ОБЪЕКТИВ КОЛЛИМАТОРА
COLLIMATOR OBJECTIVE LENS

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам коллиматоров, работающим в видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в различных оптических приборах.
Известен зеркально-линзовый объектив (патент ФРГ №2222864, МПК G02B 17/08, опубл. 31.10.1977 г.). Данный объектив может работать в качестве объектива коллиматора, т.е. в обратном ходе лучей. При этом лучи идут из плоскости установки, в которой находится тест-объект. В обратном ходе лучей объектив состоит из четырех компонентов: первого, выполненного в виде склеенных отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к тест-объекту, и двояковыпуклой линзы, второго - выпуклого зеркала, обращенного выпуклостью в сторону тест-объекта, третьего - вогнутого зеркала с отверстием в центральной части, в котором находится первый компонент, причем отражающими поверхностями зеркала обращены друг к другу, и четвертого компонента, выполненного по ходу лучей из отрицательного одиночного мениска, обращенного выпуклостью к изображению и расположенного за ним со стороны пространства изображений одиночного положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению. Однако данный объектив имеет сложную конструкцию (состоит из двух зеркал и четырех линз), недостаточное фокусное расстояние 100 мм и недостаточную технологичность, т.к. одно из зеркал выполнено с отверстием, что затрудняет его изготовление.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является зеркально-линзовый объектив (а.с. СССР №535536, МПК G02B 17/00, опубл. 15.11.1976 г.). Данный объектив может работать в качестве объектива коллиматора, т.е. в обратном ходе лучей. При этом лучи идут из плоскости установки, в которой находится тест-объект. В обратном ходе лучей объектив состоит из четырех компонентов: первого, выполненного в виде мениска, обращенного выпуклостью к тест-объекту, второго - выпуклого (первичного) зеркала, обращенного выпуклостью в сторону тест-объекта, третьего - вогнутого (вторичного) зеркала с отверстием в центральной части, в котором находится первый компонент, причем отражающими поверхностями зеркала обращены друг к другу, и четвертого компонента - двухлинзового оптического элемента, выполненного по ходу лучей из отрицательного одиночного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и расположенной за ним со стороны пространства изображений одиночной двояковыпуклой линзы, причем, второй компонент расположен между третьим и четвертым компонентами. Однако данный объектив имеет сложную конструкцию (состоит из двух зеркал и трех линз), недостаточное фокусное расстояние 200 мм, недостаточный диаметр выходного зрачка 100 мм и недостаточную технологичность, т.к. одно из зеркал выполнено с отверстием, что затрудняет его изготовление.
Задача изобретения - создание объектива коллиматора с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - увеличение фокусного расстояния и диаметра выходного зрачка при упрощенной конструкции и повышенной технологичности при сохранении высокого качества изображения.
Это достигается тем, что в объективе коллиматора, содержащем первичное зеркало, на первую по ходу лучей поверхность которого нанесено зеркальное покрытие, вторичное зеркало с зеркальным покрытием, нанесенным на кольцевую периферийную часть, установленное перед первичным зеркалом так, что отражающими поверхностями зеркала обращены друг к другу, двухлинзовый оптический элемент, установленный за первичным зеркалом со стороны пространства изображений и состоящий по ходу лучей из одиночной отрицательной линзы, обращенной вогнутой поверхностью к пространству изображений, и одиночной двояковыпуклой линзы, в отличие от известного, первичное и вторичное зеркала выполнены в виде сплошных плоско-параллельных пластин, на первичном зеркале зеркальное покрытие нанесено в его центральной зоне, периферийная часть - прозрачная, а на первой со стороны предмета поверхности в центральной зоне вторичного зеркала расположен тест-объект, выполненный в виде прозрачной марки или перекрестия на непрозрачном фоне.
На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива коллиматора.
