АХРОМАТИЧЕСКИЙ ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ
ACHROMATIC CATADIOPTRIC LENS

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может использоваться при разработке оптических систем, работающих в широком спектральном диапазоне.
Известен зеркально-линзовый объектив (Патент РФ 2368924, опубл. 27.05.2009), содержащий вогнутое зеркало с отверстием в центральной части и рассчитанный на высокое качество изображения в расширенном спектральном диапазоне. Однако, несмотря на такое преимущество, как то, что все преломляющие элементы выполнены из стекла одной марки, спектральный диапазон недостаточно широк.
Подобным недостатком обладает рассчитанный на минимум хроматической аберрации зеркально-линзовый объектив (Патент РФ 2084935, опубл. 20.07.1997) с таким же зеркалом и вторым зеркалом, обращенным выпуклостью к первому, а также компенсатором, состоящим из мениска, обращенного вогнутостью к предмету, и положительной линзы.
Наиболее близким к предлагаемому объективу и принятым за прототип является ахроматический зеркально-линзовый объектив, предназначенный для работы в ультрафиолетовой области спектра, а также в любом другом широком спектральном диапазоне (Патент РФ №2014643, опубл. 15.06.1994). Данный объектив содержит на входе афокальный компенсатор с близкой к нулю оптической силой, состоящий из обращенного вогнутостью к предмету отрицательного мениска и положительной линзы, выполненных из одного материала, а на выходе - второй двухлинзовый компенсатор, одна линза которого представляет собой обращенный вогнутостью к изображению отрицательный мениск. Между компенсаторами, последовательно по ходу распространения лучей, расположены два зеркала, из коих первое выполнено вогнутым с отверстием в центральной части. Исправление хроматизма в прототипе обеспечивается, наряду с выполнением первого афокального компенсатора из одного стекла, расположением второго компенсатора вблизи плоскости изображения. Однако применение в сходящемся пучке лучей второго компенсатора на двух разных стеклах не позволяет осуществить такую же апохроматическую коррекцию, как при афокальном компенсаторе и значительно расширить спектральный диапазон объектива. К тому же существенно снижается круг использования матрицы приемников излучения в плоскости изображения в виду малости заднего отрезка из-за близфокального расположения второго компенсатора.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание недорогого объектива широкого спектрального диапазона с коррекцией хроматической аберрации и сохранением дифракционного качества изображения по всему полю изображения.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в расширении спектрального диапазона за счет уменьшения вторичного спектра.
Данный технический результат достигается тем, что ахроматический зеркально-линзовый объектив, содержащий на входе афокальный компенсатор с близкой к нулю оптической силой, состоящий из обращенного вогнутостью к предмету отрицательного мениска и положительной линзы, выполненных из одного материала, а на выходе - второй двухлинзовый компенсатор, одна линза которого представляет собой обращенный вогнутостью к изображению отрицательный мениск, и расположенные между компенсаторами последовательно по ходу распространения лучей два зеркала, из коих первое выполнено вогнутым с отверстием в центральной части, отличается тем, что второй компенсатор имеет отрицательную оптическую силу, входящая в его состав линза с обращенным вогнутостью к изображению отрицательным мениском является выходным элементом объектива, расположенная перед ней линза также выполнена в виде мениска, выпуклость которого обращена к выпуклости мениска выходной линзы, обе эти линзы изготовлены из того же материала, что и линзы первого компенсатора, а зеркало, установленное по ходу распространения лучей после вогнутого, является выпуклым.
Сущность изобретения поясняется чертежами, из которых на фиг. 1 представлена схема предлагаемого объектива, а на фиг. 2 и 3 - графики остаточных аберраций.
Предлагаемый объектив представляет собой зеркально-линзовую конструкцию, выполненную с использованием сферических преломляющих и отражающих поверхностей. На входе объектива (фиг. 1) расположен афокальный компенсатор с близкой к нулю оптической силой, состоящий из отрицательного мениска 1, обращенного вогнутостью к предмету, и положительной линзы 2. Оба элемента 1 и 2 выполнены из одного материала, например кварцевого стекла КВ. Последовательно по ходу распространения лучей установлены два сферических зеркала: вогнутое 3 и выпуклое 4. Зеркало 3 выполнено с отверстием в центральной части, в области которого расположен второй двухлинзовый компенсатор с первой линзой 5, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к предмету, а выпуклостью - к выпуклости второй линзы 6, выполненной также в виде мениска, только обращенного вогнутостью к изображению и являющейся выходным элементом объектива. Пластина 7 предназначена для крепления на ней зеркала 4, а с целью устранения прямых засветок в отверстие зеркала 3 вставлена конусообразная бленда 8.
