RU2089930C1

RU2089930C1 - Mirror-and-lens system

Info

Publication number: RU2089930C1
Application number: RU93033472A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Бабинцев; В.Г. Волков; Н.Ф. Кощавцев; М.В. Кускова
Original assignee: Научно-производственное объединение "Орион" Специального конструкторского бюро техники ночного видения
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1997-09-10

Abstract

FIELD: optico-electron devices for visualization of images in wide region of spectrum. SUBSTANCE: system includes lens 1 with dichroic surface 2, flat dichroic mirror-counterreflector 4 deposited on one side of germanium plano-concave lens 3 installed in sequence. Three-lens compensator 5 (meniscuses 6,7,8) forming image in spectrum region 0.4-0.9 μ is placed at outlet of mirror 4. Surface 2 is concave spherical mirror for spectrum region 8.0-14.0 μ forming afocal telescopic extension piece together with lens 3, meniscus 9 and lens 10 which is optically coupled through rotary mirror 11 and scanning reflector 12 to lens objective 13 forming image in region 8.0-14.0 μ. EFFECT: increased operational reliability. 5 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим системам и может быть использовано в оптико-электронных приборах визуализации изображений, работающих в широкой области спектра. The invention relates to optical systems and can be used in optoelectronic imaging devices operating in a wide range of the spectrum.

Известен зеркально-линзовый объектив (1). Он состоит из последовательно установленных на оптической оси по ходу лучей положительного однолинзового компенсатора, зеркала Манжена и двухлинзового положительного компенсатора полевых аберраций, выполненного в виде положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к фокальной плоскости. Known mirror lens (1). It consists of a positive one-lens compensator sequentially mounted on the optical axis along the rays, a Manzhen mirror and a two-lens positive field aberration compensator made in the form of a positive lens and a negative meniscus convex to the focal plane.

Этот объектив имеет сравнительно большую массу, определяемую в основном однолинзовым компенсатором. Кроме того, такой объектив работает только в видимой и частично в ближней инфракрасной (ИК) областях спектра. В передней ИК области спектра он работать не может. This lens has a relatively large mass, determined mainly by a single-lens compensator. In addition, such a lens only works in the visible and partially in the near infrared (IR) regions of the spectrum. In the front IR region of the spectrum, it cannot work.

Известна принятая за прототип зеркально-линзовая система (2). Она представляет собой зеркально-линзовый объектив, содержащий последовательно установленные на оптической оси по ходу лучей зеркало Манжена, плоское зеркало-контротражатель, нанесенное на одну сторону подложки, трехлинзовый компенсатор полевых аберраций, выполненный в виде последовательно установленных отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к фокальной плоскости объектива, первого и второго положительных менисков, обращенных вогнутостью к той же плоскости. Known adopted for the prototype mirror-lens system (2). It is a mirror-lens lens containing a Manzhen’s mirror sequentially mounted on the optical axis along the rays, a flat mirror-protector, applied to one side of the substrate, a three-lens field aberration compensator made in the form of a negative meniscus installed in series, convex to the focal plane of the lens , the first and second positive menisci facing concavity to the same plane.

Данный объектив за счет отсутствия однолинзового компенсатора имеет меньшую массу, но, как и объектив-аналог, он не допускает одновременной работы в области спектра 0,4-0,9 мкм и в средней ИК области спектра (в частности, 8-14 мкм), кроме того, система имеет незначительное поле зрения. This lens due to the lack of a single-lens compensator has a lower mass, but, like an analog lens, it does not allow simultaneous operation in the 0.4-0.9 μm spectrum region and in the mid-IR region of the spectrum (in particular, 8-14 μm) In addition, the system has a slight field of view.

Задачей изобретения является расширение рабочей области спектра при одновременном расширении угла поля зрения. The objective of the invention is the expansion of the working region of the spectrum while expanding the angle of the field of view.

