Результат интеллектуальной деятельности: ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

Изобретение относится к оптическому приборостроению, и может быть использовано в оптической промышленности, и, в частности, в астрономических телескопах и особенно в оптико-электронных камерах космических телескопов и т.д.

Зеркально-линзовые объективы обычно состоят из главного вогнутого зеркала с центральным отверстием, вторичного выпуклого зеркала и линзового корректора полевых аберраций.

Сферическая аберрация и кома исправляются асферизацией главного и вторичного зеркал, придавая им гиперболоидальную форму. Полевые аберрации - астигматизм и кривизна изображения коррегируются линзовым корректором полевых аберраций (КПА), который обычно устанавливается позади главного зеркала перед фокальной плоскостью.

Известны зеркально-линзовые объективы, содержащие гиперболические главное зеркало (ГЗ) и вторичное зеркало (ВЗ), а также однолинзовый КПА с асферической поверхностью [1]. Такой корректор позволил исправить астигматизм. Для исправления кривизны изображения пришлось раздвинуть главное и вторичное зеркала. Это привело к большому коэффициенту центрального экранирования ε=0,57 и значительным продольными габаритам: расстояние d между главным и вторичным зеркалами составило 0,33f'_об, где f'_об - фокусное расстояние всего объектива, а, следовательно, к недопустимому для космического телескопа увеличению массы.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является зеркально-линзовый объектив [2], содержащий главное вогнутое зеркало гиперболической формы с центральным отверстием, вторичное выпуклое гиперболоидальное зеркало и двухкомпонентную линзовую систему, установленную позади главного зеркала перед фокальной плоскостью. Компоненты линзовой системы - одиночные линзы. Первый компонент - плосковыпуклая линза с положительной оптической силой φ_I с асферической поверхностью, второй компонент - плосковогнутая линза с отрицательной оптической силой φ_II, установленный непосредственно перед фокальной плоскостью. Оптическая сила первого компонента составляет:

где φ_об - оптическая сила всего объектива.

Расстояние между линзовыми компонентами d=0,2d₀, где d₀ - расстояние между главным и вторичным зеркалами или 0,23f'_об, где f'_об - фокусное расстояние объектива.

Недостатками такой системы являются:

- ограниченное угловое поле, не превышающее 30' с хорошим качеством изображения: RMS≤0,08λ;

- большие продольные габариты: d₀=0,23f'_об. Известно, что вес объектива и его стоимость находятся в прямой зависимости от продольных габаритов; термостабилизация - обратно пропорциональна габаритам; жесткость конструкции снижается пропорционально кубу расстояния d₀ между зеркалами;

- ограниченный спектральный интервал из-за отсутствия возможности обеспечения апохроматической коррекции аберраций.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение углового поля при дифракционно-ограниченном качестве изображения в широком спектральном интервале и обеспечение малых продольных габаритов объектива.

Для решения поставленной задачи предлагается зеркально-линзовый объектив, который, как и прототип, содержит установленные последовательно по направлению луча главное вогнутое с центральным отверстием гиперболоидальное зеркало, вторичное выпуклое гиперболоидальное зеркало и линзовую систему с оптической силой φ_л.с., выполненную из двух линзовых компонентов, первый из которых с положительной оптической силой φ_I, второй в виде одиночной линзы с отрицательной оптической силой φ_II, установленную позади главного зеркала.

В отличие от прототипа оптические силы линзовой системы и ее компонентов удовлетворяют условию:

где φ_з.с. - оптическая сила зеркальной системы, состоящей из главного и вторичного зеркал;

при этом расстояние d между компонентами удовлетворяет условию:

d=0,05÷0,06d₀,

где d₀ - расстояние между главным и вторичным зеркалами.

Кроме того, в зеркально-линзовом объективе первый компонент линзовой системы выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второй компонент, выполнен в виде двояковогнутой линзы, при этом линзы выполнены из материалов с коэффициентами дисперсий ν_I, ν_II, удовлетворяющим условию:

ν_I-ν_II=21÷27,

первая по ходу луча вогнутая поверхность второго компонента выполнена гиперболической формы.

