ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2022 года по МПК G02B17/08 G02B23/02 

Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности, к зеркально-линзовым телескопам космического базирования, предназначенными к дистанционному зондированию Земли (ДЗЗ) в инфракрасной (ИК) области спектра (3-5 мкм, 8-14 мкм).

К космическим оптическим системам, работающих в ИК области спектра в диапазоне 3-5 мкм или 8-14 мкм, предъявляются следующие основные требования:

1. Большие фокусные расстояния f' (более 1÷2 м) обеспечивают минимальные размеры проекции (α') элемента оптико-электронного приемника (ОЭП) - α (пиксель матрицы) на поверхности Земли и соответственно минимальное линейное разрешение равно размеру проекции пикселя, определяемая формулой , где Н - высота орбиты.

2. Большое относительное отверстие , где D - диаметр входного зрачка для получения требуемой освещенности в плоскости оптико-электронных приемников.

3. Регистрируемые объекты - это самоиспускающие источники излучения со спектрами, определяемыми законом Планка.

ОЭП регистрирует излучение как объекта, так и всех возможных элементов конструкции объектива, которые создают недопустимый фон. Для его исключения часть оптической системы от плоскости выходного зрачка до оптико-электронного приемника помещается в криостат.

Окно криостата должно строго совпадать по размеру с выходным зрачком, а для экономии энергии аппарата длина криостата должна быть минимально возможной, например 20-30 мм.

Известны зеркально-линзовые объективы для дистанционного зондирования Земли, состоящие из главного вогнутого и второго выпуклого зеркал и линзового корректора полевых аберраций, установленного после второго выпуклого зеркала перед фокальной плоскостью всего объектива [1].

Недостатком известного объектива является отсутствие действительного изображения зрачка.

Зрачок объектива - главное зеркало имеет мнимое положение, т.е. расположен перед фокальной плоскостью вблизи второго выпуклого зеркала. В такой системе невозможно установить криостат так, чтобы его окно совпадало с выходным зрачком. В этом случае фоновая засветка превышает рабочий сигнал, и система становится неработоспособной в ИК диапазоне.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является зеркально-линзовый объектив [2], содержащий последовательно установленные главное вогнутое зеркало, второе выпуклое зеркало гиперболической формы, линзовый проекционный объектив с оптической осью, совмещенной с оптической осью объектива, в плоскости промежуточного изображения объектива, созданного первым и вторым зеркалами, установлен коллектив, а в плоскости изображения объектива установлен оптико-электронный приемник.

Недостатком зеркально-линзового объектива, принятого за прототип, является ограниченное относительное отверстие и угловое поле из-за использования асферических поверхностей главного и второго зеркал: эллиптической плюс гиперболической поверхностей соответственно, расположение выходного зрачка вблизи проекционного объектива. Кроме того, возникают большие аберрации в зрачках. Т.е. из-за аберраций в зрачках размер выходного зрачка больше его размера по апертурному пучку.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение разрешающей способности зеркально-линзового объектива за счет уменьшения аберраций в зрачках и увеличения относительного отверстия и углового поля.

Для решения поставленной задачи предлагается зеркально-линзовый объектив, который, как и прототип, содержит зеркальный объектив, состоящий из последовательно установленных главного вогнутого зеркала и второго выпуклого зеркала гиперболической формы, линзовый проекционный объектив с оптической осью, совмещенной с оптической осью зеркального объектива, в плоскости промежуточного изображения объекта, создаваемого главным вогнутым и вторым выпуклым зеркалами, установлен коллектив, а в плоскости его изображения установлен оптико-электронный приемник.

В отличие от прототипа, главное вогнутое зеркало зеркального объектива выполнено гиперболическим, коллектив выполнен в виде двояковогнутой линзы с оптической силой ϕ_к, удовлетворяющей условию: 40 < |ϕ_к/ϕ| < 80, где ϕ - оптическая сила всего зеркально-линзового объектива, линзовый проекционный объектив выполнен из двух компонентов, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, с оптической силой ϕ_I, второй компонент выполнен из трех линз, из которых первая линза - двояковыпуклая с оптической силой ϕ_II,1, вторая линза - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, с оптической силой ϕ_II,2, третья линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, с оптической силой ϕ_II,3, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

20 < ϕ_I/ϕ < 40 14 < ϕ_II,1/ϕ < 22

4 < ϕ_II,2/ϕ < 8 18 < ϕ_II,3/ϕ < 30

0,8 < ϕ_I/ϕ_II < 1,2,

кроме того, объектив дополнен криостатом, а выходной зрачок объектива совмещен с окном криостата и расположен на расстоянии от оптико-электронного приемника не более 0,01÷0,02f'.

