Тридзеркальний анастигматичний квазіортоскопічний об’єктив

1. Тридзеркальний анастигматичний квазіортоскопічний об'єктив з ексцентричним полем зору, що містить перше ввігнуте дзеркало, опукле друге дзеркало, на якому розташована апертурна діафрагма, та третє ввігнуте дзеркало з центрами кривизни всіх дзеркал, що знаходяться на оптичній осі об'єктива, перше та третє ввігнуті дзеркала є позаосьовими сегментами осесиметричних дзеркал, який відрізняється тим, що третє дзеркало має радіус: , ' Винахід належить до оптичного приладобудування, зокрема до довгофокусних дзеркальних об'єктивів і може бути використаним в оптикоелектронних і інших приладах, що працюють із різними джерелами випромінювання в широкій спектральній області, що охоплює видимий діапазон, ближню, середню та далеку інфрачервоні області. Існує декілька тридзеркальних систем з ексцентричним полем зору без центрального екранування. Є відомий тридзеркальний об'єктив з винесеною перед першим дзеркалом вхідною зіницею (патент US 4733955). Він містить реальну вхідну зіницю, що зміщена щодо оптичної осі об'єктива і розташована перед першим увігнутим асферичним дзеркалом, друге опукле асферичне дзеркало і третє ввігнуте асферичне дзеркало. Об'єктив працює зміщеним щодо оптичної осі вхідною зіницею та ексцентричним стосовно оптичної осі по лем зору, у результаті чого перше і третє дзеркала працюють позаосьовими сегментами. Для виправлення сферичної аберації, коми, астигматизму і кривизни поля зору в системі застосовано три асферичних дзеркала і третє асферичне дзеркало децентровано щодо оптичної осі об'єктива і нахилено, що приводить до труднощів при юстировці об'єктива. Відомий також об'єктив, заснований на тридзеркальній схемі з ексцентричним полем зору, у якого апертурна діафрагма розташована на третьому увігнутому дзеркалі і зміщена щодо оптичної осі об'єктива (патент WO 2006075316). Об'єктив складається з першого ввігнутого гіперболічного дзеркала, другого опуклого дзеркала, що має форму сплюсненого еліпсоїда, третього ввігнутого дзеркала, що також має форму сплюсненого еліпсоїда, і плоского дзеркала, що відхиляє промені, які прямують від третього дзеркала до площини зображення, та розташованого між третім дзерка R 3  (0,99... 1,01) dCP  2f ob 0,1b 4  81,8d3  55,1d 41,9d  0,31  b  CP  15,45dCP  3,6  CP CP b d1  d 2 - нормована середня відстань між ' 2fob першим і другим та другим і третім дзеркалами, d b  2 - відношення відстаней між другим і третім d1 та першим і другим дзеркалами, (13) 94303 (11) UA ' ' 0,42fob  dCP  0,43fob . (19) d1 - відстань між першим і другим дзеркалами, d2 - відстань між другим і третім дзеркалами. 2. Об'єктив за п. 1, який відрізняється тим, що позаосьове ввігнуте третє дзеркало виготовлено у вигляді сферичного дзеркала при C2 ' f ob - фокусна відстань об'єктива, 3 94303 лом і площиною зображень. Третє дзеркало має круглу форму, а перше і друге дзеркало - прямокутну. Основним недоліком цієї системи є значне збільшення габаритів першого дзеркала через значно віддалену від нього вхідну зіницю. Відомий тридзеркальній об'єктив (патент JP f '  1000 10274740) з фокусною відстанню ob мм, відносним отвором 1:4,5 та ексцентричним полем зору х = ±2,5°. Об'єктив складається з першого ввігнутого асферичного дзеркала, опуклого другого дзеркала сферичної форми, третього ввігнутого дзеркала асферичної форми та апертурної діафрагми, розташованої навколо другого дзеркала. Центри кривизни усіх трьох дзеркал знаходяться на оптичній осі об'єктива. Потік випромінювання від віддаленого об'єкта падає на віртуальну вхідну зіницю, яка розташована позаду першого дзеркала, під певним кутом до оптичної осі, послідовно відбивається від першого, другого і третього дзеркал та формує зображення по другий бік оптичної осі від випромінювання, що падає на об'єктив. Друге дзеркало розташовано в положенні половини радіуса третього дзеркала, в результаті чого формується телецентричний хід променів в просторі зображення. Основним недоліком цієї системи є велика відстань між дзеркалами, що досягає ' (0,58...0,61)fob та велика відстань між третім дзеркалом та площиною зображення, що досягає ' (0,98...1,13)fob . Як прототип розглядається найбільш близька по конструктивному рішенню до запропонованого оптична схема тридзеркального об'єктива (патент US 