ЧЕТЫРЕХЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2015 года по МПК G02B17/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к зеркальным объективам, и может быть использовано в космических телескопах.

Известны зеркальные оптические системы, близкие по технической сущности к предлагаемому объективу, состоящие из четырех зеркал, отличающиеся схемным решением и степенью коррекции аберраций. Например, четырехзеркальный объектив в соответствии с авторским свидетельством СССР №428341, МПК G02B 17/02, опубл. 15.05.1974 г., представляющий собой первичное вогнутое осесимметричное параболическое зеркало, вторичное выпуклое осесимметричное гиперболическое зеркало и размещенный в их заднем отрезке компенсатор, образованный выпуклым и вогнутым сферическими осесимметричными зеркалами, передний фокус первого из которых совмещен с задним фокусом системы первичного и вторичного зеркал, а задний фокус - с передним фокусом вогнутого зеркала компенсатора. Недостатками рассмотренной оптической схемы являются наличие центрального экранирования, а также малое угловое поле. Наличие в объективе двух выпуклых зеркал значительно осложняет его сборку, юстировку и контроль.

Известен объектив в соответствии с авторским свидетельством СССР №1753442 A1, МПК G02B 17/06, опубл. 07.08.92 г., представляющий собой систему из четырех зеркал, первое из которых выпуклое сферическое, второе, третье и четвертое - вогнутые асферические, при этом первое и четвертое зеркала выполнены с центральными отверстиями. Апертурная диафрагма не совмещена ни с одним оптическим элементом, а располагается между вторым и третьим зеркалами. К недостаткам данного объектива следует отнести выпуклое кольцевое сферическое поле изображения. Также наличие в объективе трех асферических поверхностей и выпуклого зеркала значительно осложняет его сборку, юстировку и контроль.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является четырехзеркальный объектив с эксцентрично расположенными входным зрачком и полем изображения в соответствии с заявкой США №2009/0009897 A1 от 08.01.2009. Объектив представляет собой систему из четырех зеркал с центрами кривизны всех оптических поверхностей, находящимися на одной общей оси, состоящий из четырех последовательно по ходу луча установленных зеркал - первого, второго, третьего и четвертого. При этом первое зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов. Второе зеркало выполнено в виде выпуклого внеосевого асферического отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу. Третье зеркало - отрицательное выпуклое осесимметричное, обращенное выпуклостью к четвертому зеркалу и выполненное в виде фрагмента асферического зеркала. Четвертое зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и апертурной диафрагмы, расположенной на третьем зеркале. При этом, в меридиональном сечении объектива, первое и второе зеркала расположены ниже оптической оси, третье - на оптической оси, а четвертое зеркало - выше оптической оси. Система обладает широким полем 6×6°, центральное экранирование отсутствует. В данном объективе три зеркала являются внеосевыми, что приводит к усложнению механической конструкции объектива и затруднениям при его сборке. Наличие в объективе четырех асферических поверхностей, двух выпуклых зеркал также значительно усложняет его механическую конструкцию, сборку, юстировку и контроль.

Задачей данного изобретения является создание четырехзеркального объектива с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - создание четырехзеркального объектива без центрального экранирования с повышенным качеством изображения в пределах углового поля 13° в широком спектральном диапазоне 450-1700 нм и повышенной технологичностью.

Это достигается тем, что в четырехзеркальном объективе, состоящем из последовательно установленных по ходу луча первого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, второго зеркала, выполненного в виде выпуклого отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего зеркала, выполненного в виде фрагмента асферического зеркала, четвертого зеркала, выполненного в виде фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, 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 четвертое зеркало - выше оптической оси, в отличие от известного, первое и второе зеркала выполнены со сферическими поверхностями, кроме того, второе зеркало в меридиональном сечении объектива симметрично относительно оптической оси, третье зеркало вогнутое положительное, обращенное вогнутостью к четвертому зеркалу, внеосевое и в меридиональном сечении объектива расположено выше оптической оси, четвертое зеркало в меридиональном сечении объектива расположено выше третьего зеркала, а апертурная диафрагма совпадает с оправой второго зеркала.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема четырехзеркального объектива, а на фиг. 2 - модуляционная передаточная функция (МПФ) для крайней точки поля.