Первый компонент линзовой системы выполнен двухлинзовым, первая линза которого - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, с отрицательной оптической силой φ_I,1, вторая линза - двояковыпуклая с положительной оптической силой φ_I,2, при этом оптические силы удовлетворяют условию:

а линзы выполнены из материалов с коэффициентами дисперсии, удовлетворяющим условиям:

ν_I,1/ν_I,2=ν_I,1/ν_II

ν_I,1-ν_I,2=ν_I,1-ν_II=12÷16

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что, благодаря предлагаемой схеме выполнения зеркально-линзового объектива, состоящего из установленных последовательно по направлению луча главного вогнутого с центральным отверстием гиперболоидального зеркала, вторичного выпуклого гиперболоидального зеркала и линзовой системы с оптической силой φ_л.с., выполненной из двух линзовых компонентов, первый из которых с положительной оптической силой φ_I, второй в виде одиночной линзы с отрицательной оптической силой φ_II, установленной позади главного зеркала, при этом оптические силы линзовой системы и ее компонентов удовлетворяют условию:

где φ_з.с. - оптическая сила зеркальной системы, состоящей из главного и вторичного зеркал;

а расстояние d между компонентами удовлетворяет условию:

d=0,05÷0,06d₀,

где d₀ - расстояние между главным и вторичным зеркалами, обеспечивается возможность уменьшения продольных габаритов системы и коррекция полевых и хроматических аберраций в широком спектральном интервале при увеличенных угловых полях объекта.

В частности, выбранные соотношения сил и расстояние d между компонентами позволяют исправить кривизну изображения и астигматизм всего объектива в целом и тем самым обеспечить хорошее качество изображения для больших углов поля 2ω≥1÷1,5°.

Линзовая система может быть выполнена либо так, что ее первый компонент представляет собой одиночный мениск, обращенный вогнутостью к изображению.

Выбор материалов линз с коэффициентами дисперсий ν_I, ν_II, удовлетворяющим условию:

ν_I-ν_II=21÷27,

выполнение первой по ходу луча вогнутой поверхности второго компонента гиперболической формы позволяет при исправлении кривизны изображения обеспечить апохроматическую коррекцию аберраций в широком спектральном интервале по всему угловому полю до 2ω=1÷1,5°.

Либо линзовая система может быть выполнена так, что ее первый компонент выполнен двухлинзовым, первая линза которого - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, с отрицательной оптической силой φ_I,1, вторая линза - двояковыпуклая с положительной оптической силой φ_I,2.

Выполнение линз с оптическими силами, удовлетворяющими условию:

из материалов с коэффициентами дисперсии, удовлетворяющим условиям:

ν_I,1/ν_I,2=ν_I,1/ν_II

ν_I,1-ν_I,2=ν_I,1-ν_II=12÷16

позволяет исправить кривизну изображения и астигматизм и обеспечить апохроматическую коррекцию в широком спектральном интервале (2 ω до 1÷1,5°).

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена оптическая схема объектива с линзовой системой, каждый компонент которой выполнен в виде одиночной линзы; на фиг.2 представлена оптическая схема объектива с линзовой системой, состоящей из двухлинзового первого компонента и одиночной линзы второго компонента, и Приложениями, в которых приведены конструктивные параметры и оптические характеристики объективов.

Зеркально-линзовый объектив состоит из главного вогнутого с центральным отверстием гиперболоидального зеркала 1, вторичного выпуклого гиперболоидального зеркала 2 и линзовой системы 3 с оптической силой φ_л.с., состоящей из первого компонента 4 с положительной оптической силой φ_I, и второго компонента 5.

Оптическая сила линзовой системы 3 φ_л.с. и ее компонентов удовлетворяют условию:

а расстояние d между ними составляет d=0,05÷0,06d₀, где d₀ - расстояние между главным 1 и вторичным 2 зеркалами.

Первый компонент 4 линзовой системы 3 (фиг.1) выполнен в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, а второй компонент 5 выполнен в виде двояковогнутой линзы. Вогнутая поверхность 6 второго компонента 5 выполнена гиперболоидальной. Линзы выполнены из материалов с коэффициентами дисперсий ν_I, ν_II, удовлетворяющим условию:

ν_I-ν_II=21÷27.

