ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ (ВАРИАНТЫ)
CATADIOPTRIC LENS (VERSIONS)

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности, может быть использовано в космических телескопах.
Известны зеркальные и зеркально-линзовые оптические системы с тремя отражениями, отличающиеся схемным решением, габаритами и степенью коррекции аберраций. Например, трехзеркальный объектив [Cook, Lacy G. US Pat. №4733955. МПК G02B 17/06, 23/06], представляющий собой анастигматическую оптическую систему, в которой зеркала децентрированы как по апертуре, так и по полевому углу. В этом объективе первое зеркало - внеосевой фрагмент эллипсоида с положительной оптической силой, второе - внеосевой фрагмент гиперболоида с отрицательной оптической силой, третье - внеосевой фрагмент эллипсоида с положительной оптической силой. Результатом наличия в схеме трех внеосевых асферических поверхностей являются повышенные требования к точности взаимного расположения оптических элементов и, как следствие, сложность механической конструкции, трудности при юстировке и контроле.
Также известен объектив [Грамматин А.П., Грязнов Г.М., Стариченкова В.Д. Патент России №2327194. МПК G02B 17/06], представляющий собой анастигматическую оптическую систему, внеосевую и децентрированную как по апертуре, так и по полевому углу, в которой первый компонент - внеосевой фрагмент зеркального гиперболоида, обращенный вогнутостью к предмету, с положительной оптической силой, близкой к силе всей системы, второй компонент - выпуклый зеркальный сфероид, симметричный относительно оптической оси системы, с отрицательной оптической силой, третий компонент - внеосевой фрагмент зеркального сплюснутого эллипсоида, обращенного вогнутостью к изображению, с положительной оптической силой. При этом все три упомянутых зеркала образованы поверхностями вращения с общей осью. Расстояние между первым и вторым зеркалами меньше фокусного расстояния первого зеркала, а центры отражающих поверхностей всех зеркал расположены в вершинах треугольника, плоскость которого включает общую ось этих зеркал, и с разных сторон относительно этой оси; вершины первого и третьего зеркал совмещены. Апертурная диафрагма расположена на втором зеркале. Наличие в объективе двух внеосевых асферических поверхностей значительно осложняет его сборку, юстировку и контроль.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является зеркально-линзовый объектив [А.А.Токарев. Длиннофокусные объективы с эксцентрично расположенным полем изображения. // Известия вузов, серия «Приборостроение», том XXXI, 1988 г., №7, с.74-79]. Он представляет собой трехзеркальную систему с центрами кривизны всех оптических поверхностей, находящимися на одной общей оси, состоящую из трех последовательно по ходу луча установленных первого - внеосевого вогнутого, второго - внеосевого выпуклого, третьего - внеосевого вогнутого фрагментов сферических зеркал, двухлинзового корректора аберраций из одной марки оптического стекла, размещенного между первым и вторым зеркалами, и апертурной диафрагмы, совпадающей с оправой одной из линз корректора. Первое и третье зеркала имеют положительную оптическую силу и обращены вогнутостью к плоскости предметов, второе имеет отрицательную оптическую силу, а линзовый корректор состоит из двух отрицательных менисков, обращенных вогнутой поверхностью к плоскости предметов. В данном объективе, вследствие размещения апертурной диафрагмы на одном из компонентов линзового корректора, все зеркала являются внеосевыми, что приводит к усложнению механической конструкции объектива и затруднениям при его сборке, юстировке и контроле.
Задачей данного изобретения является создание зеркально-линзового объектива с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - создание зеркально-линзового объектива без центрального экранирования с повышенным качеством изображения в пределах углового поля 3° в широком спектральном диапазоне 400-1000 нм и повышенной технологичностью.
Это достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе по первому варианту, состоящем из трех зеркал, последовательно установленных по ходу луча, первого - внеосевого вогнутого, второго - внеосевого выпуклого, третьего - внеосевого вогнутого, выполненных в виде фрагментов сферических зеркал, двухлинзового корректора аберраций, первая линза которого размещена между первым и вторым зеркалами, и апертурной диафрагмы, причем центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, в отличие от известного, первая линза корректора выполнена в виде внеосевого фрагмента одиночного положительного мениска с оптической силой, составляющей 0,1…0,2 от оптической силы всего объектива, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости предметов, вторая линза представляет собой линзу Манжена, выполненную в виде внеосевого фрагмента отрицательного мениска с оптической силой, составляющей 0,01…0,05 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов, на выпуклую поверхность которого нанесено отражающее покрытие, являющееся третьим зеркалом объектива, показатель преломления второй линзы корректора в 1,05…1,15 раза меньше, а коэффициент дисперсии в 1,05…1,15 раза больше, чем у первой линзы корректора, а апертурная диафрагма объектива расположена на втором зеркале.
