Научная статья на тему 'Двухзеркальный объектив с плоским полем'

Двухзеркальный объектив с плоским полем Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
220
106
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Наука и техника
Область наук
Ключевые слова
ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ / ПЛОСКОСТИ

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Артюхина Н. К., Богатко А. В.

Рассмотрен светосильный анастигмат с плоским полем, состоящий из двух асферических зеркал. Дан расчет конструктивных параметров, исследован вопрос защиты плоскости изображения от попадания постороннего света. Объектив может использоваться в космической астрономии для исследований в УФ и ИК областях спектра.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TWO-MIRROR OBJECTIVE WITH PLANE FIELD

The paper considers a light-strong anastigmat with plane field that consists of two aspherical mirrors. Calculation of design parameters is given in the paper. Problem concerning protection of image plane against penetration of stray light has been investigated. The objective can be used in space astronomy for investigation of ultra-violet and infrared spectrum regions.

Текст научной работы на тему «Двухзеркальный объектив с плоским полем»

УДК 535.317.6

ДВУХЗЕРКАЛЬНЫИ ОБЪЕКТИВ С ПЛОСКИМ ПОЛЕМ

Канд. техн. наук АРТЮХИНА Н. К., асп. БОГАТКО А. В.

Белорусский национальный технический университет

Зеркальные объективы обладают рядом существенных преимуществ перед линзовыми и находят широкое применение в различных областях оптического приборостроения, особенно при работе в УФ и ИК областях спектра. Часто требуется регистрация очень слабых и достаточно протяженных объектов, что определяет разработку объективов и систем с увеличенным полем зрения при сохранении высокой светосилы, которые должны быть откоррегированы на сферическую аберрацию, кому, астигматизм и кривизну изображения.

Возможности двухзеркальных систем в построении изображения, свободного от сферической аберрации, комы и астигматизма, на плоском поле ограничены в силу недостаточного количества в них коррекционных параметров. Создан ряд удачных трехзеркальных конструкций, обеспечивающих высокие относительные отверстия, однако угловые поля в них ограничены из-за виньетирования, причем для этих систем характерно неудобное расположение плоскости изображения. Четырехзеркальные объективы обладают высокими коррекционными возможностями [1, 2], но имеют сложную асферику зеркал, значительные габариты, большое экранирование и виньетирование по полю, поэтому они изготавливаются лишь в единичных экземплярах.

Известны анастигматы, состоящие из двух зеркал [3].

В предлагаемой работе рассматривается светосильный апланатический анастигмат подобного типа с исправленной кривизной изображения. Объектив, оптическая схема которого представлена на рис. 1, состоит из главного выпуклого и вторичного вогнутого зеркал и имеет удобно размещенную для исследования плоскость изображения.

Введем условия масштаба:

а1 = 0; а3 = 1; 1 - 1; / = 1.

Рис. 1. Двухзеркальный анастигмат с плоским полем

Конструктивные параметры, согласно [4], определяются выражениями:

-А. и-1 -1.

7-—; И-1 а 2

21 72 = 1 + си '

а 2

(1)

Для того чтобы в системе были исправлены сферическая аберрация, кома, астигматизм и кривизна изображения, необходимо выполнение условий:

1

(2)

Ц = ~2((& +10) = 0; Ко = -4+11<02 - 0;

с0 - ц -2^Щ+1,520, -0;

ц- 2 (а- тт)-°,

где В0, К0, С0, Б0 - коэффициенты III порядка соответствующих монохроматических аберраций.

Для вспомогательных величин имеем следующую сводку формул:

1 - а

(3)

— И

°2 - Т2а2 + Р2; 5 - 1";

Т — а2 « Р - а2 .

Т - 4 ; Р - 4 ;

Т - (1 + а2)3 ; Р - 1 - а2 (1 -а2)

Т2 - 4 ; Р2 - 4 (1 а2),

где а1, а2 - деформации первого и второго

зеркал, причем а - -е2, а е2 - квадрат эксцентриситета меридиональной кривой II порядка поверхности зеркал.

Решив систему уравнений (2), получим:

1 + а0

-1;

а2

а -

1 -(1 - а2)(1 - а2)

2 (1 + а2)3

(4)

где

а2 -±| 2

Тогда конструктивные параметры системы численно равны:

7 - 2,8284; "--2; а1 - 5,8284;

а2 - 0,1716.

Отрицательное значение угла а2 определяет вариант системы с мнимым изображением, который не имеет практического значения.

При расчете зеркальных систем, кроме определения конструктивных параметров и исследования коррекционных возможностей, важное место занимает разработка мероприятий для защиты плоскости изображения от попадания постороннего света, что достигается введением специальных защитных бленд и экранов.

