RU2212695C1 - Зеркально-линзовый объектив (варианты) - Google Patents

Abstract

Зеркально-линзовый объектив по каждому из двух вариантов содержит первый компонент, выполненный в виде плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к предмету, второй компонент, являющийся коррекционным оптическим блоком, включающий линзы, последняя из которых выполнена в виде положительного мениска с оптической силой, превышающей оптическую силу объектива в целом, с вогнутостью, обращенной к изображению, а из остальных линз по меньшей мере одна выполнена в виде мениска, и третий компонент, выполненный в виде вогнутого зеркала с отверстием в центральной зоне, с вогнутостью, обращенной к предмету. При этом в объективе, по первому варианту, в центральной зоне выпуклой поверхности первого компонента выполнено плоское вторичное зеркало, а центральная зона его второй поверхности выполнена вогнутой, с вогнутостью, обращенной к изображению. В объективе, по второму варианту, первая линза второго компонента выполнена плосковогнутой и обращена вогнутостью к предмету, а на ее плоской поверхности выполнено вторичное зеркало. Обеспечивается увеличение входной апертуры при высоком относительном отверстии, уменьшение массогабаритных характеристик, уменьшение потерь излучения за счет виньетирования и экранирования центральной зоны. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 8 ил., 3 табл.

Description

Группа изобретений относится к области оптического приборостроения, в частности к области проектирования оптических систем, и может быть использована в оптико-механической промышленности для изготовления крупногабаритных объективов видимого и ИК-диапазонов.

В ряде современных оптических систем используются объективы с большими апертурами. В связи с этим возникает необходимость поиска конструкций, обладающих улучшенными массогабаритными характеристиками. Особенно это важно при создании объективов для космической и аэрофотосъемки, а также при создании крупногабаритных объективов наземного базирования. В ряде случаев к объективам предъявляются дополнительные требования. Поскольку многие современные объективы работают совместно с фотоприемными устройствами (ФПУ), линейное поле объектива должно быть согласовано с размером приемной площадки фотоприемника. Кроме того, к объективам предъявляются еще и другие специальные требования. Например, для регистрации слабых сигналов от тепловых источников объективы должны иметь, во-первых, большую апертуру, во-вторых, их рабочий спектральный диапазон должен лежать в ИК-области (1,8-10 мкм). При этом для повышения точности сборки и юстировки желательно иметь материал объектива прозрачным в видимом диапазоне (0,5-0,7 мкм).

Известно устройство зеркально-линзового объектива с мениском Максутова (см. М. М. Русинов "Композиция оптических систем". Л., "Машиностроение", 1989, с.278), являющееся аналогом для обоих изобретений, входящих в группу. Такой объектив имеет всего два компонента: сферическое зеркало, обращенное вогнутостью к предмету, и мениск, также обращенный вогнутостями к предмету.

Однако такая зеркально-линзовая система длиннофокусная. Получить компактный, светосильный объектив, используя только один коррекционный мениск, невозможно. Так, при входной апертуре D= 200 мм объектив (М.М. Русинов "Композиция оптических систем". Л., "Машиностроение", 1989, с.278) имеет фокусное расстояние f=1000 мм.

Известна конструкция зеркально-линзового объектива для телескопической системы, работающего в ИК-диапазоне (8-12 мкм) (см. патент РФ 2093870, БИ 2, 20.01.98, МПК G 02 В 17/08, 23/00, 13/14 "Телескопическая система для ИК-излучения (варианты)"). Устройство является аналогом для обоих изобретений, входящих в группу. Объектив содержит по ходу лучей отрицательный первый мениск с вогнутой передней и выпуклой задней поверхностями, первичное зеркало с вогнутой отражающей поверхностью, выполненное с отверстием в центральной части, выпуклое вторичное зеркало и компенсатор аберраций, выполненный в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и вторичное зеркало, расположенное на более близком расстоянии от первичного зеркала, чем вторая поверхность отрицательного мениска, при этом удовлетворяются условия, при которых расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности первичного зеркала составляет 0,3-0,6 фокусного расстояния объектива, а оптическая сила компенсатора аберраций составляет 0,8-1,0 оптической силы объектива. При этом оба зеркала объектива могут быть выполнены асферическими. Объектив имеет входную апертуру до 100-150 мм. Увеличение ее свыше этих значений приводит к значительному росту аберраций, которые невозможно устранить оптимизацией объектива в рамках данного технического решения. Кроме того, линзовые элементы объектива выполнены из германия, крайняя левая допустимая длина волны для которого равна 1,8 мкм. Поэтому для выполнения требования по прозрачности объектива в видимой области необходим переход к другим материалам. Все материалы, диапазон прозрачности которых простирается в видимую область, имеют показатели преломления значительно меньшие, чем германий, показатель преломления которого 4. Поэтому одного или двух коррекционных компонентов, которые используются в предложенном решении, становится недостаточно, чтобы получить хорошее качество коррекции аберраций в объективе как на оси, так и по полю. Замена сферической поверхности одного или обоих зеркал на асферическую позволяет решить проблему компенсации монохроматических аберраций, однако, для обеспечения работы объектива в некотором спектральном диапазоне необходимы коррекционные элементы из материалов, обладающих различным ходом дисперсии. Только за счет асферизации поверхностей без изменения конструкции нельзя решить задачу компенсации хроматических аберраций.

