Светосильный зеркально-линзовый объектив космического телескопа высокого разрешения Российский патент 2024 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к зеркально-линзовым объективам, и может быть использовано в качестве объектива для космического телескопа дистанционного зондирования Земли высокого разрешения.

Отдельным направлением развития зеркально-линзовых объективов телескопов, построенных по схеме Максутова-Кассегрена, стали менисковые системы Клевцова-Кассегрена, описанные в Михельсон Н.Н., Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. - М.: Физматлит, 1995. -333 с. Характерными особенностями данных зеркально-линзовых систем с менисковым корректором в сходящемся пучке является наличие в схемах зеркала Манжена и то, что менисковый корректор имеет размер, близкий к размеру вторичного зеркала, а не главного, или, по-другому, является так называемым малоапертурным мениском.

Известен зеркально-линзовый объектив телескопа, описанный в патенте РФ №2248024, МПК G02B 23/06, G02B 17/08, опубликованном 10.03.2005. Оптическая схема указанного аналога состоит из установленных по ходу луча элементов: главного вогнутого сферического зеркала, имеющего отверстие в центральной зоне; двухлинзового корректора, включающего две одиночные линзы, первая из которых отрицательный малоапертурный мениск, а вторая линза - отрицательная, имеющая зеркальную отражающую поверхность, представляет собой зеркало Манжена; трехлинзового компенсатора внеосевых аберраций, вынесенного за вершину главного зеркала. Плоскость формирования изображения также вынесена за вершину главного зеркала объектива и расположена за трехлинзовым компенсатором. Но у данного аналога в его схеме присутствует сложный оптический элемент в виде зеркала Манжена, обладающего повышенными требованиями к качеству изготовления. При этом, у него малое угловое поле зрения - до 1,3°. Кроме того, отказ от менискового корректора с полной апертурой в пользу малоапертурного влечет за собой наложение дополнительного ограничения на размер последнего, который не должен превышать размер вторичного зеркала, что, как следствие, усложняет синтез оптической схемы объектива.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является зеркально-линзовый объектив телескопа, описанный в патенте РФ №2683820, МПК G02B 23/06, G02B 17/08, опубликованном 02.04.2019 г. Оптическая схема данного объектива состоит из: полноапертурного мениска, выполненного в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе линзового мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения; главного вогнутого осесимметричного зеркала с отверстием в центральной зоне, обращенного вогнутостью к пространству предметов и выполненного в виде отрицательной по оптической силе линзы, имеющей отражающую сферическую поверхность, представляющей собой зеркало Манжена; вторичного выпуклого зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения и закрепленного на центральную часть полноапертурного мениска с тыльной стороны так, что полноапертурный мениск и вторичное зеркало образуют единый оптический элемент; линзового компенсатора, расположенного на оптической оси за вершиной главного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и выполненного в виде осесимметричной вогнуто-плоской предфокальной линзы. Плоскость изображения находится вблизи задней поверхности крепежной системы главного зеркала. Но у данного объектива полноапертурный мениск и вторичное зеркало выполнены в виде единого элемента, а это означает отсутствие раздельной юстировки мениска и вторичного зеркала, что усложняет сборку объектива и может привести к потере качества изображения при несоблюдении жестких требований по изготовлению и по точности позиционирования данного элемента в оптической системе, и у данного объектива малое угловое поле зрения ~ 1,64°.

Задачей данного изобретения является создание зеркально-линзового объектива с относительным отверстием не менее 1:4,5 и угловым полем не менее 3° для телескопа дистанционного зондирования Земли высокого разрешения, осуществляющего высококачественную съемку земной поверхности из космоса, и с повышенной технологичностью.

Технический результат - создание светосильного зеркально-линзового объектива космического телескопа высокого разрешения с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-900 нм по всему полю зрения.

Это достигается тем, что в светосильном зеркально-линзовом объективе космического телескопа высокого разрешения, состоящем из последовательно установленных по ходу луча оптических элементов, лежащих на одной оптической оси, а именно, полноапертурного мениска, выполненного в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе линзового мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного зеркала с отверстием в центральной зоне, обращенного вогнутостью к пространству предметов, вторичного зеркала, выполненного в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, линзового компенсатора, расположенного за вершиной главного зеркала и выполненного, по крайней мере, в виде одиночной линзы, в отличие от известного, главное и вторичное зеркала выполнены в виде отдельных сферических зеркал, кроме того, вторичное зеркало и полноапертурный мениск реализованы в виде самостоятельных раздельных элементов, причем последний расположен между главным и вторичным зеркалами, а линзовый компенсатор дополнен последовательно установленными по ходу луча тремя одиночными линзовыми менисками, выполненными в виде осесимметричных отрицательных по оптической силе менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения и расположенных перед одиночной линзой, выполненной в виде осесимметричной двояковыпуклой линзы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема светосильного зеркально-линзового объектива, на фиг.2 - его полихроматическая модуляционная функция (МПФ) в спектральном диапазоне 500-900 нм для точки на оси, для зоны и края углового поля. На фиг. 3 представлена диаграмма пятна рассеяния объектива (в мкм) в спектральном диапазоне 500-900 нм для точки на оси, для зоны и края углового поля при расположении изображения в плоскости Гаусса. В качестве критерия оценки качества изображения на фиг. 3 также приведены величины среднеквадратических значений (СКЗ) радиуса пятна рассеяния (в мкм) для точки на оси, для зоны и края углового поля.

