ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2023 года по МПК G01B17/08 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в оптико-электронных приборах в качестве приемного объектива, работающего в широком спектральном диапазоне 0,15÷10 мкм без перефокусировки и без использования сложных асферических поверхностей.

Известна катадиоптрическая система (патент RU 2446420 С1, опубл. 27.03.2012), состоящая из двух гиперболических зеркал и содержащая линзовый корректор в виде одной линзы из материала BaF₂, установленной вблизи фокальной плоскости. Катадиоптрическая система, выполненная с использованием зеркальной схемы Ричи-Кретьена, обеспечивает высококачественное изображение в спектральном диапазоне от 0,4 до 12,0 мкм и угловое поле зрения 1° при относительном отверстии 1:3 и фокусном расстоянии 1800 мм. Коррекция аберраций выполнена для всего рабочего спектрального диапазона.

Недостатком этой катадиоптрической системы является наличие двух асферических поверхностей, отсутствие УФ диапазона спектра, малое поле зрения (1°), малая светосила (1:3) и необходимость перефокусировки при переходе от одного спектрального диапазона к другому, что должно быть учтено или введением фокусирующей подвижки, или в конструкции поворотного устройства при сменных приемниках излучения. Изменение положения плоскости изображения для разных спектральных диапазонов обусловлено использованием одной линзы в сходящихся пучках лучей в качестве корректора полевых аберраций, чем также не обеспечивается равенство фокусных расстояний для разных спектральных диапазонов. Кроме того, катадиоптрическая система, выполненная с использованием зеркальной схемы Ричи-Кретьена, должна быть оснащена защитным элементом перед входной апертурой и блендами на главном и вторичном зеркалах для предотвращения паразитной засветки, что усложняет конструкцию оптической системы. Крепление вторичного (выпуклого) зеркала требует введения конструктивных элементов, частично перекрывающих световые пучки, внося тем самым дополнительное виньетирование.

Известна оптическая система для ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов (Владимиров В.М, Юксеев В.А., Лапухин Е.Г. Оптическая система для дистанционного зондирования в УФ-, видимом и ближнем ИК-диапазонах. Компьютерная оптика, №2, том 44, 2020), состоящая из двух гиперболических зеркал и содержащая двухлинзовый корректор в сходящихся пучках лучей, включающий в себя положительный и отрицательный элементы с равными и противоположными по знаку оптическими силами, которые изготавливаются из одной марки стекла - плавленого кварца марки КИ. Оптическая система, выполненная с использованием зеркальной схемы Ричи-Кретьена, обеспечивает фокусное расстояние 5539 мм, относительное отверстие 1:5,5 и угловое поле зрения 4° в спектральном диапазоне от 0,2 до 3,3 мкм. Двухлинзовый корректор позволяет выполнить коррекцию аберраций в одной плоскости для всего рабочего спектрального диапазона.

Недостатком этой оптической системы является наличие асферических поверхностей, малое поле зрения (4°) и малая светосила (1:5,5), ограничивающая применение в дальнем ИК-диапазоне при длинах волн свыше 3,3 мкм из-за дифракционных ограничений. Оптическая система, выполненная с использованием зеркальной схемы Ричи-Кретьена, требует установки защитного элемента перед входной апертурой и наличия бленд на главном и вторичном зеркалах для предотвращения паразитной засветки, что усложняет конструкцию оптической системы. Крепление вторичного (выпуклого) должно содержать конструктивные элементы, которые частично перекроют световые пучки и внесут дополнительное виньетирование.

Известен зеркально-линзовый объектив (Добрунов С.В., Полесский А.В., Семенченко Н.А., Смирнова Е.А., Шкетов А.И. Зеркально-линзовый объектив для измерения фотоэлектрической связи в ИК диапазоне. Труды XXIII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. - М.: ОАО «НПО Орион», 2014 г), содержащий два сферических зеркала и двухлинзовый афокальный компенсатор в параллельных пучках лучей (перед входным зрачком объектива. Зеркально-линзовый объектив, выполненный с использованием зеркальной схемы Шварцшильда, обеспечивает высокую устойчивость к засветкам и не требует применения защитных бленд перед входной апертурой. Афокальный компенсатор установлен перед входной апертурой, обеспечивает коррекцию аберраций осевого пучка и служит защитным окном. Построение изображения обеспечивается в одной плоскости как для тепловизионного, так и для видимого диапазона спектра.

Недостатком этого зеркально-линзового объектива является отсутствие УФ диапазона спектра и малое поле зрения, обусловленное метрологической спецификой применения (проведено моделирование изображения диафрагмы размером 0,2 мм). Крепление главного (выпуклого) зеркала требует введения конструктивных элементов, которые частично перекроют световые пучки и внесут дополнительное виньетирование.