Известна конструкция зеркально-линзового объектива для ближнего ИК-диапазона (λ₁ = 0,68, λ₂ = 0,92 мкм) (см. патент РФ 2093869, БИ 2, 20.01.98, МПК G 02 В 17/08 "Светосильный зеркально-линзовый объектив"). Устройство является аналогом для обоих изобретений, входящих в группу. Объектив содержит по ходу лучей первую положительную выпукло-плоскую линзу, на второй поверхности которой в центральной части нанесено зеркальное отражающее покрытие, которое является контрзеркалом, отрицательную менисковую линзу, обращенную вогнутостью к предмету, имеющую на второй поверхности кольцеобразное отражающее покрытие, которое является главным зеркалом, и компенсатор аберраций в сходящемся пучке лучей вблизи поверхности изображения, выполненный в виде двух положительных менисков, первый из которых обращен выпуклостью к плоскости предмета, второй к плоскости изображения. Оптическая сила компенсатора равна (1,1-1,5) оптической силы объектива. При этом объектив выполняется при условии использования для его компонентов только двух марок стекол, при этом дисперсия ν_d материала первой положительной линзы, отрицательного мениска и первой линзы компенсатора аберраций одинакова и выбирается из условия 55≤ν_d≤70, а дисперсия второй линзы компенсатора из условия 30≤ν_d≤45. Такой объектив имеет относительное отверстие D/f' до 1/1 при диаметре входной апертуры D=100 мм, угловое поле зрения в пространстве предметов 2ω= 6,6^o при коэффициенте линейного виньетирования для верхней части излучения 0,87, при этом его полевые аберрации составляют 28 мкм. Объектив имеет длину, меньшую фокусного расстояния. Однако увеличение его входной апертуры (при сохранении относительного отверстия D/f'=1/1) приводит к значительному росту осевых, а также полевых аберраций даже для меньших углов. При попытках уменьшить аберрации объектива оптимизацией радиусов и толщин возникает необходимость использования менисков с очень крутыми радиусами, что приводит к невозможности прохождения наклонных пучков через компенсатор аберраций. А при переходе к более дальнему ИК-диапазону возникают непреодолимые трудности по компенсации комы и кривизны изображения. При этом задний фокальный отрезок становится очень коротким, что не позволяет использовать объектив совместно с ФПУ, у которых входное окно вынесено вперед. Кроме того, объектив работает только в ближнем ИК-диапазоне, поскольку выполнен из материалов, крайняя правая граница спектрального диапазона которых ограничивается 2,6 мкм. Переход от стекол к другим материалам приводит к необходимости изменения конструкции объектива для осуществления возможности его работы в среднем и дальнем ИК-диапазонах.

Наиболее близким устройством к каждому заявляемому изобретению группы по совокупности признаков является зеркально-линзовый объектив "Рефлексруссар-7" (см. М. М. Русинов "Композиция оптических систем". Л., "Машиностроение", 1989, с.281-283), который состоит из пяти компонентов: первый выполнен из тяжелого стекла (типа СТК) в виде положительной плосковыпуклой линзы с плоским зеркалом, выполненным на центральной части ее передней поверхности, второй представляет собой вогнутое зеркало с отверстием в центральной части, третий - плосковогнутая линза, повернутая плоской стороной навстречу излучению, четвертый - плосковыпуклая линза, повернутая плоской стороной навстречу излучению, и пятый - плосковыпуклая линза, повернутая выпуклой стороной навстречу излучению, при этом третий, четвертый и пятый компоненты являются трехкомпонентным коррекционным блоком. Устройство принято за прототип для изобретений группы по первому и второму вариантам. Такое расположение элементов увеличивает относительное отверстие объектива и его поле зрения. Выполнение первого компонента с положительной оптической силой позволяет улучшить компенсацию хроматизма положения. Выполнение коррекционного блока с плоскими входной и выходной поверхностями, в котором воздушная линза и последняя стеклянная линза имеют конфокальные поверхности, позволяет устранять кривизну изображения, отрицательный астигматизм и повышать относительное отверстие объектива.

Это устройство имеет размер входной апертуры 250 мм, диафрагменное число 1 (относительное отверстие D/f'=1/1), фокусное расстояние f=250 мм. Объектив имеет хорошо скомпенсированные хроматические аберрации для видимого диапазона, при этом сферическая аберрация для основной длины волны не превышает 20 мкм для полной световой апертуры.

