ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2018 года по МПК G02B17/08 G02B23/00 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, и может быть использовано в оптической промышленности, и, в частности, в астрономических телескопах, и особенно в оптико-электронных камерах космических телескопов и т.д.

Зеркально-линзовые объективы обычно состоят из главного вогнутого зеркала с центральным отверстием, вторичного выпуклого зеркала и линзового корректора полевых аберраций.

Сферическая аберрация и кома исправляются асферизацией главного и вторичного зеркал, придавая им гиперболоидальную форму. Полевые аберрации - астигматизм и кривизна изображения коррегируются линзовым корректором полевых аберраций (КПА), который обычно устанавливается позади главного зеркала перед фокальной плоскостью.

Известны зеркально-линзовые объективы, содержащие гиперболические главное зеркало (ГЗ) и вторичное зеркало (ВЗ), а также однолинзовый КПА с асферической поверхностью [1]. Такой корректор позволил исправить астигматизм. Для исправления кривизны изображения пришлось раздвинуть главное и вторичное зеркала. Это привело к большому коэффициенту центрального экранирования ε=0,57 и значительным продольными габаритам: расстояние d между главным и вторичным зеркалами составило 0,33f'_об, где f'_об - фокусное расстояние всего объектива, а, следовательно, к недопустимому для космического телескопа увеличению массы.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является зеркально-линзовый объектив [2], содержащий главное вогнутое зеркало гиперболической формы с центральным отверстием, вторичное выпуклое гиперболоидальное зеркало и двухкомпонентную линзовую систему, установленную позади главного зеркала перед фокальной плоскостью. Компоненты линзовой системы - одиночные линзы. Первый компонент - плосковыпуклая линза с положительной оптической силой ϕ_I с асферической поверхностью, второй компонент - плосковогнутая линза с отрицательной оптической силой ϕ_II, установленный непосредственно перед фокальной плоскостью. Оптическая сила первого компонента составляет:

, где ϕ_об - оптическая сила всего объектива.

Расстояние между линзовыми компонентами d=0,2d₀, где d₀ - расстояние между главным и вторичным зеркалами или 0,23 f'_об, где f'_об - фокусное расстояние объектива.

Недостатками такой системы являются:

- ограниченное угловое поле, не превышающее 30' с хорошим качеством изображения: RMS≤0, 08 λ;

- ограниченный спектральный интервал из-за отсутствия возможности обеспечения апохроматической коррекции аберраций.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение углового поля и относительного отверстия при дифракционно-ограниченном качестве изображения.

Для решения поставленной задачи предлагается зеркально-линзовый объектив, который, как и прототип, содержит установленные последовательно по направлению хода луча главное вогнутое с центральным отверстием гиперболоидальное зеркало, вторичное выпуклое гиперболоидальное зеркало и линзовую систему с оптической силой ϕ_л.с., выполненную из одиночных линзовых компонентов, первый из которых с положительной оптической силой ϕ₁, второй - с отрицательной оптической силой ϕ₂, установленные позади главного зеркала.

В отличие от прототипа первый положительный компонент выполнен со сферическими поверхностями, между первым и вторым линзовыми компонентами дополнительно размещен третий отрицательный компонент.

Первый положительный компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, второй - в виде двояковогнутой линзы.

Оптические силы зеркальной и линзовой системы и ее компонентов удовлетворяют условию:

где ϕ_з.с. - оптическая сила зеркальной системы, состоящей из главного и вторичного зеркал;

ϕ_л.с. - оптическая сила линзовой системы;

и - оптические силы линз.

Линзы выполнены из материалов с коэффициентами дисперсии, удовлетворяющими условиям:

ν₁/ν₂=1,0-1,3; ν₁-ν₂=6,5-8; ν_3d=64; n_3d=1,516.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что, благодаря предлагаемой схеме выполнения зеркально-линзового объектива, состоящего из установленных последовательно по направлению луча главного вогнутого с центральным отверстием гиперболоидального зеркала, вторичного выпуклого гиперболоидального зеркала и линзовой системы с оптической силой ϕ_л.c., состоящей из трех компонентов, выполненных в виде одиночных линз, первая из которых с положительной оптической силой ϕ₁, вторая и третья с отрицательными оптическими силами ϕ₂ и ϕ₃, установленной позади главного зеркала, при этом оптические силы зеркальной системы, линзовой системы и ее компонентов удовлетворяют условию:

где ϕ_з.с. - оптическая сила зеркальной системы, состоящей из главного и вторичного зеркал;

соотношения оптических сил линз компонентов по отношению к оптической силе всей линзовой системы

В частности, выбранные соотношения сил между компонентами позволяют исправить кривизну изображения и астигматизм всего объектива в целом, а отношение коэффициентов дисперсии линз обеспечило апохроматическую коррекцию и тем самым позволило получить дифракционно-ограниченное качество изображения для больших углов поля 2ω≥1,76° (вместо 1,5°) при увеличенном относительном отверстии 1:10,533 (вместо 1:10,67), при этом средне-квадратическое отклонение волнового фронта RMS не превышает по всему полю 0,055λ, (вместо 0,08λ).

