RU2561340C1

RU2561340C1 - Four-mirror lens

Info

Publication number: RU2561340C1
Application number: RU2014115453/28A
Authority: RU
Inventors: Валерия Викторовна Вельтищева; Сергей Александрович Морозов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева"
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2015-08-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: lens includes a first mirror in the form of an off-axis fragment of a concave spherical converging mirror, facing the object plane with its concave side, a second mirror in the form of a convex spherical diverging mirror, facing the first mirror with its convex side, a third mirror in the form of an off-axis fragment of a concave aspherical converging mirror, facing a fourth mirror with its concave side, a fourth mirror in the form of a fragment of a concave aspherical converging mirror, facing the image plane with its concave side, and an aperture diaphragm. The centres of curvature of all optical surfaces lie on a common axis. In the meridian section, the second mirror is symmetrical relative to the optical axis, the first mirror lies below the optical axis, the third mirror is above the optical axis and the fourth mirror is above the third mirror. The aperture diaphragm coincides with the holder of the second mirror.

EFFECT: absence of central screening, high image quality and improved manufacturability.

2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к зеркальным объективам, и может быть использовано в космических телескопах.The invention relates to optical instrumentation, namely to mirror lenses, and can be used in space telescopes.

Известны зеркальные оптические системы, близкие по технической сущности к предлагаемому объективу, состоящие из четырех зеркал, отличающиеся схемным решением и степенью коррекции аберраций. Например, четырехзеркальный объектив в соответствии с авторским свидетельством СССР №428341, МПК G02B 17/02, опубл. 15.05.1974 г., представляющий собой первичное вогнутое осесимметричное параболическое зеркало, вторичное выпуклое осесимметричное гиперболическое зеркало и размещенный в их заднем отрезке компенсатор, образованный выпуклым и вогнутым сферическими осесимметричными зеркалами, передний фокус первого из которых совмещен с задним фокусом системы первичного и вторичного зеркал, а задний фокус - с передним фокусом вогнутого зеркала компенсатора. Недостатками рассмотренной оптической схемы являются наличие центрального экранирования, а также малое угловое поле. Наличие в объективе двух выпуклых зеркал значительно осложняет его сборку, юстировку и контроль.Mirror optical systems are known that are close in technical essence to the proposed lens, consisting of four mirrors, differing in circuit design and degree of correction of aberrations. For example, a four-mirror lens in accordance with the USSR author's certificate No. 428341, IPC G02B 17/02, publ. 05/15/1974, which is a primary concave axisymmetric parabolic mirror, a secondary convex axisymmetric hyperbolic mirror and a compensator located in their rear segment, formed by a convex and concave spherical axisymmetric mirrors, the front focus of the first of which is combined with the rear focus of the primary and secondary mirrors and the back focus - with the front focus of the concave mirror of the compensator. The disadvantages of the considered optical scheme are the presence of central shielding, as well as a small angular field. The presence of two convex mirrors in the lens greatly complicates its assembly, alignment and control.

