Четырехлинзовый апохроматический объектив

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в качестве апохроматического объектива для телескопических систем различного назначения, в том числе, в астрономических телескопах для визуального наблюдения.
Известен апохроматический объектив, состоящий из трех компонентов [Патент РФ №2429508, 2010. Апохроматический объектив], первый и третий из них - положительные, а второй - отрицательный. Линзы выполнены из двух марок оптических стекол.
Недостатками этого объектива являются большие (порядка фокусного расстояния объектива) величины воздушных промежутков между компонентами, что ведет к усложнению конструкции и нестабильности взаимного положения компонентов в процессе эксплуатации.
Известна система рефрактора с апохроматическим корректором, содержащая два компонента, первый из которых (объектив) выполнен из двух линз, а второй (корректор) - из трех [R. ChristeninSkyandTelescope (Oct., 1985), pp. 375-378].
Недостатками этой системы являются большой (1/3 фокусного расстояния) воздушный промежуток между объективом и корректором, применение в корректоре стекла с особым ходом дисперсии и остаточный хроматизм увеличения.
Известен тонкий суперапохромат из трех линз [Попов Г.М. Современная астрономическая оптика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 192 с. Стр. 62-68], состоящий из двух положительных и одной отрицательной линз. Одна положительная и одна отрицательная линзы склеены, а вторая положительная линза отделена от склейки воздушным промежутком. Для изготовления линз используются три разных оптических материала, в том числе «особые» стекла и флюорит.
Недостатками этого объектива является использование трех марок стекол, в том числе, дорогостоящих и нетехнологичных «особых» стекол и флюорита, наличие склейки, низкие (1:15) относительные отверстия объективов, использующих только «нормальные» стекла. При таких относительных отверстиях устройство имеет значительную габаритную длину.
Известен четырехлинзовый апохромат, состоящий из менисковой линзы, обращенной вогнутой поверхностью к предмету, двояковогнутой лизы и двух двояко выпуклых линз [Слюсарев Г.Г. «Расчет оптических систем», Л-д, Машиностроение, 1975 г., 640 с. Стр. 114-116]. Для изготовления линз используются три разных оптических материала, в том числе «особый» флинт.
Недостатками этого объектива является использование трех марок стекол, в том числе, дорогостоящего «особого» флинта, низкое (1:10) относительное отверстие объектива, большой остаточный хроматизм положения в синей области спектра.
2
1
d
d
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является двухкомпонентный апохроматический объектив [Патент РФ на полезную модель №186325 от 11.09.2018], включающий два оптически связанных компонента, разделенных воздушным промежутком d, первый компонент содержит отрицательный мениск, выполненный из оптического стекла марки X и двояковыпуклую линзу, выполненную из стекла марки Y, разделенные воздушным промежутком d, второй компонент содержит отрицательный мениск, выполненный из стекла марки X. Для изготовления линз использованы два оптических материала с определенными оптическими постоянными n и ν.
Недостатком этого объектива является низкое (1:10) относительное тверстие.
Техническое решение направлено на создание апохроматического объектива простой и компактной конструкции с увеличенным относительным отверстием (1:7).
2
1
Технический результат достигается тем, что в четырехлинзовом апохроматическом объективе, включающем два оптически связанных компонента, разделенных воздушным промежутком d, первый компонент содержит две линзы:отрицательный мениск и двояко-выпуклую линзу, выполненные из стекол марки X и Y соответственно, разделенные воздушным промежутком d, второй - двояко-вогнутую линзу, выполненную из стекла марки X и двояко-выпуклуюлинзу, выполненную из стекла марки Y, разделенные воздушным промежутком d3, показатели преломления и числа Аббе стекол X и Y удовлетворяют следующим условиям:
X
Х
1,6≤n≤1,8 и 49≤ν≤55;
Y
Y
1,5≤n≤1,7 и 51≤ν≤66,
а воздушные промежутки такие,
3
2
1
3
что: d≤0,004f; d, d≤d,
где
X
n - показатель преломления стекла марки X;
Y
n - показатель преломления стекла марки Y;
X
ν - число Аббе стекла марки X;
Y
ν - число Аббе стекла марки Y;
f - фокусное расстояние объектива;
1
3
2
Свойства материалов, из которых изготовлены линзы объектива, были подобраны программными методами таким образом, чтобы достичь максимальной коррекции продольного хроматизма. Воздушные промежутки d и d служат для коррекции сферической аберрации, а промежуток d - для коррекции сферохроматической аберрации. Все оптические поверхности имеют сферическую форму.
