RU2108605C1 - Mirror-lens objective - Google Patents

Abstract

FIELD: optical engineering. SUBSTANCE: objective has mirror components one of which is made as concave mirror and the other, as convex mirror mounted for removal from travel of rays for discrete variation of objective optical parameters. Third component is made as lens compensator. Objective is provided with auxiliary lens component the optical axis of which is parallel to optical axis of objective or coincides with it. Optical force φ_a of auxiliary lens component is related to optical force φ_l of lens compensator as φ_a = (1-S′φ_l)/d+S′(1-dφ_l) ,, where d is distance between main planes of auxiliary lens component and lens compensator; S′ is distance from lens compensator to focal plane of objective. EFFECT: more effective variation of parameters. 3 cl, 3 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к области объективов крупногабаритных наземных и космических телескопов, и может быть использовано для дискретного изменения оптических параметров (фокусного расстояния, углового поля зрения). The invention relates to the field of optical instrumentation, in particular to the field of lenses of large-sized ground-based and space telescopes, and can be used for discrete changes in optical parameters (focal length, angular field of view).

Известны аналоги - зеркально-линзовые объективы, содержащие три компонента, первый и второй из которых выполнены в виде вогнутого и выпуклого зеркал соответственно, а третий - в виде линзового компенсатора, причем один из компонентов - выпуклое зеркало - установлено с возможностью вывода из хода лучей для дискретного изменения оптических параметров. По такой схеме построены зеркально-линзовые объективы телескопов АЗТ-24 [1] и АЗТ-11 [2]. Изменение оптических параметров в этих объективах осуществляется за счет замены одного выпуклого зеркала на другое выпуклое зеркало с иным радиусом кривизны. Analogs are known - mirror-lens lenses containing three components, the first and second of which are made in the form of concave and convex mirrors, respectively, and the third - in the form of a lens compensator, and one of the components - a convex mirror - is installed with the possibility of outputting rays for discrete changes in optical parameters. According to this scheme, mirror-lens objectives of the AZT-24 [1] and AZT-11 [2] telescopes were built. The optical parameters in these lenses are changed by replacing one convex mirror with another convex mirror with a different radius of curvature.

Основными недостатками этих зеркально-линзовых объективов является:
ограниченный интервал дискретных изменений оптических параметров;
необходимость введения дополнительного линзового компенсатора для обеспечения постоянства положения плоскости изображения при смене выпуклых зеркал, что существенно усложняет конструкцию объектива.The main disadvantages of these mirror lenses are:
limited interval of discrete changes in optical parameters;
the need to introduce an additional lens compensator to ensure a constant position of the image plane when convex mirrors are changed, which significantly complicates the design of the lens.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является зеркально-линзовый объектив, содержащий зеркальные компоненты, один из которых выполнен в виде вогнутого параболического зеркала, а второй - в виде выпуклого параболического зеркала, с возможностью вывода из хода лучей. Положение фокусов зеркал совпадают, и они образуют зеркальную телескопическую систему Мерсена. Третий компонент - линзовый - установлен за телескопической системой [3]. Closest to the invention in technical essence is a mirror-lens lens containing mirror components, one of which is made in the form of a concave parabolic mirror, and the second in the form of a convex parabolic mirror, with the possibility of withdrawal from the course of the rays. The positions of the foci of the mirrors coincide, and they form the mirror telescopic system of Mersen. The third component - the lens - is installed behind the telescopic system [3].