Известен объектив в соответствии с авторским свидетельством СССР №1753442 A1, МПК G02B 17/06, опубл. 07.08.92 г., представляющий собой систему из четырех зеркал, первое из которых выпуклое сферическое, второе, третье и четвертое - вогнутые асферические, при этом первое и четвертое зеркала выполнены с центральными отверстиями. Апертурная диафрагма не совмещена ни с одним оптическим элементом, а располагается между вторым и третьим зеркалами. К недостаткам данного объектива следует отнести выпуклое кольцевое сферическое поле изображения. Также наличие в объективе трех асферических поверхностей и выпуклого зеркала значительно осложняет его сборку, юстировку и контроль.A known lens in accordance with the author's certificate of the USSR No. 1753442 A1, IPC G02B 17/06, publ. 08/07/92, which is a system of four mirrors, the first of which is convex spherical, the second, third and fourth are concave aspherical, while the first and fourth mirrors are made with central holes. The aperture diaphragm is not combined with any optical element, but is located between the second and third mirrors. The disadvantages of this lens include the convex annular spherical field of the image. Also, the presence of three aspherical surfaces and a convex mirror in the lens greatly complicates its assembly, alignment, and control.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является четырехзеркальный объектив с эксцентрично расположенными входным зрачком и полем изображения в соответствии с заявкой США №2009/0009897 A1 от 08.01.2009. Объектив представляет собой систему из четырех зеркал с центрами кривизны всех оптических поверхностей, находящимися на одной общей оси, состоящий из четырех последовательно по ходу луча установленных зеркал - первого, второго, третьего и четвертого. При этом первое зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов. Второе зеркало выполнено в виде выпуклого внеосевого асферического отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу. Третье зеркало - отрицательное выпуклое осесимметричное, обращенное выпуклостью к четвертому зеркалу и выполненное в виде фрагмента асферического зеркала. Четвертое зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и апертурной диафрагмы, расположенной на третьем зеркале. При этом, в меридиональном сечении объектива, первое и второе зеркала расположены ниже оптической оси, третье - на оптической оси, а четвертое зеркало - выше оптической оси. Система обладает широким полем 6×6°, центральное экранирование отсутствует. В данном объективе три зеркала являются внеосевыми, что приводит к усложнению механической конструкции объектива и затруднениям при его сборке. Наличие в объективе четырех асферических поверхностей, двух выпуклых зеркал также значительно усложняет его механическую конструкцию, сборку, юстировку и контроль.Closest to the proposed invention is a four-mirror lens with an eccentrically located entrance pupil and an image field in accordance with US application No. 2009/0009897 A1 of 01/08/2009. The lens is a system of four mirrors with centers of curvature of all optical surfaces located on one common axis, consisting of four mirrors installed in series along the beam - the first, second, third and fourth. In this case, the first mirror is made in the form of an off-axis fragment of a concave positive aspherical mirror facing with a concavity to the plane of objects. The second mirror is made in the form of a convex off-axis aspherical negative mirror convex to the first mirror. The third mirror is a negative convex axisymmetric convex to the fourth mirror and made in the form of a fragment of an aspherical mirror. The fourth mirror is made in the form of an off-axis fragment of a concave positive aspherical mirror facing with a concavity to the image plane and an aperture diaphragm located on the third mirror. Moreover, in the meridional section of the lens, the first and second mirrors are located below the optical axis, the third - on the optical axis, and the fourth mirror - above the optical axis. The system has a wide field of 6 × 6 °, there is no central shielding. In this lens, three mirrors are off-axis, which leads to a complication of the mechanical design of the lens and difficulties in its assembly. The presence of four aspherical surfaces, two convex mirrors in the lens also greatly complicates its mechanical design, assembly, alignment and control.

Задачей данного изобретения является создание четырехзеркального объектива с повышенными эксплуатационными характеристиками.The objective of the invention is to provide a four-mirror lens with enhanced performance.

Технический результат - создание четырехзеркального объектива без центрального экранирования с повышенным качеством изображения в пределах углового поля 13° в широком спектральном диапазоне 450-1700 нм и повышенной технологичностью.EFFECT: creation of a four-mirror lens without central shielding with improved image quality within an angular field of 13 ° in a wide spectral range of 450-1700 nm and increased manufacturability.