Указанная задача решается тем, что зеркально-линзовая система, содержащая последовательно установленные на оптической оси по ходу лучей линзу зеркало Манжена, плоское зеркало-контротражатель, нанесенное на одну сторону подложки, трехлинзовый компенсатор полевых аберраций, выполненный в виде последовательно установленных отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к фокальной плоскости системы, первого и второго положительных менисков, обращенных вогнутостью к той же плоскости. Преломляющая поверхность линзы зеркала Манжена и плоское зеркало-контротражатель выполнены дихроичными, подложка выполнена в виде плоско вогнутой отрицательной линзы из германия, перед вогнутой поверхностью которой последовательно установлены отрицательные мениск и двояковогнутая линза, образующие вместе с плосковогнутой линзой и преломляющей поверхностью линзы зеркала Манжена афокальную телескопическую насадку, оптически сопряженную через последовательно установленные на оптической оси поворотное плоское зеркало и сканирующий отражатель с линзовым объективом, выполненным из последовательно установленных положительного и отрицательного менисков, вогнутости которых обращены к фокальной плоскости линзового объектива. This problem is solved in that a mirror-lens system containing a Manzhen’s mirror sequentially mounted on the optical axis along the rays of the lens, a flat mirror-protector, applied to one side of the substrate, a three-lens field aberration compensator made in the form of a negative convex inverted meniscus to the focal plane of the system, the first and second positive menisci facing concavity to the same plane. The refracting surface of the Mangin mirror lens and the flat mirror-protector are made of dichroic, the substrate is made in the form of a flat concave negative lens made of germanium, in front of the concave surface of which negative meniscus and a biconcave lens are successively installed, which together with the flat-concave lens and the refracting surface of the Mange mirror mirror are afocal optically conjugated through a rotary flat mirror sequentially mounted on the optical axis and scanning th reflector with a lens made of sequentially installed positive and negative menisci, the concavities of which are facing the focal plane of the lens.

Таким образом, за счет нанесения дихроичного покрытия на первую преломляющую поверхность линзы зеркала Манжена (отражающего в области 8 14 и пропускающего в области 0,40,9 мкм) и на плоский контротражатель (отражающего в области 0,4^oC0,9 и пропускающего в области 8^oC14 мкм), а также за счет введения дополнительных линзовых компонентов на выходе контротражателя, преобразованного для канала на 8 14 мкм в отрицательную линзу, зеркально-линзовая система работает одновременно в областях спектра 0,4 0,9 и 8 14 мкм. При этом оба канала системы, соответствующие этим областям, имеют одно и то же общее входное окно, что существенно сокращает габариты данной системы по сравнению с габаритами аналогичных двухканальных систем. Наличие поворотного плоского зеркала обеспечивает работу канала на 8 - 14 мкм не только с увеличением, но и с большим полем зрения, значительно превосходящим угол поля зрения прототипа. Это зеркало позволяет и значительно сократить габариты данной системы по сравнению с прототипом.Thus, by applying a dichroic coating on the first refracting surface of the lens of the Mangin mirror (reflecting in the region of 8 14 and transmitting in the region of 0.40.9 μm) and on a flat counter-reflector (reflecting in the region of 0.4 ^o C0.9 and transmitting in region 8 ^o C14 μm), and also due to the introduction of additional lens components at the output of the counter-protector, converted for the channel 8 14 μm into a negative lens, the mirror-lens system works simultaneously in the spectral regions of 0.4 0.9 and 8 14 μm. Moreover, both channels of the system corresponding to these areas have the same common input window, which significantly reduces the dimensions of this system compared to the dimensions of similar two-channel systems. The presence of a rotary flat mirror provides the channel with 8-14 microns, not only with an increase, but also with a large field of view, significantly exceeding the angle of view of the prototype. This mirror allows and significantly reduce the dimensions of this system compared to the prototype.

