ТРЕХЗЕРКАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БЕЗ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к зеркальным космическим объективам, и может быть использована в оптико-электронных высокоразрешающих системах дистанционного зондирования Земли для решения широкого спектра народно-хозяйственных задач: картографирование, научные исследования и для других специальных целей.
Известна трехзеркальная оптическая система без экранирования [1], содержащая три оптически сопряженных компонента, создающих в совокупности анастигматическую оптическую систему, которая строит изображение и является внеосевой и децентрированной как по апертуре, так и по полевому углу, и в которой первый компонент с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к предмету, второй компонент - зеркало с отрицательной оптической силой, третий компонент с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к изображению, причем все три зеркала образованы поверхностями вращения с общей осью.
Недостатком данной системы является большое расстояние между первичным и вторичным зеркалами и малый задний фокальный отрезок системы, соизмеримый с расстоянием между первичным и вторичным зеркалами, что ограничивает использование фокальных блоков больших габаритов, при этом длина системы увеличивается до значений близких к значению эквивалентного фокусного расстояния.
Из известных объективов наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является трехзеркальная оптическая система без экранирования [2], содержащая три оптически сопряженных компонента, создающих в совокупности анастигматическую оптическую систему, которая строит изображение и является внеосевой и децентрированной как по апертуре, так и по полевому углу, и в которой первый компонент с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к предмету, второй компонент - зеркало с отрицательной оптической силой, третий компонент с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к изображению, все три зеркала образованы поверхностями вращения с общей осью, при этом отражающая поверхность первичного зеркала - сегмент вогнутого гиперболоида, вторичное зеркало - выпуклый эллипсоид, третичное зеркало вогнутое сферическое.
Объектив имеет увеличенный задний фокальный отрезок, примерно в 2 раза превышающий расстояние между вторичным и первичным, вторичным и третичным зеркалами, что позволяет плоским зеркалом перенести изображение между первичным и третичным зеркалами.
Недостатками приведенного объектива являются:
- ограниченная возможность исправления дисторсии (1,3 мм), при обеспечении качества изображения, близкого к дифракционному пределу;
2
2
- большая длина данного объектива, которая очень важна для телескопов высокого разрешения с большим фокусным расстоянием, определяется расстоянием между вторичным и третичным зеркалами из зависимости: dφ=0,436, где φ - эквивалентная оптическая сила системы, d - расстояние между вторичным и третичным зеркалами.
Задачей создания предлагаемой полезной модели является уменьшение габаритов зеркальной оптической системы, повышение ее точностных характеристик при сохранении качества изображения, близкого к дифракционному пределу, без центрального экранирования, с ходом лучей в пространстве изображений, близким к телецентрическому, что необходимо для обеспечения постоянства дисторсии при термических смещениях плоскости изображения и высокой равномерности освещенности по всему полю изображения.
Технический результат - использование объектива в оптико-электронном космическом аппарате с угловым рабочим полем зрения
2ω=6,5°.
Эта задача решается тем, что в трехзеркальной оптической системе без экранирования, содержащей три оптически сопряженных компонента, образующих анастигматическую оптическую систему, которая строит изображение и является внеосевой и децентрированной как по апертуре, так и по полевому углу, и в которой первый компонент с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к предмету, второй компонент - зеркало с отрицательной оптической силой, третий компонент с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к изображению, все три зеркала образованы поверхностями вращения с общей осью, при этом отражающая поверхность первичного зеркала - сегмент вогнутого гиперболоида, в отличие от прототипа вторичное зеркало - выпуклый гиперболоид и третичное зеркало - вогнутый эллипсоид, при этом оптические силы компонентов и воздушные промежутки удовлетворяют условию:
1
2
3
1,3<φ/φ<1,5 3,5<φ/φ<3,6 2,1<φ/φ<2,2
1
2
dφ=dφ=(0,32…0,38), где
φ - эквивалентная оптическая сила системы,
1
2
d, d - расстояние между первичным и вторичным, вторичным и третичным зеркалами соответственно,
1
2
3
φ, φ, φ - оптические силы первичного, вторичного, третичного зеркал соответственно,
Кроме того, в трехзеркальную оптическую систему без экранирования дополнительно введено плоское зеркало, установленное за третичным зеркалом.