Это достигается тем, что в четырехзеркальном объективе, состоящем из последовательно установленных по ходу луча первого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов, второго зеркала, выполненного в виде выпуклого отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего зеркала, выполненного в виде фрагмента асферического зеркала, четвертого зеркала, выполненного в виде фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, и апертурной диафрагмы, причем центры кривизны всех оптических поверхностей расположены на одной общей оси, при этом в меридиональном сечении объектива первое зеркало расположено ниже оптической оси, а четвертое зеркало - выше оптической оси, в отличие от известного, первое и второе зеркала выполнены со сферическими поверхностями, кроме того, второе зеркало в меридиональном сечении объектива симметрично относительно оптической оси, третье зеркало вогнутое положительное, обращенное вогнутостью к четвертому зеркалу, внеосевое и в меридиональном сечении объектива расположено выше оптической оси, четвертое зеркало в меридиональном сечении объектива расположено выше третьего зеркала, а апертурная диафрагма совпадает с оправой второго зеркала.This is achieved by the fact that in a four-mirror lens, consisting of a first mirror sequentially installed along the beam, made in the form of an off-axis fragment of a concave positive mirror facing concavity to the plane of objects, a second mirror made in the form of a convex negative mirror convex to the first mirror, the third mirror, made in the form of a fragment of an aspherical mirror, the fourth mirror, made in the form of a fragment of a concave positive aspherical mirror, turned by concavity to the image plane, and the aperture diaphragm, and the centers of curvature of all optical surfaces are located on one common axis, while in the meridional section of the lens the first mirror is located below the optical axis, and the fourth mirror is above the optical axis, in contrast to the known one, the first and the second mirror is made with spherical surfaces, in addition, the second mirror in the meridional section of the lens is symmetrical about the optical axis, the third mirror is concave positive, facing concave axis to the fourth mirror, off-axis and in the meridional section of the lens is located above the optical axis, the fourth mirror in the meridional section of the lens is located above the third mirror, and the aperture diaphragm coincides with the frame of the second mirror.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема четырехзеркального объектива, а на фиг. 2 - модуляционная передаточная функция (МПФ) для крайней точки поля.In FIG. 1 is a schematic diagram of a four-mirror lens, and FIG. 2 - modulation transfer function (MPF) for the extreme point of the field.

Объектив (фиг. 1) состоит из последовательно, по ходу луча установленных первого зеркала 1, второго зеркала 2, третьего зеркала 3, четвертого зеркала 4, апертурной диафрагмы 5. Первое зеркало 1 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости предметов. Второе зеркало 2 выполнено в виде осесимметричного выпуклого сферического отрицательного зеркала, обращенного выпуклостью к первому зеркалу. Третье зеркало 3 положительное и выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого асферического зеркала, обращенного вогнутостью к четвертому зеркалу. Четвертое зеркало 4 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного асферического зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Центры кривизны всех оптических поверхностей находятся на одной общей оси, а апертурная диафрагма 5 расположена на втором зеркале 2. В меридиональном сечении объектива первое зеркало 1 расположено ниже оптической оси, второе зеркало 2 - на оптической оси, а третье зеркало 3 и четвертое зеркало 4 - выше оптической оси, причем четвертое зеркало 4 выше, чем третье зеркало 3.The lens (Fig. 1) consists of sequentially, along the beam of the installed first mirror 1, second mirror 2, third mirror 3, fourth mirror 4, aperture diaphragm 5. The first mirror 1 is made in the form of an off-axis fragment of a concave spherical positive mirror, facing concavity to plane of objects. The second mirror 2 is made in the form of an axisymmetric convex spherical negative mirror, convex to the first mirror. The third mirror 3 is positive and is made in the form of an off-axis fragment of a concave aspherical mirror facing with a concavity to the fourth mirror. The fourth mirror 4 is made in the form of an off-axis fragment of a concave positive aspherical mirror facing with a concavity to the image plane. The centers of curvature of all optical surfaces are on one common axis, and the aperture diaphragm 5 is located on the second mirror 2. In the meridional section of the lens, the first mirror 1 is located below the optical axis, the second mirror 2 is on the optical axis, and the third mirror 3 and the fourth mirror 4 are higher than the optical axis, the fourth mirror 4 being higher than the third mirror 3.

На фиг. 2 приведена полихроматическая МПФ объектива в спектральном диапазоне (0,45÷1,7) мкм для края углового поля.In FIG. Figure 2 shows the polychromatic MPF of the lens in the spectral range (0.45 ÷ 1.7) μm for the edge of the angular field.

