Дзеркально-лінзовий об’єктив

Винахід відноситься до оптичного приладобудування, зокрема, до довгофокусних дзеркально-лінзових об'єктивів і може бути використаний в оптико-електронних, фото графічних та інши х приладах, які працюють з різними приймачами зображення в широкій спектральній області, яка охоплює видимий діапазон та близьку інфрачервону область. Відомі дзеркально-лінзові об'єктиви, побудовані на основі схеми Кассегрена із сферичних вгн утого первинного і опуклого вторинного дзеркал з лінзовими афокальними компенсаторами у паралельному та збіжному пучках променів [US 2726574, DE 19613009]. Недоліком об'єктива US 2726574 є незадовільна якість зображення по полю. Недоліками об'єктива DE 19613009 з високою якістю зображення є велика довжина об'єктива від першої поверхні до зображення і невеликий розмір заднього фокального відрізка. Відомий дзеркально-лінзовий об'єктив з дифракційним рівнем розділення для апаратури дистанційного зондування (бюлетень міжнародної академії "Contenant", липень 2001 р., стор. 15, 16, схема 1, табл. 2) з двома лінзовими афокальними компенсаторами у паралельному та збіжному пучках променів. Недоліками даного об'єктива є його велика довжина L » 0,6 f ' ( f ' - фокусна відстань об'єтива), великий коефіцієнт центрального екранування, який дорівнює 0,5, а також багатолінзовість (4 лінзи) афокального компенсатора у збіжному пучку променів. За прототип узято найближчий за конструктивним рішенням відомий дзеркально-лінзовий об'єктив [RU №2000587], до складу якого входить передній компенсатор, що складається із негативного меніска і двоопуклої лінзи з центральними отворами, повернутих опуклими поверхнями одна до одної, первинне вгнуте дзеркало з центральним отвором, повернуте вгн утістю до предмета, вторинне дзеркало, нанесене на вгнуту поверхню меніска, повернуту до предмета (вторинний відбивач у вигляді дзеркала Манжена, повернутий опуклістю до зображення) і задній компенсатор, виконаний у вигляді негативного меніска одиночного або склеєного з вгнутоплоскої та плоско-опуклої лінз. Недоліками прототипу є: спад якості зображення по полю зору у порівнянні з центром (див. частотно-контрастну характеристику (ЧКХ) табл. З, запропонований об'єктив по пп. 2, 3); великий коефіцієнт центрального екранування; підвищені вимоги до точності виготовлення дзеркала Манжена у порівнянні з дзеркалом з зовнішнім відбиттям; бліки від заломлюючої поверхні дзеркала Манжена. Вказані недоліки обмежують галузь застосування прототипу, зокрема, виключають можливість застосування його в апаратурі дистанційного зондування Землі. При розробці об'єктива, який заявляється, вирішувалось завдання створення довгофокусного малогабаритного високоякісного по усьому полю зору, те хнологічного у виготовленні дзеркально-лінзового об'єктива для роботи в широкому спектральному діапазоні Dl = 500 ¸ 890 нм, придатного, зокрема, для застосування в апаратурі дистанційного зондування Землі. Для вирішення поставленого завдання у відомому дзеркально-лінзовому об'єктиві, до складу якого входить передній компенсатор, що складається із негативного меніска і двоопуклої лінзи, повернутих оп уклими поверхнями одна до одної, первинне вгнуте сферичне дзеркало з центральним отвором, повернуте вгн утістю до предмета, вторинний відбивач, повернутий опуклістю до зображення, і задній компенсатор, вторинний відбивач виконаний у вигляді сферичного дзеркала з зовнішнім відбиттям, а задній компенсатор виконаний з двовгнутої лінзи та віддаленої від неї двоопуклої лінзи. Крім того, за двоопуклою лінзою заднього компенсатора можуть бути додатково установлені плоскопаралельні пластини. Виконання вторинного відбивача у вигляді дзеркала з зовнішнім відбиттям робить його більш технологічним тому, що при цьому зменшуються вимоги до точності виконання дзеркальної поверхні, а відсутність заломлюючої поверхні дзеркала Манжена виключає помилки виготовлення її форми та центрування. При цьому також покращуються світлотехнічні характеристики об'єктива через те, що виключаються бліки від заломлюючої поверхні дзеркала Манжена, світлорозсіювання на ній, поглинання і світлорозсіювання у товщі скла дзеркала Манжена. Виконання заднього компенсатора з двовгнутої лінзи та віддаленої від неї двоопуклої лінзи дало можливість покращити корекцію перш за все польових аберацій об'єктива навіть при зменшенні числа конструктивних параметрів вторинного відбивача об'єктива. Підвищення якості зображення об'єктива досягли не тільки поліпшенням абераційної корекції, але й зменшенням центрального екранування. Захист зображення від прямого засвічування при зменшенні коефіцієнта центрального екранування забезпечено двома внутрішніми конічними блендами. Вищенаведені доводи свідчать про те, що саме конструктивні зміни вторинного відбивача і заднього компенсатора складають суттєві відмінності нового технічного рішення, що заявляється, і які дозволяють отримати позитивний ефект, вирішити поставлене завдання. Для коректного доказу переваги запропонованого рішення з якості