RU2333518C2

RU2333518C2 - Catadioptric lens

Info

Publication number: RU2333518C2
Application number: RU2006110432/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Викторович Полежаев; Галина Ефремовна Коршунова; Владимир Михайлович Тягур
Original assignee: Казенное предприятие "Центральное конструкторское бюро "Арсенал"
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2008-09-10
Also published as: RU2006110432A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: lens contains two-lens correction element in the form of negative and positive lenses, primary reflector, secondary convex spherical mirror with reflective coating, its convex surface facing toward the image side, and double-lens compensator in the form of biconcave and biconvex lenses provided between secondary mirror and image plane. The primary reflector is designed in the form of concave spherical mirror with reflective coating, its concave surface facing toward the object side. Biconcave lens of double-lens compensator is spaced (0.06...0.12)f' apart from biconvex lens, f' being lens focal length. The equivalent focal length of two-lens correctional element can be (6...9)f', and that of double-lens compensator (-1.5...0.9)f'.

EFFECT: increased aperture ratio, improved image quality along the whole field and better manufacturability, as well as reduced central screening.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к длиннофокусным зеркально-линзовым объективам, и может быть использовано в оптико-электронных, фотографических и других приборах, работающих с различными приемниками излучения в широкой спектральной области, охватывающей видимый диапазон и ближнюю инфракрасную область.The invention relates to optical instrumentation, in particular to telephoto mirror lenses, and can be used in optoelectronic, photographic and other devices operating with various radiation detectors in a wide spectral region, covering the visible range and near infrared region.

Известен зеркально-линзовый объектив с дифракционным уровнем разрешения для аппаратуры дистанционного зондирования Земли (Бюллетень международной академии "Contenant", июль 2001 г, стр.15, 16, Схема I, Табл.2), содержащий передний двухлинзовый афокальный компенсатор, первичное вогнутое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием, вторичное выпуклое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием и задний четырехлинзовый афокальный компенсатор. Недостатками этого объектива являются большой коэффициент центрального экранирования, равный 0,5, и многолинзовость заднего компенсатора.Known mirror lens with a diffraction level of resolution for equipment for remote sensing of the Earth (Bulletin of the International Academy "Contenant", July 2001, p.15, 16, Scheme I, Table 2), containing a front two-lens afocal compensator, a primary concave spherical mirror with an external reflective coating, a secondary convex spherical mirror with an external reflective coating and a rear four-lens afocal compensator. The disadvantages of this lens are the large coefficient of central shielding, equal to 0.5, and the multi-lens rear compensator.

Известен зеркально-линзовый объектив RU 2000584, содержащий передний компенсатор, состоящий из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы с центральными отверстиями, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, первичное вогнутое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием, обращенное вогнутостью к предмету, вторичный отражатель в виде зеркала Манжена, обращенного выпуклостью к изображению, и задний компенсатор, выполненный в виде отрицательного мениска одиночного или склеенного из вогнуто-плоской и плоско-выпуклой линз. Недостатками этого объектива являются неудовлетворительное качество изображения по полю зрения, большой коэффициент центрального экранирования, повышенные требования к точности изготовления зеркала Манжена сравнительно со сферическим зеркалом с внешним отражающим покрытием, блики от преломляющей поверхности зеркала Манжена.Known mirror lens RU 2000584, comprising a front compensator, consisting of a negative meniscus and a biconvex lens with central holes facing convex surfaces to each other, a primary concave spherical mirror with an external reflective coating facing concavity to the object, a secondary reflector in the form of a Mangen mirror , convex to the image, and the rear compensator, made in the form of a negative meniscus single or glued from a concave-flat and plane-convex lenses. The disadvantages of this lens are unsatisfactory image quality over the field of view, a large central screening coefficient, increased requirements for the accuracy of manufacturing the Mangin mirror compared to a spherical mirror with an external reflective coating, glare from the refractive surface of the Mangin mirror.

