Апохроматический объектив

АПОХРОМАТИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ
Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована при конструировании объективов-апохроматов для астрономических систем, зрительных труб, коллиматоров и других длиннофокусных объективов, работающих в широкой спектральной области.
Известны двухлинзовые апохроматические несклеенные объективы с воздушным промежутком конечной величины 1,2.
Недостатками этих объективов являются значительные хроматические и сферохроматические аберрации и вследствие этого ограниченные относительные отверстия до 1 : 15 - I : 18.
Известны двухлинзовые объективы - суперапохроматы 3, 4, в которых вторая положительная линза выполнена из особого крона типа ОК с большим значением коэффициента дисперсии, а отрицательная линза выполнена из обыкновенного стекла.
Недостатком таких объективов является малое относительное отверстие до 1 : 15 и большое значение полихроматической среднеквадратической волновой аберрации более 0,1 Я..
Известна конструкция объективов 5, 6, 7, 8, в которой каждая линза закрепляется в отдельной оправе с учетом компенсации температурного расширения линзы внутри оправы линзы.
Оправы с линзами устанавливаются в корпусе объектива. Часто наружный диаметр оправы линзы обрабатывается после закрепления в ней последней с целью обеспечить максимальное совпадение оптической оси линзы с осью наружного диаметра оправы.
Эта конструкция объектива, кроме сложности, имеет следующие недостатки:
-возможность смещения оправ с линзами внутри корпуса объектива изза зазоров между корпусом и оправой, что приводит к децентрированию линз;
-невозможность произвести окончательную обработку одной из поверхностей линз у собранного объектива для компенсации погрещностей центрировки, дефектов стекол и др.
Наиболее близким техническим рещением к заявляемой полезной модели является объектив-апохромат 9.
Объектив-апохромат, принятый за прототип, содержит две линзы, первая из которых выполнена с отрицательной оптической силой из материала стекло OKI, а вторая - с положительной силой из материала стекло ОФ-6. Объектив имеет высокую светосилу , но при этом полихроматическая среднеквадратическая деформация волнового фронта (RMS) при светосиле 1: 7,8 составляет 0,.
iMio ч
Конструкция этого объектива предполагает изготовление линз с требуемой точностью по наружному диаметру и по центрировке (совпадение оптической оси линзы с осью наружного диаметра) и устанавливаются линзы непосредственно в оправу объектива, одновременно являющуюся наружным корпусом.
Эта конструкция отличается простотой, но не позволяет изготавливать объективы с высокими оптическими характеристиками, т.к. в этом случае требования к точности изготовления наружных диаметров линз и их центрировке становятся невыполнимыми.
Кроме того, при применении для изготовлении линз стекол с разными коэффициентами линейного термического расширения, необходимо увеличивать зазор между оправой и линзами для компенсации теплового расширения, т.к. материал оправы можно подобрать по коэффициенту термического расширения только к одной линзе.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение качества изображения и увеличение светосилы объектива путем оптимизации оптических сил и устранения погрешностей сборки при установке линз в оправу объектива.
Для решения поставленной задачи предлагается апохроматический объектив, который, как и прототип содержит оправу, внутри которой размещены последовательно расположенные две линзы, из которых первая выполнена с отрицательной, а вторая с положительной оптической силой.
В отличие от прототипа в предлагаемом апохроматическом объективе первая линза вклеена по диаметру в оправу, а вторая линза приклеена к заднему торцу оправы, при этом их оптические оси совпадают, а размеры оправы обеспечивают заданный промежуток между линзами, причем оправа выполнена из материала с коэффициентом линейного расширения а2, удовлетворяющим соотношению
a2  (,5)ai, где
ai - коэффициент линейного расширения материала первой линзы, при этом на заднем конце оправы вдоль оптической оси выполнены прорези, разделяющие оправу на отдельные пружинящие элементы, а оправа с линзами установлена в корпусе и закреплена зажимным кольцом через уплотнительную прокладку, кроме того первая поверхность первой линзы объектива выполнена асферической, а соотношение оптических сил линз удовлетворяет соотношению:
(р1  ( 2,0 ч- 3,0) фоб
Ф2  ( 3,0 4,0) фоб, где
фоб - оптическая сила объектива,
а воздущный промежуток между линзами составляет величину, равную (0,,01)/фоб.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что технический результат достигнут за счет того, что обе линзы приклеены к оправе, образуя при этом нерасстраиваемую конструкцию, т.е. достигнутая в
процессе сборки объектива центрировка линз не изменяется при эксплуатации объектива.