Объектив (фиг. 1) состоит из последовательно, по ходу луча установленных первого зеркала 1, второго зеркала 2, третьего зеркала 3, четвертого зеркала 4, апертурной диафрагмы 5. Первое зеркало 1 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов. Второе зеркало 2 выполнено в виде осесимметричного выпуклого сферического отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу. Третье зеркало 3 положительное и выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого асферического зеркала, обращенного вогнутостью к четвертому зеркалу. Четвертое зеркало 4 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, а апертурная диафрагма 5 расположена на втором зеркале 2. В меридиональном сечении объектива первое зеркало 1 расположено ниже оптической оси, второе зеркало 2 - на оптической оси, а третье зеркало 3 и четвертое зеркало 4 - выше оптической оси, причем четвертое зеркало 4 выше, чем третье зеркало 3.

На фиг. 2 приведена полихроматическая МПФ объектива в спектральном диапазоне (0,45÷1,7) мкм для края углового поля.

Объектив работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на первое зеркало 1, затем, последовательно отражаясь от зеркал 2, 3, 4, фокусируется в плоскости изображения.

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

*осесимметричные асферические поверхности зеркал описываются следующей формулой:

где

x, y, z - координаты точки на поверхности зеркала относительно центра O на оси симметрии Oz,

R - радиус при вершине асферической поверхности, может быть как положительным, так и отрицательным, указывая направление относительно оси z положения центра кривизны асферической поверхности,

K - коническая константа,

C_i - асферические константы.

Значения величин, приведенные в таблице 1, соответствуют объективу со следующими характеристиками:

- Фокусное расстояние: 1000 мм.

- Относительное отверстие: 1:4,5.

- Угловое поле в меридиональном направлении ωy₀₌6°, ω_ymax=9°.

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

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

- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,003 мм.

- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,036 мм.

- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,023 мм.

- Дисторсия не более 0,2%.

Таким образом, создан четырехзеркальный объектив без центрального экранирования, имеющий хорошее качество изображения в пределах углового поля 13° в широком спектральном диапазоне 450-1700 нм, в котором центрального экранирования удается избежать за счет эксцентрично расположенного поля изображения, использования внеосевых фрагментов осесимметричных зеркал и специального расположения апертурной диафрагмы.

Объектив может быть использован в космических телескопах. Объектив содержит первое зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, второе зеркало в виде выпуклого сферического отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третье зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к четвертому зеркалу, четвертое зеркало в виде фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и апертурную диафрагму. Центры кривизны всех оптических поверхностей расположены на одной общей оси. В меридиональном сечении второе зеркало симметрично относительно оптической оси, первое зеркало расположено ниже оптической оси, третье зеркало выше оптической оси, а четвертое зеркало - выше третьего зеркала. Апертурная диафрагма совпадает с оправой второго зеркала. Технический результат - отсутствие центрального экранирования, повышение качества изображения в пределах углового поля 13° в спектральном диапазоне 450-1700 нм и повышение технологичности. 2 ил., 1 табл.

Четырехзеркальный объектив, состоящий из последовательно установленных по ходу луча первого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, второго зеркала, выполненного в виде выпуклого отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего зеркала, выполненного в виде фрагмента асферического зеркала, четвертого зеркала, выполненного в виде фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, 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 четвертое зеркало - выше оптической оси, отличающийся тем, что первое и второе зеркала выполнены со сферическими поверхностями, кроме того, второе зеркало в меридиональном сечении объектива симметрично относительно оптической оси, третье зеркало вогнутое положительное, обращенное вогнутостью к четвертому зеркалу, внеосевое и в меридиональном сечении объектива расположено выше оптической оси, четвертое зеркало в меридиональном сечении объектива расположено выше третьего зеркала, а апертурная диафрагма совпадает с оправой второго зеркала.