ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ РАБОТЫ В БЛИЖНЕМ ИК-СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2017 года по МПК G02B17/08 G02B13/14 

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

Известны зеркально-линзовые оптические системы с одним или двумя отражениями, близкие по технической сущности к предлагаемому объективу, отличающиеся схемным решением и степенью коррекции аберраций. Например, зеркально-линзовый объектив по патенту US №6674571 В2, МПК G02B 17/00, Guy Henri Abel Cerutti-Maori, Thierry Viard, опубликованному 27.06.2002 г., который состоит из вогнутого внеосевого асферического зеркала, двухлинзового ахромата-корректора апертуры, внеосевого трехлинзового ахромата-корректора поля, а также зрачка, расположенного на первой поверхности двухлинзового ахромата-корректора апертуры. Такая схема обладает существенным недостатком - требуется изготовление двух внеосевых оптических элементов, которые усложняют сборку и юстировку объектива.

Известен зеркально-линзовый объектив по патенту US №5287218, МПК G02B 17/08, 27/44, Chungte W. Chen, опубликованному 15.02.1994 г., представляющий собой два внеосевых вогнутых асферических зеркала, преломляющий оптический элемент, состоящий из пяти линз: первой - положительной вогнуто-выпуклой, второй - отрицательной выпукло-вогнутой, третьей - положительной двояковыпуклой, четвертой - положительной вогнуто-выпуклой, пятой - отрицательной выпукло-плоской, причем она также является дифракционным элементом, а вторая и третья линзы образуют дублет. Выходной зрачок объектива располагается между вторым зеркалом и линзовым оптическим элементом. Наличие в объективе двух внеосевых асферических зеркал значительно осложняет его сборку, юстировку и контроль.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является двухзеркальный объектив с эксцентрично расположенным входным зрачком и полем изображения, описанный в публикации Holly A. Bender*, Pantazis Mouroulis, Robert О. Green, Daniel W. Wilson Optical design, performance and tolerancing of next-generation airborne imaging spectrometers, Imaging Spectrometry XV, Proc. of SPIE Vol. 7812, 78120P 2010 CCC code: 0277-786X/10/$18 doi: 10.1117/12.861331. Он представляет собой систему из двух зеркал, установленных последовательно по ходу луча первого - выпуклого внеосевого, второго - вогнутого внеосевого. В данном зеркальном объективе оба зеркала являются внеосевыми, что приводит к усложнению механической конструкции объектива и затруднениям при его сборке. Отсутствие действительной апертурной диафрагмы также значительно осложняет его юстировку и контроль, более того мнимая апертурная диафрагма увеличивает риск паразитной засветки.

Задачей данного изобретения является создание зеркально-линзового объектива для работы в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК) с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - создание двухзеркального зеркально-линзового объектива с линзовым компенсатором без центрального экранирования с повышенным качеством изображения в пределах кольцевого углового поля Δω=2° (ω_y0-ω_ymax=6°-8°) в спектральном диапазоне (1,50÷1,70) мкм и повышенной технологичностью.

Это достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе для работы в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне, состоящем из последовательно установленных по ходу луча двух зеркал, первое из которых выполнено в виде внеосевого фрагмента, в отличие от известного, первое зеркало выполнено вогнутым положительным асферическим, обращенным вогнутостью к плоскости предметов, второе зеркало выполнено выпуклым отрицательным осесимметричным сферическим, обращенным выпуклостью к первому зеркалу, кроме того, добавлен линзовый компенсатор с оптической силой, составляющей 0,6…0,7 от оптической силы зеркально-линзового объектива, расположенный по ходу луча за вторым зеркалом и состоящий из первой линзы, выполненной в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, второй - вогнуто-выпуклой отрицательной линзы, обращенной выпуклостью к плоскости изображения, третьей - выпукло-вогнутой отрицательной линзы, обращенной вогнутостью к плоскости изображения, четвертой - двояковыпуклой линзы, пятой - вогнуто-выпуклой отрицательной линзы, обращенной выпуклостью к плоскости изображения, расположенных на одной оптической оси, смещенной относительно оптической оси зеркально-линзового объектива, на которой находятся центры кривизны первого и второго зеркал, при этом действительная апертурная диафрагма расположена на втором зеркале.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема зеркально-линзового объектива, а на фиг. 2 - его полихроматическая модуляционная передаточная функция (МПФ) в спектральном диапазоне (1,50÷1,70) мкм для края углового поля.