Линзовая система может быть выполнена так, что ее первый компонент представляет собой положительную двояковыпуклую одиночную линзу, второй компонент - отрицательную двояковогнутую одиночную линзу и третий - одиночную отрицательную плосковогнутую линзу.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 - представлена оптическая схема зеркально-линзового объектива.

Зеркально-линзовый объектив состоит из главного вогнутого с центральным отверстием гиперболоидального зеркала 1, вторичного выпуклого гиперболоидального зеркала 2 и линзовой системы 3 с оптической силой ϕ_л.с., состоящей из первого компонента 4 с положительной оптической силой ϕ₁, второго компонента 5 с отрицательной оптической силой ϕ₂ и третьего компонента 6 - с отрицательной оптической силой ϕ₃.

Оптические силы линзовой системы 3 ϕ_л.с. и ее компонентов удовлетворяют условию:

Первый компонент 4 линзовой системы 3 (фиг. 1) выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы, второй компонент 5 выполнен в виде двояковогнутой линзы, третий компонент 6 - в виде одиночной плосковогнутой линзы.

Работа предлагаемого объектива осуществляется следующим образом.

Объект расположен на бесконечном расстоянии от объектива. Параллельный пучок света падает на главное зеркало 1 и фокусируется в его фокальной плоскости.

Вторичное зеркало 2, для которого мнимым объектом является изображение объекта в фокальной плоскости главного зеркала 1, изображает его в фокальную плоскость зеркальной системы, состоящей из главного 1 и вторичного 2 зеркал.

Линзовая система 3 проектирует изображение объекта из фокальной плоскости зеркальной системы в фокальную плоскость зеркально-линзового объектива с положительным увеличением, т.е. без оборачивания изображения.

RMS - среднеквадратическое значение волновой аберрации, выраженное в долях основной длины волны излучения (λ=0,65 мкм) спектрального диапазона Δλ.

Благодаря использованию предлагаемого технического решения был рассчитан телескоп с фокусным расстоянием f'=15800 мм, относительным отверстием 1:10.533 и угловым полем зрения 2w=1.76°.

Получена среднеквадратическая деформация волнового фронта RMS<0,03λ по всему полю, что соответствует дифракционно-ограниченному качеству изображения, при угловом поле 2ω≥1,76°.

Фокусное расстояние, мм: 15799.9 Диафрагменное число F/D: 10.5333 Диаметр входного зрачка, мм: 1500.0000 Положение входного зрачка, мм: 3699.5260 Диаметр выходного зрачка, мм: 207.9980 Положение выходного зрачка, мм: -2190.8433 Параксиальная высота изображения, мм: 245.15 Длина системы, мм: 4762.8 Угловое поле зрения, градусы 1.76

Спектральные характеристики

Таким образом, в предлагаемом зеркально-линзовом объективе достигнуто увеличение углового поля и относительного отверстия при дифракционно-ограниченном качестве изображения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Н.Н. Михельсон "Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета", "Физико-математическая литература", 1995, сс. 328-331.

2. Патент США №4101195, МПК: G02B 17/06, 23/06, 1977 - прототип.

Зеркально-линзовый объектив содержит установленные последовательно по ходу луча главное вогнутое с центральным отверстием гиперболоидальное зеркало, вторичное выпуклое гиперболоидальное зеркало и линзовую систему с оптической силой ϕ_л.с., выполненную из одиночных линзовых компонентов и установленную позади главного зеркала. Первый компонент - двояковыпуклая линза со сферическими поверхностями, второй - отрицательный. Между первым и вторым компонентами размещен третий отрицательный компонент. Оптические силы линз удовлетворяют условию: где ϕ_з.с. - оптическая сила зеркальной системы, состоящей из главного и вторичного зеркал; ϕ_л.с. - оптическая сила линзовой системы; - оптические силы линз компонентов линзовой системы. Линзы выполнены из материалов с коэффициентами дисперсии, удовлетворяющими условиям: ν₁/ν₂=1,0-1,3; ν₁-ν₂=6,5-8; ν_3d=64; n_3d=1,516. Технический результат - увеличение углового поля и относительного отверстия при дифракционно-ограниченном качестве изображения. 1 ил.

Зеркально-линзовый объектив, содержащий установленные последовательно по направлению хода луча главное вогнутое с центральным отверстием гиперболоидальное зеркало, вторичное выпуклое гиперболоидальное зеркало и линзовую систему с оптической силой ϕ_л.с., выполненную из одиночных линзовых компонентов, первый из которых с положительной оптической силой ϕ₁, второй - с отрицательной оптической силой ϕ₂, установленную позади главного зеркала, отличающийся тем, что первый одиночный линзовый положительный компонент выполнен двояковыпуклым со сферическими поверхностями, а между первым и вторым линзовыми компонентами дополнительно размещен третий отрицательный компонент, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

где ϕ_з.с. - оптическая сила зеркальной системы, состоящей из главного и вторичного зеркал;

ϕ_л.с. - оптическая сила линзовой системы;

- оптические силы линз компонентов линзовой системы, при этом линзы выполнены из материалов с коэффициентами дисперсии, удовлетворяющими условиям:

ν₁/ν₂=1,0-1,3; ν₁-ν₂=6,5-8; ν_3d=64; n_3d=1,516.