Зеркально-линзовый объектив
REFLECTOR LENS

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве приемного объектива в оптико-электронных приборах, формирующих изображения объектов земной поверхности через реальную атмосферу и работающих с фотоприемными устройствами коротковолнового ИК диапазона в аппаратуре различного назначения, например в космической аппаратуре.
Известен светосильный зеркально-линзовый объектив для использования в приборах ночного видения, состоящий их четырех компонентов (патент RU 2112257 С1, опубл. 27.05.1998) с фокусным расстоянием f'=80,95 мм, геометрическим относительным отверстием 1:1,25, эффективным относительным отверстием 1:1,45, линейным полем зрения 14,5 мм, с хорошим исправлением всех аберраций. Объектив состоит из 4 компонентов, первый компонент выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второй компонент - в виде отрицательной линзы Манжена, третий компонент - в виде выпуклого отражающего зеркала, а четвертый компонент выполнен в виде положительной линзы, при этом все компоненты выполнены из одной марки оптического стекла. По центру изображения обеспечивается высокое качество изображения (58%).
Недостатком этого светосильного зеркально-линзового объектива является низкое качество изображения по полю зрения (27%) и обеспечение коррекции в видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн (0,546-0,900 мкм).
Наиболее близким по технической сущности является зеркально-линзовый объектив (патент RU 2082195 С1, опубл. 20.06.1997) с фокусным расстоянием f'=1054,8 мм, относительным отверстием 1:11,7, угловым полем зрения 1° (линейным полем зрения 18,4 мм), с хорошим исправлением всех аберраций в видимом диапазоне длин волн, состоящий из плосковыпуклой линзы, двух прямоугольных призм, соединенных между собой по гипотенузным граням, выполненным как отражающая наклонная поверхность с центром на пересечении оптических осей первичного и вторичного зеркал, первичного вогнутого зеркала и вторичного вогнутого зеркала.
Недостатком этого зеркально-линзового объектива является недостаточное линейное поле зрения (18,4 мм для углового поля зрения 2W=1° а также наличие склеенного компонента, что снижает устойчивость к воздействию внешних температур.
Задачей настоящего изобретения является увеличение поля зрения с сохранением приемлемого качества изображения и с обеспечением стабильности фокусного расстояния зеркально-линзового объектива в коротковолновом ИК диапазоне спектра и в расширенном температурном интервале.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе, состоящем из четырех компонентов, разделенных воздушными промежутками, первый из которых содержит плосковыпуклую положительную линзу, отличающийся тем, что он содержит апертурную диафрагму, расположенную перед первым компонентом, второй компонент выполнен в виде отрицательной линзы Манжена, третий компонент - в виде наклонного плоского отражающего зеркала, четвертый компонент выполнен из двух линз, первая линза которого выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, а вторая - в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, при этом коэффициенты линейного расширения материала оправ и колец для воздушных промежутков между компонентами равны друг другу, а в зеркально-линзовом объективе имеют место соотношения:
,
где  - фокусное расстояние первой линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива;
- фокусное расстояние второй линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива.
Такой зеркально-линзовый объектив обеспечивает приемлемое качество изображения в коротковолновом ИК диапазоне спектра.
Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что четвертый компонент совместно с фотоприемным устройством выполнены подвижными вдоль оптической оси, при этом выполняется следующее соотношение:
где  - величина перемещения по оптической оси четвертого компонента и фотоприемного устройства;
- фокусное расстояние зеркально-линзового объектива.
Схема зеркально-линзового объектива по варианту 1 показана на фигуре 1.
Зеркально-линзовый объектив состоит по ходу лучей из плосковыпуклой положительной линзы 1, обращенной выпуклостью к предмету, отрицательной линзы Манжена 2, наклонного плоского отражающего зеркала 3, выпукловогнутой положительной линзы 4, выпукловогнутой отрицательной линзы 5 и плоскопараллельной пластины фотоприемника 6, которая является защитным стеклом фотоприемника ПИ.
Апертурная диафрагма АД расположена перед линзой 1.
Конструктивные данные зеркально-линзового объектива по варианту 1 приведены в таблице 1.