4240707). Об'єктив працює позаосьовим ексцентричним полем зору і складається з першого ввігнутого дзеркала, другого опуклого дзеркала та третього ввігнутого дзеркала. Центри кривизни всіх дзеркал лежать на оптичній осі об'єктива. Друге дзеркало і апертурна діафрагма, що збігається з ним, осесиметричні щодо оптичної осі об'єктива. Перше та третє дзеркала виконані у вигляді позаосьових сегментів осесиметричних дзеркал. Потік випромінювання від віддаленого об'єкта падає на віртуальну вхідну зіницю, яка розташована за першим дзеркалом, під певним кутом до оптичної осі, послідовно відбивається від першого, другого та третього дзеркал і утворює зображення у фокальній площині об'єктива по іншу сторону оптичної осі від падаючого на об'єктив випромінювання. Недоліком даної системи є великі габарити: відстань між дзеркалами дорівнює S'  1f ob ' 0,5fob , задній відрізок ' . Основним недоліком даної системи і всіх тридзеркальних об'єктивів з ексцентричним полем зору є те, що за допомогою трьох асферичних дзеркал звичайно вдається виправити тільки чотири аберації: сферичну аберацію, кому, астигматизм і кривизну поля зору. Саме тому такі системи називають тридзеркальними анастигматичними об'єктивами (ТМА - three-mirror anastigmat). Присутня в даних об'єктивах дисторсія, що досягає до 2 4 %, визиває труднощі щодо їхнього застосування в апаратурі дистанційного зондування Землі, де потрібне одержання якісного зображення без спотворення. Задачею винаходу є створення тридзеркального довгофокусного квазіортоскопічного об'єктива, придатного для застосування в апаратурі дистанційного зондування Землі, зменшення габаритів об'єктива, спрощення конструкції і вартості виготовлення його оптичних елементів. Задача вирішується тим, що в тридзеркальному об'єктиві, що містить перше ввігнуте дзеркало, опукле друге дзеркало, на якому розташована апертурна діафрагма, та третє ввігнуте дзеркало з центрами кривизни всіх дзеркал, що знаходяться на оптичній осі об'єктива, а перше та третє ввігнуті дзеркала є позаосьовими сегментами осесиметричних дзеркал, згідно з винаходом, третє дзеркало має радіус: ' 2f ob R 3  (0,99...1,01) 4 41,9d CP  81,8d3  55,1d CP  15,45d CP  3,6  CP d CP  0,1b  0,31  b  b , d1  d 2 ' 2f ob де - нормована середня відстань між першим і другим та другим і третім дзеркалами, d  d2 dCP  1 ' 2fob - відношення відстаней між другим і третім та першим і другим дзеркалами, ' f ob - фокусна відстань об'єктива, d1 - відстань між першим і другим дзеркалами, d2 - відстань між другим і третім дзеркалами, а позаосьовий фрагмент асферичного третього дзеркала виконаний у вигляді сферичного дзеркала при середній відстані між дзеркалами ' ' 0,42fob  dCP  0,43fob . Виконання ввігнутого третього дзеркала з радіусом кривизни відповідно до наведеної формули, дозволяє виправити в об'єктиві крім сферичної аберації, коми, астигматизму та кривизни поля зору ще і дисторсію, що дозволяє одержати нову якість і є важливим чинником для об'єктивів, призначених для дистанційного зондування Землі. Вищенаведене свідчить про те, що конструктивні відмінності радіуса кривизни поверхні третього дзеркала є істотною відмінністю запропонованого технічного рішення від прототипу, і дозволяють одержати в об'єктиві якісне квазіортоскопічне зображення. Виконання позаосьового фрагмента ввігнутого третього дзеркала у вигляді сферичного дзеркала робить його більш технологічним у порівнянні з позаосьовим фрагментом асферичного дзеркала прототипу, тому що не потрібне спеціальне обладнання для виготовлення і контролю якості виготовлення асферичного дзеркала. Конструктивні відмінності габаритів об'єктива і форми поверхні третього дзеркала є істотними відмінностями запропонованого технічного рішення від прототипу, і дозволяють значно зменшити габарити об'єктива, спростити конструкцію, вар 5 тість виготовлення третього дзеркала та усього об'єктива при одержанні квазіортоскопічного зображення. На фіг. 1 наведено приклад конкретного виконання об'єктива відповідно до пп. 1, 2 запропонованої формули винаходу. На фіг. 2 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива по п. 1, запропонованої формули винаходу, з наступними характери f '  1000 стиками: ob мм; відносний отвір 1:3,33; поле зору у = 7° і x = ±3°; dCP = 0,6; b = 1,1. На фіг. 3 наведена таблиця значення