Основными недостатками этого объектива являются:
невозможность исправления кривизны изображения в зеркальной системе Мерсена, что ограничивает поле зрения в одной из двух систем (либо зеркально-линзовый, либо линзовый),
значительные габариты системы, т.к. длина L всего объектива определяется зависимостью:

где

- фокусные расстояния зеркальных компонентов;

- фокусное расстояние линзового компонента,
несовпадение входных зрачков линзовой и зеркально-линзовой систем приводит к увеличению световых размеров системы.The main disadvantages of this lens are:
the impossibility of correcting the curvature of the image in the Mersen mirror system, which limits the field of view in one of the two systems (either mirror-lens or lens),
significant dimensions of the system, as the length L of the entire lens is determined by the dependence:

Where

- focal lengths of mirror components;

is the focal length of the lens component,
the mismatch of the entrance pupils of the lens and mirror-lens systems leads to an increase in the light dimensions of the system.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества объектива и уменьшение его габаритов. The main task to which the invention is directed is to improve the quality of the lens and reduce its size.

Для решения поставленной задачи предложен объектив, содержащий вогнутое зеркало, выпуклое зеркало, установленное с возможностью вывода из хода лучей для дискретного изменения оптических параметров объектива, и линзовый компенсатор. To solve this problem, a lens is proposed, containing a concave mirror, a convex mirror mounted with the possibility of output from the rays for discrete changes in the optical parameters of the lens, and a lens compensator.

В отличие от прототипа предложенный объектив снабжен дополнительным линзовым компонентом, расположенным на оптической оси объектива перед выпуклым зеркалом или расположенным на параллельной оптической оси перед установленной перископической системой зеркал, при этом оптическая сила φ_д дополнительного линзового компонента и оптическая сила φ_л линзового компенсатора связаны соотношением:

где
d - расстояние между главными плоскостями дополнительного линзового компонента и линзового компенсатора;
S' - расстояние от линзового компенсатора до фокальной плоскости объектива.Unlike the prototype, the proposed lens is equipped with an additional lens component located on the optical axis of the lens in front of a convex mirror or located on a parallel optical axis in front of the mounted periscopic mirror system, while the optical power φ _{d of the} additional lens component and the optical power φ _{l of the} lens compensator are related by the ratio:

Where
d is the distance between the main planes of the additional lens component and the lens compensator;
S 'is the distance from the lens compensator to the focal plane of the lens.

При этом, при расположении дополнительного линзового компонента на параллельной оптической оси, перископическая система зеркал выполнена в виде первого зеркала, установленного на оси этого компенсатора за ним, и второго зеркала, выполненного на тыльной стороне выпуклого зеркала, установленного с возможностью поворота вокруг оси, пересекающей основную оптическую ось объектива и перпендикулярную ей. Moreover, when the additional lens component is located on a parallel optical axis, the periscopic mirror system is made in the form of a first mirror mounted on the axis of this compensator behind it, and a second mirror made on the rear side of the convex mirror mounted with the possibility of rotation around an axis crossing the main optical axis of the lens and perpendicular to it.

Кроме того, при расположении дополнительного линзового компонента на параллельной оптической оси, перископическая система выполнена в виде первого зеркала, установленного на оси этого компонента за ним, и второго зеркала, установленного перед линзовым компенсатором с возможностью вывода его с оптической оси объектива. In addition, when the additional lens component is located on a parallel optical axis, the periscope system is made in the form of a first mirror mounted on the axis of this component behind it, and a second mirror mounted in front of the lens compensator with the possibility of its output from the optical axis of the lens.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что наличие в объективе дополнительного линзового компонента, оптическая ось которого параллельна оптической оси объектива, позволило скоррегировать как аберрации зеркально-линзовой системы, так и аберрации в линзовом объективе, и обеспечить высокое качество изображения в угловых полях

. Кроме того, это позволило получить оптимальные габариты системы при достаточно больших фокусных расстояниях

.The essence of the invention lies in the fact that the presence of an additional lens component in the lens, the optical axis of which is parallel to the optical axis of the lens, made it possible to correct both the aberrations of the mirror-lens system and the aberrations in the lens objective, and to ensure high image quality in angular fields

. In addition, this made it possible to obtain optimal system dimensions at sufficiently large focal lengths

.

