Двухзеркальный объектив

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических приборах, работающих в широком спектральном диапазоне. Цель изобретения - повышение качества изображения за счет уменьшения меридиональных аберраций. В двух зеркальном объективе, содержащем вогнутое первичное зеркало 1, отражающая поверхность которого образована вращением ветви параболы вокруг оптической оси объектива 62X2, и вторичное зеркало 2, установленное соосно с первичным 1, отражающая поверхность вторичного зеркала 2 выполнена в виде поверхности прямого кругового конуса, обращенного вершиной к первичному зеркалу 1, при этом образующая отражающей поверхности первичного зеркала 1 смещена относительно оптической оси объектива 02X2 на величину Д- S1 -sln2 а, где S1 - расстояние от вершины вторичного зеркала до точки фокуса объектива; а - половина плоского угла при вершине конуса вторичного зеркала 2.3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (яи 6 02 8 17/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4809780/10 (22) 04.04.90 (46) 30.05.92. Бюл. N. 20 (71) Государственный институт прикладной оптики (72) В.А.Семин (53) 771.351.7.(088.8)

{56) Максутов Д.Д. Астрономическая оптика.

Л.: Наука, 1979, с. 299-306, (54) ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЬЕКТИВ (57) Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических приборах, работающих в широком спектральном диапазоне, Цель изобретения — повышение качества изображения за счет уменьшения меридиональных аберраций. В двухзеркальном обьективе, SU,, 1737394А1 содержащем вогнутое первичное зеркало 1, отражающая поверхность которого образована вращением. ветви параболы вокруг оптической оси объектива OzX2, и вторичное зеркало 2, установленное соосно с первичным 1, отражающая поверхность вторичного зеркала 2 выполнена в виде поверхности прямого кругового конуса, обращенного вершиной к первичному зеркалу 1, при этом образующая отражающей поверхности первичного зеркала 1 смзщена относительно оптической оси объектива 02Х2 на величину

Ь $ .з!п2 а, где S — расстояние от верши1. 1 . ны вторичного зеркала до точки фокуса объектива; и — половина плоского угла при вершине конуса вторичного зеркала 2. 3 ил.

1737394. Изобретение относится к объективам и Цель достигается тем, что в двухзерможет быть использовано в оптических при- кальном объективе, содержащем вогнутое борах, работающих в широком спектраль- первичное зеркало, отражающая поверхном диапазоне. ность которого образована вращением ветИзвестны и широко применяются двух- 5 ви параболы вокруг оптической оси зеркальные объективы на сферических зер- объектива, и вторичное зеркало, установкалах. Их существенный недостаток — ленное соосно с первичным, отражающая плохое качество изображения при вогнутом поверхность вторичного зеркала выполнена первичном зеркале и более или менее зна- в виде поверхности прямого кругового конучительномотносительномотверстии повсе- 10 са, обращенного вершиной к первичному му полю зрения, главным образом из-за зеркалу, приэтом образующая отражающей сферической аберрации и комы. поверхности первичного зеркала смещена

Более совершенны апланатические относительно оптической оси Объектива на двухзеркальные объективы (подробно спи- величину Л, определяемую по формуле санные, например, в книге Г,M.Ïoïoâà "Ac- .15 g S" . п 2 ферические поверхности где $ — расстояние от вершины вторичного

1 3f астрономической оптике", М.: Наука, 980). Зеркала до точки фокуса объектива;

Однако они содержат зеркала с асфериа- половина плоского угла при вершине ческими повеРхнОстЯми ВысОкОГО пОРЯДка КоНуса вторичного зеркала причем точное изготовление которых очень затруд- 20 нительно, особенно при больших габаритах. а=. -@ ., КРоме того, выполнение УсловиЯ синУсов, . где — угол между оптической осью и сред, положеНное в ос ову их Рас"ета, арантиру ним по высоте лучом после отражения его от ет высокое ка ес о изображениЯ при Уме- первичного зеркала (здесь предполагается, Ренных относительных отверстиях. а при 25 что Угол. всегда положительный, следовапредельно высоких относительных отвер- Ж стиях (вблизи значения 1 .0,5} вйеосевые тель"o, Угол а всегда меньше, полный аберрации, тем не менее, нео ран че но угол привершинеконуса2а меньше д;т.е. возрастают и объектив утрачивает способ- онус все да выпукл и) ность создавать изображение кроме одн,"., 30 На фиг. 1 изображена схема, поясняюосевой, точки. щая образование поверхностей зеркал; на

