Зеркально-линзовый объектив Российский патент 2018 года по МПК G02B17/08 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве приемного объектива в оптико-электронных приборах, формирующих изображения объектов земной поверхности через реальную атмосферу и работающих с фотоприемными устройствами коротковолнового ИК диапазона в аппаратуре различного назначения, например в космической аппаратуре.

Известен светосильный зеркально-линзовый объектив для использования в приборах ночного видения, состоящий их четырех компонентов (патент RU 2112257 С1, опубл. 27.05.1998) с фокусным расстоянием f'=80,95 мм, геометрическим относительным отверстием 1:1,25, эффективным относительным отверстием 1:1,45, линейным полем зрения 14,5 мм, с хорошим исправлением всех аберраций. Объектив состоит из 4 компонентов, первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второй компонент - в виде отрицательной линзы Манжена, третий компонент - в виде выпуклого отражающего зеркала, а четвертый компонент выполнен в виде положительной линзы, при этом все компоненты выполнены из одной марки оптического стекла. По центру изображения обеспечивается высокое качество изображения (58%).

Недостатком этого светосильного зеркально-линзового объектива является низкое качество изображения по полю зрения (27%) и обеспечение коррекции в видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн (0,546-0,900 мкм).

Наиболее близким по технической сущности является зеркально-линзовый объектив (патент RU 2082195 С1, опубл. 20.06.1997) с фокусным расстоянием f'=1054,8 мм, относительным отверстием 1:11,7, угловым полем зрения 1° (линейным полем зрения 18,4 мм), с хорошим исправлением всех аберраций в видимом диапазоне длин волн, состоящий из плосковыпуклой линзы, двух прямоугольных призм, соединенных между собой по гипотенузным граням, выполненным как отражающая наклонная поверхность с центром на пересечении оптических осей первичного и вторичного зеркал, первичного вогнутого зеркала и вторичного вогнутого зеркала.

Недостатком этого зеркально-линзового объектива является недостаточное линейное поле зрения (18,4 мм для углового поля зрения 2W=1° а также наличие склеенного компонента, что снижает устойчивость к воздействию внешних температур.

Задачей настоящего изобретения является увеличение поля зрения с сохранением приемлемого качества изображения и с обеспечением стабильности фокусного расстояния зеркально-линзового объектива в коротковолновом ИК диапазоне спектра и в расширенном температурном интервале.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе, состоящем из четырех компонентов, разделенных воздушными промежутками, первый из которых содержит плосковыпуклую положительную линзу, отличающийся тем, что он содержит апертурную диафрагму, расположенную перед первым компонентом, второй компонент выполнен в виде отрицательной линзы Манжена, третий компонент - в виде наклонного плоского отражающего зеркала, четвертый компонент выполнен из двух линз, первая линза которого выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а вторая - в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, при этом коэффициенты линейного расширения материала оправ и колец для воздушных промежутков между компонентами равны друг другу, а в зеркально-линзовом объективе имеют место соотношения:

,

где - фокусное расстояние первой линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива;

- фокусное расстояние второй линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива.

Такой зеркально-линзовый объектив обеспечивает приемлемое качество изображения в коротковолновом ИК диапазоне спектра.

Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что четвертый компонент совместно с фотоприемным устройством выполнены подвижными вдоль оптической оси, при этом выполняется следующее соотношение:

где - величина перемещения по оптической оси четвертого компонента и фотоприемного устройства;

- фокусное расстояние зеркально-линзового объектива.

Схема зеркально-линзового объектива по варианту 1 показана на фигуре 1.

Зеркально-линзовый объектив состоит по ходу лучей из плосковыпуклой положительной линзы 1, обращенной выпуклостью к предмету, отрицательной линзы Манжена 2, наклонного плоского отражающего зеркала 3, выпукловогнутой положительной линзы 4, выпукловогнутой отрицательной линзы 5 и плоскопараллельной пластины фотоприемника 6, которая является защитным стеклом фотоприемника ПИ.

Апертурная диафрагма АД расположена перед линзой 1.

Конструктивные данные зеркально-линзового объектива по варианту 1 приведены в таблице 1.

Схема зеркально-линзового объектива по варианту 2 показана на фигуре 2. В оптической схеме зеркально-линзового объектива по варианту 2 линзы 4, 5 и фотоприемник 6 имеют возможность перемещения вдоль оптической оси для изменения воздушного промежутка между наклонным плоским отражающим зеркалом 3 и линзой 4. При изменении этого воздушного промежутка между в пределах ±0,64 мм осуществляется термокомпенсация положения плоскости наилучшей установки и стабильность величины фокусного расстояния зеркально-линзового объектива в диапазоне температур от минус 50 до +50°С.

Таким образом, параметры вариантов исполнения зеркально-линзового объектива:

- расчетная длина волны 1,3 мкм; - рабочий спектральный диапазон 0,9…1,7 мкм; - фокусное расстояние 730 мм; - линейное поле зрения 80,0 мм; - относительное отверстие 1:4,62; - дисторсия 0,37% - задний фокальный отрезок 25,84 мм; - длина по оптической оси 669,0 мм; - масса оптических деталей 4,02 кг.