На рис. 2 показан ход двух нулевых лучей, входящих в систему параллельно оптической оси: луча I, идущего на край входного зрачка, и луча 1\, идущего на край отверстия в главном

зеркале. Параметры 1, 1, а1, а2, а3 и 1, Ь1, а1, а2, а3, описывающие ход лучей I и 1Х со-

ответственно, определяются по формулам (Ы1) и (Г'27) [4].

Рис. 2. Защита плоскости изображения от постороннего света

Как видим, лучи, идущие на высоте, меньшей 11, являются паразитными, следовательно, их необходимо срезать при помощи специального экрана. Положение экрана определяют его координаты: Нэ - высота экрана относительно оптической оси; 1э - положение экрана относительно вершины первого зеркала.

Очевидно, высота экрана Нэ не может быть

меньше Лотв. Примем Иэ = Иотв = 1 Тогда коэффициент линейного экранирования будет определятся выражением

П -

V

(5)

Длина экрана 1э не может быть меньше отрезка С2С3, иначе произойдет срезание полезных лучей экраном. Из рис. 2 находим:

ОД - 02Р-5- 02Р -(5 + И);

ар-1.

2 а3

Опасным лучом прямого света будет являться луч, идущий через край экрана на край изображения. Его, а также другие возможные лучи постороннего света необходимо срезать при помощи бленды, которую устанавливают у центрального отверстия вторичного зеркала. Положение бленды определяется ее высотой относительно оптической оси Нб и длиной относительно вершины вторичного зеркала /б.

Примем 1 -1

а1 -

Длину бленды 1б выбираем таким образом, чтобы паразитный луч, проходящий по краям бленды и экрана, засекал на фокальной плоскости отрезок У, больший половины линейного поля зрения объектива у.

Из рис. 2 имеем:

^у = —4—. оо = _А_.

г§У 1 + (—С —1); ^О4 І8У ;

Р О = 00 — 0Р = 00 — 5+(—С—1);

У = Р018У,

или после преобразования

у"*=4—4— — -э1 (Л'+с+1). (6)

Вариант объектива с техническими характеристиками: / ' = 50 мм; Б//' = 1:1; 2ю = 3° имеет следующие конструктивные параметры:

Г = 141,42 мм ; С = —100 мм;

Г* = 141,42 мм;

Б= 120,71 мм; 4 = 10,36 мм; 4 = 25 мм;

1з = 30 мм; 1б = і5 мм.

Форма асферических поверхностей определяется уравнениями:

*: у2 + / = 282,84х- 6,8482х ; ^*: у2 + / = 282,84х- Ц7ібх2.

Аберрационный расчет, проведенный с помощью ЭВМ, показал, что данный объектив формирует резкое, неискаженное изображение. Диаметр пятна рассеяния точки на оси -0,206 мм, дисторсия на краю поля - 0,034 %, неизопланатизм на краю зрачка - 0,15 %, астигматизм и кривизна изображения по полю равны нулю.

Недостатком объектива остается наличие асферических поверхностей. Дальнейшее исследование зеркальных систем с целью упрощения конструкции с одновременным увеличе-

нием оптических характеристик привело к получению двухзеркальных систем с четырьмя отражениями (с двойным отражением от каждого из зеркал) [5, 6]. Эти схемные решения, состоящие из двух сферических зеркал, позволяют устранить три-четыре аберрации.

В Ы В О Д

Таким образом, в двухзеркальном анастигмате с плоским полем воздушный промежуток между зеркалами равен удвоенному фокусному расстоянию системы, а радиусы кривизны первого и второго зеркал равны. Сферическая аберрация и кома объектива устранены введением эллиптических поверхностей. Рассчитанная система обладает рядом достоинств, главными из которых являются: возможность

устранения четырех аберраций малым числом компонентов, удобное расположение плоскости изображения, легкость процесса сборки и юстировки. Плоскость изображения защищена от постороннего света специальными блендой и экраном.

Объектив может использоваться для аэрофотосъемки, в космической астрономии, а также для исследований в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Ган, М. А. Асферические поверхности в оптических приборах / М. А. Ган, Н. И. Куликовская // Оптикомеханическая промышленность. - 1990. - № 11.

2. Попов, Г. М. Современная астрономическая оптика / Г. М. Попов. - М.: Наука, 1988. - 486 с.

3. Wynne, C. G. Two-mirror anastigmats / C. G. Wynne.

- JOSA, 1969. - V. 59, No. 5.

4. Чуриловский, В. Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка / В. Н. Чуриловский. - Л.: Наука, 1968. - 312 с.

5. Артюхина, Н. К. Зеркальная концентрическая система / Н. К. Артюхина, А. В. Богатко // Прикладная оптика-2004: VI междунар. конф. - СПб., 2004.

6. Артюхина, Н. К. Зеркальные системы с четырьмя отражениями / Н. К. Артюхина, А. В. Богатко, В. А. Мар-чик // Наука - образованию, производству, экономике: Материалы III междунар. конф. - Минск, 2005.

Поступила 6.06.2005

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.