Трехзеркальная оптическая система без экранирования

Использование: в оптическом приборостроении, в частности, в зеркальных и зеркально-линзовых телескопах космического базирования, топографических объективах, проекционных объективах и др., и а также для улучшения их технических характеристик.

Задача: упрощение конструкции, повышение технологичности, уменьшение габаритов и повышение надежности работы оптической системы, особенно в составе оптико-электронных камер космических систем.

Сущность: в трехзеркальной оптической системе без экранирования, содержащей три оптических 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, оптические силы компонентов и воздушные промежутки между ними удовлетворяют условию:

0,35<d₁<0,45; 0,4<d₂<0,5,

где ₁, ₂, ₃ - оптические силы соответственно первичного, вторичного и третичного зеркала;

- эквивалентная оптическая сила системы;

d₁ - расстояние между первичным и вторичным зеркалами;

d₂ - расстояние между вторичным и третичным зеркалами, при этом отражающая поверхность первичного зеркала выполнена в виде сегмента вогнутого гиперболоида, вторичное зеркало выполнено выпуклым эллиптическим, а третичное зеркало выполнено вогнутым сферическим.

Кроме того, трехзеркальная оптическая система без экранирования дополнена плоским зеркалом, установленным за третичным зеркалом, а фокальная плоскость оптической системы установлена между тыльными поверхностями первичного и третичного зеркал.

1 с.п. ф-лы; 1 з.п. ф-лы, 1 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к зеркальным и зеркально-линзовым телескопам космического базирования, топографическим объективам, проекционным объективам и др., и может быть использована для улучшения их технических характеристик.

Известна трехзеркальная оптическая система без экранирования [1], содержащая три зеркальных компонента, в которой первый компонент - эллиптическое зеркало с положительной оптической силой, обращенное вогнутостью к предмету, задающее положение оси системы, второй компонент - гиперболическое зеркало с отрицательной оптической силой, третий компонент - эллипсоидное зеркало с положительной оптической силой, обращенное вогнутостью к изображению, создающее в совокупности анастигматическую оптическую систему, которая строит изображение и является внеосевой и децентрированной, как по апертуре, так и по полевому углу.

Недостатком системы является малый задний отрезок S', длина которого менее расстояния d между зеркалами: S'<d, что вынуждает приемники изображения, устанавливаемые в фокальной плоскости системы, располагать в пространстве перед главным первичным зеркалом. Это существенно усложняет конструкцию системы в целом.

Другим недостатком является нетехнологичность системы из-за того, что все три зеркала являются асферическими.

Известна осевая трехзеркальная оптическая система без экранирования [2], работающая внеосевыми пучками по апертуре, в

которой также S'<d и приемники изображения, установленные в пространстве перед главным первичным зеркалом.

Наиболее близким к техническому решению предлагаемой полезной модели является трехзеркальная оптическая система без экранирования [3], состоящая из трех оптически сопряженных компонентов, 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.

Недостатком известного технического решения является малый задний отрезок S', величина которого соизмерима с воздушным промежутком d между первичным и вторичным зеркалами: S'~d.

Это ограничивает установку крупногабаритных приемников изображения, увеличивает габариты всей системы по длине 1, которая становится соизмеримой со значением, эквивалентным фокусному расстоянию оптической системы.

Кроме того, оптическая система нетехнологична из-за применения третьего зеркала, выполненного в виде внеосевого сегмента асферической поверхности.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является упрощение конструкции, повышение технологичности, уменьшение габаритов и повышение надежности работы оптической системы, особенно в составе оптико-электронных камер космических систем.

Для решения поставленной задачи предлагается трехзеркальная оптическая система без экранирования, которая, как и прототип, содержит три оптических сопряженных компонента, создающие 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.

В отличие от прототипа в предлагаемой оптической системе оптические силы компонентов и воздушные промежутки между ними удовлетворяют условию:

0,35<d₁<0,45; 0,4<d₂<0,5,

где ₁, ₂, ₃ - оптические силы соответственно первичного, вторичного и третичного зеркала;

- эквивалентная оптическая сила системы;

d₁ - расстояние между первичным и вторичным зеркалами;

d₂ - расстояние между вторичным и третичным зеркалами, при этом отражающая поверхность первичного зеркала выполнена в виде сегмента вогнутого гиперболоида, вторичное зеркало выполнено выпуклым эллиптическим, а третичное зеркало выполнено вогнутым сферическим.

Кроме того, в трехзеркальную оптическую систему без экранирования дополнительно введено плоское зеркало, установленное за третичным зеркалом, а фокальная плоскость оптической системы

установлена между тыльными поверхностями первичного и третичного зеркал.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в выборе оптических сил компонентов и воздушных промежутков, удовлетворяющих условию:

0,35<d₁<0,45; 0,4<d₂<0,5,

где ₁, ₂, ₃ - оптические силы соответственно первичного, вторичного и третичного зеркала;

- эквивалентная оптическая сила системы;

d₁ - расстояние между первичным и вторичным зеркалами;

d₂ - расстояние между вторичным и третичным зеркалами.