2
Изменение формы поверхности вторичного зеркала и введение эллипсоидной поверхности на третичном зеркале позволило в трехзеркальной системе без экранирования создать анастигматическое, близкое к дифракционному пределу изображение, с дисторсией, не превышающей 5 мкм в пределах углового поля зрения 2ω=6,5°, с относительным отверстием до 1:10, длине оптической системы, определяемой из зависимости: dφ=(0,32…0,38) и ходе лучей близком к телецентрическому, что обеспечивает постоянство дисторсии при термических смещениях плоскости изображения в допустимых пределах с сохранением качества изображения и фокусного расстояния объектива.
Введение плоского поворотного зеркала за третичным зеркалом позволяет сократить продольные габариты трехзеркальной оптической систем и разместить приемник изображения в фокальной плоскости системы в промежутке между первичным и третичным зеркалами, вершины которых совмещены и лежат на одной оптической оси.
На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема трехзеркальной оптической системы без экранирования.
На фиг.2 приведены в качестве примера конструктивные параметры оптической системы.
На фиг.3 представлен график функции передачи модуляции, которая рассчитана при равномерном распределении спектральной эффективности в области спектра (500…800) нм.
Трехзеркальная оптическая система без экранирования содержит три оптически сопряженных компонента, образующих анастигматическую оптическую систему, которая строит изображение и является внеосевой и децентрированной как по апертуре, так и по полевому углу. Первый компонент 1 с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к предмету, второй компонент 2 - зеркало с отрицательной оптической силой, третий компонент 3 с положительной оптической силой - зеркало, обращенное вогнутостью к изображению. Все три зеркала 1-3 образованы поверхностями вращения с общей осью, при этом отражающая поверхность первичного зеркала - сегмент вогнутого гиперболоида, вторичное зеркало - выпуклый гиперболоид и третичное зеркало - вогнутый эллипсоид. Оптические силы компонентов и воздушные промежутки удовлетворяют условию:
1
2
3
1,3<φ/φ<1,5 3,5<φ/φ<3,6 2,1<φ/φ<2,2
1
2
dφ=dφ=(0,32…0,38).
Плоское поворотное зеркало 4 установлено за третичным зеркалом 3.
Пример. Оптическая система имеет следующие характеристики:
1. фокусное расстояние f'=6500 мм,
2. относительное отверстие 1:10.5,
3. угловое поле зрения 2ω=6,5°,
0
4. угол, формирующий центр изображения - ω=6°,
-1
5. значение коэффициента передачи модуляции (КПМ) на пространственной частоте 70 мм в пределах всего поля зрения - не ниже 0,4.
Работа трехзеркальной оптической системы без экранирования осуществляется следующим образом.
0
Световой поток, исходящий от бесконечно удаленного предмета под углом ω, попадает на первичное зеркало 1. После отражения от первичного зеркала 1 световой поток попадает на вторичное зеркало 2, отразившись от него, попадает на третичное зеркало 3, затем на плоское поворотное зеркало 4 и фокусируется в фокальной плоскости оптической системы, в которой устанавливаются приемники изображения. Плоское поворотное зеркало 4 позволяет перенести изображение в любое удобное место в данной конструкции, где можно расположить громоздкие приемники изображения.
2
Качество изображения близко к дифракционному пределу, дисторсия не превышает 5 мкм в пределах всего углового поля, длина данного объектива определяется расстоянием между первичным и вторичным, вторичным и третичным зеркалами из зависимости: dφ=0,336 что значительно уменьшает габариты и массу оптической системы. Ход лучей в пространстве изображений близок к телецентрическому. Имеет повышенную термоустойчивость.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Патент PU №2327194 С2, публикация 2008, МПК G02B 17/06,
2. Свидетельство на полезную модель RU №82876 U1, публикация 2009, МПК G02B 17/06, (прототип).