На фиг.1 представлена оптическая схема зеркально-линзовой системы, где: 1 линза Зеркало Манжена; 2 поверхность с дихроичным покрытием; 3 - подложка в виде плосковогнутой отрицательной линзы; 4 плоское дихроичное зеркало-контротражатель; 5 трехлинзовый компенсатор полевых аберраций; 6- первый отрицательный мениск трехлинзового компенсатора полевых аберраций; 7, 8 соответственно первый и второй положительные мениски трехлинзового компенсатора полевых аберраций; 9 отрицательный мениск); 10 отрицательная двояковогнутая линза; 11 поворотное плоское зеркало; 12 сканирующий отражатель; 13 линзовый объектив; 14 положительный мениск линзового объектива; 15 отрицательный мениск линзового объектива; 16 защитное стекло фотоприемного устройства; на фиг. 2 кривые пропускания T(λ₂),T(λ)₄ и отражения P(λ₂),P(λ)₄ для оптических поверхностей 2 и 4 зеркала Манжена 1 и плосковогнутой отрицательной линзы; на фиг. 3 графики аберраций канала зеркально-линзовой системы, работающей в области спектра 0,4 0,9 мкм (поз. 2, 4, 5 на фиг. 1); на фиг.4 графики аберраций длиннофокусного канала зеркально-линзовой системы, работающей в области спектра 8 14 мкм [поз. 1, 3, 9, 10, 11 (сплошная линия), 12, 13, 16] на фиг. 5 графики аберраций линзового объектива 13 короткофокусного канала зеркально-линзовой системы.Figure 1 presents the optical scheme of the mirror-lens system, where: 1 lens Mirror Manzhen; 2 surface with a dichroic coating; 3 - a substrate in the form of a flat-concave negative lens; 4 flat dichroic mirror-protector; 5 three-lens field aberration compensator; 6 - the first negative meniscus of the three-lens compensator for field aberrations; 7, 8, respectively, the first and second positive menisci of the three-lens field aberration compensator; 9 negative meniscus); 10 negative biconcave lens; 11 rotary flat mirror; 12 scanning reflector; 13 lens lens; 14 positive meniscus of the lens lens; 15 negative meniscus of the lens lens; 16 protective glass of the photodetector; in FIG. 2 transmission curves T (λ ₂ ), T (λ) ₄ and reflection P (λ ₂ ), P (λ) ₄ for the optical surfaces 2 and 4 of the Mangin 1 mirror and a plano-concave negative lens; in FIG. 3 graphs of the channel aberrations of a mirror-lens system operating in the spectral region of 0.4 0.9 μm (pos. 2, 4, 5 in Fig. 1); figure 4 graphs of aberrations of the telephoto channel of a mirror-lens system operating in the spectrum region of 8 to 14 μm [pos. 1, 3, 9, 10, 11 (solid line), 12, 13, 16] in FIG. 5 graphs of aberrations of the lens objective 13 of the short-focus channel of the mirror-lens system.

Зеркально-линзовая система (фиг. 1) содержит линзу зеркало Манжена 1, преломляющая поверхность 2 которого выполнена дихроичной: она отражает в области спектра 8 14 мкм и пропускает в области спектра 0,4 0,9 мкм (см. фиг. 2). На ее выходе установлена германиевая подложка 3, на одной стороне которой нанесено плоское зеркало-контротражатель с дихроичным покрытием, пропускающим в области 8 14 мкм и отражающим в области 0,4 0,9 мкм (см. фиг. 2). Вторая сторона подложки 3 выполнена вогнутой, так что подложка 3 представляет собой плосковогнутую отрицательную линзу. На выходе зеркала 4 установлен трехлинзовый компенсатор 5 полевых аберраций, выполненный в виде последовательно установленных отрицательного мениска 6, первого 7 и второго 8 положительных менисков. Элементы 1, 2, 4, 3, 5, ( 6, 7, 8) образуют ближневолновый канал зеркально-линзовой системы для области спектра 0,7 0,9 мкм с точкой фокуса F₁. На выходе вогнутой поверхности плосковогнутой линзы 3 последовательно установлены отрицательный мениск 9 и отрицательная двояковогнутая линза 10, образующие вместе с плосковогнутой линзой 3 и отражающей поверхностью 2 зеркала Манжена 1 афокальную телескопическую насадку длинноволнового канала зеркально-линзовой системы для области спектра 5 14 мкм. Она оптически сопряжена через последовательно установленные на оптической оси поворотное зеркало 11 и сканирующий отражатель 12 (например, плоское зеркало или зеркальный барабан) с линзовым объективом 13. Он выполнен из последовательно установленных положительного 14 и отрицательного 15 менисков, вогнутости которых обращены к фокальной плоскости F₂ линзового объектива 13. Он образует вместе с фокальной телескопической насадкой длиннофокусный канал зеркально-линзовой системы. Перед точкой фокуса F₂ этого канала (являющейся также точкой фокуса объектива 13) находится защитное стекло 16, защищающее фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого находится в фокальной плоскости, соответствующей точке фокуса F₂.The mirror-lens system (Fig. 1) contains the lens of the Mangin mirror 1, the refractive surface 2 of which is made dichroic: it reflects in the spectral region 8 14 μm and transmits 0.4 0.9 μm in the spectral region (see Fig. 2). A germanium substrate 3 is installed at its exit, on one side of which there is a flat mirror counter-protector with a dichroic coating, transmitting in the region of 8 to 14 μm and reflecting in the region of 0.4 to 0.9 μm (see Fig. 2). The second side of the substrate 3 is concave, so that the substrate 3 is a flat-concave negative lens. At the output of the mirror 4, a three-lens compensator 5 of field aberrations is installed, made in the form of sequentially installed negative meniscus 6, the first 7 and second 8 positive menisci. Elements 1, 2, 4, 3, 5, (6, 7, 8) form the near-wave channel of the mirror-lens system for the spectral region 0.7 0.9 μm with a focal point F ₁ . At the exit of the concave surface of the plano-concave lens 3, a negative meniscus 9 and a negative biconcave lens 10 are sequentially installed, forming together with the plano-concave lens 3 and the reflecting surface 2 of the Mangeen mirror 1 an afocal telescopic nozzle of the long-wave channel of the mirror-lens system for the spectrum region 5 14 μm. It is optically coupled through a rotary mirror 11 and a scanning reflector 12 (for example, a flat mirror or a mirror drum) sequentially mounted on the optical axis with a lens objective 13. It is made of positive meniscus 14 and 15 menisci in series, the concavities of which face the focal plane F ₂ lens objective 13. It forms, together with the focal telescopic nozzle, a long-focus channel of the mirror-lens system. In front of the focal point F _{2 of} this channel (which is also the focal point of the lens 13) is a protective glass 16 that protects the photodetector, the sensitive area of which is in the focal plane corresponding to the focal point F ₂ .