Ha bo ee близок по технической СУЩ- . фиг. 2 схема объектива с конкретно опрености к заявляемому Устройстчу известныи деленными параметрами; на фиг. 3 — аберобъек и Кассегрена (описанный, напРи- рационные характеристики предложенного мер, в книге Д,Д.Максутова "Астрономиче- 35 Объектива и прототипа ская оптика", Л.: Наука, 1979, с, 299-306), Поверхностизеркалстроимследующим. выбРанныйвкачествепрототипа. Онсодер- збразом. Пусть точка Р (фиг.1) — вершина жит пеРвичное вогнутое параболическое образующей параболы первичного зеркала. зеРкало, т.е. зеРкало, образованное враще- П;чаек лучей (в меридиональной плоскости), нием ветви паРаболы вокруг оси паРаболы, 40 параллельный оси параболы, отразившись и соосно Расположенное гиперболическое ст параболического профиля зеркала, собезеркало. Этим обеспечивается отсутствие. эется в фокусе р, р двухзеркальном объексферической аберрации. тив центральная часть, как правило, НеДостатком объе ива КассегРена Яв- экранирована, работает лишь перифеоий лЯетсЯ то.что безабеРРационное изобРаже- 45 ная зона зеркал. Пусть рабочая часть ние имеет место только в ОДной Осевой проФиля — участок ab Тогда точка Г— то"ке, а качество изобРажениЯ внеосевых изображение удаленной; внеосевой для это- точек быстРо УхудшаетсЯ с Увеличением Уг- ro элемента точки. Осью элемента аЬ будем ла поля зре"ия и относительного отверстия считать нормаль CN восстановленную из в ос ов ом из-за меРиДиональной комы. Ха- его середины. Плоскость наилучших изобраРактеРно то, что кома s объективе Кзссегре- 50 жений этого элемента в первом приближенаопРеДелЯетсЯ только размеРом вхоДного нии перпендикулярна его оптической оси. зрачка и фокусным расстоянием и не зави- Ее сечение обозначено линией l-1. Аналогичсит OT соотношениЯ Отрезков системы. В нодляэлементаэтойжепараболы,лежащеэтом cMbcne объектив KaccetPeHa полно- гоподругуюсторонуоси,сечениеплоскости стью эквивалентен одиночному параболи- 55 изображения — линия и-ц. Пусть образуюческому зеркалу. щая вторичного зеркала будет прямолинейЦелью изобРетениЯ ЯвлЯетсЯ повыше на. Определим ее так, чтобы изображение ние качества изобр жениЯ путем Уменьше- точки Р было построено в точке f » а изобрания меридиональной аберрации, 1737394 жение линии 1-! стало перпендикулярно оси параболы(линия! Ч ). Для этого необходимо выдержать соотношение углов, обозначенl

Hbtx li i2 4

Проведем через точку F линию, парал- 5

1 лельную оси параболы. Образуем поверхность первичного зеркала, вращая участок параболы аЬ в руг этой линии. Она становится оптической осью объектива. Кониче-. скую поверхность вторичного зеркала 10 образуем, вращая прямолинейную образующую вокруг этой оси. Таким образом, плоскости наилучших изображений противолежащих в каждой меридиональной .плоскости участков зеркал, пространствен- 15 но разнесенные в случае параболического зеркала, оказались совмещенными в предложенном объективе. За счет этого достигается повышение качества всего изображения по сравнению с параболои- 20 дом, а следовательно, и с объективом Кассегрена.

Приведенное выше соотношение между параметрами схемы следует из построений фиг. 1: 25

sin a =

Е F1 я1

b, cos a—

2Т F1

Умножаем почленно первое равенство на второе:

sin а со,з а—

Д

2 S1

35 или

Д=S1 - sin 2a

Действие конического зеркала в меридиональной плоскости эквивалентно плоскому, поэтому .фокусное расстояние предложенного объектива с коническим 40 зеркалом равно. фокусному расстоянию параболоида, образованного той же самой параболой (для лучей, одинаково отстоящих от оси параболы).