Однако использование в качестве первого компонента толстой стеклянной пластины из тяжелых стекол делает устройство тяжелым. Кроме того, такое расположение элементов в объективе приводит к потерям излучения до 35-40%. Расчеты показывают, что при увеличении входной апертуры до 500 мм первый компонент такого объектива будет весить 90 кг, если он выполнен из тяжелого стекла (например, СТК19). Даже при выполнении его из легкого крона (например, ЛК7) из-за большой толщины первый компонент будет весить 53 кг. Кроме того, при смещении рабочей длины волны в инфракрасную область при такой конструкции объектива в системе возникает хроматизм положения, оптимизация объектива выбором материалов, толщин и радиусов кривизны входящих компонентов не приводит к снижению аберраций до допустимой величины. Ход лучей в объективе, обеспечиваемый его конструкцией, не позволяет согласовать выходной диаметр пучка излучения и входной диаметр вынесенного окна ФПУ даже при введении виньетирования.

Сущность изобретений по первому и второму вариантам заключается в следующем.

Заявляемые изобретения по первому и второму вариантам направлены на создание объектива с большой входной апертурой (более 250 мм) и малыми аберрациями, имеющего улучшенные массогабаритные характеристики, позволяющего работать совместно с фотоприемными устройствами в ИК-диапазоне. Такие объективы требуются для аэрофотосъемки и наблюдений земной поверхности, при проведении экологического мониторинга, при проведении локации объектов, движущихся в атмосфере и ближнем космическом пространстве. Наблюдения часто необходимо проводить в ИК-иапазоне, однако юстировку и настройку объективов, контроль при их изготовлении более удобно вести при освещении объектива излучением видимого диапазона. При этом повышается как точность контроля каждого элемента, так и точность сборки объектива в целом. Поэтому дополнительным требованием, предъявляемым к объективу, является требование к расширению спектрального диапазона.

Единым техническим результатом, который достигается при осуществлении изобретений по первому и второму вариантам, является увеличение размера входной апертуры объектива при высоком относительном отверстии, уменьшение массогабаритных характеристик объектива, уменьшение потерь излучения, возникающих из-за виньетирования при работе совместно с ФПУ, и из-за экранирования центральной зоны, а также обеспечение возможности работы объектива в ИК-диапазоне при одновременной прозрачности в видимом диапазоне.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по первому варианту достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе, который содержит первый компонент, выполненный в виде плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к предмету, на которой в центральной зоне выполнено плоское зеркало, являющееся вторичным зеркалом, второй компонент, являющийся коррекционным оптическим блоком, включающий по меньшей мере три линзы, последняя из которых обладает положительной оптической силой, и третий компонент, являющийся главным зеркалом, выполненный в виде вогнутого зеркала с отверстием в центральной зоне, с вогнутостью, обращенной к предмету, в отличие от известного центральная зона второй поверхности первого компонента выполнена вогнутой, с вогнутостью, обращенной к изображению, последняя линза второго компонента выполнена в виде мениска с оптической силой, превышающей оптическую силу объектива в целом, с вогнутостью, обращенной к изображению, а из остальных линз второго компонента по меньшей мере одна выполнена в виде мениска, при этом толщина первого линзового компонента составляет (0,1-0,2)D, диаметр плоского зеркала составляет (0,35-0,6)D, диаметр вогнутой зоны, выполненной на второй поверхности первого компонента, равен или меньше диаметра плоского зеркала, а расстояние между второй поверхностью первого компонента и вогнутым зеркалом выбирается из условия (0,55-0,9)f', где D - входной диаметр объектива, f - фокусное расстояние объектива.

Если второй компонент выполнить с положительной оптической силой, дополнительно ввести в него плоскопараллельную пластину, расположив ее после последнего мениска, а из остальных линз второго компонента по меньшей мере две выполнить в виде менисков, обращенных вогнутостью к предмету, то уменьшается толщина каждого мениска, повышается степень коррекции полевых хроматических аберраций объектива, кроме того, возникает возможность уменьшения диаметра выходного пучка, что необходимо для уменьшения потерь из-за виньетирования при работе совместно с ФПУ. Если в объективе по меньшей мере одну из неплоских поверхностей выполнить асферической, то качество коррекции аберраций объектива повышается. При выполнении линзовых элементов объектива из материалов, прозрачных в видимой и ИК-области, достигается расширение рабочего спектрального диапазона объектива в ИК-область, при этом юстировка и настройка объектива может производиться в видимом диапазоне, что повышает точность его сборки и юстировки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по второму варианту достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе, который содержит первый компонент, выполненный в виде плосковыпуклой линзы, расположенной выпуклой поверхностью к предмету, второй компонент, являющийся коррекционным оптическим блоком, включающий линзы, первая из которых плосковогнутая, расположенная вогнутостью к изображению, а последняя обладает положительной оптической силой, третий компонент, являющийся главным зеркалом, выполненный в виде вогнутого зеркала с отверстием в центральной зоне, с вогнутостью, обращенной к предмету, в отличие от известного на плоской поверхности первой линзы второго компонента выполнено зеркало, являющееся вторичным зеркалом, а последняя линза второго компонента выполнена в виде мениска, с оптической силой, превышающей оптическую силу объектива в целом, с вогнутостью, обращенной к изображению, из остальных линз второго компонента по меньшей мере одна выполнена в виде мениска, при этом толщина первого линзового компонента составляет (0,08-0,2)D, диаметр плоского зеркала равен (0,35-0,48)D, а расстояние между второй поверхностью первого компонента и вогнутым зеркалом выбирается из условия (0,55-0,9)f', где D - входной диаметр объектива, f - фокусное расстояние объектива.