Кроме того, в объективе по первому варианту, перед плоскостью изображения может быть установлена плоскопараллельная пластина, толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству
,
где  - фокусное расстояние всего объектива.
Это достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе по второму варианту, состоящем из трех зеркал, последовательно установленных по ходу луча, первого - внеосевого вогнутого, второго - внеосевого выпуклого, третьего - внеосевого вогнутого, выполненных в виде фрагментов сферических зеркал, двухлинзового корректора аберраций, первая линза которого размещена между первым и вторым зеркалами, и апертурной диафрагмы, причем центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, в отличие от известного, первая линза корректора выполнена в виде фрагмента одиночного положительного мениска с оптической силой, составляющей 0,2…0,4 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов, вторая линза представляет собой линзу Манжена, выполненную в виде отрицательного мениска с оптической силой, составляющей 0,1…0,3 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью, на которую нанесено отражающее покрытие, являющееся вторым зеркалом объектива, к плоскости предметов, показатель преломления второй линзы корректора в 1,0…1,2 раза больше, коэффициент дисперсии в 1,7…1,9 раза меньше, чем соответствующие характеристики первой линзы корректора, а апертурная диафрагма объектива расположена на линзе Манжена.
Кроме того, в объективе по второму варианту, перед плоскостью изображения может быть установлена плоскопараллельная пластина, толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству
,
где  - фокусное расстояние всего объектива.
Это достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе по третьему варианту, состоящем из трех зеркал, последовательно установленных по ходу луча, первого - внеосевого вогнутого, второго - внеосевого выпуклого, третьего - внеосевого вогнутого, выполненных в виде фрагментов сферических зеркал, линзового корректора аберраций, первая линза которого размещена между первым и вторым зеркалами, и апертурной диафрагмы, причем центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, в отличие от известного, первая линза линзового корректора выполнена в виде фрагмента одиночной отрицательной двояковогнутой линзы с оптической силой, составляющей 0,4…0,6 от оптической силы всего объектива, вторая линза представляет собой линзу Манжена, выполненную в виде положительного мениска с оптической силой, составляющей 0,5…0,6 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью, на которую нанесено отражающее покрытие, являющееся вторым зеркалом объектива, к плоскости предметов, кроме того, объектив дополнен третьей линзой корректора в виде второй линзы Манжена, выполненной из внеосевого фрагмента отрицательного мениска с оптической силой, составляющей 0,1…0,2 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов, с выпуклой поверхностью, покрытой отражающим покрытием, являющимся третьим зеркалом объектива, причем коэффициенты дисперсии первой и третьей линз корректора равны, показатели преломления в 1,05…1,10 раза меньше, чем у второй линзы корректора, а апертурная диафрагма объектива расположена на линзе Манжена, выполненной в виде положительного мениска.
Кроме того, в объективе по третьему варианту, перед плоскостью изображения может быть установлена плоскопараллельная пластина, толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству
,
где  - фокусное расстояние всего объектива.
На фиг.1 представлена принципиальная схема зеркально-линзового объектива по первому варианту, а на фиг.2 его полихроматическая модуляционная передаточная функция (МПФ). На фиг.3 представлена принципиальная схема зеркально-линзового объектива по второму варианту, а на фиг.4 его полихроматическая МПФ. На фиг.5 представлена принципиальная схема зеркально-линзового объектива по третьему варианту, а на фиг.6 его полихроматическая МПФ.
Зеркально-линзовый объектив, выполненный по первому варианту, (фиг.1) состоит из последовательно по ходу луча установленных первого зеркала 1, первой линзы двухлинзового корректора, выполненной в виде положительного мениска 2, второго зеркала 3, второй линзы корректора, выполненной в виде линзы Манжена 4, апертурной диафрагмы 5. Первое зеркало 1 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала. Положительный мениск 2 выполнен в виде осесимметричного мениска, часть которого, лежащая выше оптической оси, удалена. Он имеет оптическую силу, составляющую 0,1…0,2 от оптической силы всего объектива, и обращен выпуклой поверхностью к плоскости предметов. Второе зеркало 3 выполнено в виде осесимметричного выпуклого сферического зеркала. Линза Манжена 4 представляет собой внеосевой фрагмент отрицательного мениска с оптической силой, составляющей 0,01…0,05 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов. На выпуклую поверхность линзы Манжена 4 нанесено отражающее покрытие, являющееся третьим зеркалом объектива. Первая линза, выполненная в виде положительного мениска 2, и вторая линза, выполненная в виде линзы Манжена 4, вместе образуют двухлинзовый корректор аберраций зеркальной части объектива. Показатель преломления второй линзы корректора (линзы Манжена 4) в 1,05…1,15 раза меньше, а коэффициент дисперсии в 1,05…1,15 раза больше, чем у первой линзы корректора (положительного мениска 2). Центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, а апертурная диафрагма 5 расположена на втором зеркале 3. Также объектив по первому варианту с целью повышения качества изображения и оптимизации корректировки аберраций может быть дополнен плоскопараллельной пластиной 6 (фиг.1), толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству  где  - фокусное расстояние всего объектива. Включение плоскопараллельной пластины 6 в оптическую схему объектива обусловлено необходимостью учета защитного стекла приемника излучения при расчете объектива.
