ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
MIRROR LENS

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве приемного объектива в оптико-электронных приборах, работающих с фотоприемными устройствами широкого спектрального диапазона, в том числе в тепловизионной аппаратуре без использования сложных асферических поверхностей и без применения дорогостоящих кристаллических оптических материалов.
Известен зеркальный объектив (патент RU 2296353 С1, опубл. 27.03.2007), состоящий из размещенных на одной оптической оси двух вогнутых сферических зеркал с центральными отверстиями и двух выпуклых сферических зеркал. Объектив обеспечивает фокусное расстояние f'=50 мм, геометрическое относительное отверстие 1:1,4 при эффективном относительном отверстии 1:2, поле зрения 23°, высокое качество изображения.
Недостатком этого зеркального объектива является большое количество оптических деталей (4 зеркала) и большое центральное экранирование, снижающее светосилу объектива в ~ 1,5 раза с геометрической 1:1,4 до эффективной 1:2.
Известна трехзеркальная оптическая система без экранирования (патент RU 2327194 С2, опубл. 20.06.2008), содержащая три оптически сопряженных зеркальных компонента, децентрированных как по апертуре, так и по полевому углу первый из которых - зеркальный сегмент вогнутого гиперболоида, второй - сферическое зеркало, третий - зеркальный сегмент вогнутого сплюснутого эллипсоида. Конструктивный вариант оптической системы обеспечивает фокусное расстояние f'=319,64 мм, относительное отверстие 1:3, поле зрения 2,3°, высокое качество изображения.
Недостатком этой оптической системы является большое количество оптических деталей (3 зеркала), низкая светосила (1:3) и наличие двух асферических поверхностей, повышающих трудоемкость и стоимость оптической системы.
Известен двухзеркальный объектив, входящий в канал распознавания комплексированной системы, основанной на способе создания семейства комплексированных систем наблюдения, распознавания и прицеливания на основе семейства универсальных объективов (патент RU 2273036 С2, опубл. 27.03.2006), содержащий главное зеркало, выполненное в виде кольцевого сегмента с выпуклой асферической поверхностью, апланатический корректор в виде внешнею кольцевого сегмента со сферическим профилем и матричный приемник излучения. Также содержится защитное окно в виде обтекателя со сферическими поверхностями и с широкой спектральной областью прозрачности. Конструкция объектива имеет фокусное расстояние F=120 мм, геометрическое относительное отверстие 1:0,79 и поле зрения 1,5° и обеспечивает высокое качество изображения.
Недостатком этого объектива является наличие одной асферической поверхности, повышающей трудоемкость и стоимость объектива, наличие защитного стекла со сферическими поверхностями, а также отсутствие фокусировочной подвижки элементов, необходимость которой диктуется малой глубиной резкости при особо высокой светосиле (1:0,79), что ухудшает опознавание при изменении дистанции до наблюдаемого объекта.
Наиболее близким по технической сущности является двухзеркальный объектив канала распознавания в оптико-электронной комплексированной системе наблюдения и распознавания, работающей в УФ, видимой и ИК областях спектра (патент RU 2305303 С2, опубл. 27.08.2007), содержащий главное зеркало, выполненное в виде кольцевого сегмента с выпуклой сферической поверхностью, апланатический корректор в виде внешней сферической кольцевой зоны и матричный приемник излучения. Также содержится защитное окно в виде обтекателя со сферическими поверхностями и со спектральной областью прозрачности 0,235…3 мкм. Конструкция объектива имеет фокусное расстояние F=120 мм, геометрическое относительное отверстие 1:0,8 и поле зрения 1,5° и обеспечивает высокое качество изображения.
Недостатком этого объектива является наличие защитного стекла со сферическими поверхностями, а также отсутствие фокусировочной подвижки элементов, необходимость которой диктуется малой глубиной резкости при особо высокой светосиле (1:0,8), что ухудшает опознавание при изменении дистанции до наблюдаемого объекта.
Задачей настоящего изобретения является упрощение технологического и конструктивного исполнения зеркального объектива с обеспечением сохранения качества изображения при изменении дистанции до наблюдаемого объекта.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в зеркальном объективе, состоящем из защитного стекла, кольцевого сегмента главного зеркала с выпуклой сферической поверхностью, апланатического корректора в виде сферического кольцевого зеркала и матричного приемника излучения, в отличие от известного, содержится апертурная диафрагма, расположенная на выпуклой сферической поверхности главного зеркала, защитное стекло, выполненное в виде плоскопараллельной пластины, при этом главное зеркало имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, а в зеркальном объективе имеет место соотношение:
где  - величина перемещения главного зеркала вдоль оптической оси;
- фокусное расстояние зеркального объектива.
Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что защитное стекло имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, при лом его перемещение осуществляется синхронно и на одинаковую величину с перемещением главного зеркала.
Такой зеркальный объектив упрощает конструктивное решение механизма фокусировки, исключая дополнительное виньетирование элементами крепления главного зеркала.
Схема зеркального объектива показана на фигуре 1.
Зеркальный объектив состоит по ходу лучей из плоскопараллельной пластины 1, главного зеркала 2, апланатического корректора 3 и матричного приемника излучения 4. Апертурная диафрагма 5 расположена на выпуклой сферической поверхности главного зеркала.
Конструктивные данные зеркального объектива приведены в таблице.
В зеркальном объективе главное зеркало 2 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, неподвижными являются защитное стекло 1, апланатический корректор-зеркало 3 и матричный приемник изображения 4.