Светосильный зеркально-линзовый объектив (фиг. 1) состоит из установленных последовательно по ходу луча полноапертурного мениска 1, главного зеркала 2, вторичного зеркала 3 и линзового компенсатора, в состав которого входят одиночные мениски 4, 5, 6 и одиночная линза 7. Полноапертурный мениск 1 выполнен в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе линзового мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения и расположенного между главным зеркалом 2 и вторичным зеркалом 3. Главное зеркало 2 выполнено в виде вогнутого осесимметричного зеркала, имеющего отверстие в центральной зоне, и обращенного вогнутостью к пространству предметов. Вторичное зеркало 3 выполнено в виде осесимметричного выпуклого по ходу луча сферического зеркала и обращено выпуклостью к плоскости изображения. Линзовый компенсатор находится за вершиной главного зеркала 2 и состоит из расположенных на общей оси трех одиночных линзовых менисков 4, 5, 6 и одиночной линзы 7, причем все их рабочие поверхности сферические. Линзовый мениск 4 выполнен из оптического бесцветного стекла группы «крон» в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Линзовый мениск 5 выполнен из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Линзовый мениск 6 выполнен из оптического бесцветного стекла группы «крон» в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Линза 7 выполнена из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричной положительной по оптической силе двояковыпуклой линзы. Центры кривизны зеркал и полноапертурного мениска находятся на оптической оси зеркально-линзового объектива, центры кривизны линз линзового компенсатора находятся на общей оси, которая совпадает с оптической осью зеркально-линзового объектива.

Зеркально-линзовый объектив работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на полноапертурный мениск 1, проходит через него, затем попадает на главное зеркало 2, отражается от сферической поверхности главного зеркала 2, затем снова попадает на полноапертурный мениск 1, проходит через полноапертурный мениск 1 и попадает на вторичное зеркало 3, после чего отражается от зеркальной сферической поверхности вторичного зеркала 3, снова попадает на полноапертурный мениск 1, проходит через полноапертурный мениск 1, далее попадает на линзовый компенсатор и проходит последовательно одиночные отрицательные мениски 4, 5, 6 и одиночную двояковыпуклую линзу 7, и затем фокусируется в вынесенной за вершину главного зеркала 2 плоскости изображения.

По данному техническому решению рассчитан светосильный зеркально-линзовый объектив для космического телескопа, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

* - Для длины волны λ=632,8 нм.

** - Положение апертурной диафрагмы.

*** - Каталог оптического стекла LZOS (АО «Лыткаринский завод оптического стекла»).

**** - Положение плоскости Гаусса.

Значения величин, представленные в таблице 1, соответствуют зеркально-линзовому объективу со следующими характеристиками:

- Фокусное расстояние: 2600 мм;

- Диаметр входного зрачка: 620 мм;

- Угловое поле зрения: 4°;

- Коэффициент центрального экранирования: 0,5;

- Продольная длина объектива телескопа: 1800 мм.

Объектив имеет следующие аберрации для длины волны λ=632,8 нм и для положения изображения в плоскости Гаусса:

- Продольная сферическая аберрация не более 0,15 мм.

- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,035 мм.

- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,055 мм.

- Дисторсия не более 0,5%.

- Хроматизм положения в спектральном диапазоне 500-900 нм не более 0,15 мм.

Повышение технологичности достигается за счет того, что значения радиусов кривизны сферических поверхностей приведены к ГОСТ 1807-75, значения осевых толщин ограничены одним знаком после запятой, полноапертурный мениск 1 и вторичное зеркало 3 являются раздельными самостоятельными элементами объектива, это дает больше возможностей для его сборки и юстировки. Для обеспечения условия функционирования объектива в ограниченном пространстве космического телескопа продольная длина оптической системы ограничивается до 1800 мм, а диаметр входного зрачка до 620 мм.

Таким образом, достигнут технический результат, а именно, создан светосильный зеркально-линзовый объектив космического телескопа высокого разрешения с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-900 нм по всему полю зрения.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в качестве объектива для космического телескопа дистанционного зондирования. Светосильный зеркально-линзовый объектив состоит из установленных последовательно по ходу луча полноапертурного мениска, главного и вторичного зеркал и линзового компенсатора. Мениск выполнен в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе линзового мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения. Главное зеркало выполнено в виде осесимметричного вогнутого по ходу луча сферического зеркала с отверстием в центральной зоне, вторичное - в виде осесимметричного выпуклого по ходу луча сферического зеркала. Главное зеркало обращено вогнутостью к пространству предметов, а вторичное обращено выпуклостью к плоскости изображения. Мениск расположен между главным и вторичным зеркалами. Компенсатор вынесен за вершину главного зеркала и состоит из трех одиночных линзовых менисков, выполненных в виде осесимметричных отрицательных по оптической силе менисков, и одиночной линзы, выполненной в виде осесимметричной положительной по оптической силе двояковыпуклой линзы. Технический результат – обеспечение высокого разрешения с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-900 нм по всему полю зрения. 3 ил., 1 табл.

Светосильный зеркально-линзовый объектив космического телескопа высокого разрешения, состоящий из последовательно установленных по ходу луча оптических элементов, лежащих на одной оптической оси, а именно полноапертурного мениска, выполненного в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе линзового мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного зеркала с отверстием в центральной зоне, обращенного вогнутостью к пространству предметов, вторичного зеркала, выполненного в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, линзового компенсатора, расположенного за вершиной главного зеркала и выполненного, по крайней мере, в виде одиночной линзы, отличающийся тем, что главное и вторичное зеркала выполнены в виде отдельных сферических зеркал, кроме того, вторичное зеркало и полноапертурный мениск реализованы в виде самостоятельных раздельных элементов, причем последний расположен между главным и вторичным зеркалами, а линзовый компенсатор дополнен последовательно установленными по ходу луча тремя одиночными линзовыми менисками, выполненными в виде осесимметричных отрицательных по оптической силе менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения и расположенных перед одиночной линзой, выполненной в виде осесимметричной двояковыпуклой линзы.