2
1
2
Четырехлинзовый апохроматический объектив, изображенный на Фиг. 1 содержит два компонента: первый компонент содержит двояковыпуклую линзу 1, выполненную из стекла марки Y и двояковогнутую линзу 2, выполненную из стекла марки X, второй - двояковыпуклую линзу 3, выполненную из стекла марки X и отрицательный мениск 4, выполненный из стекла марки Y. Первый компонент отделен от второго воздушным промежутком d, а линзы внутри компонентов разделены воздушными промежутками d (линзы 1 и 2) и d (линзы 3 и 4).
Действие объектива, изображенного на Фиг. 1. осуществляется следующим образом: параллельный пучок лучей от удаленного предмета проходит через входной зрачок объектива диаметром 102 мм, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись последовательно через поверхности четырех линз, строит изображение этого предмета в фокальной плоскости F'.
Ниже приведен пример конкретной реализации предлагаемого объектива. В качестве примера рассчитан следующий объектив:
Фокусное расстояние F' - 714 мм
Относительное отверстие - 1:7
Рабочий спектральный диапазон объектива - 0,479÷0,656 мкм
Угловое поле в пространстве предметов - +/- 0,3°
d
Показатель преломления n стекла X - 1,743
d
Число Аббе ν стекла Х- 49,95
Показатель преломления rid стекла Y - 1,622
d
Число Аббе ν стекла Y - 56,63
1
3
2
Конструктивные параметры рассчитанного объектива приведены в таблице 1. В строках «1», «2», «3» и «4» указаны радиусы кривизны, толщины, показатели преломления и числа Аббе для четырех линз. В строках «d» «d» указаны воздушные промежутки между линзами 1-2 и 3-4 соответственно, а в строке «d» - воздушный промежуток между компонентами.
Высокое качество изображения, создаваемого предложенным четырехлинзовым апохроматическим объективом, подтверждается графическими материалами, представленными на Фиг. 2 и Фиг. 3.
На Фиг. 2. приведен график продольной хроматической аберрации для спектрального интервала F' - С. По оси абсцисс отложена продольная хроматическая аберрация в микронах, по оси ординат отложена длина волны в нанометрах. Хорошо виден S-образный характер кривой продольной хроматической аберрации, что свидетельствует о том, что в предлагаемом объективе в указанном спектральном диапазоне три длины волны сведены в одном фокусе и тем самым достигнута высокая степень коррекции хроматической аберрации, величина которой в данном примере равна 49,79 мкм, что составляет 1/14340 от величины фокусного расстояния объектива.
На Фиг. 3. приведен график полихроматического числа Штреля в рабочем спектральном диапазоне объектива. По оси абсцисс отложены координаты полевых точек в угловой мере, а по оси ординат - число Штреля. Система имеет дифракционное качество в рабочем спектральном диапазоне в пределах всего поля зрения.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении относительного отверстия объектива до 1:7 при сохранении величин воздушных промежутков в пределах 0,004f, что сократило габаритную длину устройства.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого устройства, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать простую и компактную конструкцию апохроматического объектива с высоким относительным отверстием и относительно хорошей коррекцией хроматических и монохроматических аберраций, который может использоваться в телескопических системах различного назначения, в том числе, в качестве объектива астрономических телескопов для визуального наблюдения.
Литература
1. Патент РФ №2429508, 2010. Апохроматический объектив.
2. R. Christen in Sky and Telescope (Oct., 1985), pp. 375-378.
3. Попов Г.М. Современная астрономическая оптика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 192 с. Стр. 62-68.
4. Слюсарев Г.Г. «Расчет оптических систем», Л-д, Машиностроение, 1975 г., 640 с. Стр. 114-116.
5. Патент РФ на полезную модель №186325 от 16.01.2019.