контрасту К модуляційної передавальної функції (МПФ) об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ безабераційного об'єктива, і дисторсії для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 2, зображеного на фіг. 1. На фіг. 4 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива за п. 1 запропонованої формули винаходу, з наступними характериf '  1000 стиками: ob мм; відносний отвір 1:3,85; поле зору у = 7° і x =0,2785; dCP = 0,5916; b = 1,186. На фіг. 5 наведена таблиця контрасту К МПФ об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ безабераційного об'єктива, і дисторсії для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 4, зображеного на фіг. 1. На фіг. 6 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива за п. 1, запропонованої формули винаходу, з наступними характери' fob  2260 стиками: мм; відносний отвір 1:10; поле зору у = 7° і x = ±3°; dCP = 0,2785; b = 0,975. На фіг. 7 наведена таблиця контрасту К МПФ об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ безабераційного об'єктива, і дисторсії для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг.6, зображеного на фіг. 1. На фіг. 8 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива за п. 2, запропонованої формули винаходу, з наступними характери f '  1000 стиками: ob мм; відносний отвір 1:5; поле зору у = 7° і x = ±3°; dCP = 0,4235; b = 1,1. На фіг. 9 наведена таблиця контрасту К МПФ об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ безабераційного об'єктива, і дисторсії для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 8, зображеного на фіг.1. На фіг. 10 наведена таблиця конструктивних параметрів варіанта об'єктива за п. 3, запропонованої формули винаходу, з наступними характериf '  1000 стиками: ob мм; відносний отвір 1:4,5; поле зору у = 7° і x = ±3°; dCP = 0,4625; b = 0,9766, по S '  100000 ложення вихідної зіниці P' мм. На фіг. 11 наведена таблиця контрасту К МПФ об'єктива, в порівнянні з дифракційною МПФ безабераційного 94303 6 об'єктива, і дисторсії для об'єктива з конструктивними параметрами, наведеними на фіг. 10, зображеного на фіг. 1. Запропонований об'єктив для дистанційного зондування Землі, який працює в спектральному діапазоні  = (0,45...0,9) мкм, із фокусними відс f' танями ob , відноснім отвором, кутовим полем зору ((у і х) і конструктивними параметрами варіантів об'єктива, наведеними на фіг. 2, фіг. 4, фіг. 6, фіг. 8 і фіг. 10. Об'єктив містить позаосьовий сегмент осесиметричного асферичного першого ввігнутого дзеркала 1, осесиметричне опукле друге дзеркало 2 асферичної або сферичної форми з апертурною діафрагмою 3, розташованою навколо другого дзеркала, позаосьовий сегмент осесиметричного третього ввігнутого дзеркала 4 асферичної або сферичної форми і фокальну площину 5, у якій розташовуються фотоприймачі світла. Центри кривизни всіх дзеркал знаходяться на оптичній осі об'єктива. Об'єктив працює в такий спосіб: світловий потік від віддаленого предмета падає на віртуальну вхідну зіницю 6, розташовану за першим дзеркалом 1, під певними кутами до оптичної осі у і х, послідовно відбивається від першого 1, другого 2 і третього 4 дзеркал і утворює зображення у фокальній площині 5 об'єктива по інший бік оптичної осі від випромінювання, що надходить до об'єктива. Форма поверхонь дзеркал наведених на фіг. 2, фіг. 4, фіг. 6, фіг. 8, і фіг. 10 описується формулою Z c  r2 1  1  1  k c r 2 2  1r 2  1r 4  3r 6 , 1 c R - кривизна поверхні дзеркала, R де r - радіальна координата поверхні, k = -c2 - конічна стала, 1, 2 і 3 - коефіцієнти, які описують відхилення поверхні від сфери або асферики другого порядку, R - радіус кривизни поверхні. Радіус кривизни третього дзеркала знаходитися в межах: 1) для варіанта на фіг. 2 - 1025,55  R3  1005,25; 2) для варіанта на фіг. 4 - 1041,92  R3  1021,28; 3) для варіанта на фіг. 6 -2101,71  R3  2060,09; 4) для варіанта на фіг. 8 - 954,59  R3  935,69; 5) для варіанта на фіг. 10 - 926,49  R3  908,l5, що відповідає запропонованій формулі за п. 1. Середня відстань між дзеркалами dCP = 0,4235 варіанта об'єктива зі сферичним третім дзеркалом, наведеного на фіг. 8, відповідає п.2 запропонованої формули винаходу. 7 94303 8 9 94303 10 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 94303 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601