ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ
CATADIOPTRIC LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в качестве объектива астрономического телескопа или зрительной трубы, предназначенных для визуального наблюдения, фото и видео регистрации наблюдаемых объектов.
Известна зеркально-линзовая система Грегори [Ceravolo, P, "All Spherical Catadoptric Gregorian Design For Meter Class Telescopes", The Society for Astronomical Sciences 22nd Annual Symposium on Telescope Science, 2003, c.39-44], состоящая из двух вогнутых зеркал и пары линзовых компонентов, расположенных по обе стороны от плоскости промежуточного изображения.
Недостатками этой системы являются малые угол поля зрения и величина относительного отверстия, которые ограничены остаточными аберрациями.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является зеркально-линзовый объектив [патент США №3529888, 1970, Catadioptric optical system for telescopes and the like, Fig.3, Table 3], состоящий из оптически связанных расположенных по ходу лучей четырех компонентов: главного зеркала, вторичного зеркала с внутренним отражением (линза Манжена), расположенного вблизи плоскости промежуточного изображения третьего компонента, оборачивающей системы. Третий компонент выполнен в виде одиночной плоско-выпуклой линзы. Оборачивающий компонент выполнен трехлинзовым и состоит из двух одинаковых плоско-выпуклых линз, обращенных плоскими сторонами навстречу друг другу, между которыми расположена третья двояковогнутая линза. Система обеспечивает прямое изображение, преломляющие и отражающие поверхности сферические, линзы выполнены из двух марок оптических стекол с одинаковым коэффициентом основной средней дисперсии.
Недостатками наиболее близкого аналога являются малые величины относительного отверстия, равного 1/8, и углового поля, а также ограниченный рабочий спектральный диапазон от 0,44 до 0,65 мкм, недостаточный для нужд фото и видео регистрации.
Конструктивное исполнение компонентов наиболее близкого аналога, использованние двух сортов стекол о одинаковым коэффициентом основной средней дисперсии не позволяют уменьшить число линз, повысить относительное отверстие при сохранении высокого качества изображения. Расширение спектрального диапазона у этой системы затруднено из-за недостаточных коррекционных возможностей третьего компонента. Итак, устранение указанных недостатков в наиболее близком аналоге невозможно без существенного изменения устройства оптической системы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание конструкции зеркально-линзового объектива с высокими техническими характеристиками, который может использоваться в качестве объектива астрономического телескопа или зрительной трубы, предназначенных для визуального наблюдения, фото и видео регистрации наблюдаемых объектов.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в расширении рабочего спектрального диапазона, повышении относительного отверстия и увеличении углового поля оптической системы при сохранении высокого качества изображения.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что зеркально-линзовый объектив состоит из оптически связанных расположенных по ходу лучей компонентов: главного зеркала, вторичного зеркала с внутренним отражением, расположенного вблизи плоскости промежуточного изображения третьего компонента, оборачивающей системы, обеспечивающей прямое изображение, причем, все преломляющие и отражающие поверхности выполнены сферическими, но в отличие от наиболее близкого аналога, третий компонент системы выполнен в виде двух близко расположенных положительной и отрицательной линз, оборачивающая система состоит из двух линз, одна из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй двояковыпуклой линзе, при этом показатели преломления и коэффициенты основной средней дисперсии материалов линз, расположенных по ходу лучей, могут удовлетворять удовлетворять соотношению (1):
1
2
3
4
5
1,61<n<1,67; 1,61<n<1,67; 1,78<n<1,91; 1,57<n<1,65; 1,70<n<1,81;
1
2
3
4
5
54<ν<61; 55<ν<64; 22<ν<41; 33<ν<55; 40<ν<54.
В первом исполнении положительная и отрицательная линзы третьего компонента системы выполнены в виде менисков, обращенных вогнутыми сторонами к плоскости промежуточного изображения.
Во втором исполнении положительная линза третьего компонента системы выполнена двояковыпуклой, а отрицательная линза того же компонента выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости промежуточного изображения.
Выполнение третьего компонента системы в виде двух близко расположенных положительной и отрицательной линз позволяет осуществить лучшую коррекцию аберраций астигматизма и кривизны изображения и увеличить угловое поле системы.
Выполнение оборачивающей системы из двух линз, одна из которых - отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй двояковыпуклой линзе и использование материалов линз с показателями преломления и коэффициентами основной средней дисперсии, удовлетворяющих соотношению (1), позволяет повысить область коррекции аберраций широких наклонных пучков лучей и сферохроматизма, увеличить относительное отверстие и рабочий спектральный диапазон системы.
