ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЙ ВНЕОСЕВОЙ ОБЪЕКТИВ
SINGLE-MIRROR OFF-AXIS LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для создания объективов зеркальных коллиматоров и телескопов, работающих в широком диапазоне температур.
Известен зеркальный объектив солнечного лимбографа СЛ-200 [Х.И. Абдусаматов и др. Эксперимент «Астрометрия» по измерению временных вариаций формы и диаметра солнца на служебном модуле российского сегмента МКС, Известия РАН, серия физическая, 2007, том 71, №4, с. 611-616], состоящий из корпуса и размещенных в нем по ходу луча узла фокусировки, вторичного зеркала и главного зеркала, неподвижно закрепленных на корпусе.
Корпус коллиматора и зеркала выполнены из материалов с малым коэффициентом температурного расширения и высокой теплопроводностью (инвар и карбид кремния соответственно).
Такой объектив, обладая хорошей температурной стабильностью, практически не имеет перспектив быть примененным для изготовления крупногабаритных оптических систем широкого применения из-за высокой стоимости.
В крупногабаритных объективах часто применяют системы пассивной термостабилизации.
Известен зеркальный объектив с системой пассивной термостабилизации [авт. св. СССР №717693, МПК G02B 23/00, приор. 13.02.78 г.], выбранный в качестве прототипа.
Устройство включает корпус из продольных и поперечных элементов, расположенные в корпусе на оптической оси узел фокусировки, вторичное зеркало, главное зеркало, линейную беззазорную подвижку с кареткой, и стержневой привод, причем узел фокусировки и главное зеркало неподвижно установлены на корпусе, а вторичное зеркало установлено на каретке, связанной с корпусом в районе главного зеркала стержнями из материала с маленьким коэффициентом линейного расширения, при этом направляющие подвижки параллельны оптической оси, а ход подвижки зависит от межзеркального расстояния и разности коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и зеркал.
Это устройство работает следующим образом. В простейшем случае, если зеркала объектива изготовлены из материалов с маленьким коэффициентом линейного расширения (ситалл, кварц), а продольные и поперечные элементы из одинакового материала (стали, титана, алюминиевого сплава), стержни из инвара привода подвижки при изменении температуры корпуса удерживают неизменным межзеркальное расстояние, тем самым поддерживая неизменной фокусировку объектива. Такое техническое решение позволяет выполнить корпус объектива из более дешевых, технологичных и легких материалов, чем инвар, что приводит к снижению цены и повышению потребительских с качеств (уменьшению массы).
Это решение хорошо работает в осесимметричных объективах, когда для поддержания неизменной фокусировки при изменении температуры достаточно осевого перемещения вторичного зеркала.
Однако оно не пригодно в случае однозеркального внеосевого объектива-брахита, оптическая схема которого традиционно состоит из внеосевого параболического зеркала и плоского поворотного зеркала, применяемого для более удобного расположения фокальной плоскости объектива.
Нами было показано, что невозможно осуществить термостабилизацию в системах такого вида при помощи осевого перемещения элементов, когда продольные и поперечные элементы корпуса и главное зеркало выполнены из материалов с различными значениями коэффициента линейного расширения. Например, если для компенсации расфокусировки, вызванной расширением продольных и поперечных элементов корпуса, смещать в противоположном осевом направлении плоское зеркало или узел фокусировки, то наряду с фокусировкой произойдет угловое смещение визирной оси, что во многих случаях неприемлемо, например при использовании объектива в системах измерения углов;
- трудноосуществимо использование стержневого привода с малым коэффициентом температурного расширения во внеосевой схеме, поскольку он располагается между узлом фокусировки и главным зеркалом, имеет большую длину, приблизительно равную фокусному расстоянию главного зеркала, и должен не попасть в рабочий пучок.
Было обосновано, что
- перемещение элементов для термокомпенсации должно происходить под определенным углом к оптической оси, зависящим от параметров главного зеркала и материалов, из которых выполнены зеркало и корпус;
- конструктивно целесообразно использовать стержневой привод из материала с высоким коэффициентом температурного расширения, потому что он значительно меньше по габаритам, что позволяет расположить его параллельно направляющим подвижки.
Техническим эффектом заявляемого изобретения является одновременная стабилизация положения фокуса и визирной оси при изменении температуры и упрощение конструкции узла термокомпенсатора при сохранении рабочего диапазона температур. Устройство обладает высокими потребительскими качествами вследствие снижения стоимости.
Такой технический эффект получен, когда
- в однозеркальном внеосевом объективе, включающем корпус из продольных и поперечных элементов, расположенные в нем на оптической оси узел фокусировки и закрепленное на корпусе главное зеркало, установленную на корпусе беззазорную линейную подвижку с кареткой, установленное на каретке зеркало, стержневой привод подвижки, одним концом связанный с корпусом, а другим с кареткой, и закрепленное на корпусе главное зеркало, новым является то, что узел фокусировки также установлен на каретке, направляющие подвижки установлены под углом ϕ к оптической оси объектива, найденном из соотношения
ϕ=arctg Yβ/F(α-γ),
где ϕ - угол между направляющими подвижки и оптической осью, угл. град.;
Y - внеосевой параметр главного зеркала, мм;
F - фокусное расстояние главного зеркала, мм;
β - коэффициент линейного расширения материала поперечных элементов корпуса, м/К;
α - коэффициент линейного расширения материала продольных элементов корпуса, м/К;
γ - коэффициент линейного расширения материала зеркала, м/К,
а стержень привода подвижки выполнен из материала с большим коэффициентом линейного расширения,
- стержневой привод расположен под углом, равным углу расположения направляющих подвижки к оптической оси, при этом длина L стержня определена соотношением
где L - длина стержня, мм;
Y - внеосевой параметр главного зеркала, мм;
F - фокусное расстояние главного зеркала, мм;
β - коэффициент линейного расширения материала поперечных элементов корпуса, м/К;
α - коэффициент линейного расширения материала продольных элементов корпуса, м/К;
γ - коэффициент линейного расширения материала зеркала, м/К;
κ - коэффициент линейного расширения материала стержня, м/К.