Зеркально-линзовая система работает следующим образом. Mirror-lens system works as follows.

Излучение от объекта наблюдения (и окружающего его фона) поступает на поверхность 2 линзы зеркала Манжена 1. Излучение в области спектра 0,4 0,9 мкм проходит через линзу зеркало Манжена 1, отражается от его зеркальной задней поверхности 2 и, преломившись, выходит из линзы зеркала Манжена 1, отражается от плоскости зеркала-контротражателя 4 и поступает в трехлинзовый компенсатор 5 (мениски 6, 7, 8), на выходе которого в фокальной плоскости, соответствующей точке фокуса F₁, формируется изображение. В этой плоскости может быть установлен фотокатод электронно-оптического преобразователя, чувствительный в области спектра 0,4 0,9 мкм. Излучение в области 8 14 мкм отражается от поверхности 2, выполняющей для данной области роль вогнутого сферического зеркала, последовательно проходит через линзу 3, мениск 9 и линзу 10, преобразуясь на выходе афокальной телескопической насадки (элементы 2, 3, 9, 10) в параллельный пучок. Он последовательно отражается от поворотного плоского зеркала 11, установленного в положение, показанное на фиг. 1 сплошной линией, от сканирующего отражателя 12, поступает в линзовый объектив 13 (мениски 14, 15) и проходит через защитное стекло 16. Объектив 13 вместе с телескопической насадкой 2, 4, 9, 10 образуют длиннофокусный длинноволновый канал зеркально-линзовой системы, формирующий изображение в фокальной плоскости, соответствующей точке фокуса F₁, где расположена чувствительная поверхность ИК фотоприемного устройства. Для работы с большим углом поля зрения и соответственно с меньшим фокусным расстоянием используется линзовый объектив 13, образующий короткофокусный канал зеркально-линзовой системы. Для работы этого канала поворотное зеркало 11 установлено в положение, показанное на фиг. 1 пунктиром. Излучение от объекта и фона в области 8 14 мкм последовательно отражается от зеркала 11, сканирующего отражателя 12 и поступает в объектив 13, формирующий изображение в фокальной плоскости с точкой фокуса F₂.Radiation from the object of observation (and the background surrounding it) enters the surface 2 of the lens of the Mangin mirror 1. Radiation in the spectral region of 0.4 0.9 μm passes through the lens of the Mangin mirror 1, is reflected from its mirror back surface 2, and, having refracted, leaves the lenses of the Mangeon mirror 1, is reflected from the plane of the counter-reflector mirror 4 and enters the three-lens compensator 5 (menisci 6, 7, 8), at the output of which an image is formed in the focal plane corresponding to the focal point F ₁ . In this plane, a photocathode of the electron-optical converter can be installed, which is sensitive in the spectral region of 0.4 0.9 μm. The radiation in the region of 8–14 μm is reflected from the surface 2, which plays the role of a concave spherical mirror for this region, sequentially passes through lens 3, meniscus 9, and lens 10, being transformed at the output of the afocal telescopic nozzle (elements 2, 3, 9, 10) into parallel a bunch. It is successively reflected from a rotary flat mirror 11 set to the position shown in FIG. 1, the solid line from the scanning reflector 12 enters the lens 13 (menisci 14, 15) and passes through the protective glass 16. The lens 13 together with the telescopic nozzle 2, 4, 9, 10 form a long-focus long-wave channel of the mirror-lens system, forming image in the focal plane corresponding to the focal point F ₁ , where the sensitive surface of the infrared photodetector is located. To work with a large angle of field of view and, accordingly, with a smaller focal length, a lens objective 13 is used, which forms a short-focus channel of the mirror-lens system. For the operation of this channel, the rotary mirror 11 is set to the position shown in FIG. 1 dotted line. The radiation from the object and the background in the region of 8 to 14 μm is successively reflected from the mirror 11, the scanning reflector 12 and enters the lens 13, forming an image in the focal plane with a focal point F ₂ .