Совокупность предлагаемых признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации зеркально-линзового объектива с заявленным техническим результатом.
Заявителем не выявлены технические решения, совпадающие с отличительными признаками предполагаемого изобретения. Зеркально-линзовый объектив с заявляемой совокупностью существенных признаков в известных источниках информации также не обнаружен.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1 - оптическая схема объектива;
фиг.2 - график частотно-контрастной характеристики;
фиг.3 - точечные диаграммы.
Зеркально-линзовый объектив состоит из четырех компонентов: главного зеркала 1, вторичного зеркала с внутренним отражением 2, расположенной вблизи плоскости промежуточного изображения 5 третьего компонента 3, оборачивающей системы 4 (фиг.1). Третий компонент 3 системы выполнен в виде двух близко расположенных линз, положительной 6 и отрицательной 7. Оборачивающая система 4 состоит из двух линз, одна из которых - отрицательный мениск 9, обращенный вогнутой стороной ко второй двояковыпуклой линзе 8. При этом показатели преломления и коэффициенты основной средней дисперсии материалов линз удовлетворяют соотношению:
1
2
3
4
5
1,61<n<1,67; 1,61<n<1,67; 1,78<n<1,91; 1,57<n<1,65; 1,70<n<1,81;
1
2
3
4
5
54<ν<61; 55<ν<64; 22<ν<41; 33<ν<55; 40<ν<54.
Устройство работает следующим образом. Лучи света, отражаясь от главного зеркала 1, отражаются от вторичного зеркала с внутренним отражением 2 и собираются в плоскости промежуточного изображения 5. Далее лучи проходят через третий компонент 3, состоящий из линз 6 и 7, и фокусируются линзами 8 и 9 четвертого компонента 4 в фокальной плоскости 10.
В качестве конкретного примера рассчитан объектив со следующими характеристиками:
фокусное расстояние - 1500 мм;
относительное отверстие - 1:6;
рабочий спектральный диапазон - 0,4÷0,9 мкм,
основная длина волны - 0,546 мкм,
угловое поле в пространстве предметов - 30';
линейное поле в пространстве изображений - 13,1 мм.
По сравнению с наиболее близким аналогом, в примере конкретного исполнения увеличено относительное отверстие и угловое поле системы, спектральный диапазон шире более чем в два раза.
Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого предлагаемой оптической системой зеркально-линзового объектива, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения.
-1
-1
-1
На фиг.2 показаны графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложена пространственная частота в мм отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста в относительных единицах. Наложение кривых ЧКХ для различных угловых полей и их близость к дифракционной ЧКХ свидетельствует о том, что объектив обеспечивает дифракционно-ограниченное качество изображения, что позволяет использовать его, например, в астрономических телескопах, к которым, как известно, предъявляются самые жесткие требования по качеству изображения. Так, при коэффициенте передачи контраста 0,1 пространственная частота в плоскости изображений для всех точек изображения в пределах поля зрения составляет не менее 188 мм. При указанной величине фокусного расстояния в конкретном примере исполнения угловая величина в пространстве предметов, соответствующая пространственной частоте 188 мм составляет 0,7 угловых секунды.
На фиг.3 представлены точечные диаграммы рассчитанного объектива для точки на оси, точки на краю поля и двух промежуточных точек поля. Окружность на диаграммах - кружок Эйри для основной длины волны, диаметр которого равен 8 мкм. Как видно из точечных диаграмм, поперечные аберрации рассчитанного объектива на оси составляют 5 мкм, а на краю поля достигают 17 мкм. При этом диаметр среднеквадратичного пятна рассеяния, для любой точки линейного поля в плоскости изображений, не превышает 4 мкм. Следовательно, рассчитанный объектив соответствует требованиям астрофотографии и позволяет продуктивно работать с любыми ПЗС-матрицами, так как размеры эффективного светочувствительного пятна у них в настоящее время составляют 4-6 мкм. В предлагаемом зеркально-линзовом объективе в указанном спектральном диапазоне достигается высокая степень коррекции продольной хроматической аберрации, величина которой равна 0,094 мм, что составляет менее 1/16000 от величины фокусного расстояния объектива.
Анализ качества изображения в примере конкретного исполнения подтверждает высокое качество изображения, даваемого предлагаемым зеркально-линзовом объективом по всему полю зрения при расширенном спектральном диапазоне, повышенных относительном отверстии и угловом поле.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого устройства, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать конструкцию зеркально-линзового объектива с высокими техническими характеристиками, который может быть использован в качестве объектива астрономического телескопа или зрительной трубы, предназначенных для визуального наблюдения, фото и видео регистрации наблюдаемых объектов.