Афокальные зеркальные системы с малыми осевыми габаритами

The searching and designing new solutions for mirror systems, including afocal ones, has been studied for decades. In the design, it has always been difficult to combine optimization and cost. Nowadays, the problem remains relevant. The widespread use of mirror systems is due to some aspects: thermal stability, high resolution in a wide spectral range, and the absence of image defects due to chromatic aberrations. All this provides superior performance compared to lens systems. The purpose of this paper is the design of two compact afocal mirror systems with small axial dimensions. Schemes of afocal three mirror systems with small axial dimensions are presented. The schemes can also be called compacts. A study was made of systems in which the diameter of the aperture diaphragm in the primary mirror is modified, which leads to a more compact system. A calculation algorithm of new the systems is proposed, with correction of the image curvature. A summary of formulas of the main parameters of the system is given, and various design solutions are calculated for angular field of view 2ω = 20ˈ and diameter of the entrance pupil D = 35 and D = 70 mm. Computer simulations were performed in the Opal, Zemax, and Code V software. The designed systems have good correction of aberrations for the given characteristics: in the spot diagrams, the values of the RMS scatter spot do not exceed 1,35 μm; GEO radius (distance from the reference point) – 0.105 μm; together with Airy disk sizes of about 9.16 μm, indicating that the images are close to diffraction. The calculated systems can be successfully applied as part of a more complex system, as well as in systems with a synthesized aperture

Афокальные зеркальные системы с малыми осевыми габаритами

The searching and designing new solutions for mirror systems, including afocal ones, has been studied for decades. In the design, it has always been difficult to combine optimization and cost. Nowadays, the problem remains relevant. The widespread use of mirror systems is due to some aspects: thermal stability, high resolution in a wide spectral range, and the absence of image defects due to chromatic aberrations. All this provides superior performance compared to lens systems. The purpose of this paper is the design of two compact afocal mirror systems with small axial dimensions.Schemes of afocal three mirror systems with small axial dimensions are presented. The schemes can also be called compacts. A study was made of systems in which the diameter of the aperture diaphragm in the primary mirror is modified, which leads to a more compact system.A calculation algorithm of new the systems is proposed, with correction of the image curvature. A summary of formulas of the main parameters of the system is given, and various design solutions are calculated for angular field of view 2ω = 20ˈ and diameter of the entrance pupil D = 35 and D = 70 mm.Computer simulations were performed in the Opal, Zemax, and Code V software. The designed systems have good correction of aberrations for the given characteristics: in the spot diagrams, the values of the RMS scatter spot do not exceed 1,35 μm; GEO radius (distance from the reference point) – 0.105 μm; together with Airy disk sizes of about 9.16 μm, indicating that the images are close to diffraction.The calculated systems can be successfully applied as part of a more complex system, as well as in systems with a synthesized aperture.В настоящие время проблема поиска и проектирования новых схемных решений зеркальных систем, включая афокальные, остается актуальной. Широкое применение зеркальных систем в астрономии, спектральных приборах, лазерном оборудовании и других приложениях обусловлено некоторыми их достоинствами: высоким разрешением в широком спектральном диапазоне, отсутствием дефектов изображения, возникающих из-за хроматических аберраций и ограничений по апертуре, связанных с размерами заготовок, выигрыш по весу. Целью данной работы являлось создание компактных афокальных зеркальных систем с малыми осевыми габаритами.Представлены схемы конструкций афокальных зеркальных систем из трех параболических зеркал с малыми осевыми габаритами. Проведено исследование афокальных систем, в которых относительное отверстие первичного зеркала, определяющее диаметр апертурной диафрагмы, оптимизировано с целью создания более компактной системы.Предложен алгоритм параметрического расчета новых композиций с коррекцией кривизны изображения. Дана сводка формул основных конструктивных параметров системы, и рассчитаны различные варианты конструктивного решения для углового поля зрения 2ω = 20ˈ, диаметров входного зрачка D = 35 мм и D = 70 мм.Проведено численное моделирование в программных средах Opal, Zemax и Code V. Разработанные системы имеют хорошие коррекционные возможности для заданных оптических характеристик: в диаграммах волнового фронта значения величин радиального размера пятна рассеяния не превышают 1,35 мкм; радиус GEO (величина расстояния от опорной точки) – 0,105 мкм; вместе со значениями размера диска Эйри около 9,16 мкм, карта волнового фронта на плоскости изображения показывает информацию о среднеквадратичной ошибке. Все это указывает на то, что изображения близки к дифракционным.Рассчитанные системы могут быть успешно применены в составных зеркальных системах в качестве насадок к регистрирующим объективам, работающим в различных областях спектра (особенно в ИК диапазоне), а также в системах с синтезированной апертурой

