Патент на изобретение №2302021

(54) ОБЪЕКТИВ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано в качестве объектива высокоточных углоизмерительных систем. Объектив включает два компонента, первый из которых выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, а второй компонент содержит отрицательный и положительный мениски, обращенные выпуклостью к плоскости изображения. Между показателями преломления, коэффициентами дисперсии материала линз, фокусными расстояниями компонентов и линз объектива, а также воздушными промежутками и задним фокальным отрезком объектива выполняются определенные соотношения. Технический результат – упрощение конструкции и повышение относительного отверстия объектива при сохранении качества изображения, близкого к дифракционному. 1 ил., 6 табл.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам высокоточных углоизмерительных систем, в том числе к объективам автоколлиматоров для формирования и приема излучения в ближней ИК-области спектра при условии использования в автоколлиматоре, имеющем при работе в направлении от тест-объекта на объект визирования большой диаметр выходного зрачка и малое угловое поле, а в направлении от объекта визирования на фотоприемное устройство работающего ограниченными зонами входного зрачка в большом угловом поле, при этом объект визирования может быть расположен в любой части входного зрачка объектива. Объективы таких систем должны иметь хорошее качество изображения при достаточной светосиле и сравнительно простую конструкцию, обеспечивающую нерасстраиваемость в процессе эксплуатации системы с сохранением высокой точности измерения.

Известен телеобъектив для углоизмерительных систем (например, в а.с. №1007069, СССР, МПК G02B 13/02, опубликованном в 1983 г.), состоящий из двух компонентов, образованных четырьмя линзами, в котором первый компонент – положительный, выполненный в виде трехлинзовой склейки; второй компонент – одиночный отрицательный мениск. В заднем фокальном отрезке объектива может быть расположена склеенная призма, используемая в качестве светоделительного блока автоколлиматора. Объектив исправлен для длины волны 951 нм, ахроматизирован в диапазоне спектра от 900 до 1060 нм и имеет следующие оптические характеристики:

фокусное расстояние 120 мм,

относительное отверстие 1:4,6,

угловое поле зрения на входе 2°.

Небольшая величина фокусного расстояния и заднего фокального отрезка не позволяет использовать этот объектив в высокоточных углоизмерительных системах, где требуется точность определения угловых координат объекта менее 20″ и необходимость установки дополнительных зеркал между объективом и светоделительным блоком для компоновки системы в заданных габаритах.

Задачей изобретения является создание объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат – повышение относительного отверстия и упрощение конструкции объектива при сохранении качества изображения, близкого к дифракционному.

Поставленная цель достигается тем, что в объективе, включающем два компонента, первый из которых содержит положительную двояковыпуклую линзу, а второй компонент содержит отрицательный мениск, в отличие от известного, первый компонент выполнен в виде одиночной линзы, во втором компоненте отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости изображения, кроме того, во второй компонент за отрицательным мениском введен одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, при этом выполняются следующие соотношения:

1,65n_е1=n_е31,77

45_e1=_e360

1,7_e1/_e2=_e3/_e23,5

0,1d₂d₄0,3d₂

где:

n_е1, n_e3 – показатели преломления для длины волны 546,1 нм соответственно двояковыпуклой линзы и положительного мениска;

_e1, _e2, _е3 – коэффициенты дисперсии материала соответственно двояковыпуклой линзы, отрицательного и положительного менисков;

, , , – фокусные расстояния соответственно объектива, первого и второго компонентов, отрицательного и положительного менисков;

d₂, d₄ – воздушные промежутки соответственно между первым и вторым компонентами и между отрицательным и положительным менисками второго компонента;

– задний фокальный отрезок объектива.

На чертеже изображена принципиальная оптическая схема объектива.

Объектив состоит из двух компонентов, образованных тремя линзами. Первый положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы 1. Второй отрицательный компонент выполнен в виде двух одиночных линз: отрицательного мениска 2 и положительного мениска 3, обращенных выпуклостью к плоскости изображения. В заднем фокальном отрезке объектива расположена призма 4, используемая для приведения изображения тест-объекта, подсвеченного осветителем, на чувствительную площадку фотоприемного устройства (ФПУ). Призма 4 выполнена из двух прямоугольных призм АР-90°, склеенных гипотенузными гранями. В зоне склейки призм нанесено светоделительное покрытие, обозначенное на чертеже знаком .