Объектив работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на первое зеркало 1, затем, последовательно отражаясь от зеркал 2, 3, 4, фокусируется в плоскости изображения.The lens works as follows. The light from the radiation source enters the first mirror 1, then, subsequently reflected from the mirrors 2, 3, 4, focuses in the image plane.

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан объектив, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.In accordance with the proposed technical solution, a lens is calculated whose design parameters are given in table 1.

*осесимметричные асферические поверхности зеркал описываются следующей формулой:* axisymmetric aspherical mirror surfaces are described by the following formula:

где

Where

x, y, z - координаты точки на поверхности зеркала относительно центра O на оси симметрии Oz,x, y, z - coordinates of a point on the mirror surface relative to the center O on the axis of symmetry Oz,

R - радиус при вершине асферической поверхности, может быть как положительным, так и отрицательным, указывая направление относительно оси z положения центра кривизны асферической поверхности,

R is the radius at the apex of the aspherical surface, can be both positive and negative, indicating the direction relative to the z axis of the position of the center of curvature of the aspherical surface,

K - коническая константа,K is a conical constant,

C_i - асферические константы.C _i are aspherical constants.

Значения величин, приведенные в таблице 1, соответствуют объективу со следующими характеристиками:The values given in table 1 correspond to a lens with the following characteristics:

- Фокусное расстояние: 1000 мм.- Focal length: 1000 mm.

- Относительное отверстие: 1:4,5.- Relative hole: 1: 4.5.

- Угловое поле в меридиональном направлении ωy₀₌6°, ω_ymax=9°.- The angular field in the meridional direction is ωy _{0 =} 6 °, ω _ymax = 9 °.

- Угловое поле в сагиттальном направлении 2ω_x=13°.- The angular field in the sagittal direction 2ω _x = 13 °.

Объектив имеет следующие аберрации для длины волны λ=656,3 нм:The lens has the following aberrations for a wavelength of λ = 656.3 nm:

- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,003 мм.- Transverse spherical aberration of wide inclined beams within the entire angular field of not more than 0.003 mm.

- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,036 мм.- The meridional astigmatic segment is not more than 0.036 mm.

- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,023 мм.- Sagittal astigmatic segment of not more than 0.023 mm.

- Дисторсия не более 0,2%.- Distortion of not more than 0.2%.

Таким образом, создан четырехзеркальный объектив без центрального экранирования, имеющий хорошее качество изображения в пределах углового поля 13° в широком спектральном диапазоне 450-1700 нм, в котором центрального экранирования удается избежать за счет эксцентрично расположенного поля изображения, использования внеосевых фрагментов осесимметричных зеркал и специального расположения апертурной диафрагмы.Thus, a four-mirror lens without central shielding was created, which has good image quality within an angular field of 13 ° in a wide spectral range of 450-1700 nm, in which central shielding can be avoided due to the eccentrically located image field, the use of off-axis fragments of axisymmetric mirrors and a special arrangement aperture diaphragm.

Claims

A four-mirror lens, consisting of a first mirror sequentially installed along the beam, made in the form of an off-axis fragment of a concave positive mirror facing concavity to the plane of objects, a second mirror made in the form of a convex negative mirror, convex to the first mirror, and a third mirror made in the form a fragment of an aspherical mirror, the fourth mirror, made in the form of a fragment of a concave positive aspherical mirror, facing concavity to the square image velocity, and the aperture diaphragm, and the centers of curvature of all optical surfaces are located on one common axis, while in the meridional section of the lens the first mirror is located below the optical axis, and the fourth mirror is above the optical axis, characterized in that the first and second mirrors are made with spherical surfaces, in addition, the second mirror in the meridional section of the lens is symmetrical about the optical axis, the third mirror is concave positive, facing concavity to the fourth mirror, in The e-axis and in the meridional section of the lens are located above the optical axis, the fourth mirror in the meridional section of the lens is located above the third mirror, and the aperture diaphragm coincides with the frame of the second mirror.