СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ КАСКАДНЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение как сверхширокополосный зеркальный объектив с широким полем зрения и высоким угловым разрешением, обеспечивающим высокое качество изображения по всему полю.
Известен зеркальный объектив, содержащий установленные по ходу лучей первое выпуклое зеркало с центральным отверстием, второе вогнутое зеркало с центральным отверстием, третье выпуклое зеркало и четвертое вогнутое с центральным отверстием, причем оптические оси первого, второго, третьего и четвертого зеркал совмещены (cм. RU 2296353 C1).
Однако этот объектив имеет ряд недостатков: не может применяться в системах регистрации акустических и радио сигналов, а также для оптических длиннофокусных систем, систем микроскопов и для систем точного репродуцирования изображений с большими полями. Кроме того, у этого объектива в силу применения только сферической оптики и проблем с дальнейшим наращиванием числа элементов, ограничен потенциал увеличения светосилы, поля и разрешения.
Техническим результатом предложенного сверхширокополосного каскадного зеркального объектива является:
- увеличение поля зрения,
- увеличение разрешения,
- увеличение светосилы,
- расширение области применения, а именно: возможность использования в системах регистрации не только оптических, но и акустических и радиоизображений.
Технический результат достигается тем, что сверхширокополосный каскадный зеркальный объектив содержит оптические каскады, включающие комбинацию зеркал, состоящих из, по меньшей мере, одной пары зеркал, имеющих осесимметричные асферические поверхности, сечения которых описываются многопараметрическими кривыми, причем кривизна зеркал подобрана таким образом, что лучи от последнего по ходу лучей зеркала строят на выходе каскада действительное изображение, являющееся источником для последующего каскада. Объектив может быть снабжен радио и (или) акустическими каскадами с соответствующими отражателями. Для параллельного приема оптических, радио и (или) акустических сигналов установлены соответствующие спектроделители и
приемники, размещенные за пределами конструктивных элементов каскадов.
На фиг.1 представлен сверхширокополосный каскадный зеркальный объектив, спектроделители, а также оптический, акустический и радио приемники.
На фиг.2 - фиг.8 представлены варианты оптических каскадов.
Каскад определяется как набор последовательно расположенных зеркал, обладающий следующими свойствами:
1. Строит промежуточное действительные изображение требуемых масштабов для передачи следующему каскаду.
Масштаб изображения за счет кривизны зеркал и размеров отверстий в их середине подбирается таким образом, чтобы лучи от изображения не экранировались элементами каскадов.
2. Влияет на аберрации, светосилу и поле создаваемого конечного изображения.
В силу свойства 1, в каскадном зеркальном объективе подобно линзовому, снимаются ограничения на число элементов. При этом изображение полностью ахроматично, в силу использования только отражательных элементов (зеркал). При группировке элементов объектива в каскады удается найти необходимый набор каскадов и их расположение относительно друг друга, при котором достигается получение требуемого технического результата.
Элементами оптических каскадов являются осесимметричные многопараметрические асферические зеркала. В частных случаях асферическое зеркало может вырождаться в сферическое, что соответствует числу параметров, равному 1, и даже в плоское, что соответствует радиусу кривизны, равному бесконечности.
На фиг.2 представлен каскад №1, состоящий из двух вогнутых зеркал 1-1 и 1-2, при этом зеркало 1-1 имеет отверстие посередине. Лучи от источника излучения попадают на вогнутое зеркало 1-1 и отражаются на вогнутое зеркало 1-2, в результате чего действительное изображение источника в зависимости от задачи строится до или за отверстием в середине вогнутого зеркала 1-1.
На фиг.3 представлен каскад №2, состоящий из двух вогнутых зеркал 2-1 и 2-2 с отверстиями посередине. Лучи от источника излучения через отверстие в центре вогнутого зеркала 2-2 попадают на вогнутое зеркало 2-1 и отражаются на вогнутое зеркало 2-2, в результате чего действительное изображение источника строится до или за отверстием в середине вогнутого зеркала 2-1.
На фиг.4 представлен каскад №3, состоящий из вогнутого зеркала 3-2, имеющего отверстие посередине, и выпуклого зеркала 3-1. Лучи от
источника излучения через отверстие в центре вогнутого зеркала 3-2 попадают на выпуклое зеркало 3-1 и отражаются на вогнутое зеркало 3-2, в результате чего действительное изображение источника строится за выпуклым зеркалом 3-1.
На фиг.5 представлен каскад №4, состоящий из выпуклого зеркала 4-2 и вогнутого зеркала 4-1, имеющего отверстие посередине. Лучи от источника излучения попадают на вогнутое зеркало 4-1 и отражаются на выпуклое зеркало 4-2, в результате чего действительное изображение источника строится до или за отверстием в середине вогнутого зеркала 4-1.