Если второй компонент выполнить с положительной оптической силой, дополнительно содержащим, по меньшей мере, еще один мениск и плоскопараллельную пластину, расположенную после последнего мениска, и при этом по меньшей мере два мениска второго компонента выполнить с вогнутостью, обращенной к предмету, повышается коррекция полевых хроматических аберраций объектива, кроме того, возникает возможность уменьшения диаметра выходного пучка, что необходимо для уменьшения потерь из-за виньетирования при работе совместно с фотоприемными устройствами. Если в объективе по меньшей мере одну из неплоских поверхностей выполнить асферической, то качество коррекции аберраций объектива повышается. При выполнении линзовых элементов объектива из материалов, прозрачных в видимой и ИК-области, достигается расширение рабочего спектрального диапазона объектива в ИК-область, при этом юстировка и настройка объектива может производиться в видимом диапазоне, что повышает точность его сборки и юстировки.

На фиг. 1 приведена оптическая схема объектива по первому варианту п.1 формулы, где 1 - первый компонент, представляющий собой плосковыпуклую линзу в периферийной зоне и плосковогнутую линзу Манжена в центральной части, 1' - плоское зеркало, выполненное в центральной зоне первой поверхности компонента 1, 1" - вогнутая поверхность, выполненная в центральной части второй поверхности компонента 1, 2 - коррекционный оптический блок, 3 - главное вогнутое зеркало с отверстием в центральной части, обращенное вогнутостью к предмету, 4, 5 - мениски, 6 - мениск с положительной оптической силой, обращенный вогнутостью к изображению, ФПУ - плоскость приемной площадки фотоприемного устройства.

На фиг.2 приведена оптическая схема объектива по первому варианту изобретения п. п. 2,4 формулы, где 1 - первый компонент, представляющий собой плосковыпуклую линзу в периферийной зоне и плосковогнутую линзу Манжена в центральной части, 1' - плоское зеркало, выполненное в центральной зоне первой поверхности компонента 1, 1" - вогнутая поверхность, выполненная в центральной части второй поверхности линзы 1, 2а - коррекционный оптический блок, обладающий положительной оптической силой, 3 - главное вогнутое зеркало с отверстием в центральной части, обращенное вогнутостью к предмету, 7 и 8 - мениски, расположенные вогнутостью к предмету, 6 - мениск с положительной оптической силой, обращенный вогнутостью к изображению, 9 - мениск, обращенный вогнутостью к изображению, 10 - плоскопараллельная пластина, ФПУ - плоскость приемной площадки фотоприемного устройства.

На фиг.3 представлены графики геометрических аберраций объектива по п.1 формулы с конструктивными данными, приведенными в табл.1: а - сферической аберрации объектива с фокусным расстоянием f'=600 мм при относительном отверстии D/f'=1/1,15, входной апертуре D=520 мм для трех длин волн: λ₀ = 2,3 мкм - кривая Y'₀, λ₁ = 1,8 мкм - кривая Y'₁, λ₂ = 3,6 мкм - кривая Y'₂; б и в - полевые аберрации для полевых углов в пространстве предметов ω= 1,0^o и 1,5^o соответственно (линейное поле 2Y'=31 мм); г - дисторсия, д - кривизна изображения Z_m для меридионального и Z_S сагиттального направлений соответственно, е - Y'₁₂ - хроматизм увеличения для первой и второй длин волн.

На фиг.4 представлены графики геометрических аберраций объектива по п.п. 2, 4 формулы с конструктивными данными, приведенными в табл.2: а - сферической аберрации объектива с f'=600 мм для относительного отверстия D/f'= 1/1,2, входной апертуры D=500 мм для трех длин волн: λ₀ = 2,3 мкм - кривая Y'₀, λ₁ = 1,8 мкм - кривая Y'₁, λ₂ = 3,6 мкм - кривая Y'₂, б и в - полевые аберрации для полевых углов в пространстве предметов ω=0,5^o и 0,8^o соответственно (линейное поле 2Y'=16 мм); г - дисторсия, д - кривизна изображения Z_m для меридионального и Z_S сагиттального направлении соответственно, е - Y'₁₂ - хроматизм увеличения для первой и второй дополнительных длин волн.

На фиг.5 приведены расчетные графики геометрической частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) объектива по п.п.,2,4 формулы с конструктивными данными, приведенными в табл.2 (а - для осевого пучка, б - для линейного поля зрения 2Y'= 11,5 мм (2ω=1^o), в - для 2Y'=16 мм (2ω=1,5^o) (пунктиром указано меридиональное направление штрихов миры, сплошной линией - сагиттальное).