Объектив работает следующим образом. Расходящийся пучок лучей от каждой точки тест-объекта, расположенного в задней фокальной плоскости объектива F’, отражается призмой 4 в направлении линзы 3. После прохождения лучами света последовательно линз 3, 2 и 1 изображение тест-объекта строится в бесконечности полным выходным зрачком объектива. Отразившись от объекта визирования, параллельный пучок лучей попадает на линзу 1, которая преобразует его в сходящийся пучок. Далее линзы 2 и 3 направляют световой пучок на призму 4, после прохождения которой в плоскости чувствительной площадки фотоприемного устройства (ФПУ), совмещенной с задней фокальной плоскостью объектива F’, строится автоколлимационное изображение тест-объекта, отраженное от объекта визирования, при этом объектив работает ограниченными зонами входного зрачка, которые в зависимости от расположения объекта визирования могут находиться в любой части входного зрачка объектива.

В соответствии с предложенным решением был выполнен расчет объектива, конструктивные параметры которого приведены в табл.1.

Таблица 1
Радиусы R, мм	Толщины и воздушные промежутки d, мм	Марки стекла	Показатели преломления nе	Коэффициенты дисперсии e	Световые диаметры, мм
R1=765,6					130
	d1=16	CTK119	nе1=1,7476	е1=50,21
R2=-271,6					130
	d2=60
R3=-84,92					110
	d3=10	ТФ110	nе2=1,8138	e2=25,17
R4=-426,6					125
	d4=10
R5=-264,2					120
	d5=20	CTK119	nе3=1,7476	e3=50,21	120
R6=-95,28
	d6=336
R7=					12×36
	d7=20	K108
R8=			nе4=1,5183	e4=63,83	11×35

Объектив исправлен для длины волны 940 нм, ахроматизирован в диапазоне спектра от 920 до 970 нм. Фокусное расстояние объектива для расчетной длины волны равно 429,4 мм. Оптические константы материала линз объектива, приведенные в табл.1, связаны следующими соотношениями:

n_е1=n_е3=1,7476

_e1=_е3=50,21

_e1/_e2=_e3/_е2=50,21/25,17=2,0

Фокусные расстояния компонентов и отдельных линз объектива для расчетной длины волны 940 нм имеют следующие значения:

фокусное расстояние первого компонента (линза 1)

фокусное расстояние второго компонента

фокусное расстояние отрицательного мениска (линза 2)

фокусное расстояние положительного мениска (линза 3) что соответствует условиям:

214,7<276,6<429,4

858,8<|-1202,4|<1717,6

|-137,9|<194,5<276,6

Воздушный промежуток между первым и вторым компонентами d₂ равен 60 мм, что соответствует условию:

42,94<60<85,88

Воздушный промежуток между второй и третьей линзами d₄ равен 10 мм, что соответствует условию:

6<10<18

Задний фокальный отрезок равен 370,9 мм, что соответствует условию:

300,58<370,9<386,46

При работе объектива в направлении от тест-объекта на объект визирования:

относительное отверстие 1:3,3

угловое поле на выходе 0°10′.

В табл.2 приведены аберрации в угловой мере на выходе объектива для точки на оси при расчете с конечного расстояния S₁=-21,615 мм.

Таблица 2
m	m’	‘ 0	‘ 1	‘ 2	‘ 1–‘ 2
38,22	32,76	5,4″	3,7″	-6,3″	10,0″
54,05	46,23	1,8″	4,9″	-8,5″	13,4″
66,20	56,49	-10,8″	5,2″	-9,5″	14,7″
76,44	65,00	-2,4″	4,0″	-8,6″	12,6″

При работе в направлении от объекта визирования на фотоприемное устройство (ФПУ) объектив формирует изображение ограниченными зонами, расположенными в любой части входного зрачка; угловое поле на входе 3°28′. В табл.3 приведены аберрации для точки на оси бесконечно удаленного предмета при диаметре светового пучка 30 мм, расположенного по центру объектива.

Таблица 3
	0=940 нм			1=920 нм		2=970 нм
m	tg‘	S’	y’	S’	y’	S’	y’
0	0	0	0	-0,1059	0	0,1770	0	-0,2829
7,5	0,0175	-0,0152	-0,0003	-0,1058	-0,0018	0,1767	0,0031	-0,2825
10,6	0,0247	-0,0297	-0,0007	-0,1057	-0,0026	0,1766	0,0044	-0,2823
13,0	0,0303	-0,0432	-0,0013	-0,1055	-0,0032	0,1764	0,0053	-0,2819
15,0	0,0350	-0,0560	-0,0020	-0,1053	-0,0037	0,1762	0,0062	-0,2815

В табл.4, 5 и 6 приведены аберрации для зоны и края углового поля зрения бесконечно удаленного предмета при диаметре светового пучка 30 мм, расположенного по центру объектива, соответственно для точки вне оси, для меридионального и сагиттального сечений объектива.

