ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ТЕРМОНЕРАССТРАИВАЕМЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2019 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к классу зеркально - линзовых объективов, в том числе длиннофокусных, и может быть использовано в оптико- электронных системах обнаружения и наблюдения удаленных объектов, а также в других областях техники, где необходимы оптические объективы, обладающие высоким уровнем термостойкости.

Известен малолинзовый термонерасстраиваемый объектив, принятый за аналог к заявляемому изобретению [Авт. Свид. SU №1744682, МПК G02B 9/04, дата приор. 18.08.1989, опубл. 30.06.1992, Бюл. №24]. Объектив выполнен в виде двух оптических компонентов, последовательно расположенных на оптической оси. Первый компонент состоит из отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к предмету. Второй компонент положительный, состоит из плосковыпуклой линзы, обращенной плоской поверхностью к изображению, и киноформного оптического элемента, выполненного ионной полировкой на плоской поверхности положительной линзы. Как указывается в описании объектива, он обеспечивает апохроматическую коррекцию в широком температурном диапазоне.

Основные недостатки объектива-аналога заключаются в том, что он сложен в изготовлении, усложнение возникает вследствие необходимости выполнения киноформного элемента ионной полировкой на плоской поверхности линзы с обеспечением глубины обработки зон киноформного элемента, не превышающей 1,5 мкм. Использование киноформного элемента, обладающего невысокой дифракционной эффективностью в широком спектральном диапазоне, может приводить к появлению ложных изображений. Объектив имеет малое относительное отверстие (1:16), большое расстояние от первой поверхности объектива до фокальной плоскости 4024 мм, большие весогабаритные характеристики.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является зеркально - линзовый объектив [Патент RU №2003145, МПК G02B 17/08, дата приор. 27.03.1992, опубл. 15.11.1993, Бюл. №41-42], выбранный нами в качестве прототипа. Объектив состоит из последовательно установленных по ходу луча двухлинзового коррекционного элемента, линзы Манжена, вторичного зеркала и двухлинзового компенсатора, расположенного между вторичным зеркалом и плоскостью изображения. Фокусное расстояние объектива 1000 мм. Недостатками объектива является его терморасстраиваемость, недостаточно большое фокусное расстояние, значительное количество оптических элементов, что обусловливает уменьшение светопропускания, усложняет изготовление и юстировку.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей изобретения является создание длиннофокусного объектива, термонерасстраиваемого в широком температурном диапазоне, обеспечивающего высокое качество изображения в широком спектральном диапазоне.

Техническим результатом,, достигаемым при осуществлении изобретения, является создание длиннофокусного объектива, термонерасстраиваемого в широком температурном диапазоне (от -40°С до +50°С), обеспечивающего высокое качество изображения в широком спектральном диапазоне, сохраняющего герметизацию при значительных перепадах температур и высокое качество изображения по всему полю зрения. Значительное увеличение фокусного расстояния объектива достигается при упрощении и удешевлении конструкции, уменьшении габаритов и массы.

Указанный технический результат достигается тем, что в зеркально - линзовом объективе, содержащем расположенные по ходу луча мениск, обращенный вогнутостью в сторону пространства предметов, линзу Манжена, представляющую собой вогнутый мениск с отверстием в центральной зоне, обращенный вогнутостью в сторону пространства предметов, вторичное выпуклое зеркало, обращенное выпуклостью в сторону пространства изображений, двухлинзовый компенсатор, расположенный между вторичным зеркалом и плоскостью изображения, первая линза которого является отрицательной, в соответствии с заявляемым техническим решением первая линза компенсатора выполнена выпукловогнутой, вторая линза компенсатора выполнена отрицательной, а эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового компенсатора составляет (0,15-0,20)f', где f' - фокусное расстояние объектива, все оптические элементы объектива изготовлены из одного оптического материала, коэффициент дисперсии ν_d и температурный коэффициент линейного расширения α_t которого выбираются, соответственно, из условий 60≤ν_d≤70 и 0,2×10^-6<α_t<8,5×10^-6°С^-1, при этом механические части объектива также изготовлены из одного материала, температурный коэффициент линейного расширения которого отличается от температурного коэффициента линейного расширения оптического материала не более, чем на 1,5×10^-6°С^-1.