На фиг.6 представлены графики геометрических аберраций объектива по п.п. 2,4 формулы с конструктивными данными, приведенными в табл.2, в котором пластина толщиной 3,5 мм из германия заменена на пластину из стекла К8 толщиной 14,9 мм, прозрачную для длины волны видимого диапазона 0,63 мкм: а - сферической аберрации для длины волны 0,63 мкм, для относительного отверстия D/f'= 1/1,2, входной апертуры D=500 мм; б и в - полевые аберрации для ω=0,5^o и 0,75^o соответственно (линейное поле 2Y'=16 мм); г - дисторсия, д - кривизна изображения Z_m для меридионального и Z_S сагиттального направлений соответственно.

На фиг. 7 приведена оптическая схема объектива по второму варианту изобретения по п.6, 8 формулы, где 11 - первый компонент, представляющий собой плосковыпуклую линзу, 12 - коррекционный оптический блок, обладающий положительной оптической силой, 13 - главное вогнутое зеркало с отверстием в центральной части, обращенное вогнутостью к предмету, 14 - плосковогнутая линза, 14' - плоское зеркало, выполненное на плоской поверхности плосковогнутой линзы 14; 15 и 17 - мениски, обращенные вогнутостями к предмету, 16 и 18 - мениски, обращенные вогнутостью к изображению, причем мениск 18 выполнен с положительной оптической силой, превышающей оптическую силу объектива в целом, 19 - плоскопараллельная пластина, ФПУ - плоскость приемной площадки фотоприемного устройства.

На фиг. 8 представлены графики геометрических аберраций объектива по п. 6,8 формулы с конструктивными данными, приведенными в табл.3: а - сферической аберрации объектива с фокусным расстоянием f'=600 мм для относительного отверстия D/f'=1/1,2, входной апертуры D=520 мм для трех длин волн: Y₀-λ₀ = 3,8 мкм, Y₁-λ₁ = 3,2 мкм, Y₂-λ₂ = 4,2 мкм, б и в - полевые аберрации для углов ω=0,5^o и 0,75^o соответственно (линейное поле 2Y'=16 мм); г - дисторсия, д - кривизна изображения Z_m для меридионального и Z_S сагиттального направлений соответственно, е - Y'₁₂ - хроматизм увеличения для первой и второй длин волн.

Оптическая схема объектива по первому варианту изобретения по п.1 формулы приведена на фиг.1. Излучение, идущее от удаленного источника, проходит через обладающую положительной оптической силой кольцевую зону компонента 1, преломляясь на его поверхностях, отражается от главного вогнутого зеркала 3, затем после двукратного прохождения через обладающую отрицательной оптической силой центральную зону компонента 1 (преломления на поверхности 1', отражения от поверхности 1" и повторного преломления на поверхности 1') излучение попадает на линзы коррекционного оптического блока 2, после которого фокусируется на фотоприемную площадку ФПУ.

Величина потерь излучения в объективе из-за экранирования центральной зоны зависит, в первую очередь, от диаметра вторичного зеркала D₁ и расстояния d_1-3 от первого компонента до главного зеркала 3 (т.е. расстояния между точками на оси: точкой, в которой вторая - плоская - поверхность первого компонента пересекает ось, и вершиной вогнутого зеркала 3). Введение в центральной части компонента 1 вогнутой поверхности 1" диаметром, равным или меньшим диаметра плоского зеркала 1', при d_1-3, выбранном из условия d_1-3= (0,55-0,9)f', позволяет отодвинуть на некоторое расстояние от компонента 1 первую линзу коррекционного линзового оптического блока при сохранении неизменными фокусного расстояния объектива f' и диаметра входной апертуры D. Это позволяет сделать все линзы коррекционного блока меньшего диаметра (они стоят в cходящемся пучке), что совместно с выбором диаметра D_1'=(0,35-0,6)D приводит к уменьшению потерь в объективе из-за уменьшения экранирования центральной части излучения без ухудшения его аберрационных характеристик при соответствующем выборе радиусов кривизны входящих в компонент 2 линзовых элементов. В предложенном решении нет необходимости выполнять первый компонент из тяжелого стекла большой толщины, как это было в прототипе, т.к. основную роль по коррекции сферической аберрации выполняет коррекционный блок 2.

