КАТАДИОПТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
CATADIOPTRIC SYSTEM

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании объективов, предназначенных для получения изображений высокого качества, пригодных для использования в широком диапазоне оптического спектра.
В оптическом приборостроении распространены зеркальные объективы. Они имеют ряд преимуществ, включающих относительную простоту изготовления, в том числе крупногабаритных изделий, возможность работы в широком спектральном диапазоне. Их недостатком является наличие неустранимых полевых аберраций, включающих кому, астигматизм, кривизну изображения и дисторсию. Обычно для их исправления используют афокальные корректоры из преломляющих оптических элементов. Корректор позволяет устранять полевые аберрации, но усложняет конструкцию, технологию изготовления, сборки и юстировки, уменьшает пропускание, вносит собственные искажения.
Известна катадиоптрическая (катадиоптрическая - оптическая система, включающая как зеркала, так и элементы с преломляющими свет поверхностями, например зеркально-линзовая система. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983, с. 245) система [Заявка WO 2007067701, МПК G02B 17/08, опубл. 14.06.2007.], включающая двухзеркальный объектив и двухлинзовый корректор. Первый корректирующий элемент расположен в параллельном ходе лучей перед объективом и выполнен с центральным отверстием. Прошедший через него поток излучения попадает на зеркало, которое также выполнено с центральным отверстием. Второй корректирующий элемент расположен в центральной части первого корректирующего элемента в сходящемся потоке излучения, отраженного от первого зеркала и имеет заднюю отражающую поверхность, выполняющую функции второго зеркала. Поток излучения от второго корректирующего элемента собирается в фокальной плоскости. Недостатком этой системы является то, что ее габариты ограничены доступностью материала для первого корректирующего элемента, что особенно значимо в ситуациях, когда он изготовлен из кристаллических материалов. Поэтому система не может быть выполнена крупногабаритной. Соответственно, ограничен спектральный диапазон.
Известна выбранная нами в качестве прототипа катадиоптрическая система [Небо и телескоп. Ред.-сост. В.Г.Сурдин, М.: Физматлит, 2009, с.120], включающая зеркальный объектив, выполненный из двух, имеющих форму гиперболоидов зеркал с афокальным двухлинзовым корректором. Первое (В зеркальных объективах первым считается зеркало, на которое первоначально попадает свет, т.е. первое по ходу лучей. Н.Н.Михельсон. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976, с.231.) по ходу лучей зеркало вогнуто в направлении пространства предметов, в центре его выполнено отверстие, диаметр которого меньше или равен диаметру второго по ходу лучей зеркала, обращенного выпуклой стороной к первому зеркалу. В сходящемся потоке излучения, отраженном от второго зеркала, расположен двухлинзовый корректор, прозрачный в рабочем спектральном диапазоне. В качестве материала корректора использовано оптическое стекло.
К основным недостаткам системы относится малая светосила, наличие остаточных полевых аберраций, из которых наиболее значительны кривизна поля и астигматизм. Наличие в корректоре четырех оптических поверхностей предполагает необходимость нанесения просветляющих покрытий, что вносит дополнительные ограничения в рабочий спектральный диапазон, усложняет технологию изготовления, сборки и юстировки.
Нами предложена светосильная катадиоптрическая система, обеспечивающая получение высококачественного изображения в широком спектральном диапазоне, равномерного по полю зрения в угле ±30'. Для системы применимы стандартные технологии изготовления, сборки и юстировки.