Первый компонент 4 линзовой системы 3 (фиг.2) выполнен из двух линз - мениска 7, обращенный выпуклостью к изображению, с отрицательной оптической силой φ_I,1, и двояковыпуклой линзы 8 с положительной оптической силой φ_I,2.

Оптические силы линз удовлетворяют условию:

при этом линзы выполнены из материалов с коэффициентами дисперсии, удовлетворяющим условиям:

ν_I,1/ν_I,2=ν_I,1/ν_II

ν_I,1-ν_I,2=ν_I,1-ν_II=12÷16.

Работа предлагаемого объектива осуществляется следующим образом.

Объект расположен на бесконечном расстоянии от объектива. Параллельный пучок света падает на главное зеркало 1 и фокусируется в его фокальной плоскости.

Вторичное зеркало 2, для которого мнимым объектом является изображение объекта в фокальной плоскости главного зеркала 1, изображает его в фокальную плоскость зеркальной системы, состоящей из главного 1 и вторичного 2 зеркал.

Линзовая система 3 проектирует изображение объекта из фокальной плоскости зеркальной системы в фокальную плоскость зеркально-линзового объектива с положительным увеличением, т.е. без оборачивания изображения.

Заявленные соотношения параметров, числовые диапазоны их изменения и полученные при этом технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 Номер примера Заявленные соотношения 1 2 3 1 2 3 4 5 1 -10,54 -10,84 -11,50 -0,40 -0,36 -0,35 1,48 1,45 1,44 d=0,05÷0,06d0 0,051 0,053 0,052 Оптические характеристики F'oб, м 20 20 20 2ω, угл. град. 1,0 1,0 1,0 Δλ, мкм 0,5÷0,8 0,5÷0,8 0,5÷0,8 RMS, Δ центр поля 0,03 0,04 0,04 2 край поля 0,13 0,13 0,15 -10,53 -10,87 -11,50 -0,36 -0,33 -0,23 1,47 1,42 1,35 d=0,05÷0,06d0 0,053 0,054 0,050 0,62 0,60 0,56 νI-νII=21÷27 21,95 24,20 26,37 Оптические характеристики F'oб, м 20 20 20 2ω, угл. град. 1,5 1,5 1,5

2 3 4 5 Δλ, мкм 0,5÷0,8 0,5÷0,8 0,5÷0,8 RMS, λ, центр поля 0,06 0,06 0,06 край поля 0,23 0,23 0,28 3 - 10,47 -10,92 -11,50 -0,33 -0,51 -0,48 1,38 1,57 1,54 d=0,05÷0,06d0 0,060 0,055 0,055 -1,60 -1,46 -1,54 2,53 2,38 2,46 νI,1/νI,2=νI,1/νII       νI,1/νI,2 1,4 1,3 1,3 νI,1/νII 1,3 1,4 1,4 νI,1/νI,2=νI,1/νII=12÷16       νI,1-νI,2 15,46 12,99 12,99 νI,1-νII 12,99 15,46 15,46 Оптические характеристики F'об, м 20 20 20 2ω, угл. град. 1,5 1,5 1,5 Δλ, мкм 0,5-0,8 0,5-0,8 0,5-0,8 RMS, λ центр поля 0,07 0,03 0,02 край поля 0,14 0,08 0,12

RMS - среднеквадратическое значение волновой аберрации, выраженное в долях основной длины волны излучения (λ=0,65 мкм) спектрального диапазона Δλ.

Таким образом, в предлагаемом зеркально-линзовом объективе достигнуто увеличение углового поля при дифракционно-ограниченном качестве изображения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Н.Н.Михельсон "Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета", "Физико-математическая литература", 1995, с.328-331.

2. Патент США №4101195, МПК: G02В 17/06, 23/06, 1977 - прототип.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)

ПРИЛОЖЕНИЕ 9

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ

График среднеквадратической волновой аберрации (RMS)