Выбор оптических сил и воздушных промежутков в указанных условиях позволяет выполнить следующие параметры:

1. обеспечить заданное значение фокусного расстояния;

2. обеспечить коррекцию кривизны изображения для чего должны быть выполнены условия: ₁+₂+₃=0;

3. обеспечить получение большого заднего отрезка: S' -расстояние от третичного зеркала до плоскости изображения, которое около 2 раз превышает расстояние d между первичным и вторичным, и вторичным и третичным зеркалами, т.е. S'~(1,8÷2)d.

Это позволяет установить дополнительное плоское зеркало и перенести плоскость изображения в зону тыльной части первичного и третичного зеркал и тем самым установить приемники изображения без экранирования световых пучков и увеличения габаритов оптической системы.

В предлагаемой оптической системе имеются семь параметров для обеспечения габаритных характеристик и коррекции аберраций, три

радиуса кривизны зеркал, или три оптические силы ₁, ₂, ₃, два воздушных промежутка между зеркалами d₁ и d₂ и два эксцентриситета зеркал - первичного e₁ и вторичного е₂.

Этого достаточно, чтобы скорректировать пять аберраций (сферическая, кома, астигматизм, кривизна изображения и дисторсия) и две габаритные характеристики - фокусное расстояние и задний отрезок -S'. Поэтому можно третичное зеркало выполнить сферическим, что существенно повышает технологичность его изготовления.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков предлагаемой трехзеркальной оптической системы без экранирования позволяет решить поставленную задачу.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 - представлена общая оптическая схема трехзеркальной оптической системы без экранирования, а в Приложении I приведены конструктивные параметры и результаты расчета конкретной оптической системы.

Трехзеркальная оптическая система без экранирования состоит из трех компонентов. Компонент 1 выполнен в виде внеосевого сегмента вогнутого гиперболоида. Компонент 2 выполнен в виде выпуклого эллипсоида, компонент 3 - в виде сферического вогнутого зеркала.

В трехзеркальную оптическую систему дополнительно введено плоское отклоняющее зеркало 4 установленное за третичным зеркалом 3, а фокальная плоскость оптической системы 5 установлена между тыльными поверхностями первичного 1 и третичного 3 зеркал.

Работа трехзеркальной оптической системы без экранирования осуществляется следующим образом.

Лучи, исходящие от бесконечно удаленного объекта под углом ₀ к оптической оси в меридиональной плоскости падают на первичное зеркало 1. Угол ₀ формирует центр поля изображения. После отражения от первичного зеркала и вторичного зеркала 2 лучи падают на третичное зеркало 3, плоское зеркало 4 и фокусируются в фокальной плоскости

оптической системы 5. После отражения от первичного зеркала 1 и вторичного зеркала 2 изображение - мнимое, третичное зеркало 3 строит действительное изображение. Значительный по величине задний отрезок после третичного зеркала 3 позволяет плоским зеркалом 4 перенести изображение между первичным и третичным зеркалами за их тыльные части.

В Приложении I приведены результаты расчета конкретной оптической системы со следующими параметрами:

- фокусное расстояние объектива = 3900 мм;

- диаметр входного зрачка - 390 мм;

- угловое поле - 2=6⁰;

- угол - ₀=5,9°;

- соотношение оптических сил и воздушных промежутков:

d₁₁=0,389; d₂=0,4356.

Качество изображения близкое к дифракционному.

Таким образом, в предлагаемой трехзеркальной оптической системе без экранирования достигнуто упрощение конструкции, повышение технологичности, уменьшение габаритов и повышение надежности работы оптической системы, особенно в составе оптико-электронных камер космических систем.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. США, патент 4265510, НКИ: 359/366, 1981 г.

2. Е.Р. Маламед. Конструирование оптических приборов космического базирования. СпГ 2002 г., изд-во СПИТМО (Технический университет), с.208.

3. Российская Федерация, патент 2327194, МПК: G02В 17/06, 2008 г. - прототип.

1. Трехзеркальная оптическая система без экранирования, содержащая три оптических 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, отличающаяся тем, что оптические силы компонентов и воздушные промежутки между ними удовлетворяют условию:

; ; ;

0,35<d₁<0,45; 0,4<d₂<0,5,

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

- эквивалентная оптическая сила системы;

d₁ - расстояние между первичным и вторичным зеркалами;

d ₂ - расстояние между вторичным и третичным зеркалами, при этом отражающая поверхность первичного зеркала выполнена в виде сегмента вогнутого гиперболоида, вторичное зеркало выполнено выпуклым эллиптическим, а третичное зеркало выполнено вогнутым сферическим.

2. Трехзеркальная оптическая система без экранирования по п.1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введено плоское зеркало, установленное за третичным зеркалом, а фокальная плоскость оптической системы установлена между тыльными поверхностями первичного и третичного зеркал.