Расположение фокусировочного узла и поворотного зеркала на каретке подвижки, расположенной под необходимым углом, позволяет компенсировать расфокусировку и угловое смещение выходного пучка при использовании различных материалов главного зеркала и корпуса, а использование стержневого привода из материала с высоким значением коэффициента линейного расширения, расположенного параллельно направляющим подвижки, позволяет значительно упростить конструкцию привода за счет исключения механизма передачи усилия под углом.
На чертеже приведена принципиальная схема зеркального внеосевого объектива, где  представлены корпус 1, продольные элементы 2 корпуса, поперечные элементы 3 корпуса, узел 4 фокусировки, поворотное плоское зеркало 5, главное зеркало 6, беззазорная линейная подвижка 7, каретка подвижки 8, направляющие 9 подвижки, стержневой привод 10 подвижки.
Заявленное устройство работает следующим образом.
При изменении температуры, например ее увеличении, происходит расширение продольных 2 и поперечных 3 элементов корпуса 1.
В результате линейная подвижка 7 с кареткой 8 и установленными на ней узлом фокусировки 4 и плоским поворотным зеркалом 5 будет смещаться в пространстве под углом к оптической оси, определенным формулой
ϕ=arctg Yβ/Fα,
где Y - внеосевой параметр главного зеркала, мм;
F - фокусное расстояние главного зеркала, мм;
β - коэффициент линейного расширения материала поперечных элементов корпуса, м/К;
α - коэффициент линейного расширения материала продольных элементов корпуса, м/К;
на расстояние
где Y - внеосевой параметр главного зеркала, мм;
F - фокусное расстояние главного зеркала, мм;
β - коэффициент линейного расширения материала поперечных элементов корпуса, м/К;
α - коэффициент линейного расширения материала продольных элементов корпуса, м/К;
Δ
Т - изменение температуры, К,
Происходит также смещение фокальной точки главного зеркала 6 на величину
2
Δ
Х=FγT,
где F - фокусное расстояние главного зеркала, мм;
γ - коэффициент линейного расширения материала зеркала, м/К;
Δ
Т - изменение температуры, К,
Вследствие того, что стержень 10 привода подвижки 7 установлен между корпусом 1 и кареткой 8 так, что действует встречно термическому изменению размеров корпуса, при увеличении температуры стержневой привод 10, расширяясь, перемещает каретку подвижки 8 с установленными на ней узлом фокусировки 4 и поворотным зеркалом 5 в противоположном направлении на расстояние
где Y - внеосевой параметр главного зеркала, мм;
F - фокусное расстояние главного зеркала, мм;
β - коэффициент линейного расширения материала поперечных элементов корпуса, м/К;
α - коэффициент линейного расширения материала продольных элементов корпуса, м/К;
γ - коэффициент линейного расширения материала зеркала, м/К;
Δ
Т - изменение температуры, К,
что компенсирует расширение корпуса 1 и смещение фокальной точки главного зеркала 6.
Длина стержня 10 при этом должна соответствовать соотношению
где L - длина стержня, мм;
Y - внеосевой параметр главного зеркала, мм;
F - фокусное расстояние главного зеркала, мм;
β - коэффициент линейного расширения материала поперечных элементов корпуса, м/К;
α - коэффициент линейного расширения материала продольных элементов корпуса, м/К;
γ - коэффициент линейного расширения материала зеркала, м/К;
κ - коэффициент линейного расширения материала стержня, м/К.
Таким образом, одновременное перемещение узла фокусировки 4 и плоского поворотного зеркала 5 на указанную величину под определенным углом позволяет сохранить фокусировку и положение визирной оси.
Выполнение стержневого привода 10 из материала с высоким коэффициентом линейного расширения позволило создать простую компактную конструкцию, при этом стержень располагается параллельно направляющим 9 подвижки 7, что исключает применение узла передачи усилия на каретку 8 под углом, усложняющего конструкцию, особенно беззазорную. Установка стержневого привода с малым коэффициентом температурного линейного расширения параллельно направляющим со стороны главного зеркала (как в прототипе) невозможна, так как он попадет в рабочий пучок.
В общем случае корпус 1 объектива с целью снижения веса может быть выполнен из комбинированных материалов, например, продольные элементы 2 могут быть стальными для сохранения жесткости конструкции, а поперечные элементы 3 и кожух могут быть выполнены из алюминиевого сплава с целью снижения массы.
По схеме (см.чертеж) создан опытный образец объектива коллиматора. Фокусное расстояние главного зеркала из стекла ЛК7 F'=2000 мм, световой диаметр объектива D=200 мм, внеосевой параметр зеркала Y=255 мм. Продольные элементы корпуса выполнены из калиброванной стали, поперечные элементы из сплава Д16Т.
-6
Стержневой привод 10 подвижки 7 выполнен из высокомодульного полиэтилена (коэффициент термического линейного расширения κ=200 10 м/К).
Направляющие подвижки 9 установлены под углом 19 угл. град к оптической оси объектива.
Длина стержня привода 10 подвижки составляет 80 мм.
Проведенные испытания показали, что в диапазоне температур 15-35°С, фокусировка объектива сохраняется в пределах 0,1 мм, что меньше глубины резкости объектива, а положение визирной оси сохраняет положение в пределах 6 угл. С.
Предполагается мелкосерийный выпуск коллиматорных измерительных установок на основе этого объектива, работающих в широком диапазоне температур.