Такое конструктивное решение позволило реализовать широкий перепад значений оптических параметров. Such a constructive solution allowed us to realize a wide difference in the values of optical parameters.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема зеркально-линзового объектива; на фиг. 2 и 3 - варианты ее исполнения. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a schematic diagram of a mirror lens; in FIG. 2 and 3 - options for its execution.

В табл. 1 и 2 приведен оптический выпуск схемы. In the table. Figures 1 and 2 show the optical output of the circuit.

Объектив (фиг. 1) содержит вогнутое зеркало 1, выпуклое зеркало 2, имеющее возможность находиться в положении I, либо в положении II, линзовый компенсатор 3, дополнительный линзовый компонент 4. При этом как зеркально-линзовый объектив (элементы 1, 2, 3), так и линзовый (элементы 3 и 4) имеют защитное стекло 5 и единую фокальную плоскость 6. The lens (Fig. 1) contains a concave mirror 1, a convex mirror 2, which can be in position I or in position II, a lens compensator 3, an additional lens component 4. Moreover, as a mirror-lens lens (elements 1, 2, 3 ) and the lens (elements 3 and 4) have a protective glass 5 and a single focal plane 6.

На фиг. 2 обозначения элементов те же, что и на фиг. 1. На тыльной стороне выпуклого зеркала 2 нанесено зеркальное покрытие 7, а за дополнительным линзовым компонентом 4 установлено плоское зеркало 8. In FIG. 2, the designations of the elements are the same as in FIG. 1. On the back side of the convex mirror 2, a mirror coating 7 is applied, and a flat mirror 8 is installed behind the additional lens component 4.

На фиг. 3 - обозначения фиг. 1, объектив содержит дополнительную перископическую систему из двух плоских зеркал 9 и 10. Зеркало 10 установлено с возможностью ввода-вывода его оптической оси. In FIG. 3 - designations of FIG. 1, the lens contains an additional periscopic system of two flat mirrors 9 and 10. Mirror 10 is installed with the possibility of input-output of its optical axis.

Зеркально-линзовый объектив на фиг. 1 работает следующим образом. The mirror lens of FIG. 1 works as follows.

В случае, когда выпуклое зеркало 2 находится в положении I, параллельный пучок света после отражения от зеркал 1 и 2 попадает на линзовый компонент 3 и фокусируется в фокальной плоскости 6. Эквивалентное фокусное расстояние при этом равно

, условное поле зрения

где
y' - линейный размер приемника в фокальной плоскости 6 объектива, а относительное отверстие составляет 1 :

, где D - диаметр входного зрачка - обычно диаметр зеркала 1.In the case when the convex mirror 2 is in position I, the parallel beam of light after reflection from mirrors 1 and 2 falls on the lens component 3 and focuses in the focal plane 6. The equivalent focal length is

conditional field of view

Where
y 'is the linear size of the receiver in the focal plane 6 of the lens, and the relative aperture is 1:

where D is the diameter of the entrance pupil - usually the diameter of the mirror is 1.

Аналогично работает зеркально-линзовый объектив на фиг. 2, когда выпуклое зеркало 2 находится в положении I, и объектив на фиг. 3, когда в положении I находится плоское зеркало 10. The mirror lens in FIG. 2 when the convex mirror 2 is in position I, and the lens in FIG. 3 when a flat mirror 10 is in position I.

В случае, когда выпуклое зеркало 2 (фиг. 1) находится в положении II (выведено из хода лучей), параллельный пучок света падает на дополнительный линзовый компонент 4, проходит через линзовый компенсатор 3 и фокусируется в фокальной плоскости 6. In the case when the convex mirror 2 (Fig. 1) is in position II (removed from the path of the rays), a parallel beam of light falls on the additional lens component 4, passes through the lens compensator 3 and focuses in the focal plane 6.