В качестве прототипа рассматривается наиболее близкая по конструктивному решению к предлагаемой оптическая схема зеркально-линзового фотографического объектива RU 2003145 с фокусным расстоянием f'=1000 мм, относительным отверстием 1:8, углом поля зрения 2ω=5°, коэффициентом центрального экранирования 0,54. Объектив содержит двухлинзовый коррекционный элемент из отрицательной и положительной линз, первичный отражатель в виде зеркала Манжена, вогнутого к предмету, вторичный отражатель в виде выпуклого сферического зеркала с внешним отражающим покрытием, обращенного выпуклостью к изображению, и двухлинзовый компенсатор из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, расположенных между вторичным зеркалом и плоскостью изображения. При этом эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента (0,9...1,1)f', а двухлинзового компенсатора (-0,3...-0,2)f', где f' - фокусное расстояние объектива.As a prototype, we consider the closest structural solution to the proposed optical scheme of a mirror-lens photographic lens RU 2003145 with a focal length f '= 1000 mm, a relative aperture of 1: 8, a field of view angle of 2ω = 5 °, a central screening coefficient of 0.54. The lens contains a two-lens correction element made of negative and positive lenses, a primary reflector in the form of a Mangin mirror concave to the object, a secondary reflector in the form of a convex spherical mirror with an external reflective convex to the image, and a two-lens compensator made of biconcave and biconvex lenses located between secondary mirror and image plane. In this case, the equivalent focal length of the two-lens correction element is (0.9 ... 1.1) f ', and the two-lens compensator (-0.3 ... -0.2) f', where f 'is the focal length of the lens.

Недостатками прототипа являются невысокое относительное отверстие, большой коэффициент центрального экранирования, низкая разрешающая способность по всему полю зрения, а также повышенные требования к точности изготовления зеркала Манжена сравнительно со сферическим зеркалом с внешним отражающим покрытием, блики от преломляющей поверхности зеркала Манжена. Эти недостатки ограничивают область использования прототипа, в частности, исключают возможность применения его в аппаратуре дистанционного зондирования Земли.The disadvantages of the prototype are the low relative aperture, a large coefficient of central shielding, low resolution across the entire field of view, as well as increased requirements for the accuracy of manufacture of the Mangin mirror compared to a spherical mirror with an external reflective coating, glare from the refractive surface of the Mangin mirror. These disadvantages limit the scope of use of the prototype, in particular, exclude the possibility of its use in remote sensing equipment of the Earth.

Целью изобретения является создание зеркально-линзового объектива с повышенной светосилой и уменьшенным коэффициентом центрального экранирования сравнительно с прототипом, с повышенным качеством изображения по всему полю, технологичного в изготовлении, для работы в спектральном диапазоне Δλ=(500...890) нм, охватывающем видимую область спектра и ближнюю инфракрасную, пригодного, в частности, для применения в аппаратуре дистанционного зондирования Земли.The aim of the invention is the creation of a mirror-lens lens with increased aperture and reduced central shielding coefficient compared to the prototype, with improved image quality over the entire field, technologically advanced to manufacture, for operation in the spectral range Δλ = (500 ... 890) nm, covering the visible spectral region and near infrared, suitable, in particular, for use in equipment for remote sensing of the Earth.

Цель достигается тем, что в зеркально-линзовом объективе, содержащем двухлинзовый коррекционный элемент из отрицательной и положительной линз, первичный отражатель - зеркало Манжена, вторичное сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием и двухлинзовый компенсатор из двояковогнутой и двояковыпуклых линз, расположенных между вторичным зеркалом и плоскостью изображения, первичный отражатель выполнен в виде сферического зеркала с внешним отражающим покрытием, вогнутостью обращенного к предмету, а двояковогнутая линза двухлинзового компенсатора удалена от двояковыпуклой на расстояние (0,06...0,12)f', где f' - фокусное расстояние объектива, при этом эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента составляет (6...9)f', а двухлинзового компенсатора (-1,5...0,9)f', в отличие от прототипа, где эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента (0,9...1,1)f', а двухлинзового компенсатора (-0,3...-0,2)f'.The goal is achieved by the fact that in a mirror-lens lens containing a two-lens correction element of negative and positive lenses, the primary reflector is a Manzhen mirror, a secondary spherical mirror with an external reflective coating and a two-lens compensator made of biconcave and biconvex lenses located between the secondary mirror and the image plane , the primary reflector is made in the form of a spherical mirror with an external reflective coating, concavity facing the subject, and a biconcave two-lens lens of the compensator is removed from the biconvex by a distance of (0.06 ... 0.12) f ', where f' is the focal length of the lens, while the equivalent focal length of the two-lens correction element is (6 ... 9) f ', and the two-lens compensator (-1.5 ... 0.9) f ', in contrast to the prototype, where the equivalent focal length of the two-lens correction element (0.9 ... 1.1) f', and the two-lens compensator (-0.3 ...- 0,2) f '.

