала ниже и чуть выше оптической оси, удалены, и таким образом образуются внеосевые сегментные линзы. Первое зеркало 1 является общим для двух каналов. Первая линза линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала выполнена в виде двояковыпуклой линзы 9, имеющей оптическую силу 1,75-1,85 от оптической силы объектива инфракрасного канала. Вторая линза линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала выполнена в виде двояковогнутой линзы 10, имеющей оптическую силу 2,5-2,6 от оптической силы всего объектива. Третья линза линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала выполнена в виде двояковыпуклой линзы 11, имеющей оптическую силу 1,55-1,7 от оптической силы объектива инфракрасного канала. Показатель преломления линзы 10 линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала в 0,87…0,9 раза больше, а коэффициент дисперсии в 0,93…0,98 раза больше, чем у линзы 9 линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала, показатель преломления линзы 11 линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала в 0,8…0,82 раза больше, а коэффициент дисперсии в 1,8…1,85 раза больше, чем у линзы 9 линзового компенсатора аберраций объектива инфракрасного канала. Центры кривизны всех оптических поверхностей лежат на одной общей оси. Апертурная диафрагма 7 видимого канала располагается на первой по ходу луча поверхности линзы 3 линзового компенсатора аберраций видимого канала. Апертурная диафрагма 12 инфракрасного канала располагается на первой по ходу луча поверхности линзы 2 линзового компенсатора аберраций видимого канала. Также в объективе перед плоскостями изображений могут быть установлены плоскопараллельная пластина 8 в видимом канале и плоскопараллельная пластина 13 в инфракрасном канале, толщины d_ВД и d_ИК и показатели преломления n_ВД и n_ИК которых удовлетворяют неравенствам

,

где $$f_{0ВД}^{\text{'}}$$ - фокусное расстояние объектива видимого канала.

,

где $$f_{0ИК}^{\text{'}}$$ - фокусное расстояние объектива инфракрасного канала.

Включение плоскопараллельных пластин 8 и 13 в оптическую схему объектива обусловлено необходимостью учета защитного стекла приемника излучения при расчете объектива.

Объектив работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на первое зеркало 1, затем, отразившись от него, попадает на первую поверхность линзы 2, на которую нанесено спектроделительное покрытие. На этой поверхности происходит разделение излучения по спектральным диапазонам. Излучение со спектральным диапазоном 450-1000 нм проходит последовательно через линзу 2, линзу 3 и линзу 4, отражается на втором зеркале 5 и третьем зеркале 6, проходит через плоскопараллельную пластину 8 и фокусируется в плоскости изображения видимого канала. Излучение со спектральным диапазоном 1500-1700 нм отражается от первой поверхности линзы 2, проходит последовательно через линзу 9, линзу 10, линзу 11, через плоскопараллельную пластину 13 и фокусируется в плоскости изображения инфракрасного канала.

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

Таблица 1 Видимый канал Инфракрасный канал Радиус, мм Толщина, мм Показатель преломления Радиус, мм Толщина, мм Показатель преломления r₁=-3004,3   1,0 r₁=-3004,3   1,0 d₁=-525,5 -1,0 d₁=-525,5 -1,0 r₂=∞ r₂=∞ d₂=-16,0 N-SK2 d₂=325,71 1,0 r₃=10014,0 r₃=1091,47 d₃=60,0 S-LAH59 d₃=-3,2 -1,0 r₄=-566,08 r₄=-563,3 d₄=2,08 1,0 d₄=-12,0 S-FPL53 r₅=-442,468 r₅=4794,33 d₅=21,0 N-KZFS4 d₅=-13,0 -1,0 r₆=382,736 r₆=-2357,528 d₆=18,12 1,0 d₆=-13,0 N-LAK14 r₇=371,514 r₇=-781,49 d₇=76,0 N-FK51A d₇=-183,07 -1,0 r₈=-758,33 r₈=-929,6 d₈=258,22 1,0 d₈=401,1 1,0 r₉=∞ r₉=-1100,8 d₉=5,0 К8 r₁₀=∞ d₉=-581,1 -1,0 d₁₀=10,0 1,0 r₁₀=∞   d₁₀=-5,0 К8 r₁₁=∞ d₁₁=-10,0 -1,0

Объектив имеет характеристики, указанные в таблице 2.

Таблица 2   Видимый канал Инфракрасный канал Фокусное расстояние, мм 1260 878 Относительное отверстие 1:9,5 1:4 Угловое поле в меридиональном направлении ω_y0=9,0°, ω_ymax=11,2° ω_y0=9,0°, ω_ymax=10,9° Угловое поле в сагиттальном направлении 2ω_x=10° 2ω_x=10°

Объектив имеет аберрации, указанные в таблице 3.

Таблица 3   Видимый канал Инфракрасный канал Длина волны, нм 656,3 1620 Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более, мм 0,02 0,08 Меридиональный астигматический отрезок не более, мм 0,165 0,087 Сагиттальный астигматический отрезок не более, мм 0,1 0,3 Дисторсия не более, % 0,2 0,1 Хроматизм положения в спектральном диапазоне (0,45÷1,0) мкм 0,04 - Хроматизм положения в спектральном диапазоне (1,5÷1,7) мкм - 0,02

Таким образом, создан двухканальный зеркально-линзовый объектив без центрального экранирования, имеющий относительное отверстие 1:9,5 в видимом канале и 1:4 в инфракрасном канале, имеющий хорошее качество изображения в пределах углового поля 10° в широком спектральном диапазоне 450-1000 нм и 1500-1700 нм, в котором центрального экранирования удается избежать за счет использования эксцентричного поля изображения, внеосевых фрагментов осесимметричных зеркал и специального расположения апертурных диафрагм.