Выполнение поверхности 1", приводящее к уменьшению световых диаметров линз коррекционного блока, в совокупности с выполнением компонента 1 толщиной (0,1-0,2)D приводит к уменьшению общего веса объектива по сравнению с прототипом. Длина объектива в целом при этом увеличивается незначительно (суммарная длина остается меньше фокусного расстояния). Кроме того, выполнение вогнутой поверхности в центральной части второй поверхности первого компонента при наличии плоского зеркала на его первой поверхности обеспечивает двойной проход через этот компонент, что позволяет существенно уменьшить хроматизм увеличения, повлиять на астигматизм. Выполнение во втором компоненте по меньшей мере двух линз в виде менисков в сочетании с наличием вогнутой поверхности в первом компоненте приводит к уменьшению кривизны изображения, астигматизма и комы для нескольких длин волн. А выполнение последнего мениска с положительной оптической силой, превышающей оптическую силу объектива в целом, позволяет повысить относительное отверстие объектива при одновременном уменьшении полевых аберраций выходящего излучения. Такое расположение элементов в линзовом коррекционном блоке при указанном диапазоне диаметров D_1' и расстояний d_1-3 позволяет уменьшить потери в объективе из-за экранирования до 20-25%. Кроме того, в предложенной конструкции объектива по п.1 формулы толщина первого компонента существенно уменьшена по сравнению с прототипом, он может выполняться из легкого стекла (типа ЛК), кварца или флюорита. В этом случае вес компонента 1 составляет величину 25-35 кг, что в 2-3 раза меньше веса первого компонента в прототипе при одинаковых диаметрах 520 мм. Объектив может работать как в видимом, так и в ИК-диапазоне при использовании для изготовления компонентов объектива аморфных и кристаллических материалов, прозрачных от 0,56 мкм до дальнего ИК-диапазона. Если по меньшей мере одну из неплоских поверхностей объектива выполнить асферической, то степень коррекции аберраций объектива можно повысить, доведя качество фокусировки излучения до дифракционного.

Чтобы уменьшить виньетирование при использовании объектива совместно с ФПУ, имеющим входную апертуру, расположенную на некотором расстоянии от фотоприемной площадки, необходимо обеспечить в объективе специальный ход лучей. Для этого на выходе оптической системы крайний луч наклонного пучка должен выходить на высоте по крайней мере 1,4-1,6 высоты выхода крайнего луча осевого пучка. В предложенной конструкции объектива по п.2 формулы уменьшение виньетирования обеспечивается выбором расстояния от компонента 1 до компонента 2а (фиг.2), выполнением компонента 2а с положительной оптической силой и выполнением трех или более линз компонента 2а в виде менисков с ориентацией по меньшей мере двух менисков вогнутостями к плоскости предметов. Выбором материалов менисков, их радиусов и толщин в сочетании с выбором радиусов кривизны вогнутой поверхности 1", главного зеркала 3 и выпуклой части первой поверхности первого компонента можно все аберрации в объективе довести до величины в 10-30 мкм. Потери из-за виньетирования при этом не превышают 10%.

Объектив по п.1 формулы с конструктивными данными, приведенными в табл. 1, имеет следующие характеристики: фокусное расстояние f'=600 мм, входной диаметр D= 520 мм, линейное поле 2Y'=31 мм, oтносительное отверстие 1/1,15. Объектив концентрирует 75% энергии падающего излучения в пятне диаметром 56 мкм на оси и 72% энергии в пятне диаметром 56 мкм для крайних наклонных пучков, т. е. потери на экранирование составляют 25%, а потери на виньетирование около 3%. Графики геометрических аберраций объектива приведены на фиг.3.

В таблицах: r_i - радиусы кривизны i- ой поверхности оптических компонентов, пронумерованные по ходу луча; под толщинами понимаются толщины элементов по оси, а также величины воздушных промежутков по оси между соседними поверхностями оптических элементов, взятые последовательно по ходу луча; материал - материал компонента, имеющий указанную в таблице толщину, либо воздушный промежуток.

Объектив по п. п.2,4 с конструктивными данными, приведенными в табл.2, имеет следующие характеристики: фокусное расстояние f'=600 мм, входной диаметр D= 500 мм, линейное поле 2Y'=16 мм, диаметр выходного пучка излучения, равный диаметру входного окна фотоприемника - 31,5 мм, входное окно фотоприемника расположено на расстоянии 21 мм от плоскости фоточувствительной площадки. Объектив концентрирует 81% от энергии падающего излучения в пятне диаметром 12 мкм на оси и 74% энергии в пятне диаметром 18 мкм для крайних наклонных пучков, т.е. потери на экранирование составляют 19%, а потери на виньетирование около 8%. В этом объективе толщина первого компонента составляет 0,13D (66 мм), расстояние от второй поверхности компонента 1 до вогнутого зеркала 3 составляет 0,61f' (365 мм), диаметр плоского зеркала 1' составляет примерно 0,46D (228 мм), при этом диаметр вогнутой поверхности приблизительно равен диаметру плоского зеркала и составляет величину 226,2 мм. Общая длина объектива равна 431 мм (около 0,72f'). Графики геометрических аберраций объектива приведены на фиг.4. Частотно-контрастные характеристики объектива приведены на фиг.5.

Оптическая схема объектива по второму варианту п.6,8 формулы приведена на фиг.7. Излучение, идущее от удаленного источника, проходит через компонент 11, преломляясь на его поверхностях, отражается от кольцевой зоны главного вогнутого зеркала 13, затем после двукратного прохождения через плосковогнутую линзу 14 коррекционного блока 12 (излучение преломляется на ее вогнутой поверхности, проходит через линзу, отражается от плоского зеркала 14', выполненного на ее плоской поверхности, повторно проходит через материал линзы и преломляется на вогнутой поверхности) излучение проходит через остальные элементы коррекционного блока 12 и фокусируется на фотоприемную площадку ФПУ.