Сущность предлагаемого зеркально-линзового объектива заключается в следующем:

- Выполнение поверхности главного зеркала гиперболической формы в совокупности с гиперболической формой поверхности второго выпуклого зеркала, т.е. с двумя эксцентриситетами e₁ и e₂ зеркал исправляются сферическая аберрация и кома зеркального объектива.

- Выполнение коллектива в виде отрицательной двояковогнутой линзы с оптической силой ϕ_к/ϕ совместно с проекционным объективом переносит изображение выходного зрачка объектива - (изображение главного зеркала через второе выпуклое зеркало) в пространство, вблизи оптико-электронного приемника на расстоянии 20-30 мм от его поверхности, в частности, в предлагаемом изобретении расстояние равно 25 мм или 0,01-0,02f'.

Выполнение коллектива в виде двояковогнутой линзы с оптической силой ф₁, удовлетворяющей условию: 40 < |ϕ_к/ϕ| < 80, где ϕ - оптическая сила всего зеркально-линзового объектива, позволило аберрационные суммы Зейделя для сферической аберрации, комы и астигматизма получить отрицательные значения и совместно с проекционным объективом исправить проекции апертурной диафрагмы - поверхность главного зеркала на входное окно криостата. Это позволило исключить попадание фоновых засветок на оптико-электронный приемник и повысить отношение сигнал/шум системы.

Линзовый проекционный объектив совместно с коллективом выполняет две задачи.

Первая - в режиме проекции удаленного объекта на оптико-электронный приемник исправляет остаточную кривизну изображения зеркального объектива и формирует изображение апертурной диафрагмы на окно криостата вблизи оптико-электронного приемника.

Вторая - проектирует апертурную диафрагму на окно криостата.

В обоих режимах аберрации на оптико-электронном приемнике и в плоскости окна криостата исправлены.

Это достигается выполнением линзового проекционного объектива из двух компонентов I и II.

При этом формы линз и их оптические силы имеют вид:

20 < ϕ_I/ϕ < 40 14 < ϕ_II,1/ϕ < 22

4 < ϕ_II,2/ϕ < 8 18 < ϕ_II,3/ϕ < 30

0,8 < ϕ_I/ϕ_II < 1,2,

В частности, в I-м режиме проекции коллектив вносит малые сферическую аберрацию и кому, и большие положительные астигматизм и кривизну изображения.

Оба компенсируются первым компонентом проекционного объектива, имеющего отрицательные астигматизм и кривизну изображения.

Во втором режиме работы системы коллектив имеет большие положительные значения сферической аберрации, комы и астигматизма, нулевую кривизну изображения, которые компенсируются второй линзой второго II-го компонента линзового проекционного объектива.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - представлена оптическая схема зеркально-линзового объектива, на фиг. 2 приведены графики частотно-контрастной характеристики, а также Приложением, в котором приведены параметры и оптические характеристики конкретного образца.

Зеркально-линзовый объектив состоит из зеркального объектива 1, состоящего из главного вогнутого зеркала 2, второго выпуклого зеркала 3 гиперболической формы, линзового проекционного объектива 4, коллектива 5, расположенного вблизи плоскости промежуточного изображения 6 зеркального объектива 1 и оптико-электронного приемника 7.

Линзовый проекционный объектив 4 состоит из двух компонентов 8 и 9, первый 8 из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, второй компонент 9 состоит из трех линз, из которых первая линза 10 - двояковыпуклая, вторая линза 11 - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, третья линза 12 - положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения.

Между третьей линзой 12 II-го компонента 9 и оптико-электронным приемником 7 установлен криостат 13 со входным окном 14, являющимся выходным зрачком всего объектива в целом, сопряженным с апертурной диафрагмой объектива - главного вогнутого зеркала 2.

Работа предлагаемого зеркально-линзового объектива осуществляется следующим образом.

Лучи, исходящие от бесконечно удаленного объекта после отражения от главного вогнутого зеркала 2 и второго выпуклого зеркала 3 формируются в плоскости промежуточного изображения 6 зеркального объектива 1.

Коллектив 5 совместно с линзовым проекционным объективом 4 перепроектируют промежуточное изображение в плоскость оптико-электронного приемника 7, где изображение объекта регистрируется.

Поскольку все элементы конструкции, окружающие оптико-электронный приемник 7, (корпус, оправы линз, механические элементы и т.д.), являются источниками ИК излучении, то на оптико-электронном приемнике 7 создается фон, многократно превышающий сигнал от объекта. Для исключения фона необходимо все нерабочие источники излучения исключить. Например, охладить до температуры, при которой длина волны λ_ф излучения меньше рабочей длины волны (λ_р): λ_ф << λ_р.

Рассмотрим рабочую «световую трубку», ограниченную с одной стороны диаметром апертурной диафрагмы, а с другой - диаметром изображения рабочего поля, в нашем случае, это диаметр главного вогнутого зеркала 2 и диаметр промежуточного изображения 6.