При нахождении в положении II выпуклого зеркала 2 на фиг. 2 параллельный пучок света после прохождения дополнительного линзового компонента 4 отражается от плоских зеркал 8 и 7 (тыльная сторона выпуклого зеркала), проходит через линзовый компенсатор 3 и также фокусируется в фокальной плоскости 6 объектива. When the convex mirror 2 is in position II in FIG. 2, a parallel light beam after passing through an additional lens component 4 is reflected from plane mirrors 8 and 7 (the rear side of the convex mirror), passes through the lens compensator 3, and is also focused in the focal plane 6 of the lens.

На фиг. 3 выпуклое зеркало 2 выводится из хода лучей путем ввода на оптическую ось объектива в положение II плоского зеркала 10. При этом зеркала 9 и 10 образуют перископическую систему, и параллельный пучок света, падающий на дополнительный линзовый компонент 4, проходит последний компенсатор 3 и фокусируется в фокальной плоскости 6 объектива. In FIG. 3, a convex mirror 2 is removed from the path of the rays by introducing a flat mirror 10 onto the optical axis of the lens in position II. In this case, the mirrors 9 and 10 form a periscopic system, and a parallel beam of light incident on the additional lens component 4 passes through the last compensator 3 and focuses in focal plane 6 of the lens.

Эквивалентное фокусное расстояние линзового объектива, образованного в результате выведения из хода лучей выпуклого зеркала 2 на фиг. 1, 2, 3 определяется только силовыми элементами: дополнительным линзовым компонентом 4 и линзовым компенсатором 3, а также расстоянием d между их главными плоскостями. Для данной оптической схемы угловое поле зрения

а относительное отверстие I :

, где D_л - входное отверстие линзового объектива.The equivalent focal length of the lens objective formed by removing the convex mirror 2 from FIG. 1, 2, 3 is determined only by power elements: an additional lens component 4 and lens compensator 3, as well as the distance d between their main planes. For this optical design, the angular field of view

and the relative hole I:

where D _l - the inlet of the lens.

Линейный компенсатор 3 постоянно в оптических схемах с включенным и выключенным зеркалом 2. Его оптическая сила равна φ_л . Оптическая сила дополнительного линзового компенсатора 4 φ_д определяется из условия, что при вводе и выводе выпуклого зеркала плоскость изображения постоянна, т.е. фокальные плоскости обеих систем (зеркально-линзового объектива и линзового) совмещены. Этому условию соответствует следующее соотношение:

где
S₁ - расстояние от линзового компенсатора до фокальной плоскости объектива.Linear compensator 3 is constantly in optical circuits with the mirror 2 turned on and off. Its optical power is equal to φ _l . The optical power of the additional lens compensator 4 φ _d is determined from the condition that during the input and output of a convex mirror the image plane is constant, i.e. the focal planes of both systems (mirror-lens and lens) are combined. The following relationship corresponds to this condition:

Where
S ₁ - the distance from the lens compensator to the focal plane of the lens.

В качестве примера конкретного исполнения рассчитан зеркально-линзовый объектив (фиг. 1) для космического телескопа, предназначенного для зондирования Земли (табл. 1, 2). As an example of a specific design, a mirror-lens objective (Fig. 1) was calculated for a space telescope designed to probe the Earth (Table 1, 2).

Из материалов, представленных в табл. 1 и 2, видно, что первая оптическая система объектива (табл. 1), состоящая из главного 1, вторичного - 2 и линзового компенсатора 3, имеет фокусное расстояние

= 4592 мм. В качестве приемника используется ПЗС-линейка размером 2y' = 200 мм, ей соответствует угловое поле 2β = 2^°30′.
Результаты аберрационного расчета обеспечивают качество изображения, требуемое для регистрации изображения Земли в процессе ее зондирования.From the materials presented in table. 1 and 2, it can be seen that the first optical system of the lens (Table 1), consisting of the main 1, the secondary 2 and the lens compensator 3, has a focal length

= 4592 mm. A CCD array with a size of 2y '= 200 mm is used as a receiver; an angular field of 2β = 2 ^° 30 ′ corresponds to it.
The results of the aberration calculation provide the image quality required for recording the image of the Earth during its sounding.