Объектив может быть использован в космических телескопах. Объектив содержит первое зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого гиперболического зеркала, линзовый компенсатор аберраций видимого канала из плосковыпуклой и двояковыпуклой линз и отрицательного мениска, второе зеркало в виде внеосевого фрагмента сферического выпуклого зеркала и третье зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала. На первую поверхность первой линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала нанесено спектроделительное покрытие, пропускающее излучение в диапазоне 450-1000 нм и отражающее в диапазоне 1500-1700 нм. В ходе отраженных лучей введен линзовый компенсатор аберраций инфракрасного канала из трех линз в виде внеосевых фрагментов двояковыпуклой, двояковогнутой и двояковыпуклой линз, в меридиональном сечении расположенных выше оптической оси. Центры кривизны всех оптических поверхностей расположены на одной общей оси. В меридиональном сечении первое зеркало расположено ниже оптической оси, а второе и третье зеркала - выше оптической оси. Выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Технический результат - повышение качества изображения в пределах углового поля 10° в широком спектральном диапазоне 450-1700 нм объектива без центрального экранирования и повышение технологичности. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Двухканальный зеркально-линзовый объектив, состоящий из последовательно установленных по ходу луча первого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого гиперболического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, линзового компенсатора аберраций, одна из линз которого - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к первому зеркалу, второго зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента сферического выпуклого отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к линзовому компенсатору аберраций, третьего зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, 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, отличающийся тем, что линзовый компенсатор аберраций состоит из трех линз, первая из которых плосковыпуклая, обращенная плоскостью к первому зеркалу, вторая - двояковыпуклая, а третья - отрицательный мениск, причем на первую поверхность первой линзы линзового компенсатора аберраций нанесено спектроделительное покрытие, пропускающее излучение в спектральном диапазоне видимого канала 450-1000 нм и отражающее в спектральном диапазоне инфракрасного канала 1500-1700 нм, кроме того, объектив дополнен линзовым компенсатором аберраций инфракрасного канала, установленным в ходе лучей, отраженных от первой поверхности линзового компенсатора аберраций видимого канала, линзовый компенсатор аберраций инфракрасного канала состоит из трех линз, выполненных в виде внеосевых фрагментов осесимметричных линз, в меридиональном сечении объектива расположенных выше оптической оси, причем первая линза - двояковыпуклая, вторая линза - двояковогнутая, третья линза - двояковыпуклая, апертурная диафрагма видимого канала расположена на первой по ходу луча поверхности двояковыпуклой линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала, а апертурная диафрагма инфракрасного канала расположена на плоской поверхности плосковыпуклой линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала, при этом в объективе выполняются следующие соотношения:
0,06≤|φ_1ВД/φ_ВД|≤0,15; 1,75≤|φ_1ИК/φ_ИК|≤1,85; 0,9≤|φ_2ВД/φ_ВД|≤1,2; 2,5≤|φ_2ИК/φ_ИК|≤2,6; 0,7≤|φ_3ВД/φ_ВД|≤0,8; 1,55≤|φ_3ИК/φ_ИК|≤1,7; 0,65≤n_2ВД/n_1ВД≤0,9; 0,87≤n_2ИК/n_1ИК≤0,9; 1,05≤n_3ВД/n_1ВД≤1,1; 0,8≤n_3ИК/n_1ИК≤0,82; 1,68≤ν_2ВД/ν_1ВД≤1,8; 0,93≤ν_2ИК/ν_1ИК≤0,98; 0,95≤ν_3ВД/ν_1ВД≤1,0; 1,8≤ν_3ИК/ν_1ИК≤1,85;

где
- φ_1ВД, φ_2ВД, φ_3ВД - оптические силы первой, второй и третьей линз линзового компенсатора аберраций видимого канала;
- φ_ВД - оптическая сила объектива видимого канала;
- φ_ИК - оптическая сила объектива инфракрасного канала;
- n_1ВД, n_2ВД, n_3ВД - показатели преломления первой, второй и третьей линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала;
- ν_1ВД, ν_2ВД, ν_3ВД - коэффициенты дисперсии первой, второй и третьей линзы линзового компенсатора аберраций видимого канала;
- φ_1ИК, φ_2ИК, φ_3ИК - оптические силы первой, второй и третьей линзы линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала;
- n_1ИК, n_2ИК, n_3ИК - показатели преломления первой, второй и третьей линзы инфракрасного канала;
- ν_1ИК, ν_2ИК, ν_3ИК - коэффициенты дисперсии первой, второй и третьей линзы линзового компенсатора аберраций инфракрасного канала.

2. Двухканальный зеркально-линзовый объектив по п.1, отличающийся тем, что перед плоскостью изображения видимого канала установлена плоскопараллельная пластина, толщина d_ВД и показатель преломления n_ВД которой удовлетворяют неравенству
,
где $$f_{0ВД}^{\text{'}}$$ - фокусное расстояние объектива видимого канала.

3. Двухканальный зеркально-линзовый объектив по п.1, отличающийся тем, что перед плоскостью изображения инфракрасного канала установлена плоскопараллельная пластина, толщина d_ИК и показатель преломления n_ИК которой удовлетворяют неравенству
,
где $$f_{0ИК}^{\text{'}}$$ - фокусное расстояние объектива инфракрасного канала.