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. 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 с положительной оптической силой - зеркало, отражающая поверхность которого - сегмент вогнутого гиперболоида, обращенное вогнутостью к предмету, второй компонент - зеркало с отрицательной оптической силой - выпуклый гиперболоид, третий компонент с положительной оптической силой - зеркало, отражающая поверхность которого - вогнутый эллипсоид, обращенное вогнутостью к изображению, все три зеркала образованы поверхностями вращения с общей осью. Длина данного объектива определяется расстоянием между первичным и вторичным, вторичным и третичным зеркалами из зависимости: d₂=(0,30,36) где d₂ - расстояние между первичным и вторичным, вторичным и третичным зеркалами, - эквивалентная оптическая сила системы, дисторсия не превышает 5 мкм в пределах углового поля зрения 2=6,5°, ход лучей в пространстве изображений близок к телецентрическому. Кроме того, в трехзеркальную оптическую систему без экранирования дополнительно введено плоское зеркало, установленное за третичным зеркалом. 2 илл.

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;

- большая длина данного объектива, которая очень важна для телескопов высокого разрешения с большим фокусным расстоянием, определяется расстоянием между вторичным и третичным зеркалами из зависимости: d₂=0,436, где - эквивалентная оптическая сила системы, d₂ - 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

2=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:

1,3<₁/<1,5 3,5<₂/<3,6 2,1<₃/<2,2

d₁=d₂=(0,320,38), где

- эквивалентная оптическая сила системы,

d₁, d₂ - расстояние между первичным и вторичным, вторичным и третичным зеркалами соответственно,

₁, ₂, ₃ - оптические силы первичного, вторичного, третичного зеркал соответственно,

Кроме того, в трехзеркальную оптическую систему без экранирования дополнительно введено плоское зеркало, установленное за третичным зеркалом.

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 2=6,5°, с относительным отверстием до 1:10, длине оптической системы, определяемой из зависимости: d₂=(0,320,38) 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 (500800) 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:

1,3<₁/<1,5 3,5<₂/<3,6 2,1<₃/<2,2

d₁=d₂=(0,320,38).

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 2=6,5°,

4. угол, формирующий центр изображения - ₀=6°,

5. значение коэффициента передачи модуляции (КПМ) на пространственной частоте 70 мм ^-1 в пределах всего поля зрения - не ниже 0,4.

Работа трехзеркальной оптической системы без экранирования осуществляется следующим образом.

Световой поток, исходящий от бесконечно удаленного предмета под углом ₀, 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.

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: d₂=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).

1. Трехзеркальная оптическая система без экранирования, содержащая 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, отличающаяся тем, что вторичное зеркало - выпуклый гиперболоид и третичное зеркало - вогнутый эллипсоид, при этом оптические силы компонентов и воздушные промежутки удовлетворяют условию:

1,3<₁/<1,5; 3,5<₂/<3,6; 2,1<₃/<2,2;

d₁=d₂=(0,320,38),

где - эквивалентная оптическая сила системы;

d₁, d₂ - расстояние между первичным и вторичным, вторичным и третичным зеркалами соответственно;

₁, ₂, ₃ - оптические силы первичного, вторичного, третичного зеркал соответственно.

2. Трехзеркальная оптическая, система без экранирования по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно введено плоское зеркало, установленное за третичным зеркалом.