Если в заявляемом зеркально-линзовом объективе вторая линза компенсатора выполнена плосковогнутой, обращенной вогнутостью в сторону пространства предметов, то это характеризует одну из частных форм реализации объектива, обеспечивающую упрощение и более высокую технологичность процесса изготовления объектива.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема зеркально-линзового термонерасстраиваемого длиннофокусного объектива, где 1 - мениск, направленный вогнутостью в сторону пространства предметов, 2 - линза Манжена, представляющая собой вогнутый мениск с отверстием в центральной зоне, обращенный вогнутостью в сторону пространства предметов, 3 - вторичное выпуклое зеркало, обращенное выпуклостью в сторону пространства изображений, двухлинзовый компенсатор, состоящий из первой отрицательной линзы 4, выполненной выпукловогнутой, и второй линзы 5, выполненной отрицательной и плосковогнутой, обращенной вогнутостью в сторону пространства предметов, F' - точка фокуса в плоскости изображения, П - плоскость изображения.

На фиг. 2 представлены зависимость значения концентрации энергии в относительных единицах от радиуса кружка в пятне рассеяния в плоскости изображения для угла поля зрения ω=0°.

На фиг. 3 представлены зависимость значений концентрации энергии в относительных единицах от радиуса кружка в пятне рассеяния в плоскости изображения для угла поля зрения ω=0,62°.

Термонерасстраиваемый длиннофокусный объектив работает следующим образом.

Параллельный световой пучок падает на мениск 1, направленный вогнутостью в сторону пространства предметов. После преломления в мениске 1 световое излучение попадает на линзу Манжена 2, представляющую собой вогнутый мениск с отверстием в центральной зоне, обращенный вогнутостью в сторону пространства предметов. Затем, отразившись от линзы Манжена, излучение падает на вторичное выпуклое зеркало 3, обращенное выпуклостью в сторону пространства изображений. Отразившись от вторичного зеркала 3 излучение проходит двухлинзовый компенсатор, состоящий из первой отрицательной линзы 4, выполненной выпукловогнутой и второй линзы 5, выполненной отрицательной. Вторая линза 5 может быть выполнена плосковогнутой, обращенной вогнутостью в сторону пространства предметов. Компенсатор исправляет полевые аберрации объектива. Затем световой пучок фокусируется в плоскости изображения П.

Применение данной оптической схемы позволяет обеспечить высокое качество изображения в широком спектральном диапазоне. Выбор материалов для оптических элементов и механических частей объектива в соответствии с задаваемыми условиями обеспечивает сохранение высокого качества изображения в широком температурном диапазоне. Все оптические элементы объектива изготавливают из одного оптического материала, коэффициент дисперсии νj и температурный коэффициент линейного расширения α_t которого выбирают, соответственно, из условий 60≤ν_d≤70 и 0,2×10^-6≤α_t≤8,5×10^-6°С^-1. Механические части объектива (корпус, оправы, крепежные элементы) также изготавливают из одного материала, температурный коэффициент линейного расширения которого отличается от температурного коэффициента линейного расширения оптического материала не более, чем на 1,5×10^-6°С^-1. За счет близости температурных коэффициентов линейного расширения материалов, из которых изготовлены оптические элементы и механические части объектива, также сохраняется герметизация объектива при значительных перепадах температур. Пример конкретного выполнения.

Ниже приведены расчетные параметры зеркально-линзового объектива, представленного на фиг. 1:

Фокусное расстояние, мм 2000.0 Диафрагменное число 10,0 Угловое поле зрения, угл. гр. 1, 24° Положение предмета относительно первой поверхности, мм ∞ Диаметр входного зрачка, мм 200 Спектральный рабочий диапазон, мкм 0.4-0.75

Весогабаритные размеры конструкции зеркально-линзового объектива:

Размеры объектива, мм ∅215×500 Масса объектива, кг 9.8

В таблице 1 приведены конструктивные параметры зеркально-линзового объектива по п. 2 формулы изобретения в последовательности хода лучей.

Конструктивные параметры объектива подобраны так, чтобы исправить сферическую и хроматическую аберрации в широком спектральном диапазоне 0,4÷7,5 мкм. Значение эквивалентного фокусного расстояния двухлинзового компенсатора находится в пределах от 0,15f' до 20f', где f' - фокусное расстояние объектива, что обеспечивает исправление полевых аберраций. Механические части объектива изготавливаются из титана (Ti) с температурным коэффициентом линейного расширения 8,15×10^-6°С^-1, все оптические элементы из стекла ЛК6, температурный коэффициент линейного расширения которого составляет 8,2×10^-6°С^-1.