В зеркальном объективе по варианту 2 защитное стекло (плоскопараллельная пластина) 1 имеют возможность перемещения вдоль оптической оси, при этом его перемещение вдоль оптической оси осуществляется синхронно и на одинаковую величину с перемещением главного зеркала 2, неподвижными являются апланатический корректор-зеркало 3 и матричный приемник изображения 4.
Параметры зеркального объектива следующие:
- рабочий спектральный диапазон 0,1…14,0 мкм;
- фокусное расстояние 44,95 мм;
- линейное поле зрения 5,0 мм;
- геометрическое относительное отверстие 1:1,28;
- эффективное относительное отверстие 1:1,5;
- дисторсия 0,19%
- длина по оптической оси 128,5 мм.
Принцип действия зеркального объектива по варианту 1 заключается в следующем:
Световой поток, исходящий из плоскости предметов, находящейся в бесконечности, проходит через зеркальный объектив и изображается в плоскости наилучшей установки, в которой находится матричный приемник изображения 4, цифровой сиг нал с которого формирует изображение.
Параллельные пучки света проходят через защитное стекло 1, выполненное в виде плоскопараллельной пластины, что не вносит хроматических аберраций и позволяет использовать при его изготовлении пластические материалы типа полиэтилен и плексиглас (полиметилметакрилат), обеспечивающие хорошее пропускание, в том числе и в инфракрасной области (стр. 108, Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. - М.: Мир, 1988, 416 с.). Применение пластических материалов снижает стоимость и трудоемкость производства. После прохождения защитного стекла параллельные пучки света падают на кольцевой сегмент главного зеркала 2 с выпуклой сферической поверхностью и после отражения от него попадают на апланатический корректор в виде сферического кольцевого зеркала 3, которое образует сходящийся пучок и формирует изображение предмета на матричном приемнике излучения 4. Апертурная диафрагма 5 расположена на выпуклой сферической поверхности главного зеркала 2, что позволяет минимизировать центральное экранирование и обеспечить высокое значение эффективного относительного отверстия.
Главное зеркало 2 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, т.е. соответственно изменяются на одинаковую величину воздушные промежутки d2 и d3, а неподвижными являются защитное стекло 1, апланатический корректор-зеркало 3 и матричный приемник изображения 4. Изменением этих воздушных промежутков в пределах 0÷0,185 мм осуществляется фокусировка на объект при изменении расстояния до него от «бесконечности» до 3 м, при этом в зеркальном объективе имеет место соотношение:
где  - величина перемещения главного зеркала вдоль оптической оси;
- фокусное расстояние зеркального объектива.
Такой зеркальный объектив упрощает технологическое исполнение объектива и обеспечивает сохранение качества изображения при изменении дистанции до наблюдаемого объекта.
Принцип действия зеркального объектива по варианту 2 заключается в следующем.
Защитное стекло (плоскопараллельная пластина) 1 имеет возможность перемещения вдоль оптической оси, при этом его перемещение осуществляется синхронно и на одинаковую величину с перемещением главного зеркала 2 вдоль оптической оси, т.е. соответственно изменяется воздушный промежуток d3, а неподвижными являются апланатический корректор-зеркало 3 и матричный приемник изображения 4. Изменением этого воздушного промежутка d3 в пределах 0÷0185 мм осуществляется фокусировка на обвею при изменении расстояния до него от «бесконечности» до 3 м аналогично варианту 1, так как защитное стекло выполнено в виде плоскопараллельной пластины, установлено в области параллельного хода лучей и не вносит каких-либо изменений при перемещении.
Синхронное перемещение защитного стекла 1 на одинаковую величину с перемещением главного зеркала 2 вдоль оптической оси упрощает конструктивное решение механизма фокусировки, позволяет осуществить совместное крепление защитного стекла 1 и главного зеркала 2 за центральные отверстия внутренней теневой зоны, исключая дополнительное виньетирование какими либо внешними элементами крепления главного зеркала 2.
Расчет качества изображения зеркального объектива проведен для применения в спектральном диапазоне (8÷14) мкм с матричным приемником формата 160×120 элементов, с размером пикселя 25 мкм.
Задаваясь критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитывая:
- толщину защитного стекла матричного приемника, равную 1,0 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности матричного приемника и светопропускания объектива, равную: 8,0 мкм - 1,0; 10,6 мкм - 1,0; 12,0 мкм - 1,0; 14,0 мкм - 0,5;
- пространственную частоту 20 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника с размером чувствительного элемента, равным 25 мкм), получаем следующие расчетные значения качественных характеристик зеркального объектива по вариантам 1 и 2:
Поле фения 3 мм соответствует крайним точкам вертикального размера кадра изображения, 4 мм соответствует крайним точкам горизонтального размера кадра изображения, 5 мм соответствует крайним точкам диагонали кадра изображения.
При изменении воздушного промежутка d3 на 0,185 мм изменяется величина фокусного расстояния зеркального объектива со значения 44,95 мм (при d3=45,3 мм) на значение 44,60 мм (при d3=45,485 мм. Такое изменение незначительно и составляет ~ 0,7%.
Как видно из расчетов, зеркальный объектив, при простоте его конструкции, обеспечивает приемлемую эффективную светосилу (1:1,5), достаточное линейное поле зрения (5 мм) и практически дифракционный уровень качества изображения в дальнем ИК диапазоне спектра для оптико-электронных приборов, использующих в качестве матричного приемника изображения микроболометрические матрицы формата (160×120) мм с размером пикселя ~25 мкм.