Выполнение первичного отражателя в виде сферического зеркала с внешним отражающим покрытием делает его более технологичным сравнительно с зеркалом Манжена прототипа, так как при этом снижаются требования к точности изготовления зеркальной поверхности, а отсутствие преломляющей поверхности зеркала Манжена исключает ошибки изготовления ее формы и центрировки. При этом также улучшаются светотехнические характеристики объектива, так как исключаются блики от преломляющей поверхности зеркала Манжена, светорассеяние на ней, поглощение и светорассеяние в толще стекла зеркала Манжена.The implementation of the primary reflector in the form of a spherical mirror with an external reflective coating makes it more technologically advanced compared with the prototype Mangin mirror, since this reduces the requirements for the precision of the mirror surface manufacturing, and the absence of the refracting surface of the Mangin mirror eliminates errors in manufacturing of its shape and centering. At the same time, the lighting characteristics of the lens are also improved, since glare from the refracting surface of the Mangin mirror, light scattering on it, absorption and light scattering in the thickness of the glass of the Mangin mirror are eliminated.

Выполнение двухлинзового компенсатора компонентом "значительной" толщины удалением двояковогнутой линзы от двояковыпуклой на расстояние (0,06...0,12)f' позволяет повысить качество изображения объектива по полю зрения.The implementation of the two-lens compensator component of "significant" thickness by removing the biconcave lens from the biconvex to a distance of (0.06 ... 0.12) f 'can improve the image quality of the lens in the field of view.

Высокая аберрационная коррекция предлагаемого объектива достигается при эквивалентном фокусном расстоянии двухлинзового коррекционного элемента (6...9)f', а двухлинзового компенсатора (-1,5...0,9)f'.High aberration correction of the proposed lens is achieved with an equivalent focal length of the two-lens correction element (6 ... 9) f ', and the two-lens compensator (-1.5 ... 0.9) f'.

Вышеприведенные доводы свидетельствуют о том, что конструктивные отличия первичного отражателя и двухлинзового компенсатора являются существенными отличиями предлагаемого технического решения от прототипа. Совокупность существенных конструктивных отличий с отличиями эквивалентных фокусных расстояний двухлинзового коррекционного элемента и двухлинзового компенсатора соответствует условию новизны и позволяет получить положительный эффект, а именно увеличить относительное отверстие объектива, уменьшить центральное экранирование, повысить качество изображения объектива по всему полю зрения, улучшить его светотехнические характеристики и технологичность.The above arguments indicate that the design differences of the primary reflector and the two-lens compensator are significant differences of the proposed technical solution from the prototype. The combination of significant design differences with differences in the equivalent focal lengths of the two-lens correction element and the two-lens compensator corresponds to the novelty condition and allows you to get a positive effect, namely to increase the relative aperture of the lens, reduce central shielding, improve the image quality of the lens over the entire field of view, improve its lighting performance and manufacturability .

Пример конкретного выполнения объектива согласно предлагаемой формуле изобретения приведен на Фиг.1.An example of a specific implementation of the lens according to the proposed claims is shown in Fig.1.

На Фиг.2 приведена таблица конструктивных параметров объектива, изображенного на Фиг.1.Figure 2 shows a table of design parameters of the lens shown in figure 1.

На Фиг.3 приведена таблица коэффициентов передачи модуляции К на пространственной частоте N=50 мм^-1 предлагаемого объектива в сравнении с безаберрационным объективом с дифракционным качеством изображения и с прототипом.Figure 3 shows a table of transmission coefficients of modulation K at a spatial frequency N = 50 mm ^{-1 of the} proposed lens in comparison with a non-aberrational lens with diffractive image quality and with the prototype.