Схема зеркально-линзового объектива по варианту 2 показана на фигуре 2. В оптической схеме зеркально-линзового объектива по варианту 2 линзы 4, 5 и фотоприемник 6 имеют возможность перемещения вдоль оптической оси для изменения воздушного промежутка между наклонным плоским отражающим зеркалом 3 и линзой 4. При изменении этого воздушного промежутка между в пределах ±0,64 мм осуществляется термокомпенсация положения плоскости наилучшей установки и стабильность величины фокусного расстояния зеркально-линзового объектива в диапазоне температур от минус 50 до +50°С.
Таким образом, параметры вариантов исполнения зеркально-линзового объектива:
- расчетная длина волны
1,3 мкм;
- рабочий спектральный диапазон
0,9…1,7 мкм;
- фокусное расстояние
730 мм;
- линейное поле зрения
80,0 мм;
- относительное отверстие
1:4,62;
- дисторсия
0,37%
- задний фокальный отрезок
25,84 мм;
- длина по оптической оси
669,0 мм;
- масса оптических деталей
4,02 кг.
Принцип действия зеркально-линзового объектива по варианту 1 заключается в следующем:
Световой поток, исходящий из плоскости предметов, находящейся в бесконечности, проходит через зеркально-линзовый объектив и изображается в плоскости наилучшей установки, в которой находится фотоприемное устройство (не показано), цифровой сигнал с которого формирует изображение. Первый компонент, выполненный в виде плосковыпуклой положительной линзы 1, обращенной выпуклостью к предмету, в сочетании со вторым компонентом, выполненным в виде отрицательной линзы Манжена 2, компенсирует сферохроматические аберрации в заданном спектральном диапазоне (Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975, с. 355). Четвертый компонент, выполненный в виде выпукловогнутой положительной линзы 4 и выпукловогнутой отрицательной линзы 5, компенсирует астигматизм и кривизну поверхности изображения.
Для обеспечения качества изображения зеркально-линзового объектива фокусные расстояния первой и второй линз четвертого компонента должны быть разного знака, при этом должно быть выдержано следующее соотношение:
где  - фокусное расстояние первой линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива;
- фокусное расстояние второй линзы четвертого компонента зеркально-линзового объектива.
Оптическая схема зеркально-линзового объектива по варианту 1 позволяет обеспечить качество изображения в коротковолновом РЖ диапазоне спектра.
Принцип действия зеркально-линзового объектива по варианту 2 заключается в следующем:
Линзы 4 и 5 четвертого компонента совместно фотоприемным устройством (защитное стекло которого изображено поз.6) установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, что позволяет изменять воздушный промежуток «А», чем компенсируется температурный увод плоскости наилучшей установки и поддерживается стабильность величины фокусного расстояния.
Для обеспечения термокомпенсации смещения ПНУ в диапазоне температур от минус 50 до +50°С, величина перемещения второго компонента и фотоприемного устройства равна ±0,64 мм, при этом выполняется следующее соотношение:
- величина перемещения по оптической оси четвертого компонента и фотоприемного устройства;
- фокусное расстояние зеркально-линзового объектива.
Оптическая схема зеркально-линзового объектива по варианту 2 позволяет обеспечить стабильность качества изображения и величины фокусного расстояния зеркально-линзового объектива в температурном диапазоне от минус 50 до +50°С.
В оптических расчетах учтена толщина защитного стекла 6 фотоприемника. Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла фотоприемника, равную 2,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива, равную: 0,9 мкм - 0,8; 1,1 мкм - 1,0; 1,3 мкм - 1,0; 1,5 мкм - 0,8; 1,7 мкм - 0,7; 7
пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 25 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик зеркально-линзового объектива по вариантам 1 и 2:
- для точки на оси (дифракционное качество) КПК=60,9%
- для точки на оси (аберрационное качество) КПК=60,5%
м
- для точки поля 20 мм КПК =59,0%
С
КПК=58,0%
м
- для точки поля 40 мм КПК =48,7%
С
КПК=55,1%
Стабильность величины фокусного расстояния зеркально-линзового объектива по варианту 1 в зависимости от изменения температуры при этом приведены в таблице 2.
Стабильность величины фокусного расстояния зеркально-линзового объектива по варианту 2 в зависимости от изменения температуры при этом приведены в таблице 3.
8
Как видно из расчетов, зеркально-линзовый объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает приемлемую светосилу (1:4,62), большое линейное поле зрения (80 мм) и дифракционный уровень качества изображения в коротковолновом ИК диапазоне спектра и в широком температурном интервале для оптико-электронных приборов, использующих в качестве фотоприемников линейки или матрицы с размером пикселя ~ 25 мкм.