Первый компонент ( 11 на фиг.7) в объективе является защитным стеклом и частично играет роль компенсатора хроматизма положения. Коррекцию сферической аберрации вогнутого (главного) зеркала 13 частично выполняет линза 14, двойной проход через который позволяет сделать его более тонким. Расположение плоского зеркала 14', экранирующего центральную зону падающего излучения, на некотором удалении от первого компонента при расстоянии между компонентом 11 и вогнутым зеркалом 13 (т.е. между точкой пересечения плоской поверхности первого компонента с осью и вершиной вогнутого зеркала 13), выбранном из условия d_11-13=(0,55-0,9)f', при соответствующем выборе радиусов кривизны линзовых элементов, входящих в коррекционный блок, позволяет приблизить к плоскости предметов первый мениск коррекционного линзового оптического блока при сохранении неизменным фокусного расстояния объектива f' и диаметра входной апертуры D. Это совместно с выполнением вторичного плоского зеркала диаметром D_14'=(0,35-0,48)D приводит к уменьшению потерь в объективе за счет уменьшения экранирования центральной части излучения. В предложенном решении первый компонент не обязательно выполнять из тяжелого стекла большой толщины. Выполнение вторичного зеркала на плоской поверхности линзы 14 в сочетании с выбором расстояния между первым компонентом и вогнутым (главным) зеркалом 13 d_11-13= (0,55-0,9)f' приводит к уменьшению толщин и диаметров линзовых компонентов коррекционного оптического блока. Это в сочетании с выполнением первого компонента толщиной (0,08-0,2)D позволяет уменьшить общий вес объектива по сравнению с прототипом. Длина объектива в целом при этом увеличивается незначительно (суммарная длина остается меньше фокусного расстояния). Выполнение в коррекционном оптическом блоке двух или более линз в виде менисков в сочетании с выбором оптимального радиуса кривизны, материала и толщины плосковогнутой линзы приводит к уменьшению кривизны изображения, астигматизма и комы для нескольких длин волн. А выполнение последнего мениска с положительной оптической силой, превышающей оптическую силу объектива в целом, позволяет повысить относительное отверстие объектива при одновременном воздействии на уменьшение полевых аберраций выходящего излучения. Такое расположение элементов в коррекционном оптическом блоке позволяет уменьшить потери в объективе из-за экранирования до 18-22%. Кроме того, в предложенной конструкции объектива толщина первого компонента существенно уменьшена по сравнению с прототипом, он может выполняться из кварца или флюорита в зависимости от рабочего спектрального диапазона. В этом случае вес первого компонента составляет величину 30-39 кг, что в 2-2,5 раза меньше веса первого компонента в прототипе при диаметре 520 мм. Объектив может работать как в видимом, так и в ИК-диапазоне при использовании для изготовления компонентов объектива аморфных и кристаллических материалов, прозрачных от 0,56 мкм до дальнего ИК-диапазона. В объективе вблизи плоскости изображения может располагаться плоскопараллельная пластина, которая стоит на выходе объектива в сходящемся пучке и частично выполняет функцию корректора сферической аберрации и хроматизма увеличения.

Если по меньшей мере одну из неплоских поверхностей объектива выполнить асферической, то степень коррекции аберраций объектива можно повысить, доведя качество фокусировки излучения до дифракционного.

Объектив, выполненный по п.п.6, 8 второго варианта формулы с конструктивными данными, приведенными в табл.3, имеет фокусное расстояние f'=600 мм, входную апертуру D=500 мм, размер плоского зеркала D_14'=0,448D=222 мм, толщину первого компонента d₁₁=0,11D=55 мм, расстояние между первым компонентом и главным зеркалом 0,608f'=365мм, относительное отверстие 1/1,2, линейное поле зрения 2Y'=16 мм, рабочий спектральный диапазон 3,2-4,2 мкм, при этом все линзовые элементы объектива прозрачны в видимой области спектра. Объектив позволяет сконцентрировать в пятне диаметром 12 мкм 81% энергии падающего излучения для осевого пучка и в пятне диаметром 18 мкм 74% энергии для крайнего наклонного пучка. Геометрические аберрации объектива приведены на фиг.8.

В таблице: r_i - радиусы кривизны i-ой поверхности оптических компонентов, пронумерованные по ходу луча; под толщинами понимаются толщины элементов по оси, а также величины воздушных промежутков по оси между соседними поверхностями оптических элементов, взятые последовательно по ходу луча; материал - материал компонента, имеющий указанную в таблице толщину, либо воздушный промежуток.

Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь такого результата.