Объектив работает следующим образом. Пучок лучей от предмета падает на входную поверхность мениска 1, проходит через первый компенсатор, отражается от первого вогнутого зеркала 3, вторично отражается от выпуклого зеркала 4, проходит через второй компенсатор с менискообразными линзами 5 и 6 и попадает на приемник изображения.
Радиусы вогнутого зеркала 3 и выпуклого зеркала 4, а также расстояние между зеркалами обеспечивают основные технические параметры объектива: фокусное расстояние, относительное отверстие и величину центрального экранирования, с характерными для данного сочетания параметров зеркал монохроматическими аберрациями. Появляется значительная по величине сферическая аберрация и менее существенные кома и кривизна поля изображения. Их исправление происходит благодаря наличию первого и второго компенсаторов.
В то же время наличие в схеме объектива линзовых элементов приводит к необходимости устранения хроматических аберраций. Избавление от хроматической аберрации на первом компенсаторе обеспечивается тем, что оптические силы изготовленных из одинаковых материалов линз 1 и 2 равны по величине и противоположны по знаку, так что хроматизм отрицательной линзы компенсируется хроматизмом положительной линзы. Эквивалентная оптическая сила такого компенсатора близка к нулю. Подобное решение для второго компенсатора с линзами 5 и 6 допустимо только при равенстве радиусов кривизны сферических зеркал 3 и 4. Однако, как показали расчеты, с точки зрения минимизации аберраций по полю изображения, более целесообразно наличие положительной разницы в кривизне зеркал 3 и 4 в сочетании с небольшой отрицательной оптической силой второго компенсатора. Устранение же его собственного хроматизма в данном случае достигается подбором толщин линз 5 и 6 при условии их исполнения в виде менисков с выпуклостями навстречу друг к другу.
Решение задачи исправления хроматизма при использовании в линзовых элементах одного материала позволяет исправить вторичный спектр, что особенно важно для длиннофокусных зеркально-линзовых систем. Обоснование использования одного материала в линзовых элементах объектива вытекает из следующего.
В известной формуле для оценки хроматизма
i
при суммировании по поверхностям в количестве р штук (см. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. М. - Л., ОНТИ, стр. 156, 1937), где α - угол параксиального луча с осью; h - высота луча на поверхности или тонкой линзе; n - показатель преломления стекла линзы, или в более простой формуле суммирования хроматизма по тонким компонентам в количестве k штук, разделенным воздушными промежутками , где Ф - оптическая сила линзы, C - обратная величина дисперсии материала линзы (Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. Кругера М.Я. и Панова В.А., Л., Машиностроение, стр. 157, 1967), содержится в каждом из слагаемых только одна функция, зависящая от длины волны λ. Ее можно назвать дисперсионной кривой материала. В первом случае это множитель , во втором - параметр C.
1
2
2
Таким образом, хроматизм на любой длине волны λ из спектрального диапазона λ-λ определяется суммой масштабированных ординат дисперсионной кривой. При использовании одного материала для всех линзовых элементов в заданном спектральном диапазоне масштабируется одна и та же дисперсионная кривая. Поэтому обеспечение исправления хроматизма на конце спектрального интервала для длины волны λ, автоматически приводит к устранению хроматизма и на промежуточных длинах волн.
Представленный график продольного хроматизма (фиг. 2) для объектива конкретного исполнения иллюстрирует практически полное отсутствие вторичного спектра на участке диапазона от 434 нм до 2200 нм при фокусном расстоянии объектива f=230 мм, относительном отверстии 1:3 и поле зрения 5 градусов. Для середины входного зрачка продольный хроматизм не превышает 6 мкм, что меньше дифракционной глубины резкости (14 мкм) и позволяет обеспечить исправление волновых аберраций по полю на уровне четверти длины волны (критерий Рэлея для дифракционно-ограниченных систем) в очень широком спектральном интервале длин волн (фиг. 3).