На фиг.2 приведена полихроматическая МПФ объектива по первому варианту в спектральном диапазоне (0,4÷1,0) мкм для края углового поля.
Зеркально-линзовый объектив, выполненный по второму варианту, (фиг.3) состоит из установленных последовательно по ходу луча первого зеркала 7, двухлинзового корректора, первая линза которого выполнена в виде положительного мениска 8, а вторая - в виде линзы Манжена 9, третьего зеркала 10, апертурной диафрагмы 11. Первое зеркало 7 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала. Положительный мениск 8 выполнен в виде осесимметричного мениска, часть которого, лежащая выше оптической оси, удалена. Он имеет оптическую силу, составляющую 0,2…0,4 от оптической силы всего объектива, и обращен вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Линза Манжена 9 выполнена в виде отрицательного мениска с оптической силой, составляющей 0,1…0,3 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов. На вогнутую поверхность линзы Манжена 9 нанесено отражающее покрытие, являющееся вторым зеркалом объектива. Первая линза корректора, выполненная в виде положительного мениска 8, и вторая линза корректора, выполненная в виде линзы Манжена 9, вместе образуют двухлинзовый корректор аберраций зеркальной части объектива. Показатель преломления второй линзы корректора (линзы Манжена 9) в 1,0…1,2 раза больше, а коэффициент дисперсии в 1,7…1,9 раза меньше, чем соответствующие характеристики первой линзы корректора (положительного мениска 8). Третье зеркало 10 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала. Центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, а апертурная диафрагма 11 расположена на линзе Манжена 9. Также объектив по второму варианту с целью повышения качества изображения в широком спектральном диапазоне и оптимизации корректировки аберраций может быть дополнен плоскопараллельной пластиной 12 (фиг.3), толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству , где  - фокусное расстояние всего объектива. Включение плоскопараллельной пластины 12 в оптическую схему объектива обусловлено необходимостью учета защитного стекла приемника излучения при расчете объектива.
На фиг.4 приведена полихроматическая МПФ объектива по второму варианту в спектральном диапазоне (0,4÷1,0) мкм для края углового поля.
Зеркально-линзовый объектив, выполненный по третьему варианту, (фиг.5) состоит из последовательно установленных по ходу луча первого зеркала 13, линзового корректора, первая линза которого выполнена из двояковогнутой линзы 14, вторая и третья линзы - линзы Манжена 15 и 16, и апертурной диафрагмы 17. Первое зеркало 13 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала. Двояковогнутая линза 14 является первой линзой линзового корректора и выполнена в виде осесимметричной линзы, часть которой, лежащая выше оптической оси, удалена. Линза 14 имеет оптическую силу, составляющую 0,4…0,6 от оптической силы всего объектива. Линза Манжена 15 - вторая линза линзового корректора - выполнена в виде осесимметричного положительного мениска с оптической силой, составляющей 0,5…0,6 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью, на которую нанесено отражающее покрытие, являющееся вторым зеркалом объектива, к плоскости предметов. Линза Манжена 16 - третья линза линзового корректора - выполнена в виде внеосевого фрагмента отрицательного мениска с оптической силой, составляющей 0,1…0,2 от оптической силы всего объектива, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Выпуклая поверхность линзы Манжена 16 покрыта отражающим покрытием, являющимся третьим зеркалом объектива. Двояковогнутая линза 14 (первая линза линзового корректора), линза Манжена 15 (вторая линза корректора) и линза Манжена 16 (третья линза корректора) вместе образуют линзовый корректор аберраций зеркальной части объектива. Коэффициенты дисперсии линз 14 и 16 равны, а их показатели преломления в 1,05…1,10 раза меньше, чем у линзы 15. Центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, а апертурная диафрагма 17 расположена на линзе Манжена 15. Также объектив по третьему варианту с целью повышения качества изображения в широком спектральном диапазоне и оптимизации корректировки аберраций может быть дополнен плоскопараллельной пластиной 18 (фиг.5), толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству , где  - фокусное расстояние всего объектива. Включение плоскопараллельной пластины 18 в оптическую схему объектива обусловлено необходимостью учета защитного стекла приемника излучения при расчете объектива.