Принцип действия зеркально-линзового объектива по варианту 1 заключается в следующем:

Световой поток, исходящий из плоскости предметов, находящейся в бесконечности, проходит через зеркально-линзовый объектив и изображается в плоскости наилучшей установки, в которой находится фотоприемное устройство (не показано), цифровой сигнал с которого формирует изображение. Первый компонент, выполненный в виде плосковыпуклой положительной линзы 1, обращенной выпуклостью к предмету, в сочетании со вторым компонентом, выполненным в виде отрицательной линзы Манжена 2, компенсирует сферохроматические аберрации в заданном спектральном диапазоне (Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975, с. 355). Четвертый компонент, выполненный в виде выпукловогнутой положительной линзы 4 и выпукловогнутой отрицательной линзы 5, компенсирует астигматизм и кривизну поверхности изображения.

Для обеспечения качества изображения зеркально-линзового объектива фокусные расстояния первой и второй линз четвертого компонента должны быть разного знака, при этом должно быть выдержано следующее соотношение:

где - фокусное расстояние первой линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива;

- фокусное расстояние второй линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива.

Оптическая схема зеркально-линзового объектива по варианту 1 позволяет обеспечить качество изображения в коротковолновом РЖ диапазоне спектра.

Принцип действия зеркально-линзового объектива по варианту 2 заключается в следующем:

Линзы 4 и 5 четвертого компонента совместно фотоприемным устройством (защитное стекло которого изображено поз.6) установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, что позволяет изменять воздушный промежуток «А», чем компенсируется температурный увод плоскости наилучшей установки и поддерживается стабильность величины фокусного расстояния.

Для обеспечения термокомпенсации смещения ПНУ в диапазоне температур от минус 50 до +50°С, величина перемещения второго компонента и фотоприемного устройства равна ±0,64 мм, при этом выполняется следующее соотношение:

- величина перемещения по оптической оси четвертого компонента и фотоприемного устройства;

- фокусное расстояние зеркально-линзового объектива.

Оптическая схема зеркально-линзового объектива по варианту 2 позволяет обеспечить стабильность качества изображения и величины фокусного расстояния зеркально-линзового объектива в температурном диапазоне от минус 50 до +50°С.

В оптических расчетах учтена толщина защитного стекла 6 фотоприемника. Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:

- толщину защитного стекла фотоприемника, равную 2,0 мм;

- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива, равную: 0,9 мкм - 0,8; 1,1 мкм - 1,0; 1,3 мкм - 1,0; 1,5 мкм - 0,8; 1,7 мкм - 0,7; 7

пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 25 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик зеркально-линзового объектива по вариантам 1 и 2:

- для точки на оси (дифракционное качество) КПК=60,9%

- для точки на оси (аберрационное качество) КПК=60,5%

- для точки поля 20 мм КПК _м=59,0%

КПК_С=58,0%

- для точки поля 40 мм КПК _м=48,7%

КПК_С=55,1%

Стабильность величины фокусного расстояния зеркально-линзового объектива по варианту 1 в зависимости от изменения температуры при этом приведены в таблице 2.

Стабильность величины фокусного расстояния зеркально-линзового объектива по варианту 2 в зависимости от изменения температуры при этом приведены в таблице 3.

8

Как видно из расчетов, зеркально-линзовый объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает приемлемую светосилу (1:4,62), большое линейное поле зрения (80 мм) и дифракционный уровень качества изображения в коротковолновом ИК диапазоне спектра и в широком температурном интервале для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников линейки или матрицы с размером пикселя ~ 25 мкм.

Объектив может быть применен в оптико-электронных приборах, формирующих изображения объектов земной поверхности через реальную атмосферу в коротковолновом ИК диапазоне. Объектив содержит четыре компонента и апертурную диафрагму, расположенную перед первым компонентом. Первый компонент содержит плосковыпуклую линзу. Второй компонент - отрицательная линза Манжена, третий - наклонное плоское зеркало, четвертый выполнен из положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету. Коэффициенты линейного расширения материала оправ и колец для воздушных промежутков между компонентами равны друг другу. Выполняется соотношение: где - фокусное расстояние первой линзы четвертого компонента; - фокусное расстояние второй линзы четвертого компонента. Технический результат - увеличение поля зрения с сохранением приемлемого качества изображения и с обеспечением стабильности фокусного расстояния объектива в коротковолновом ИК диапазоне и в расширенном температурном интервале. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Зеркально-линзовый объектив, состоящий из четырех компонентов, разделенных воздушными промежутками, первый из которых содержит плосковыпуклую положительную линзу, отличающийся тем, что он содержит апертурную диафрагму, расположенную перед первым компонентом, второй компонент выполнен в виде отрицательной линзы Манжена, третий компонент - в виде наклонного плоского отражающего зеркала, четвертый компонент выполнен из двух линз, первая линза которого выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а вторая - в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, при этом коэффициенты линейного расширения материала оправ и колец для воздушных промежутков между компонентами равны друг другу, а в зеркально-линзовом объективе имеет место соотношение:

где - фокусное расстояние первой линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива;

- фокусное расстояние второй линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива.

2. Зеркально-линзовый объектив по п. 1, отличающийся тем, что четвертый компонент совместно с фотоприемным устройством выполнены подвижными вдоль оптической оси, при этом выполняется следующее соотношение:

где - величина перемещения по оптической оси четвертого компонента и фотоприемного устройства;

- фокусное расстояние зеркально-линзового объектива.