Математические решения задачи создания базовых моделей нецентрированных оптических зеркальных систем из условий коррекции комы и астигматизма

 A serious drawback of reflective optics is a center without central screening that degrades the image quality. To eliminate it, rotations or displacements of mirrors are introduced, but there appear even-order non-elementary aberrations that must be corrected. The creation of compositions with decentered catoptric elements requires further development of the calculation and methodological base. The exact formulas are obtained for calculation of real rays from the astigmatism and coma correction conditions for the given angles of incidence of the main ray on the mirror surfaces and the “oblique” thickness d, that determines their mutual position. Based on the proposed formulas, a new method for parametric calculation of decentered mirror systems has been created, which allows one to compose algorithms and to design both basic models and complex mirror systems from off-axis mirrors. The development of new algorithms for two- and three-mirror off-center lenses will increase the accumulated potential of computational optics. The scope of the proposed technique can be expanded in terms of the number of components.Серьезный недостаток зеркальной оптики – центральное экранирование, которое ухудшает качество изображения. Для его устранения вводят повороты или смещения зеркал, но при этом возникают неэлементарные аберрации четных порядков, которые необходимо корригировать. Создание композиций с нецентрированными катоптрическими элементами требует дальнейшего развития расчетно-методической базы. Получены точные формулы расчета для действительных лучей из условий коррекции астигматизма и комы для заданных углов падения главного луча на поверхности зеркал и «косой» толщины d, определяющей их взаимное расположение. На основании предложенных формул создана новая методика параметрического расчета нецентрированных зеркальных систем, которая позволяет составлять алгоритмы и проектировать как базовые модели, так и сложные зеркальные системы из внеосевых зеркал. Создание новых алгоритмов двух- и трехзеркальных нецентрированных объективов позволит увеличить накопленный потенциал вычислительной оптики. Область применения предложенной методики можно расширить по количеству компонентов

МЕТОД РАСЧЕТА ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫХ ОБЪЕКТИВОВ С КОМПЕНСАТОРОМ МАНЖЕНА

The method of calculation of a mirror-lens objective with Manzhen’s mirror is presented. Parameters of a catoptric composition with lens compensators are established. It is noted that the design possibilities are expanded by new computer methods. The design parameters of the mirror-lens high-aperture anastigmat are calculated.Представлена методика расчета зеркально-линзового объектива с зеркалом Манжена. Установлены параметры катоптрической композиции с линзовыми компенсаторами. Отмечено расширение возможностей проектирования благодаря новым компьютерным методам. Дан расчет конструктивных параметров светосильного зеркально-линзового анастигмата

МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РАСЧЕТА НОВОЙ КОМПОЗИЦИИ ЗЕРКАЛЬНОГО ПЛАНАНАСТИГМАТА

A four-mirror planaanastigmat calculation method is presented. Design feature of new mirror composition is existence of the afoсal scheme from the first two mirrors. The first and fourth mirrors can be combined into one unit (double mirror) which frame is an objective aperture. Different variants of designs are found; parametric characteristics of various modules are given. Seidel coefficients are described and the formulas of third order aberration polynomials are obtained. The correction factors of spherical aberration, coma, astigmatism are determined. Aberration correction is carried out at the expense of an asferization of smooth surfaces. The plane – field anastigmats are discussed; сlassification analysis by type of circuit decisions is executed for the purpose of obtaining a flat image field. A model of aberrational parametric algorithm of a new mirror plane – field anastigmat composition with a double mirror is developed. The system summary graphic and design factors have been presented. The problem on protection of the image plane from the foreign light has been considered. A light-gathering system (relative aperture D/f´ 1 : 1) consisting of four mirrors with a large field of view (near 2 w = 15o ) has been developed. The system proposed provides a stable correction of aberrations in the field of view: in the setup plane, the circle of confusion is equal to 0.1 mm at the center and does not exceed 0.05 mm, with a small back-ground exceeding this limit at the edge. The image curvature is corrected and the astigmatism does not exceed 0.05 mm. The absence of chromatic aberrations, high resolving power, and acceptable conditions for disposition of receiving apparatus in the new mirror plananastigmat composition proposed allow it to be widely used. The objective proposed can be used in thermal imaging as well as optical devices operating in the infrared region of the spectrum. Представлена методика расчета четырехзеркальных плананастигматов. Конструктивной особенностью новой зеркальной композиции является наличие афокальной схемы из первых двух зеркал и моноблока из 1-го и 4-го зеркала, оправа которого является апертурной диафрагмой. Исследованы различные варианты конструктивного решения, даны параметрические характеристики модулей, описаны аберрации в области Зейделя и получены формулы аберрационных полиномов третьего порядка. Установлены параметры коррекции сферической аберрации, комы и астигматизма. Исправление аберраций достигается асферизацией профиля зеркальных поверхностей. Обсужден вопрос план-коррекции анастигматов, проведен классификационный анализ схем с целью получения плоского поля изображения. Разработана модель аберрационного параметрического алгоритма для расчета новой зеркальной композиции плананастигмата с двойным зеркалом. Дана сводка основных конструктивных параметров системы. Исследован вопрос защиты плоскости изображения от попадания постороннего света. Разработан светосильный четырехзеркальный объектив (относительное отверстие D/f´ 1 : 1) с увеличенным углом поля зрения (до 2 w =15o ). Система обладает стабильной коррекцией аберраций по полю: в плоскости установки кружок рассеяния равен 0,01 мм в центре и не превышает 0,05 мм с небольшим фоном выше этого предела на краю. Кривизна изображения исправлена, величина астигматизма не превышает 0,05 мм. Отсутствие хроматических аберраций, наличие высокой разрешающей способности и приемлемые условия для размещения приемной аппаратуры в новой композиции зеркального плананастигмата открывают широкие возможности по ее применению. Объектив может использоваться в тепловидении, оптических приборах, работающих в инфракрасной области спектра.

КОМПОЗИЦИЯ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНАСТИГМАТИЧЕСКОЙ АФОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

The paper presents results of investigations pertaining to a mirror anastigmatic afocal optical systems comprising two concave parabolic reflectors and a convex hyperbolic reflector. A variant of constructive problem solution as a combination of the Cassegrein objective and a separate parabolic reflector is shown in the paper.Представлены результаты исследования зеркальной анастигматической афокальной системы, состояш;ей из двух вогнутых параболических зеркал и выпуклого гиперболического зеркала. Получен вариант конструктивного решения как комбинации объектива Кассегрена и отдельного параболического зеркала

ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С ПЛОСКИМ ПОЛЕМ

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.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.

КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ АДАПТИРОВАННЫХ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Programs for calculation and analysis of optical systems of any class are provides. The most effective was to combine the programs into a complex with the general system of mathematical models. A characteristic feature is to unify the exchange of information between these programs and software systems Opal and Zemax.Представлены программы для расчета и анализа оптических систем любого класса. Наиболее эффективно объединение программ в комплекс с общей системой математических моделей. Характерной чертой программ является унификация обмена информацией между этими программами и программными комплексами Opal и Zemax

О КЛАССИФИКАЦИОННЫХ ОСНОВАХ ПРОЦЕДУРЫ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Classification bases of the synthesis of optical systems are presented: a classification of optical schemes, modules, elements; their types; cataloguing optical systems; a method of formalization of knowledge by means of decision tables; an index of complexity of an optical scheme, and some heuristic rules of formalization of transition from requirements of a preliminary specification to a choice of the element base of an optical system.Представлены классификационные основы синтеза оптических систем: классификация оптических схем, модулей, элементов; их типы; каталогизация оптических систем; методика формализации знаний с помощью таблиц решений; индекс сложности оптической схемы и некоторые эвристические правила формализации перехода от требований технического задания к выбору элементной базы оптической системы

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУРЬЕ-ВИДЕОСПЕКТРОМЕТРА

Problems of mathematical modeling of Static Fourier Transform Imaging Spectrometers (SFTIS) for the Earth remote sensing from space are investigated. Rational sequence of the main stages of modeling are proposed. SFTIS mathematical modeling is performed to optimize the features of the instrument.Исследуются вопросы моделирования процесса функционирования статического Фурье-видеоспектрометра дистанционного зондирования Земли из космоса. Выполнено математическое моделирование данного гиперспектрального прибора в соответствии с предложенной последовательностью осуществления основных стадий с целью оптимизации характеристик Фурье-видеоспектрометра