При выводе выпускного зеркала 2 из хода лучей вторая оптическая система линзового объектива образуется дополнительным компонентом 4 и линзовым компенсатором 3. Фокусное расстояние линзового объектива

= 1773,7 мм, угловое поле 2β = 6^° (при 2y' = 200 мм). Оптический и аберрационный выпуски приведены в табл. 2.When the exhaust mirror 2 is pulled out of the beam, the second optical system of the lens is formed by an additional component 4 and lens compensator 3. The focal length of the lens

= 1773.7 mm, angular field 2β = 6 ^° (at 2y '= 200 mm). Optical and aberration releases are given in table. 2.

Таким образом предложенное построение оптических схем объективов по фиг. 1 обеспечивает дискретное изменение фокусного расстояния объективов в

раз путем вывода из хода лучей выпуклого зеркала.Thus, the proposed construction of the optical circuits of the lenses of FIG. 1 provides a discrete change in the focal length of the lenses in

times by removing the convex mirror from the rays.

В результате реализации предложенного технического решения получен зеркально-линзовый объектив, имеющий малый оптимальный габарит при достаточно больших значениях фокусных расстояний

и обеспечивающий высокое качество изображения.As a result of the implementation of the proposed technical solution, a mirror-lens lens was obtained having a small optimal size at sufficiently large focal lengths

and providing high image quality.

Claims (3)

1. Зеркально-линзовый объектив, содержащий вогнутое зеркало, выпуклое зеркало, установленное с возможностью вывода из хода лучей для дискретного изменения оптических параметров объектива, и линзовый компенсатор, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным линзовым компонентом, расположенным на оптической оси объектива перед выпуклым зеркалом или расположенным на параллельной оптической оси перед установленной перископической системой зеркал, при этом оптическая сила φ_д дополнительного линзового компонента и оптическая сила φ_л линзового компенсатора связаны соотношением

где d - расстояние между главными плоскостями дополнительного линзового компонента и линзового компенсатора;
S' - расстояние от линзового компенсатора до фокальной плоскости объектива.1. Mirror-lens lens containing a concave mirror, a convex mirror mounted with the possibility of withdrawal from the rays for discrete changes in the optical parameters of the lens, and a lens compensator, characterized in that it is equipped with an additional lens component located on the optical axis of the lens in front of the convex mirror or located on a parallel optical axis in front of the installed periscopic mirror system, while the optical power φ _{d of the} additional lens component and the optical power φ _l lens compensator are related by

where d is the distance between the main planes of the additional lens component and the lens compensator;
S 'is the distance from the lens compensator to the focal plane of the lens. 2. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что при расположении дополнительного линзового компонента на параллельной оптической оси перископическая система зеркал выполнена в виде первого зеркала, установленного на оси этого компонента, за ним, и второго зеркала, выполненного на тыльной стороне выпуклого зеркала, установленного с возможностью поворота вокруг оси, пересекающей оптическую ось объектива и перпендикулярную ей. 2. The lens according to claim 1, characterized in that when the additional lens component is located on a parallel optical axis, the periscopic mirror system is made in the form of a first mirror mounted on the axis of this component, behind it, and a second mirror made on the back of the convex mirror, installed with the possibility of rotation around an axis intersecting the optical axis of the lens and perpendicular to it. 3. Объектив по п. 1, отличающийся тем, что при расположении дополнительного линзового компонента на параллельной оптической оси, перископическая система выполнена в виде первого зеркала, установленного на оси этого компонента за ним, и второго зеркала, установленного перед линзовым компенсатором с возможностью вывода его с оптической оси объектива. 3. The lens according to claim 1, characterized in that when the additional lens component is located on a parallel optical axis, the periscope system is made in the form of a first mirror mounted on the axis of this component behind it, and a second mirror mounted in front of the lens compensator with the possibility of its output with the optical axis of the lens.

Images