Из графиков фиг. 3, 4, 5 следует, что качество всех каналов зеркально-линзовой системы достаточно высоко как для области спектра 0,4 0,9 мкм, так и 8 14 мкм при значительной светосиле объектива. From the graphs of FIG. 3, 4, 5 it follows that the quality of all channels of the mirror-lens system is quite high both for the spectral region of 0.4 0.9 μm and 8 14 μm with a significant lens aperture.

По сравнению с прототипом данная система работает одновременно в области спектра 0,4 0,9 и 8 14 мкм за счет нанесения дихроичного покрытия на первую преломляющую поверхность линзы зеркала Манжена (отражающего в области 8 14 и пропускающего в области 0,4 0,9 мкм) и на плоский контротражатель (отражающего в области 0,4 0,9 и пропускающего в области 8 14 мкм), а также за счет введения дополнительных линзовых компонентов на выходе контротражателя, преобразованного для канала на 8 14 мкм в отрицательную линзу. Compared with the prototype, this system works simultaneously in the spectral region of 0.4 0.9 and 8 14 μm by applying a dichroic coating on the first refracting surface of the lens of the Mangin mirror (reflecting in the region of 8 14 and transmitting in the region of 0.4 0.9 μm ) and on a flat counter-reflector (reflecting in the region of 0.4 0.9 and transmitting in the region of 8 14 μm), as well as by introducing additional lens components at the output of the anti-reflector, converted for the channel to 8 14 μm into a negative lens.

При этом оба канала системы, соответствующие этим объектам, имеют одно и то же общее входное окно, что сокращает габариты данной системы по сравнению с габаритами прототипа. Наличие поворотного плоского зеркала позволяет также сократить габариты, "сломав" ее оптическую ось, а также обеспечить работу канала на 8 14 мкм не только с большим увеличением, но и с большим углом поля зрения, превышающим данный параметр прототипа. In this case, both channels of the system corresponding to these objects have the same common input window, which reduces the size of this system compared to the dimensions of the prototype. The presence of a rotary flat mirror also allows you to reduce the size, "breaking" its optical axis, as well as to ensure the channel at 8 14 microns, not only with a large increase, but also with a large field of view angle exceeding this parameter of the prototype.

Claims

1. Mirror-lens system containing the first optical channel, including a Mangeen mirror, a flat mirror-counter-protector and a three-lens compensator, made in the form of the first meniscus, convex to the image, a positive lens and the second positive meniscus, facing the concavity to the image, characterized in that a dichroic coating is applied to the first refracting surface of the Mangin mirror and the flat surface of the counter-protector, a second optical channel is introduced into the system, including an afocal nozzle, a revolving mirror, a scanning reflector and a lens, while the afocal nozzle consists of a dichroic surface of the Manzhen mirror located along the beam, a flat-concave lens made on the germanium substrate of the counter-reflector, a negative meniscus and a biconcave lens, the lens is made in the form of positive and negative menisci facing concavity to image, moreover, in the three-lens compensator of the first channel, the first meniscus is made negative, and the positive lens is in the form of a meniscus facing concavity to the image.