1
1
2
2
3
3
1
1
1
2
1
1-2
1-2
2-3
2-3
2
2
2
2
Такой технический результат получен нами, когда в катадиоптрической системе, включающей зеркальный объектив из двух, расположенных по ходу лучей зеркал, оптические поверхности которых выполнены гиперболическими, первое обращено вогнутой стороной к пространству предметов, второе обращено к первому выпуклой стороной, первое зеркало выполнено с центральным отверстием, диаметр D которого выбран из условия D≤D, где D - световой диаметр второго зеркала, на оптической оси объектива, вблизи его фокальной плоскости расположен изготовленный из материала, прозрачного в рабочем спектральном диапазоне, линзовый корректор, все рабочие поверхности которого сферические, а световой диаметр D выбран из условия D≤D, новым является то, что первое зеркало объектива имеет оптическую силу φ1, выбранную из условия -3,0≤φ1≤-3,2, с квадратом эксцентриситета e  выбранным из условия 1,00≤e ≤1,26, второе зеркало имеет оптическую силу φ2, выбранную из условия -8,0≤φ2≤-7,0, с квадратом эксцентриситета e , выбранным из условия 4,5≤e ≤6,5, расстояние d между первым и вторым зеркалами выбрано из условия -0,2f≤d≤-0,3f, где f - фокусное расстояние оптической системы, корректор изготовлен в форме мениска, обращенного выпуклой поверхностью ко второму зеркалу, с оптической силой φ3, выбранной из условия -2,8≤φ3≤-3,4, расположен на расстоянии d от второго зеркала, выбранном из условия 0,16f≤d≤0,3f, при этом толщина h мениска корректора выбрана из условия 0,004f≤h≤0,006f.
Фокусное расстояние обычно задается в мм.
Подходы к взаимному согласованию характеристик оптических элементов: их взаимному расположению на основе выбранной оптической схемы и фокусного расстояния - известны [1, 2, 3].
Авторам не известны светосильные катадиоптрические системы с использованием обладающего оптической силой одноэлементного линзового корректора, обеспечивающие возможность получение изображения высокого качества по всему полю зрения в диапазоне прозрачности материала корректора, в том числе выполненного из кристаллических оптических материалов.
На фигуре представлена оптическая схема предложенной системы, где первое по ходу лучей зеркало - 1, второе по ходу лучей зеркало - 2, корректор - 3;
F' - фокальная плоскость оптической системы;
1-2
d - расстояние от первого зеркала до второго;
2-3
d - расстояние от второго зеркала до корректора;
h - толщина мениска корректора.
→ - ход лучей.
Объектив работает следующим образом.
Оптическое излучение, идущее от удаленного объекта, отражаясь последовательно от зеркал 1, 2 и преломляясь в линзовом корректоре 3, фокусируется в плоскости F' изображения оптической системы. После последовательного отражения от первого и второго зеркал формируется осесимметричный сходящийся поток излучения. Традиционно, при построении оптических систем формирования изображения в качестве узла, строящего изображение, применяется зеркальный узел. Коррекционный узел выполняет вспомогательную функцию исправления остаточных полевых аберраций изображения.
1-2
1
2
2
2
Нами предложен иной подход для решения задачи. В предложенной нами катодиоптрической системе изображение строится одновременно двумя узлами, как зеркальным, так и корректирующим линзовым. Специально подобранные оптические силы обоих зеркал φ1, φ2, расстояния между ними d и значения квадратов эксцентриситета e , e  только исправляют сферическую аберрацию, дисторсию и частично - кому. Нами впервые выбран одноэлементный, специальной конструкции линзовый корректор, с оптической силой, который в совокупности с зеркальным узлом специальной конструкции, с одной стороны принимает участие в построении изображения, а с другой стороны исправляет остаточные полевые аберрации: кому, астигматизм и кривизну изображения, которые полностью исправить традиционным подходом не удается. Заметим, что вносимые таким одноэлементным линзовым корректором собственные хроматические аберрации и дисторсия малы. В частности, для линзового корректора, выполненного из фтористого бария, в спектральном диапазоне Δλ=0.4-0.8 мкм, остаточный продольный хроматизм, вносимый корректором, составляет 8 мкм. Остаточный хроматизм увеличения для угла поля зрения до ±30' составляет 16 мкм, остаточная дисторсия не превышает 1%. Эффективное исправление всех перечисленных выше аберраций позволило увеличить световые диаметры при минимальной длине оптической системы, что в свою очередь повысило светосилу и относительное отверстие объектива при существенно расширенном угле поля зрения, что ранее было недостижимо. Выбранный нами одноэлементный линзовый корректор позволяет обойтись без просветляющих оптических покрытий, что обеспечивает его повышенную устойчивость к внешним воздействиям и высокое значение пропускания объектива в широком рабочем спектральном диапазоне, который, например, для фтористого бария составляет 0,2-12,0 мкм.