На фиг.6 представлен каскад №5, состоящий из выпуклого зеркала 5-2 и вогнутого зеркала 5-1, имеющих отверстия посередине. Лучи от источника излучения через отверстие в середине выпуклого зеркала 5-2 попадают на вогнутое зеркало 5-1 и отражаются на выпуклое зеркало 5-2, в результате чего действительное изображение источника строится до или за отверстием вогнутого зеркала 5-1 в зависимости от задачи.
Каскадные зеркальные объективы обеспечивают:
- плоское поле изображения с аберрациями не более 10 μ;
- высокую светосилу ≥1:1,5;
- широкое поле зрение до 90°;
- относительно малый максимальный диаметр;
- все элементы располагаются на одной оптической оси, что обеспечивает простоту сборки и малые массогабаритные свойства.
На фиг.1 представлена функциональная схема сверхширокополосного каскадного зеркального объектива совместно со спектроделителями, а также оптическим, акустическим и радио приемниками. Схема объектива содержит соосно расположенные каскады №1 (с зеркалами 1-1 и 1-2), №2 (с зеркалами 2-1 и 2-2) и №3 (с зеркалами 3-1 и 3-2), а также акустический отражатель 4, в качестве спектроделителя акустического излучения, акустический приемник 5, радиоотражательную сетку 6, в качестве спектроделителя радиоизлучения, приемник радиосигналов 7, приемник оптических изображений 8.
Система работает следующим образом.
Для оптических каналов.
Излучение от оптического источника падает на зеркало 1-1 каскада №1 и, последовательно преобразуясь каскадами №2 и №3, попадает на матричный приемник оптического изображения 8.
Для акустического канала.
Излучение от акустического источника падает на акустический отражатель 4, расположенный вне рабочей зоны оптического и радио излучения, и после преобразования попадает на акустический приемник 5.
Для радиоканала.
Излучение от радиоисточника падает на зеркало 1-1 каскада №1 и,
последовательно преобразуясь каскадами №2 и №3, попадает на радиоотражательную сетку 6 и подается на приемник радиосигналов 7.
Фиг.1 соответствует рассчитанному варианту объектива:
- фокусное расстояние f=50 мм;
- диаметр входного зрачка D=40 мм;
- относительное отверстие 1:1,5;
- поле зрения 2β=28°;
- разрешение не менее 100 шт/мм. При этом максимальный диаметр зеркал (зеркало 4) не превышает 120 мм.
В различных вариантах число каскадов и последовательность их расположения может меняться. Например, в варианте схемы микроскопа (фиг.7) используются два оптических каскада №4 и №5. В результате чего достигается широкое поле и высокое пространственное разрешение по источнику (порядка длины волны). Расстояние за вогнутым зеркалом второго каскада соответствует коэффициенту увеличения микроскопа. При этом в схеме микроскопа отсутствуют акустический и радиокаскады.
В варианте схемы орбитального телескопа (фиг.8) используются оптические каскады №1 и №4. В результате чего достигается широкое поле 100000×100000 элементов, высокое угловое разрешение и высокая светосила (1:2).
Преимуществами предложенного изобретения являются:
- при выполнении каскадного объектива из зеркал со сферической формой поверхностей делает его высокотехнологическим и дает возможность обеспечения высокого качества поверхностей, способных работать в УФ-диапазоне;
- при выполнении каскадного объектива из многопараметрических асферических зеркал делает возможным улучшение технических характеристик (светосилы, поля, разрешения) с минимальным количеством элементов;
- плоскость выходного изображения каскадного объектива может быть установлена за пределами границ размещения зеркал на расстоянии, достаточном для установки нескольких приемников для одновременного приема в 3-х и более диапазонах длин волн, в том числе и для размещения охлаждаемых ПК-приемников и более длинноволновых диапазонов;
- каскадный зеркальный объектив обладает потенциалом непрерывного улучшения технических характеристик за счет увеличения числа каскадов, при этом в силу свойств каскадов экранирования излучения элементами не происходит;
- каскадный зеркальный объектив обладает более широким диапазоном применений от сверхдлиннофокусных объективов для локации дальних
объектов до достаточно специфических схем микроскопов;
- при дополнении оптических каскадов акустическим и радио каскадами объектив позволяет одновременно с оптическим строить акустическое и радио изображения.
Предложенное изобретение может быть применено в спектральном и оптическом приборостроении, при создании гиперспектральных электронных систем смотрящего типа, а также при создании медицинских диагностических систем.