Способ построения трехцветных зеркально-линзовых коллиматоров-апохроматов Российский патент 2025 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании передающих объективов для оптико-электронных систем (ОЭС) коллиматорного типа, формирующих мнимое изображение объектов в бесконечности позади себя, для проверки соосности спектральных каналов и качества изображения многоспектральных ОЭС смотрящего типа.

Известен суперапохромат для широкой области спектра (патент RU 2749179 С1, МПК G02B 9/34, G02B 11/20), который включает в себя два оптически связанных линзовых компонента, разделенных воздушным промежутком. Недостатком является спектральный диапазон объектива (от 430 до 1000 нм), что не позволяет проводить работы с ОЭС инфракрасного диапазона.

Известен объектив-апохромат (патент RU 2784320 С1, МПК G02B 9/34), содержащий два двухлинзовых компонента, разделенных воздушным промежутком ck, первый компонент содержит последовательно по ходу луча расположенные двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, разделенные воздушным промежутком d₁, линзы второго компонента разделены воздушным промежутком d₃. Второй компонент состоит из последовательно по ходу луча расположенных плоско-выпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью в сторону плоско-выпуклой линзы. Основным недостатком прототипа является необходимость выполнения условие где D - диаметр входного зрачка. Это накладывает ограничения на размещение оптических компонентов, затрудняя их компоновку.

Известен четырехлинзовый апохроматический объектив (патент RU 192789 U1, G02B 9/34), содержащий два компонента, разделенных воздушным промежутком. Недостатком данного объектива является низкое относительное отверстие - не более 1:6.

Известен апохроматический объектив для широкой области спектра (патент RU 2752813 C1, G02B 9/16, G02B 9/04), содержащий два оптически связанных компонента, один из которых двояковыпуклая линза, а второй двухлинзовый, состоящий из двояковогнутой линзы и положительного мениска. Недостатком данного устройства является то, что для коррекции хроматических аберраций необходимо выполнение условий и где - это воздушные промежутки между компонентами, a f - фокусное расстояние системы, таким образом, для относительно короткофокусных систем (при мм), d₁ и d₂ не превышают 0,7 мм, что затрудняет юстировку при сборке.

Известен многоспектральный датчик с общей апертурой (патент RU 2234177 C1, H01Q 21/28), содержащий планарную моноимпульсную СВЧ-антенну и расположенные на ее неизлучающей стороне зеркальный кольцевой объектив и двухспектральный матричный фотоприемник со спектроделительным элементом и устройством охлаждения. Зеркальный кольцевой объектив образуется путем отсечения от объектива Кассегрена его периферийной части и состоит из параболического кольцевого зеркала и соосного с ним гиперболического зеркала, а разделение на спектральные каналы осуществляется с помощью спектроделительных пластин. Недостатком данного устройства является конструктивная и технологическая сложность, связанная с необходимостью изготовления усеченных асферических зеркал, а также пропорциональное снижение эффективного входного зрачка.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, принятому за прототип, является четырехканальная зеркально-линзовая оптическая система (патент RU 2615162 C1, G02B 17/08, G02B 23/04), содержащая главное вогнутое асферическое зеркало, перед которым установлен отрицательный мениск, после главного зеркала установлены линзовый компенсатор дальнего инфракрасного диапазона, первая поверхность которого является спектроделительной и пропускает дальний инфракрасный диапазон и отражает видимый, короткий инфракрасный и средний инфракрасный диапазоны, общий для видимого, короткого инфракрасного и среднего инфракрасного диапазонов двухлинзовый объектив, передняя фокальная плоскость которого смещена относительно задней фокальной плоскости зеркально-линзового объектива для образования пучков с малой угловой расходимостью, а за общим объективов расположен второй спектроделитель, после прохождения которого установлен объектив для среднего инфракрасного диапазона, а после отражения установлены общий для видимого и короткого инфракрасного диапазонов двухлинзовый компенсатор и третий спектроделитель, который в отраженном пучке передает излучение на объектив для видимого диапазона, а в проходящем передает излучение на объектив для короткого инфракрасного диапазона.