Геометрические характеристики объектива, нормированные на величину фокусного расстояния, равного 1, при относительном отверстии 1:3 приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ оптического элемента на рисунке
Оптическая сила φ
Промежутки между оптическими элементами, мм
Относительный световой диаметр
1
φ1=-3.103
d<sub>1-2</sub>=-0.233
1,0
2
φ2=-7.420
d<sub>2-3</sub>=0.217
0,3
3
φ3=-3.118
-
0,087
Пример конкретного исполнения.
Исходя из выбранного спектрального диапазона, требуемого угла поля зрения, размера фотоприемного устройства и качества изображения определяют исходные требования к фокусному расстоянию, относительному отверстию, габаритным размерам объектива и величине остаточных аберраций. По известным зависимостям между оптическими характеристиками и формой оптических элементов выбирают принципиальную оптическую схему оптической системы и проводят оптический расчет. Характеристики светосильного зеркального объектива с одноэлементным линзовым корректором, выполненным из фтористого бария, в котором входной зрачок расположен на поверхности первого зеркала, пригодного для работы в спектральном диапазоне от 0,4 до 12,0 мкм, для диаметра входного зрачка, равного 600 мм, приведены в таблицах 2, 3, 4 и 5. Выбор материала линзового корректора объектива обусловлен необходимостью требуемого пропускания и исправления хроматической аберрации в рабочем спектральном диапазоне, а также доступностью монокристалла с нужными габаритами.
Таблица 2
Фокусное расстояние, мм
1800
Относительное отверстие
1:3
Угловое поле зрения, град
1
Линейное поле изображения по диагонали, мм
31,8
Коэффициент экранирования первого зеркала вторым
0.3
Отражающий материал зеркал
алюминий
Задний отрезок от линзового корректора объектива до фокальной плоскости, мм
72.04
2
2
2
2
2
2
0
1
0
2
Габаритные характеристики оптической системы приведены в таблице 3. Уравнение гиперболы поверхности первого зеркала: F(z,y)=y+2320z-0,11z=0, где y - положение точки по оси абсцисс, z - положение по оси ординат. Радиус при вершине поверхности R=-1160 мм. Квадрат эксцентриситета e =1,11. Уравнение гиперболы поверхности второго зеркала: F(z,y)=y+970,23z-4,53z=0. Радиус при вершине поверхности R=-485.15 мм. Квадрат эксцентриситета e =5,53.
Таблица 3
Наименование оптического элемента
Порядковый номерповерхности
Световой диаметр, мм
Воздушные промежутки, мм
Зеркало
1
600
di.2=- 420.0
Зеркало
2
180
d2.3=390.4
Мениск
3
51.5
толщина мениска h=8.8
4
45.5
Коэффициент экранирования первого зеркала вторым составляет 0,3, что обеспечивает допустимые потери падающего излучения по пропусканию и высокий контраст изображения. Распределение энергии в кружках рассеяния по полю для видимого спектрального диапазона от 0,4 до 0.8 мкм для различных углов наблюдения ω в сопоставлении с теоретически возможными, определяемыми дифракционными пределами, приведено в таблице 4.
Таблица 4
Концентрация энергии
Диаметр кружков рассеяния, мм
предел
ω=0°00'
ω=±0°15'
ω=±0°30'
80%
0.006
0.009
0.014
0.027
83.8%
0.007
0.011
0.015
0.031
90%
0.009
0.016
0.018
0.043
Распределение энергии в кружках рассеяния по полю для «дальнего» спектрального диапазона от 8,0 до 12,0 мкм приведено в таблице 5.
Таблица 5
Концентрация энергии
Диаметр кружков рассеяния, мм
предел
ω=0°00'
ω=±0°15'
ω=±0°30'
80%
0.090
0.090
0.092
0.096
83.8%
0.098
0.098
0.100
0.106
90%
0.132
0.134
0.134
0.159
Достоинствами заявленной катадиоптрической системы являются высокое качество изображения, сопоставимое с дифракционным, его равномерность по полю в видимом, «среднем» и «дальнем» ИК спектральном диапазонах при высокой светосиле и значительном угле поля зрения, возможность изготовления крупногабаритных изделий, доступность стандартных технологий изготовления, сборки и методик юстировки.
Литература
1. В.Н.Чуриловский. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. Л.: Машиностроение, 1968, с.291-304.
2. Г.Г.Слюсарев. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975, с.322-360.
3. Н.Н.Михельсон. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976, с.343-359.