На фиг.6 приведена полихроматическая МПФ объектива по третьему варианту в спектральном диапазоне (0,4÷1,0) мкм для края углового поля.
Объектив, выполненный по первому варианту, работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на первое зеркало 1, затем, отразившись от него, проходит через линзу 2 и претерпевает отражение на втором зеркале 3. Благодаря тому, что часть линзы 2, лежащая выше оптической оси, удалена, свет после второго зеркала 3 проходит мимо этой линзы и попадает сразу на линзу Манжена 4. Преломившись на первой поверхности, отразившись от второй и вновь преломившись на первой поверхности линзы Манжена 4, свет проходит через плоскопараллельную пластину 6 и фокусируется в плоскости изображения.
Объектив, выполненный по второму варианту, работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на первое зеркало 7, затем, отразившись от него, проходит через положительный мениск 8 и линзу Манжена 9. Преломившись на первой поверхности, отразившись от второй и вновь преломившись на первой поверхности линзы 9, свет, благодаря тому, что часть мениска 8, лежащая выше оптической оси, удалена, проходит мимо линзы 8 и попадает сразу на третье зеркало 10, отражаясь от которого, проходит через плоскопараллельную пластину 12 и фокусируется в плоскости изображения.
Объектив, выполненный по третьему варианту, работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на первое зеркало 13, затем, отразившись от него, проходит через двояковогнутую линзу 14 и линзу Манжена 15. Преломившись на первой поверхности, отразившись от второй и вновь преломившись на первой поверхности линзы 15, свет, благодаря тому, что часть линзы 14, лежащая выше оптической оси, удалена, проходит мимо линзы 14 и попадает сразу на линзу Манжена 16. Преломившись на первой поверхности, отразившись от второй и вновь преломившись на первой поверхности линзы 16, свет проходит через плоскопараллельную пластину 18 и фокусируется в плоскости изображения.
В соответствии с предложенным техническим решением рассчитаны объективы, конструктивные параметры которых приведены в таблице 1.
Характеристики объектива, выполненного по первому варианту:
- Фокусное расстояние: 100 мм.
- Относительное отверстие: 1:10,8.
y0
ymax
- Угловое поле в меридиональном направлении ω=7,4°, ω=7,85°.
x
- Угловое поле в сагиттальном направлении 2ω=3,12°.
Характеристики объектива, выполненного по второму варианту:
- Фокусное расстояние: 100 мм.
- Относительное отверстие: 1:7,7.
y0
ymax
- Угловое поле в меридиональном направлении ω=7,4°, ω=7,85°.
x
- Угловое поле в сагиттальном направлении 2ω=3,12°.
Характеристики объектива, выполненного по третьему варианту:
- Фокусное расстояние: 100 мм.
- Относительное отверстие: 1:6.
y0
ymax
- Угловое поле в меридиональном направлении ω=7,4°, ω=7,85°.
x
- Угловое поле в сагиттальном направлении 2ω=3,12°.
Объектив по первому варианту имеет следующие аберрации для длины волны λ=656,3 нм.
- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,005 мм.
- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,072 мм.
- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,046 мм.
- Дисторсия не более 0,8%.
- Хроматизм положения в спектральном диапазоне (0,4÷1,0) мкм не более 0,064 мм.
Объектив по второму варианту имеет следующие аберрации для длины волны λ=656,3 нм:
- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,007 мм.
- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,050 мм.
- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,055 мм.
- Дисторсия не более 0,25%.
- Хроматизм положения в спектральном диапазоне (0,4÷1,0) мкм не более 0,047 мм.
Объектив по третьему варианту имеет следующие аберрации для длины волны λ=656,3 нм:
- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,005 мм.
- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,018 мм.
- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,019 мм.
- Дисторсия не более 0,41%.
- Хроматизм положения в спектральном диапазоне (0,4÷1,0) мкм не более 0,024 мм.
Таким образом, созданы зеркально-линзовые объективы без центрального экранирования, имеющие хорошее качество изображения в пределах углового поля 3° в широком спектральном диапазоне 400-1000 нм, в которых центрального экранирования удается избежать за счет использования внеосевых фрагментов осесимметричных зеркал и специального расположения апертурной диафрагмы, причем все зеркальные элементы объективов образованы только сферическими поверхностями вращения с общей осью, и не более двух из этих элементов являются внеосевыми, что повышает технологичность объективов.