На Фиг.4 приведена разрешающая способность предлагаемого объектива при уровне контраста К=0,5 в сравнении с прототипом.Figure 4 shows the resolution of the proposed lens with a contrast level of K = 0.5 in comparison with the prototype.

На Фиг.1 изображен предлагаемый объектив для дистанционного зондирования Земли в спектральном диапазоне Δλ=(500...890) нм с f'=860 мм, относительным отверстием 1:5.06, угловым полем 5°, коэффициентом центрального экранирования 0,41. Объектив содержит двухлинзовый коррекционный элемент из отрицательной линзы 1 и положительной линзы 2, первичное вогнутое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием 3, обращенное вогнутостью к предмету, вторичное выпуклое сферическое зеркало с внешним отражающим покрытием 4, обращенное выпуклостью к изображению, и двухлинзовый компенсатор из двояковогнутой линзы 5 и двояковыпуклой линзы 6. В состав объектива в его задний фокальный отрезок дополнительно введены плоско-параллельные пластины 7-9, представляющие собой, соответственно, фокусировочное устройство из двух клиньев с одинаковыми преломляющими углами и противоположными вершинами, развертку призменного светоделительного устройства разделения спектральных каналов, входное окно приемника оптического изображения.Figure 1 shows the proposed lens for remote sensing of the Earth in the spectral range Δλ = (500 ... 890) nm with f '= 860 mm, relative aperture 1: 5.06, angular field 5 °, central shielding coefficient 0.41. The lens contains a two-lens correction element of a negative lens 1 and a positive lens 2, a primary concave spherical mirror with an external reflective coating 3, facing concavity to the object, a secondary convex spherical mirror with an external reflective coating 4, convex to the image, and a two-lens compensator of a biconcave lens 5 and a biconvex lens 6. In the composition of the lens in its posterior focal segment are additionally introduced plane-parallel plates 7-9, which are, respectively o, the focusing device of the two refracting wedges with identical angles and opposite vertices scan beam-splitting prism separating apparatus spectral channels, the input optical image receiver window.

Объектив работает следующим образом.The lens works as follows.

Световой поток от предмета проходит линзы 1, 2, отражается от зеркал 3, 4, проходит через линзы 5, 6, пластины 7-9 и фокусируется в плоскости светочувствительных элементов (пикселей) приемника. Защита приемника от прямой засветки обеспечивается двумя внутренними коническими блендами.The light flux from the object passes through lenses 1, 2, is reflected from mirrors 3, 4, passes through lenses 5, 6, plates 7-9 and is focused in the plane of the photosensitive elements (pixels) of the receiver. The receiver is protected from direct exposure by two internal conical lens hoods.

Качество изображения предлагаемого объектива (Фиг.1 и 2) представлено на Фиг.3 величинами коэффициентов передачи модуляции К на пространственной частоте N=50 мм^-1, определяемой размером пикселя 0,01×0,01 мм приемника. На Фиг. 3 приведены также К безаберрационного объектива с характеристиками предлагаемого: f', относительным отверстием, центральным экранированием, полем зрения, виньетированием. Из сравнения К предлагаемого объектива с безаберрационным следует, что предлагаемый объектив близок к безаберрационному, в котором качество изображения определяется только дифракцией. На Фиг.3 еще приведены величины К на частоте N=50 мм^-1 прототипа, полученные по графикам Фиг.2 описания прототипа, из которых следует, что частота N=50 мм^-1 является нерабочей для края поля зрения прототипа.The image quality of the proposed lens (Figs. 1 and 2) is shown in Fig. 3 by the values of the modulation transmission coefficients K at the spatial frequency N = 50 mm ^-1 , determined by the pixel size of 0.01 × 0.01 mm of the receiver. In FIG. Figure 3 also shows a non-aberrational lens with the characteristics of the proposed: f ', relative aperture, central shielding, field of view, vignetting. From comparison K of the proposed lens with non-aberrational, it follows that the proposed lens is close to non-aberrational, in which the image quality is determined only by diffraction. Figure 3 also shows the values of K at a frequency N = 50 mm ^{-1 of the} prototype, obtained from the graphs of Figure 2 of the description of the prototype, from which it follows that the frequency N = 50 mm ^-1 is inoperative for the edge of the field of view of the prototype.