Известен двухзеркальный объектив канала распознавания в оптико-электронной комплексированной системе наблюдения и распознавания, работающей в УФ, видимой и ИК областях спектра (патент RU 2305303 С2, опубл. 27.08.2007), содержащий главное зеркало, выполненное в виде кольцевого сегмента с выпуклой сферической поверхностью, апланатический корректор в виде внешней сферической зеркальной кольцевой зоны и матричный приемник излучения. Также содержится защитное окно в виде обтекателя со сферическими поверхностями и со спектральной областью прозрачности 0,235…3 мкм, которое одновременно несет на второй сферической поверхности кольцевую зону зеркального апланатического корректора. Двухзеркальный объектив канала распознавания с входным окном в виде обтекателя со сферическими поверхностями обеспечивает построение изображения в одной плоскости для всех спектральных диапазонов. При фокусном расстоянии объектива канала распознавания F=120 мм и геометрическом относительном отверстии 1:0,8 достигается поле зрения 1,5°. Вариант двухзеркального объектива канала распознавания, выполненный с использованием зеркальной схемы Шварцшильда, закрыт от внешних воздействий сферическим защитным окном, обеспечивает высокую устойчивость к засветкам и не требует применения защитных бленд.

Недостатком этого двухзеркального объектива канала распознавания является малое поле зрения (1,5°). Также усложняется конструктивное исполнение объектива, так как крепление главного (выпуклого) зеркала требует введения конструктивных элементов, которые частично перекроют световые пучки и внесут дополнительное виньетирование.

Наиболее близким по технической сущности является зеркально-линзовый объектив (патент RU 188678 U1, опубл. 22.04.2018), состоящий из двух сферических, выпуклого и вогнутого, концентрических зеркал, в центре кривизны которых находится апертурная диафрагма с установленным вблизи нее двухсклеенным апланатическим мениском, линзы которого выполнены из оптических материалов, с разностью показателей преломления для средней длины волны, не превышающей 0,001, и разностью коэффициентов средней дисперсии, превышающей 20. Зеркально-линзовый объектив выполнен с использованием зеркальной схемы Шварцшильда, обеспечивает высокую устойчивость к засветкам и не требует применения защитных бленд, позволяет создавать зеркально-линзовые объективы различного применения для видимой, УФ и ИК областей спектра. В варианте исполнения зеркально-линзового объектива его апланатический мениск выполнен с линзами из стекол марок СТК9 и ТФ4 и ахроматизирован в видимом диапазоне спектра. Фокусное расстояние составляет 100 мм, обеспечивается угловое поле зрения 20° при геометрическом относительном отверстии 1:2,5. Значение эффективного относительного отверстия достигает величины 1:2,8.

Недостатком этого зеркально-линзового объектива является необходимость изготовления разных вариантов объектива для разных спектральных диапазонов - УФ, видимого или ИК диапазона, что обусловлено использованием апланатического мениска в сходящихся пучках лучей в качестве корректора полевых аберраций, а также малое значение эффективного относительного отверстия. Зеркально-линзовый объектив, выполненный с использованием зеркальной схемы Шварцшильда, открыт для внешних воздействий и требует установки защитного элемента перед входной апертурой. Крепление сферического выпуклого зеркала требует введения конструктивных элементов, которые частично перекроют световые пучки и внесут дополнительное виньетирование, чем еще более понизят значение эффективного относительного отверстия.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение построения изображения в одной плоскости изображения для УФ, видимого и ИК диапазонов спектра от 0,15 до 10 мкм, сохранение одинаковой величины фокусного расстояния в разных спектральных диапазонах, повышение величины эффективного относительного отверстия, упрощение технологического и конструктивного исполнения зеркально-линзового объектива, обеспечение защиты входной апертуры от внешних воздействий без виньетирования элементами крепления сферического выпуклого зеркала, обеспечение необходимого качества изображения и сохранение широкого поля зрения.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе, состоящем из двух сферических зеркал, выпуклого и вогнутого, апертурной диафрагмы и апланатического корректора, выполненного из двух линз, в отличие от известного, апертурная диафрагма расположена на сферической поверхности выпуклого зеркала, апланатический корректор выполнен в виде компенсатора, близкого к афокальному и состоящего из положительной и отрицательной линз с воздушным промежутком между ними, перед входной апертурой установлен первый коррекционный элемент, выполненный в виде отрицательного выпукло-вогнутого мениска со сферическими поверхностями, который одновременно несет на второй сферической поверхности кольцевую зону вогнутого зеркала, между сферическим вогнутым зеркалом и апланатическим корректором установлен второй коррекционный элемент в виде выпукло-вогнутого мениска со сферическими поверхностями, который одновременно несет выпуклое зеркало на первой сферической поверхности, а первый и второй коррекционные элементы и линзы апланатического корректора выполнены из материала с одинаковыми показателями преломления и дисперсии, при этом в зеркально-линзовом объективе имеют место соотношения:

где: r₁ - радиус кривизны выпуклого зеркала;

r₂ - радиус кривизны вогнутого зеркала;

∅_А.Д. - диаметр апертурной диафрагмы;

∅_{Вып.зерк.} - диаметр выпуклого зеркала.