Основные недостатки прототипа:

- объектив предназначен для четырех оптических каналов, в связи с чем введен разворот оптической оси системы, что увеличивает ее поперечные размеры;

- объектив обладает относительно большой допустимой величиной смещения фокальной плоскости общего объектива относительно зеркально-линзового ±2 дптр;

- объектив содержит большое количество оптических деталей, снижающих коэффициент пропускания системы;

- объектив является приемным, за счет чего фокальные плоскости каналов разнесены между собой, что ограничивает его применение в качестве передающего, не позволяя применять один источник излучения.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение: разработка относительно простых, с точки зрения их сборки и юстировки, оптических систем, предназначенных для проверки соосности спектральных каналов и качества изображения многоспектральных ОЭС смотрящего типа с повышенным коэффициентом пропускания и качеством изображения в двух спектральных поддиапазонах.

Технический результат, достигаемый изобретением: увеличение коэффициента пропускания оптической системы, совмещение фокальных плоскостей спектральных каналов, повышение качества коррекции хроматических аберраций в двух спектральных поддиапазонах (от 0,4 до 0,9 мкм для видимого и от 5 до 10 мкм для инфракрасного диапазона), а также снижение трудоемкости при сборке и юстировке.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Способ построения трехцветных зеркально-линзовых коллиматоров-апохроматов, характеризующийся тем, что в качестве спектроделителя используется светоделительная линза, одна из поверхностей которой выполняет также функцию вторичного зеркала зеркального объектива, фокальные плоскости двух каналов совмещены в одну, а выходные зрачки каналов разнесены, при этом зрачок видимого канала находится внутри зоны центрального экранирования инфракрасного канала.

Указанный технический результат достигается тем, что в зеркальный телескоп вводится двухлинзовый объектив, при этом первая поверхность первой линзы объектива является одновременно первой поверхностью зеркального телескопа, при рассмотрении по ходу лучей.

Изобретение поясняется фигурами, где на фиг.1 показана оптическая схема трехцветного зеркально-линзового коллиматора-апохромата.

Оптическая схема включает в себя светоделительную линзу 1, линзу 2 и главное зеркало 3.

В качестве указанных блоков используются:

1 - светоделительная линза, выполняющая одновременно роль вторичного зеркала, например, асферическая (с одной асферической поверхностью высшего порядка, близкую к параболической, обращенной к предмету) из бесцветного оптического стекла марки ТФ10;

2 - линза, например, асферическая (с одной асферической поверхностью высшего порядка, близкой к параболической, обращенной к предмету) из фтористого кальция марки ФК-И;

3 - главное зеркало с отверстием в центре, например, асферическое высшего порядка, близкое к параболическому, на подложке из бесцветного оптического стекла марки К8.

Предмет располагается в передней фокальной плоскости коллиматора. В качестве предмета может выступать тест-объект произвольной формы с кварцевой галогенной лампой накаливания, которая обладает достаточной для большинства прикладных применений мощностью как в видимой, так и в средней/дальней инфракрасной области спектра. Излучение от предмета, установленного в фокальной плоскости коллиматора, передается на первую поверхность светоделительной линзы 1, которое на ней разделяется на два отдельных спектральных канала. Излучение в видимом диапазоне спектра преломляется светоделительной линзой 1 и передается на линзу 2, а излучение в инфракрасном спектре отражается от первой поверхности линзы 1 и передается на главное зеркало 3. Оба канала на выходе коллиматора формируют изображение предмета в бесконечно удаленном пространстве, в виде плоскопараллельного пучка. Отражение излучения от первой поверхности светоделительной линзы 1 в инфракрасном спектре осуществляется за счет естественных свойств ее материала. Подвижка линзы 2 вдоль оптической оси предназначена для согласования передней фокальной плоскости видимого канала с инфракрасным.

При этом выполняются соотношения:

- показатели преломления светоделительной линзы 1 и линзы 2 соответственно, для спектральной линии е;

- разница показателей преломления n₂ и n₁;

- числа Аббе светоделительной линзы 1 и линзы 2 соответственно для спектральной линии е в границах спектрального диапазона для линий F' и С'.

Спектральные линии е, F' и С' в соответствии с ГОСТ Р ИСО 7944-2013.