Таблица 4
	Z	Z’					Y’, %
-1°13’34”	0	-478,7	-0,151	-0,385	0,234	9,189	-0,0005	0,00025	-0,00024	0,0005
-1°43’54”	0	-478,6	-0,301	-0,768	0,467	12,981	-0,001	0,00035	-0,00035	0,0007

Таблица 5
	=-1°13’34”							=-1°43’54”
m	tg‘							tg‘
15,0	0,0350		-0,0066		-0,0034	0,0058		0,0350		-0,0164		-0,0032		0,0057
13,0	0,0303		-0,0063		-0,0029	0,0050		0,0303		-0,0152		-0,0028		0,0049
10,6	0,0247		-0,0058		-0,0023	0,0041		0,0247		-0,0134		-0,0022		0,0040
7,5	0,0175		-0,0047		-0,0016	0,0028		0,0175		-0,0105		-0,0015		0,0027
0	0		0		0,00025	-0,00024		0		0		0,00035		-0,00035
-7,5	-0,0175		0,0093		0,0021	-0,0034		-0,0175		0,0170		0,0022		-0,0035
-10,6	-0,0247		0,0149		0,0029	-0,0046		-0,0247		0,0264		0,0030		-0,0048
-13,0	-0,0303		0,0199		0,0035	-0,0056		-0,0303		0,0345		0,0036		-0,0058
-15,0	-0,0350		0,0246		0,0040	-0,0065		-0,0350		0,0420		0,0041		-0,0066
Таблица 6
		=-1°13’34”							=-1°43’54”
M		tg‘		Y’			Х’		tg‘		Y’		X’
7,5		0,0175		0,0008			-0,0029		0,0175		0,0011		-0,0055
10,6		0,0247		0,0015			-0,0044		0,0247		0,0022		-0,0082
13,0		0,0303		0,0023			-0,0059		0,0303		0,0032		-0,0104
15,0		0,0350		0,0030			-0,0072		0,0350		0,0043		-0,0125

По сравнению с наиболее близким аналогом предлагаемый объектив при увеличенной светосиле и сохранении качества изображения, близкого к дифракционному, имеет более простую и технологичную конструкцию: количество линз три вместо пяти, отсутствие склеенных линз, что особенно важно для линз большого диаметра, выполненных из химически неустойчивых стекол. Объектив может быть использован в автоколлиматоре, который имеет узкий по спектру источник излучения, например, светодиод со спектральным интервалом ±25 нм, и принимает ограниченными зонами входного зрачка излучение, отраженное от одного или нескольких объектов визирования. Примененные марки стекол в сочетании с оправой из титанового сплава и выбранные величины воздушных промежутков d₂ и d₄ позволили получить объектив с исправленной термооптической аберрацией. Наличие в объективе заднего фокального отрезка, равного 0,86 от фокусного расстояния объектива, позволяет расположить между объективом и призмой дополнительные зеркала для компоновки системы автоколлиматора в заданных продольных габаритах. Для сравнения, в аналоге задний фокальный отрезок составляет величину 0,6 от фокусного расстояния объектива.

Таким образом, объектив может быть использован в высокоточной многоканальной оптико-электронной углоизмерительной системе, являясь основным узлом автоколлиматора и обеспечивая высокую точность и надежность измерения угловых координат нескольких объектов системой при разных условиях эксплуатации.

Формула изобретения

Объектив, включающий два компонента, первый из которых содержит положительную двояковыпуклую линзу, а второй компонент содержит отрицательный мениск, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде одиночной линзы, во втором компоненте отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости изображения, кроме того во второй компонент за отрицательным мениском введен одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, при этом выполняются следующие соотношения:

1,65n_е1=n_е31,77

45_e1=_e360

1,7_e1/_e2=_e3/_e23,5

0,1d₂d₄<0,3d₂

где n_e1, n_e3 – показатели преломления для длины волны 546,1 нм соответственно двояковыпуклой линзы и положительного мениска;

_e1, _e2, _e3 – коэффициенты дисперсии материала соответственно двояковыпуклой линзы, отрицательного и положительного менисков;

, , , – фокусные расстояния соответственно объектива, первого и второго компонентов, отрицательного и положительного менисков;

d₂, d₄ – воздушные промежутки соответственно между первым и вторым компонентами и между отрицательным и положительным менисками второго компонента;

– задний фокальный отрезок объектива.

РИСУНКИ