Схема зеркально-линзового объектива показана на фиг. 1.

Зеркально-линзовый объектив состоит по ходу лучей из первого коррекционного элемента 1, выпуклого зеркала 2, вогнутого зеркала 3, второго коррекционного элемента 4, первой линзы апланатического корректора 5, второй линзы апланатического корректора 6 и матричного приемника излучения с защитным стеклом 7. Апертурная диафрагма 8 расположена на сферической поверхности выпуклого зеркала 2.

Конструктивные параметры зеркально-линзового объектива приведены в таблице.

Параметры зеркально-линзового объектива следующие:

- рабочий спектральный диапазон: 0,15…10,0 мкм;

- фокусное расстояние:

- для λ_UV=0,2 мкм: F_o6=50,099 мм;

- для λ_Vis=0,6 мкм: F_об=50,087 мм.

- для λ_MWIR=1,5 мкм: F_об=50,080 мм.

- для λ_MWIR=4,0 мкм: F_об=50,06 мм.

- для λ_LWIR=8,5 мкм: F_об=49,91mm.

- угловое поле зрения: 20,3°;

- линейное поле зрения: 18,0 мм;

- геометрическое относительное отверстие: 1:2;

- эффективное относительное отверстие: 1:2,4;

- дисторсия: ~0,9%;

- виньетирование: ~33%

- длина по оптической оси: 102,4 мм.

Принцип действия зеркально-линзового объектива заключается в следующем:

Параллельные пучки света проходят через первый коррекционный элемент 1, выполненный в виде отрицательного мениска, и попадают на сферическое выпуклое зеркало 2, после отражения от которого попадают на сферическое вогнутое зеркало 3, которое является кольцевой зоной на второй сферической поверхности первого коррекционного элемента 1. Сферическое вогнутое зеркало 3 образует сходящийся пучок, в котором установлен второй коррекционный элемент 4 со сферическими поверхностями, центральная зона первой сферической поверхности которого является выпуклым зеркалом 2. После второго коррекционного элемента 4 пучки света проходят через апланатический корректор из положительной линзы 5 и отрицательной линзы 6 и окончательно сформированное изображение попадает на матричный приемник излучения с защитным стеклом 7. Апертурная диафрагма 8 расположена на сферической поверхности выпуклого зеркала, что позволяет минимизировать центральное экранирование и обеспечить высокое значение эффективного относительного отверстия. Первый и второй коррекционные элементы 1 и 2, совместно с апланатическим корректором 5 и 6, минимизируют значения хроматических аберраций в широком спектральном диапазоне от 0,5 до 10 мкм за счет того, что они выполнены из материала с одинаковыми показателями преломления и дисперсии, а выпуклое 2 и вогнутое 3 сферические зеркала формируют необходимую оптическую силу, при этом в зеркально-линзовом объективе имеют место соотношения:

где: r₁ - радиус кривизны выпуклого зеркала;

r₂ - радиус кривизны вогнутого зеркала;

∅_А.Д. - диаметр апертурной диафрагмы;

∅_{Вып.зерк.} - диаметр выпуклого зеркала.

Расположение кольцевой зоны вогнутого зеркала 3 на второй сферической поверхности первого коррекционного элемента 1 позволяет элементу 1 служить также защитным окном, чем обеспечивается защита входной апертуры от внешних воздействий. Расположение выпуклого зеркала 2 на первой сферической поверхности второго коррекционного элемента 4 исключает любое дополнительное виньетирование, так как при этом отсутствуют какие либо механические элементы крепления выпуклого зеркала 2, перекрывающие световые пучки.

Такой зеркально-линзовый объектив обеспечивает построение изображения в одной плоскости для УФ, видимого и ИК диапазонов спектра от 0,15 до 10 мкм, сохраняет одинаковую величину фокусного расстояния в разных спектральных диапазонах, повышает величину эффективного относительного отверстия, упрощает технологическое и конструктивное исполнение зеркально-линзового объектива, обеспечивает защиту входной апертуры от внешних воздействий без виньетирования элементами крепления сферического выпуклого зеркала, обеспечивает необходимое качество изображения и сохраняет широкое поле зрения.