Рассчитанные значения концентрации энергии в относительных единицах от радиуса кружка в пятне рассеяния в фокальной плоскости для углов поля зрения ω=0° и ω=0,62°, представленные на фиг. 2 и фиг. 3, показывают высокое качество изображения, обеспечиваемое объективом.

В Таблице 2 приведены значения концентрации энергии в относительных единицах для радиуса кружка 11 мкм в пятне рассеяния для углов поля зрения ω=0° и ω=0,62° зеркально-линзового объектива в диапазоне температур от -40°С до +50°С.

Крайне незначительные изменения значений концентрации энергии, приведенные в табл.2, свидетельствуют о термонерасстраиваемости объектива в широком диапазоне температур от -40 до 50°С.

Помимо указанной пары материалов - стекло ЛК6 и Ti, возможна такая комбинация материалов как кварцевое стекло (оптический материал) и инвар (материал для механических частей объектива). Коэффициент дисперсии кварцевого стекла ν_d=67,6, температурный коэффициент линейного расширения α_t равен 0,4×10^-6°С^-1, температурный коэффициент линейного расширения сплава инвар 1,3×10^-6°С^-1.

Таким образом, создан зеркально-линзовый длиннофокусный объектив, термонерасстраиваемый в широком температурном диапазоне (от -40°С до +50°С), обеспечивающий высокое качество изображения в широком спектральном диапазоне. Значительное увеличение фокусного расстояния объектива достигается при упрощении и удешевлении конструкции, уменьшении габаритов и массы.

Объектив может быть использован в оптико-электронных системах и при необходимости высокого уровня термостойкости. Объектив содержит установленные по ходу луча мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, линзу Манжена в виде вогнутого мениска с отверстием в центральной зоне, обращенного вогнутостью к пространству предметов, вторичное выпуклое зеркало, обращенное выпуклостью к пространству изображений, двухлинзовый компенсатор, первая линза которого - отрицательная выпукловогнутая, вторая - отрицательная. Эквивалентное фокусное расстояние компенсатора - (0,15-0,20)f', где f' - фокусное расстояние объектива. Все оптические элементы изготовлены из одного оптического материала с коэффициентом дисперсии 60≤ν_d≤70 и температурным коэффициентом линейного расширения 0,2×10^-6≤α_t≤8,5×10^-6°С^-1, который отличается от температурного коэффициента линейного расширения материала, из которого изготовлены механические части объектива, не более чем на 1,5×10^-6°С^-1. Технический результат - создание длиннофокусного объектива, термонерасстраиваемого в диапазоне от -40°С до +50°С, с высоким качеством изображения в широком спектральном диапазоне по всему полю зрения и сохраняющего герметизацию при значительных перепадах температур, упрощение конструкции и уменьшение габаритов и массы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Зеркально-линзовый термонерасстраиваемый объектив, содержащий расположенные по ходу луча мениск, обращенный вогнутостью в сторону пространства предметов, линзу Манжена, представляющую собой вогнутый мениск с отверстием в центральной зоне, обращенный вогнутостью в сторону пространства предметов, вторичное выпуклое зеркало, обращенное выпуклостью в сторону пространства изображений, двухлинзовый компенсатор, расположенный между вторичным зеркалом и плоскостью изображения, первая линза которого является отрицательной, отличающийся тем, что первая линза компенсатора выполнена выпукловогнутой, вторая линза компенсатора выполнена отрицательной, а эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового компенсатора составляет (0,15-0,20)f', где f' - фокусное расстояние объектива, все оптические элементы объектива изготовлены из одного оптического материала, коэффициент дисперсии ν_d и температурный коэффициент линейного расширения α_t которого выбираются, соответственно, из условий 60≤ν_d≤70 и 0,2×10^-6≤α_t≤8,5×10^-6°С^-1, при этом механические части объектива также изготовлены из одного материала, температурный коэффициент линейного расширения которого отличается от температурного коэффициента линейного расширения оптического материала не более чем на 1,5×10^-6°С^-1.

2. Зеркально-линзовый термонерасстраиваемый объектив по п. 1, отличающийся тем, что вторая линза компенсатора выполнена плосковогнутой, обращенной вогнутостью в сторону пространства предметов.