Зеркально-линзовый объектив (фиг. 1) состоит из установленных последовательно по ходу луча, первого зеркала 1, второго зеркала 2, линзового компенсатора 3, апертурной диафрагмы 4, причем в состав линзового компенсатора 3 входят линзы 5, 6, 7, 8, 9. Первое зеркало 1 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов. Осесимметричная асферическая поверхность первого зеркала 1 описывается следующей формулой:

где (x, y, z) - координаты точки на поверхности зеркала относительно центра О на оси симметрии Oz; R - радиус при вершине асферической поверхности и может быть как положительным, так и отрицательным, указывая направление относительно оси z положения центра кривизны асферической поверхности, K - коническая константа. Второе зеркало 2 выполнено в виде осесимметричного выпуклого сферического зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу. Линзовый компенсатор 3 состоит из пяти расположенных на общей оси линз: 5, 6, 7, 8, 9. Оптическая сила линзового компенсатора составляет 0,6…0,7 от оптической силы зеркально-линзового объектива. Линзовый компенсатор 3 расположен по ходу луча за вторым зеркалом 2 и состоит из первой линзы 5, выполненной из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричного положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, причем обе ее рабочие поверхности сферические. Вторая линза линзового компенсатора 3 выполнена из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричной вогнуто-выпуклой отрицательной линзы 6, обращенной выпуклостью к плоскости изображения, причем обе ее рабочие поверхности сферические. Третья линза линзового компенсатора 3 выполнена из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричной выпукло-вогнутой отрицательной линзы 7, обращенной вогнутостью к плоскости изображения, причем обе ее рабочие поверхности сферические. Четвертая линза линзового компенсатора 3 выполнена в виде осесимметричной двояковыпуклой линзы 8 из оптического бесцветного стекла группы «крон», причем обе ее рабочие поверхности сферические. Пятая линза линзового компенсатора 3 выполнена из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричной вогнуто-выпуклой отрицательной линзы 9, обращенной выпуклостью к плоскости изображения, причем обе ее рабочие поверхности сферические. Центры кривизны зеркал находятся на оптической оси зеркально-линзового объектива, центры кривизны линз линзового компенсатора 3 находятся на общей оси, которая смещена относительно оптической оси зеркально-линзового объектива вверх на 9,53 мм, а апертурная диафрагма 4 расположена на втором зеркале 2.

Зеркально-линзовый объектив работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на первое зеркало 1, отражается от поверхности первого зеркала 1, затем попадает на второе зеркало 2, отражается от поверхности второго зеркала 2, после чего попадает на линзовый компенсатор 3, проходит последовательно линзы 5, 6, 7, 8, 9 и фокусируется в плоскости изображения.

По данному техническому решению рассчитан зеркально-линзовый объектив, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

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

- Фокусное расстояние: 100 мм.

- Относительное отверстие:

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

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

Объектив имеет следующие аберрации для длины волны λ=1,62 нм.

- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,005 мм.

- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,072 мм.

- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,046 мм.

- Дисторсия не более 0,8%.

- Хроматизм положения в спектральном диапазоне (1,50÷1,70) мкм не более 9,36 мкм.

Таким образом, создан зеркально-линзовый объектив без центрального экранирования, имеющий высокое качество изображения в пределах кольцевого углового поля Δω=2° (ω_y0-ω_ymax=6°-8°) в спектральном диапазоне (1,50÷1,70) мкм, в котором центрального экранирования удается избежать за счет использования как внеосевого фрагмента зеркала, так и осевого осесимметричного зеркала, а также наличия линзового компенсатора и специального расположения апертурной диафрагмы.

Объектив содержит установленные по ходу луча первое зеркало в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, второе зеркало в виде выпуклого отрицательного осесимметричного сферического зеркала. Линзовый компенсатор с оптической силой, составляющей 0,6…0,7 от оптической силы всего объектива, состоит из первого положительного мениска, второй вогнуто-выпуклой отрицательной линзы, третьей выпукло-вогнутой отрицательной линзы, четвертой двояковыпуклой линзы, пятой вогнуто-выпуклой отрицательной линзы, расположенных на одной оптической оси, смещенной относительно оптической оси объектива, на которой находятся центры кривизны первого и второго зеркал, а также имеет действительную апертурную диафрагму, расположенную на втором зеркале. Технический результат - создан двухзеркальный зеркально-линзовый объектив с линзовым компенсатором без центрального экранирования с повышенным качеством изображения в пределах кольцевого углового поля Δω=2° (ω_y0-ω_ymax=6°-8°) в спектральном диапазоне (1,50÷1,70) мкм при повышенной технологичности. 2 ил., 1 табл.

Зеркально-линзовый объектив для работы в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне, состоящий из последовательно установленных по ходу луча двух зеркал, первое из которых выполнено в виде внеосевого фрагмента, отличается тем, что первое зеркало выполнено вогнутым положительным асферическим, обращенным вогнутостью к плоскости предметов, второе зеркало выполнено выпуклым отрицательным осесимметричным сферическим, обращенным выпуклостью к первому зеркалу, кроме того, добавлен линзовый компенсатор с оптической силой, составляющей 0,6…0,7 от оптической силы зеркально-линзового объектива, расположенный по ходу луча за вторым зеркалом, и состоящий из первой линзы, выполненной в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, второй - вогнуто-выпуклой отрицательной линзы, обращенной выпуклостью к плоскости изображения, третьей - выпукло-вогнутой отрицательной линзы, обращенной вогнутостью к плоскости изображения, четвертой - двояковыпуклой линзы, пятой - вогнуто-выпуклой отрицательной линзы, обращенной выпуклостью к плоскости изображения, расположенных на одной оптической оси, смещенной относительно оптической оси зеркально-линзового объектива, на которой находятся центры кривизны первого и второго зеркал, при этом действительная апертурная диафрагма расположена на втором зеркале.