зображення по полю зору у порівнянні з прототипом зроблено розрахунки об'єктива з характеристиками варіанта 1 прототипу по п. 2 формули винаходу прототипу: f ' = 500мм, відносним отвором 1:5,6, кутом поля зору 5°. Для застосування в апаратурі дистанційного зондування Землі в спектральному діапазоні Dl= 500 ¸ 890 нм зроблено розрахунки об'єктива з характеристиками: f ' = 860мм відносним отвором 1:5,06, кутом поля зору 4°07', коефіцієнтом центрального екранування 0,41. Технічний результат, досягнутий розрахунком об'єктивів з f= 500мм і f= 860мм відповідно до ' ' запропонованого рішення, представлено на наведених далі фігурах. На фіг. 1 зображено оптичну схему об'єктива з f ' = 500мм. На фіг. 2 наведено таблицю конструктивних параметрів об'єктива, зображеного на фіг. 1. На фіг. 3 наведено таблицю ЧКХ об'єктива, зображеного на фіг. 1, у порівнянні з ЧКХ об'єктива прототипу по п. 2 формули винаходу прототипу, наведеної в табл. 3 опису прототипу. На фіг. 4 зображено оптичну схему об'єктива з f ' = 860мм. На фіг. 5 наведено таблицю конструктивних параметрів об'єктива, зображеного на фіг. 4. На фіг. 6 наведено таблицю коефіцієнтів передачі модуляції (КПМ) на просторовій частоті N=50мм-1 об'єктива, зображеного на фіг. 4, у порівнянні з об'єктивом з дифракційною якістю зображення. На фіг. 1 зображено запропонований по п. 1 формули винаходу об'єктив з f ' = 500мм, відносним отвором 1:5,6, кутом поля зору 5°, до складу якого входить передній компенсатор, що складається із негативного меніска 1 і двоопуклої лінзи 2, повернутих опуклими поверхнями одна до одної, первинне вгнуте дзеркало 3 з центральним отвором, повернуте вгн утістю до предмета, вторинне опукле дзеркало 4, повернуте опуклістю до зображення, а також задній компенсатор, що складається з двовгнутої лінзи 5 та віддаленої від неї двоопуклої лінзи 6. Об'єктив має шість оптичних елементів, які не потребують спеціальної розробки. Об'єктив працює таким чином: світловий потік від предмета проходить через лінзи 1, 2, відбивається від дзеркал 3, 4, проходить через лінзи 5, 6, які формують зображення предмета в площині зображення, яка не показана. Габарит системи від першої до останньої поверхні 148,2 мм. Задній фокальний відрізок складає 48 мм. Наведені на фіг. 3 ЧКХ запропонованого об'єктива по п. 1 і об'єктива-прототипу по п. 2 формули винаходу прототипу свідчать, що запропоноване рішення забезпечило значне підвищення якості зображення в зоні поля зору і по його краю. На фіг. 4 зображено запропонований по п. 2 формули винаходу об'єктив для дистанційного зондування Землі в спектральному діапазоні Dl = 500 ¸ 890 нм з f ' = 860мм, відносним отвором 1:5,06, кутом поля зору 4°07', коефіцієнтом центрального екранування 0,41. До складу об'єктива додатково входять плоско-паралельні пластини 7, 8, 9, які являють собою, відповідно, фокусуючий пристрій з двох клинів з однаковими заломлюючими кутами і протилежними вершинами, розгортку призмового світлоділильного пристрою розділення спектральних каналів, вхідне вікно приймача оптичного зображення. Об'єктив працює таким чином: світловий потік від предмета проходить через лінзи 1, 2, відбивається від дзеркал 3, 4, проходить через лінзи 5, 6, пластини 7, 8, 9, які формують зображення предмета в площині світлочутливи х елементів (пікселів) приймача. Довжина об'єктива від першої поверхні до площини зображення складає 363мм, що дорівнює 0,395 f’. Приведена до повітря величина відрізку від лінзи 6 до зображення дорівнює 0,105 f’. Вихідна зіниця об'єктива, яка є зображенням апертурної діафрагми, суміщеної з вторинним дзеркалом, розташована на збільшеній, у порівнянні з прототипом, відстані від приймача і дорівнює мінус 0,99 f’ замість мінус 0,24 f’ прототипу, що забезпечує бажане для інтерференційних покрить спектроділильного пристрою зменшення кутів падіння променів. Дисторсія об'єктива не перевищує 0,2%. Освітленість по краю поля складає 55% по відношенню до центра. Якість зображення об'єктива в спектральному діапазоні Dl = 500 ¸ 890 нм наведено на фіг. 6 величинами КПМ на просторовій частоті N=50мм -1, яка визначається розміром пікселя 0,01х0,01 приймача. Величини КПМнаведено з урахуванням віньєтування похилих пучків двома конічними блендами, які забезпечують захист зображення від прямої засвітки. На фіг. 6 також наведені КПМ об'єктива з дифракційною якістю зображення, який не має аберацій і якість зображення якого обумовлена лише дифракцією при характеристиках запропонованого об'єктива по п. 2. Згідно з даними фіг. 6 запропонований об'єктив можна віднести до класу безабераційних систем з дифракційною якістю зображення. Про дифракційну якість зображення запропонованого об'єктива по п. 2 також свідчить відповідність його критерію досконалої корекції оптичної системи Марешаля, а саме, величина середньоквадратичної по спектральному діапазону, полю та зіниці хвильової аберації Wскв = 0,064l á1/ 14l [формула (1.41) стр. 25 Сокольский М.И. Допуски и качество оптического изображения. Ленинград: Машиностроение, 1989-222 с.].