Например, если светоделительная линза 1 и линза 2 выполнены из бесцветного оптического стекла марки ТФ10 и фтористого кальция марки ФК-И, то:

Качество изображения, формируемое системой построенной по предлагаемому способу, продемонстрировано на фиг.2 и фиг.3. На фиг.2 показана функция концентрации энергии инфракрасного канала. На фиг.3 показана функция концентрации энергии видимого канала. Трехцветность, достигается за счет исправления хроматизма положения для видимой области спектра и отсутствием хроматических аберраций в инфракрасной области спектра.

Предлагаемый способ построения использует зеркальный телескоп для формирования изображения дифракционного качества, свободного от хроматических аберраций в инфракрасной области спектра, и линзовый объектив для формирования изображения со скорректированными хроматическими аберрациями в видимой области спектра, а разделение каналов осуществляется светоделительной линзой из состава линзового объектива.

Предлагаемый способ обеспечивает увеличение коэффициента пропускания оптической системы за счет отсутствия в схеме инфракрасных материалов с высокими показателями поглощения и применения в качестве материала светоделительной линзы бесцветного оптического стекла, которая имеет максимальный коэффициент отражения в инфракрасной области спектра без применения специфических оптических интерференционных покрытий, совмещение фокальных плоскостей спектральных каналов за счет ввода общего оптического компонента (светоделительной линзы), повышение качества коррекции хроматических аберраций в двух спектральных поддиапазонах за счет обеспечения разницы в показателях преломления в видимой области спектра и отсутствия хроматических аберраций в инфракрасной области за счет отсутствия преломляющих поверхностей, а также снижение трудоемкости при сборке и юстировке за счет снижения количества оптических деталей и совместной юстировке инфракрасного канала с видимым путем перемещения светоделительной линзы.

Первая особенность предлагаемого способа заключается в использовании зеркального объектива для формирования изображения дифракционного качества, свободного от хроматических аберраций в инфракрасном спектральном диапазоне.

Второй особенностью предлагаемого способа является наличие светоделительной линзы, расположение которой позволяет разделить излучение на два спектральных поддиапазона (для видимого и инфракрасного каналов), при этом она является первой поверхностью для обоих каналов, что упрощает совместную юстировку.

Третья особенность предлагаемого способа выражается в отсутствии специфического светоделительного интерференционного оптического покрытия на светоделительной линзе, что позволяет выделить видимое излучение из инфракрасного при сохранении положения передней фокальной плоскости.

Четвертой особенностью предлагаемого способа является разделение выходного излучения видимого и инфракрасного каналов в пространстве, что позволяет использовать коллиматор для испытания ОЭС, где видимый канал установлен за вторичным зеркалом инфракрасного зеркального или зеркально-линзового объектива.

В совокупности предлагаемый способ позволяет расширить возможности передающих оптических систем ОЭС коллиматорного типа за счет создания оптических систем с меньшими поперечными габаритными размерами, массой и с повышенными параметрами качества изображения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании передающих объективов для оптико-электронных систем коллиматорного типа, формирующих мнимое изображение объектов в бесконечности позади себя, для проверки соосности спектральных каналов и качества изображения многоспектральных ОЭС смотрящего типа. Способ построения трехцветных зеркально-линзовых коллиматоров-апохроматов характеризуется тем, что в качестве спектроделителя используется светоделительная линза, одна из поверхностей которой выполняет также функцию вторичного зеркала зеркального объектива, фокальные плоскости двух каналов совмещены в одну, а выходные зрачки каналов разнесены. При этом зрачок видимого канала находится внутри зоны центрального экранирования инфракрасного канала. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания оптической системы, совмещение фокальных плоскостей спектральных каналов, повышение качества коррекции хроматических аберраций в двух спектральных поддиапазонах, снижение трудоемкости при сборке и юстировке. 3 ил.

Способ построения трехцветных зеркально-линзовых коллиматоров-апохроматов, характеризующийся тем, что в качестве спектроделителя используется светоделительная линза, одна из поверхностей которой выполняет также функцию вторичного зеркала зеркального объектива, фокальные плоскости двух каналов совмещены в одну, а выходные зрачки каналов разнесены, при этом зрачок видимого канала находится внутри зоны центрального экранирования инфракрасного канала.