На фиг. 2 — пример конкретного испол- .45 нения объектива. Оптическая ось задается линией OzF . Пучок света, параллельный оптической оси, отражаясь последовательно от первичного 1 и вторичного 2 зеркал, собирается в точку F . Ось образующей 50 параболы задается линией 01F, ее вершина в точке 01. Фокальный параметр образующей параболы равен 140 мм, соответ;.твенно параксиальное фокусное расстояние 70 мм. На фиг. 3 приведены аберрационные 55 характеристики объектива, изображенного на фиг, 2, и прототипа с тем же фокусным расстоянием для угла поля зрения 30 (угол между входным пучком и оптической осью).

По оси ординат отложены высоты лучей на первичном зеркале (меридианальные Hm для кривых 3, 5 и сагиттальные Hs для кривых 4, 6). По оси абсцисс отложены у-координаты пересечения лучей с фокальной плоскостью. Кривые 3 и 5 характеризуют меридиональную аберрацию, а кривые 4 и 6 — у-составляющую сагиттальной аберрации, причем кривые 3 и 5 относятся к предложенному объективу, а кривые 4 и 6- к прототипу.

z-координата сагиттальной аберрации ничтожно мала по сравнению с у-составляющей и в одном и в другом случае. Для отрицательных высот кривые практически симметричны относительно оси Х и поэтому не показаны.

Особенностью обьектива является то, что при равных относительных отверстиях выходной апертурный угол в нем меньше, чем в прототипе, и эта разница увеличивается с увеличением относительного отверстия. Так, в объективе, фиг. 2 для луча, идущего на высотеy1=100 мм, tg 01 = 1,035 (о 47О), тогда как в прототипе с тем же

1 фокусным расстоянием для луча на той же высоте у1 = 100 мм tg о = 2,917 (aî - 71О).

8то же время,,по кривым фиг. 3 видно, что размер аберрационного пятна в фокальной плоскости при одном и том же поле зрения тоже меньше и, соответственно, выше средняя освещенность в пределах этого пятна, Эффект не означает увеличения яркости в обьективе, ибо увеличивается по сравнению с прототипом сагиттальная расходимость пучка. Однако можно подобрать параметры системы так, что возникающая вследствие этого сагиттальная аберрация не выйдет за пределы меридиональной (см.фиг.3) и не окажет влияния на величину расфокусировки (при этом может потребоваться дополнительное экранирование центральной части пучка, чтобы ограничить рабочую зону вторичного зеркала со стороны вершины конуса, где резко возрастает сагиттальная аберрация). Повышение качества изображения в предложенном обьективе сопровождается усилением концентрирующей способности при больших относительных отверстиях и одновременным уменьшением выходного апертурного угла за счет "перекачки" меридиональной расходимости пучка в сагиттальную. Последнее качество полезно для расширения возможностей апертурного согласования объектива с различными фотоприемными устройствами.

Формула изобретения

Двухзеркальный объектив, содержащий вогнутое первичное зеркало, отражающая

1737394

Фиг.1

Иg8Ф

Составитель В, Семин.

Редактор Т. Лошкарева Техред М,Моргентал Корректор Т, Малец

Заказ 1889 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 поверхность которого образована вращением ветви параболы вокруг оптической оси объектива, и вторичное зеркало, установленное соосно с первичным, о т л и ч à юшийся тем, что, с целью повышения качества изображения за счет уменьшения меридиональных аберраций, отражающая поверхность вторичного зеркала выполнена в виде поверхности прямого кругового конуса, обращенного вершиной к первичному зеркалу, при этом образующая отражающей поверхности первичного зеркала смещена относительно оптической оси объектива перпендикулярно ей на величину Л, определяемую. по фмуле

b, = Sç - sin 2 а. где S — расстояние от вершины вторичного

1 зеркала до точки фокуса объектива; а- половина плоского угла при верши10 не конуса вторичного зеркала.