Расчет качества изображения зеркально-линзового объектива проведен для применения с матричным фотоприемником, который имеет диаметр фотокатода ∅18 мм, разрешающую способность 40 штр/мм в спектральном диапазоне 0,15÷5,5 мкм и 20 штр/мм в спектральном диапазоне 7,5÷10,0 мкм. Расчетные значения контрастных характеристик -коэффициентов передачи контраста (КПК) зеркально-линзового объектива в одной плоскости изображения следующие: - для Δλ=0,15÷5,5 мкм:

- для точки на оси (дифракционное качество): КПК=66,9%;

- для точки на оси (аберрационное качество): КПК=57,8%;

- для крайней точки поля ∅18 мм: КПК_М=16,6%, КПК_С=23,4%. - для Δλ=7,5÷10,0 мкм:

- для точки на оси (дифракционное качество): КПК=22,0%;

- для точки на оси (аберрационное качество): КПК=12,5%;

- для точки поля ∅6 мм: КПК_М=9,8%; КПК_С=8,7%.

Поле зрения 20,3° соответствует конструктивному исполнению электронно-оптического преобразователя с алмазным фотокатодом ∅18 мм с областью чувствительности от 0,15 до 5,5 мкм, а в перспективе до дальнего ИК диапазона от 7,5 до 10,0 мкм. В варианте фотоприемника со спектральным диапазоном Δλ=7,5÷10,0 мкм возможна перефокусировка с подвижкой плоскости фотокатода на минус 0,1 мм, при этом показатели качества изображения повышаются до дифракционного уровня и составят следующие значения:

- для точки на оси (дифракционное качество): КПК=22,0%;

- для точки на оси (аберрационное качество): КПК=19,8%;

- для точки поля ∅6 мм: КПК_М=17,2%; КПК_С=16,8%.

Как видно из расчетов, зеркально-линзовый объектив, при простоте его конструкции, эффективной светосиле 1:2,4 и достаточном угловом поле зрения (20°) обеспечивает приемлемый уровень качества изображения в УФ, видимом, коротковолновом ИК, средневолновом ИК и в дальнем ИК диапазонах спектра в одной плоскости изображения без перефокусировки.

Зеркально-линзовый объектив содержит два коррекционных элемента, выпуклое и вогнутое зеркала, двухлинзовый апланатический корректор и апертурную диафрагму на сферической поверхности выпуклого зеркала, кольцевая зона вогнутого зеркала расположена на второй сферической поверхности первого коррекционного элемента, выпуклое зеркало расположено на первой сферической поверхности второго коррекционного элемента. Коррекционные элементы и линзы корректора выполнены из одинакового оптического материала. Выполняются соотношения между радиусами кривизны выпуклого и вогнутого зеркал и диаметрами апертурной диафрагмы и выпуклого зеркала. Технический результат - возможность построения изображения в одной плоскости для УФ, видимого и ИК-диапазонов спектра от 0,15 до 10 мкм с одинаковым значением величины фокусного расстояния в разных спектральных диапазонах, защита входной апертуры от внешних воздействий, крепление выпуклого зеркала без виньетирования световых пучков, повышение относительного отверстия и сохранение широкого поля зрения. 1 ил., 1 табл.

Зеркально-линзовый объектив, состоящий из двух сферических зеркал, выпуклого и вогнутого, апертурной диафрагмы и апланатического корректора, выполненного из двух линз, отличающийся тем, что апертурная диафрагма расположена на сферической поверхности выпуклого зеркала, апланатический корректор выполнен в виде компенсатора, близкого к афокальному, состоящего из положительной и отрицательной линз с воздушным промежутком между ними, перед входной апертурой установлен первый коррекционный элемент, выполненный в виде отрицательного выпукло-вогнутого мениска со сферическими поверхностями, который одновременно несет на второй сферической поверхности кольцевую зону вогнутого зеркала, между сферическим вогнутым зеркалом и апланатическим корректором установлен второй коррекционный элемент в виде выпукло-вогнутого мениска со сферическими поверхностями, который одновременно несет выпуклое зеркало на первой сферической поверхности, а первый и второй коррекционные элементы и линзы апланатического корректора выполнены из материала с одинаковыми показателями преломления и дисперсии, при этом в зеркально-линзовом объективе имеют место соотношения

где r₁ - радиус кривизны выпуклого зеркала;

r₂ - радиус кривизны вогнутого зеркала;

∅_А.Д - диаметр апертурной диафрагмы;

∅_{Вып.зерк} - диаметр выпуклого зеркала.