На Фиг.4 качество изображения предлагаемого объектива представлено разрешающей способностью при уровне контраста К=0,5 - характеристикой, приведенной в описании прототипа внизу столбца 4 для центра поля 2ω=0°, середины поля 2ω=2°30' и края поля 2ω=5°. Из Фиг.4 следует, что выполнение объектива согласно предлагаемой формуле изобретения позволяет по сравнению с прототипом увеличить относительное отверстие объектива, уменьшить центральное экранирование и значительно повысить качество изображения.In Fig. 4, the image quality of the proposed lens is represented by the resolution at the contrast level K = 0.5 - the characteristic given in the description of the prototype at the bottom of column 4 for the center of the field 2ω = 0 °, the middle of the field 2ω = 2 ° 30 'and the edge of the field 2ω = 5 °. From figure 4 it follows that the implementation of the lens according to the proposed claims allows, in comparison with the prototype, to increase the relative aperture of the lens, reduce central shielding and significantly improve image quality.

Дисторсия предлагаемого объектива не превышает 0,25% на краю поля 2ω=5°. Освещенность на краю поля составляет 44% относительно центра. Длина объектива (Фиг.1 и 2) от передней поверхности линзы 1 до задней поверхности линзы 6 составляет 249 мм. Задний фокальный отрезок зеркально-линзового объектива (дет поз 1...6) составляет 90 мм. Длина объектива с пластинами (дет поз 1...9) составляет 363 мм.The distortion of the proposed lens does not exceed 0.25% at the edge of the field 2ω = 5 °. Illumination at the edge of the field is 44% relative to the center. The length of the lens (Fig.1 and 2) from the front surface of the lens 1 to the rear surface of the lens 6 is 249 mm The rear focal segment of the mirror-lens lens (details 1 ... 6) is 90 mm. The length of the lens with the plates (parts 1 ... 9) is 363 mm.

Авторами выполнены контрольные расчеты, подтверждающие высокое качество изображения объектива при удалении двояковогнутой линзы двухлинзового компенсатора от его двояковыпуклой на расстояние в диапазоне (0,06...0,12)f'. При этом эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента изменяется в диапазоне (6...9)f', а двухлинзового корректора в диапазоне (-1,5...0,9)f'.The authors performed control calculations confirming the high image quality of the lens when removing the biconcave lens of the two-lens compensator from its biconvex at a distance in the range (0.06 ... 0.12) f '. In this case, the equivalent focal length of the two-lens correction element varies in the range (6 ... 9) f ', and the two-lens corrector in the range (-1.5 ... 0.9) f'.

В приведенном примере выполнения объектива (Фиг.1 и 2) двояковогнутая линза двухлинзового компенсатора удалена от двояковыпуклой на расстояние 0,114 f', эквивалентное фокусное расстояние двухлинзового коррекционного элемента составляет 6,3 f', а двухлинзового компенсатора 0,83 f'.In the above example lens (Figs. 1 and 2), the biconcave lens of the two-lens compensator is removed from the biconvex by a distance of 0.114 f ', the equivalent focal length of the two-lens correction element is 6.3 f', and the two-lens compensator is 0.83 f '.

Claims

1. Mirror-lens lens containing a two-lens correction element made in the form of negative and positive lenses, a primary reflector, a secondary convex spherical mirror with an external reflective coating, convex to the image, and a two-lens compensator made in the form of a biconcave and biconvex lenses between the secondary mirror and the image plane, characterized in that the primary reflector is made in the form of a concave spherical mirror with an external reflective coating, concavity facing the subject, and the biconcave lens of the two-lens compensator is removed from the biconvex by a distance of (0.06 ... 0.12) f ′, where f ′ is the focal length of the lens.

2. The lens according to claim 1, characterized in that the equivalent focal length of the two-lens correction element is (6 ... 9) f ′, and the two-lens compensator (-1.5 ... 0.9) f ′.