В предложенном устройстве объектива по обоим вариантам сферические линзы, мениски и зеркала изготавливаются по традиционной технологии. При этом наибольшую сложность изготовления представляет собой первый компонент. При использовании для его изготовления стекол типа ЛК, либо кварцевого стекла проблем не возникает, поскольку современное оборудование (такое, как фрезерные станки с алмазным инструментом, специальные станки с ЧПУ, позволяющие осуществлять малоразмерным инструментом доводку как плоских, так и сферических поверхностей) позволяет изготавливать линзы и зеркала такого размера. Все остальные компоненты имеют существенно меньшие размеры (150-200 мм) и их изготовление и контроль производится по известным технологиям и методикам.

Контроль при изготовлении, сборку, центрировку и последующую юстировку удобно проводить при освещении объектива излучением видимого диапазона. При этом повышается точность установки элементов, их центрировка. Заявленный объектив, в частности, по п.1, 2, 4 при освещении его излучением видимого диапазона (например, от газового лазера с длиной волны 0,63 мкм) имеет довольно малые аберрации, а замена плоскопараллельной пластины из германия, непрозрачной в видимой области, на пластину из стекла К8 толщиной 14,9 мм, в частности, на время юстировки линзовых и зеркальных компонентов, позволяет эти аберрации свести к 20 мкм, что еще больше увеличивает точность сборки и юстировки объектива. Аберрации объектива с пластиной из К8 для излучения с длиной волны 0,63 мкм приведены на фиг.6.

Claims (8)

1. Зеркально-линзовый объектив, который содержит первый компонент, выполненный в виде плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к предмету, на которой в центральной зоне выполнено плоское зеркало, являющееся вторичным зеркалом, второй компонент, являющийся коррекционным оптическим блоком, включающий, по меньшей мере, три линзы, последняя из которых обладает положительной оптической силой, и третий компонент, являющийся главным зеркалом, выполненный в виде вогнутого зеркала с отверстием в центральной зоне, с вогнутостью, обращенной к предмету, отличающийся тем, что центральная зона второй поверхности первого компонента выполнена вогнутой, последняя линза второго компонента выполнена в виде мениска с оптической силой, превышающей оптическую силу объектива в целом, с вогнутостью, обращенной к изображению, из остальных линз второго компонента, по меньшей мере, одна выполнена в виде мениска, при этом толщина первого линзового компонента составляет (0,1-0,2)D, диаметр плоского зеркала составляет (0,35-0,6)D, диаметр вогнутой зоны, выполненной на второй поверхности первого компонента, равен или меньше диаметра плоского зеркала, а расстояние между второй поверхностью первого компонента и вогнутым зеркалом выбирается из условия (0,55-0,9)f', где D - входной диаметр объектива, f' - фокусное расстояние объектива.

2. Зеркально-линзовый объектив по п. 1, в котором второй компонент выполнен с положительной оптической силой, дополнительно содержит плоскопараллельную пластину, расположенную после последнего мениска, а из остальных линз второго компонента, по меньшей мере, две выполнены в виде менисков, обращенных вогнутостью к предмету.

3. Зеркально-линзовый объектив по любому из пп. 1 и 2, в котором, по меньшей мере, одна из неплоских поверхностей выполнена асферической.

4. Зеркально-линзовый объектив по любому из пп. 1-3, в котором линзовые элементы выполнены из материалов, прозрачных в видимой и ИК-области.

5. Зеркально-линзовый объектив, который содержит первый компонент, выполненный в виде плосковыпуклой линзы, расположенной выпуклой поверхностью к предмету, второй компонент, являющийся коррекционным оптическим блоком, включающий линзы, первая из которых плосковогнутая, расположенная вогнутостью к изображению, а последняя обладает положительной оптической силой, третий компонент, являющийся главным зеркалом, выполненный в виде вогнутого зеркала с отверстием в центральной зоне, с вогнутостью, обращенной к предмету, отличающийся тем, что на плоской поверхности первой линзы второго компонента выполнено зеркало, являющееся вторичным зеркалом, последняя линза второго компонента выполнена в виде мениска, с оптической силой, превышающей оптическую силу объектива в целом, с вогнутостью, обращенной к изображению, из остальных линз второго компонента, по меньшей мере, одна выполнена в виде мениска, при этом толщина первого линзового компонента составляет (0,08-0,2)D, диаметр плоского зеркала составляет (0,35-0,48)D, а расстояние между второй поверхностью первого компонента и вогнутым зеркалом выбирается из условия (0,55-0,9)f', где D - входной диаметр объектива, f' - фокусное расстояние объектива.

6. Зеркально-линзовый объектив по п. 5, в котором второй компонент выполнен с положительной оптической силой, дополнительно содержит плоскопараллельную пластину, расположенную после последнего мениска, к остальным линзам второго компонента дополнительно введен, по меньшей мере, один мениск, при этом, по меньшей мере, два мениска второго компонента выполнены с вогнутостью, обращенной к предмету.

7. Зеркально-линзовый объектив по любому из пп. 5 и 6, в котором, по меньшей мере, одна из неплоских поверхностей выполнена асферической.

8. Зеркально-линзовый объектив по любому из пп. 5-7, в котором линзовые элементы выполнены из материалов, прозрачных в видимой и ИК-области.

Images