Объектив коллиматора состоит из первичного зеркала 1, вторичного зеркала 2 и двухлинзового оптического элемента. Первичное зеркало 1 выполнено в виде плоско-параллельной пластины с нанесенным зеркальным покрытием на первую по ходу лучей поверхность в его центральной зоне, при этом периферийная его часть остается прозрачной. Вторичное зеркало 2 выполнено в виде плоско-параллельной пластины, на периферийную часть которой нанесено зеркальное покрытие в виде кольца, причем зеркальными поверхностями первичное и вторичное зеркала обращены друг к другу. В центральной зоне первой со стороны предмета поверхности вторичного зеркала расположен тест-объект, выполненный в виде прозрачной марки или перекрестия на непрозрачном фоне. Двухлинзовый оптический элемент установлен за первичным зеркалом со стороны пространства изображений и состоит по ходу лучей из одиночной отрицательной линзы 3, обращенной вогнутой поверхностью к пространству изображений, и одиночной двояковыпуклой линзы 4. Все оптические элементы в данном объективе коллиматора выполнены без отверстий.
Объектив коллиматора работает следующим образом: световой поток от источника света, например светодиода, через осветитель, который может быть выполнен в виде плоско-параллельной пластины с матовой поверхностью (не показаны), попадает на тест-объект, выполненный на первой поверхности вторичного зеркала 2, выполненного в виде плоско-параллельной пластины, проходит сквозь эту пластину в центральной зоне, попадает на первичное зеркало 1, отражается от его центральной зеркальной зоны, идет назад, попадает на кольцевую зеркальную зону вторичного зеркала 2, отражается от нее и идет назад, проходит через периферийную прозрачную часть первичного зеркала 1, затем последовательно проходит через линзы 3 и 4 и коллимирует в бесконечность.
В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный объектив коллиматора, исправленный для длины волны 640 нм.
Конструктивные параметры объектива коллиматора приведены в таблице 1.
Характеристики рассчитанного объектива:
фокусное расстояние f'
500,36 мм
угловое поле в пространстве изображений
2 град
диаметр выходного зрачка
120 мм
В табл.2 приведены аберрации для длины волны 640 нм предложенного объектива коллиматора в обратном ходе лучей при диаметре выходного зрачка 120 мм и угловом поле в пространстве изображений 2W=2 град. Предлагаемый объектив имеет увеличенное фокусное расстояние 500,36 мм, увеличенный диаметр выходного зрачка 120 мм, упрощенную конструкцию (состоит из четырех одиночных элементов). Кроме того, выполнение первичного и вторичного зеркал сплошными и в виде плоско-параллельных пластин в значительной степени упрощает их изготовление, повышая технологичность процесса. Предлагаемый объектив коллиматора имеет также высокое качество изображения, что следует из табл.2.
Таким образом, выполнен технический результат - создан объектив коллиматора с увеличенными фокусным расстоянием и диаметром выходного зрачка при упрощенной конструкции и повышенной технологичности при сохранении высокого качества изображения.
Таблица 1
Радиусы, мм
Толщины, мм
Марка стекла
Показатель преломления, n<sub>e</sub>
Коэфф. дисперсии, ν<sub>e</sub>
Световой диаметр, мм
R<sub>1</sub>=∞
18
d<sub>1</sub>=7,5
K8
1,518294
63,83
R<sub>2</sub>=∞
18,4
d<sub>2</sub>=125
1
R<sub>3</sub>=∞
43,8
d<sub>3</sub>=-125
-1
R<sub>4</sub>=∞
69,3
d<sub>4</sub>=125
1
R<sub>5</sub>=∞
94,8
d<sub>5</sub>=7,5
K8
1,518294
63,83
R<sub>6</sub>=∞
95,8
d<sub>6</sub>=35,52
1
R<sub>7</sub>=38900
103
d<sub>7</sub>=8
ТФ103
1,723666
29,31
R<sub>8</sub>=221,8
104,6
d<sub>8</sub>=27,12
1
R<sub>9</sub>=304,75
120
d<sub>9</sub>=13,3
ТК<sub>14</sub>
1,615506
60,34
R<sub>10</sub>=-221,8
120
1
Таблица 2
Вид аберрации
Значение аберраций предлагаемого объектива коллиматора, не более
Поперечная сферическая аберрация для точки на оси
-0,074 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении
0,238 мм
Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении
0,096 мм
Меридиональный астигматический отрезок <maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>м</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-0,247 мм
Сагиттальный астигматический отрезок <maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>s</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
0,003 мм
Дисторсия
0,00355%