Если «световую трубку» перепроектировать в пространство оптико-электронного приемника 7, то она будет занимать объем, ограниченный с одной стороны окном 14 криостата 13 - изображение апертурной диафрагмы, а с другой стороны размером оптико-электронного приемника 7.

Если полученный объем от окна 14 до оптико-электронного приемника 7 охладить, то никакие лучи, вызывающие фон, не попадут на оптико-электронный приемник 7.

Таким образом, в предлагаемом зеркально-линзовом объективе достигнуто повышение разрешающей способности объектива за счет уменьшения аберраций в зрачках и увеличения относительного отверстия и углового поля.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, патент на изобретение №2670237, МПК: G02B 17/08, G02B 23/00, 19.10.2018

2. Российская Федерация, патент на полезную модель №41161, МПК: G02B 17/06, 10.10.2004 - прототип.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Зеркально-линзовый объектив:

- спектральный диапазон - 3-5 мкм;

- фокусное расстояние зеркально-линзового объектива - f'=2000 мм;

- диаметр входного зрачка - диаметр апертурной диафрагмы, диаметр главного зеркала - 500 мм;

- линейный размер изображения - 19,7 мм;

- диаметр выходного зрачка, диаметр входного окна криостата - 6,35 мм;

- расстояние от выходного зрачка до фокальной плоскости, плоскости оптико-электронного приемника - 25,7=0,013f';

- главное зеркало:

R_o=1613 мм, e₁²=1,3224

Вторичное зеркало

R_o=1007,7 мм, е₂²=11,5383;

- Расстояние между зеркалами - 522,69 мм;

- оптические силы линзовых компонентов:

|ϕ_к/ϕ|=76,9;

ϕ_I/ϕ=34;

ϕ_II,1/ϕ=17,9;

ϕ_II,2/ϕ=6,47;

ϕ_II,3/ϕ=25,25;

ϕ_I/ϕ_II=1,2,

Линзы с оптическими силами: ϕ_к; ϕ_I; ϕ_II,1; ϕ_II,3 выполнены из селенида цинка (ZnSe), линза с ϕ_II,2 - из флюарита CaF₂.

На фиг. 2 приведены графики частотно-контрастной характеристики.

Изобретение может быть использовано в телескопах космического базирования для дистанционного зондирования Земли в инфракрасной области спектра. Зеркально-линзовый объектив содержит зеркальный объектив, состоящий из главного вогнутого гиперболического зеркала и выпуклого гиперболического зеркала, линзовый проекционный объектив с оптической осью, совмещенной с оптической осью зеркального объектива. В плоскости промежуточного изображения, создаваемого зеркальным объективом, установлен коллектив в виде двояковогнутой линзы, а в плоскости его изображения - оптико-электронный приемник. Линзовый проекционный объектив выполнен из двух компонентов. Оптические силы линз удовлетворяют условиям, указанным в формуле изобретения. Объектив дополнен криостатом, а выходной зрачок объектива совмещен с окном криостата и расположен на расстоянии от оптико-электронного приемника не более 0,01÷0,02f'. Технический результат - повышение разрешающей способности за счет уменьшения аберраций в зрачках и увеличения относительного отверстия и углового поля. 2 ил.

Зеркально-линзовый объектив, содержащий зеркальный объектив, состоящий из последовательно установленных главного вогнутого зеркала и второго выпуклого зеркала гиперболической формы, линзовый проекционный объектив с оптической осью, совмещенной с оптической осью зеркального объектива, в плоскости промежуточного изображения объекта, создаваемого главным вогнутым и вторым выпуклым зеркалами, установлен коллектив, а в плоскости его изображения оптико-электронный приемник, отличающийся тем, что главное вогнутое зеркало выполнено гиперболическим, коллектив выполнен в виде двояковогнутой линзы с оптической силой ϕ_к, удовлетворяющей условию: 40 < |ϕ_к/ϕ| < 80, где ϕ - оптическая сила всего зеркально-линзового объектива, линзовый проекционный объектив выполнен из двух компонентов, первый из которых - положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, с оптической силой ϕ_I, второй компонент выполнен из трех линз, из которых первая линза - двояковыпуклая с оптической силой ϕ_II,1, вторая линза - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, с оптической силой ϕ_II,2, третья линза - положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, с оптической силой ϕ_II,3, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

20 < ϕ_I/ϕ < 40,

14 < ϕ_II,1/ϕ < 22,

4 < ϕ_II,2/ϕ < 8,

18 < ϕ_II,3/ϕ < 30,

0,8 < ϕ_I/ϕ_II < 1,2,

кроме того, объектив дополнен криостатом, а выходной зрачок объектива совмещен с окном криостата и расположен на расстоянии от оптико-электронного приемника не более 0,01÷0,02f'.