Оправа изготавливается из материала с коэффициентом термического линейного расширения, близким к коэффициенту расширения стекла. В месте приклеивания второй линзы оправа имеет прорези, позволяющие ей изменять диаметр при изменении диаметра линзы, т.е. не создавать напряжения в линзе при изменении температуры.
Такая конструкция позволяет также позволяет производить окончательную обработку наружной поверхности первой линзы в собранном объективе и тем самым компенсировать все погрешности сборки.
Выполнение первой поверхности гиперболической и выбор оптических сил и материалов с описанными выше соотношениями позволил достигнуть полихроматиченской среднеквадратической деформации волнового фронта (RMS) равной 0,056Х при относительном отверстии объектива 1:7, а RMS для основной длины волны А-о  0,546 мкм - 0,0IX, а для контролируемолй длины волны   0,6328 мк - 0,0IX.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлен апохроматический объектив, собранный из двух линз, приклеенных к оправе, на фиг. 2 - изображена конструкция оправы, на фиг.З представлена конструкция объектива в корпусе и приложением расчета апохроматического объектива. Линза объектива 1 (фиг.1) вклеена в оправу 2 с коэффициентом
теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения линзы.
Например, если линза изготовлена из стекла ТК-12, имеющего коэффициент теплового расширения 5,8  10 оправу изготовить из титана, имеющего коэффициент теплового расширения 8,5  Ю .
К оправе 2 приклеена линза 3. Для компенсации разности теплового расширения линзы 3 и оправы 2, на последней выполнены прорези 4, позволяющие изменять диаметр в месте приклейки линзы 3 (фиг.2).
Для обеспечения требуемого расстояния между линзами 1 и 3 и устранения допущенных перекосов поверхность «А оправы 2 обрабатывается при сборке объектива. При необходимости при обеспечении высокого качества изображения обрабатывается поверхность «Б линзы 1. Полностью готовый объектив вставляется в наружный корпус 5 (фиг.З) и закрепляется в нем зажимным кольцом 6 через прокладку 7.
Для обеспечения требуемого минимального зазора между прокладкой 7 и линзой предусмотрено промежуточное кольцо 8, толшина которого пригоняется при сборке.
Первая поверхность объектива выполнена асферической.
Оптические силы линз 1 иЗ удовлетворяет соотношениям:
Ф,  ( 2,0  3,0) фоб
Ф2  (3,,0)фоб,
.
6 Воздушный промежуток между линзами составляет величину, равную
(0,ОКО,025)/фоб.
Сборка объектива производится в следующей последовательности:
-Линза 1 приклеивается к оправе 2;
-на оправу 2 устанавливается линза 3 и контролируется волновой фронт, выходящий из объектива с помощью интерферометра типа ИКД-110 (изготовитель ОАО «ЛОМО);
-при необходимости обрабатывается поверхность «А оправы для получения нужного расстояния между линзами 1 и 3 и устранения их перекоса;
-после получения требуемого волнового фронта линза 3 приклеивается к оправе 2. В процессе приклеивания положение линзы контролируется с помощью интерферометра.
Работа апохроматического объектива осуществляется следующим образом.
Параллельный пучок света надает на первую линзу 1, проходит вторую линзу 3 и фокусируется в действительном эквивалентном фокусе объектива. Первая линза 1 отрицательная, а вторая линза 3 - положительная с большей оптической силой.
Воздушный промежуток между линзами в сочетании с первой асферической поверхностью, компенсирует остаточную сферическую и сферохроматические аберрации III и высших порядков, а выбор оптических сил и материалов обеспечивает компенсацию хроматизма положения.
1
Для примера прилагаются расчеты апохроматического объектива с фокусным расстоянием 1400 мм и диаметром 200 мм.
Оптические силы липз равны: ф1  -2,51; ф2  3,39
Первая поверхность первой линзы объектива - асферическая с
эксцентриситетом е  1,8045
Расстояние между линзами d  0,018/фобПолучен объектив с марками стекол ТК-12 и ОК4, для которых П  1,57104 V, 62,9;П2 1,4485; УЗ-91,6
Полихроматическая RMS для диапазона спектра 0,43 н- 0,68 мкм равна 0,. Для монохроматической длины волны Хо  0,546; RMS  О,OR, а для контролируемой на интерферометре длины волны А,  0,6328 мкм; RMS  0,01Х.
Преимущества предлагаемого апохроматического объектива заключаются в высоком качестве изображения, обеспечивающим полихроматическую RMS  0,056Х. для длиннофокусных объективов со значением f  1400мм и диаметрах объектива от 200 мм и выше, а значение RMS для длин волн 0,546 мкм и 0,6328 мкм около 0,0 IX.
источники ИНФОРМАЦИИ
1.г.г. Слюсарев. Расчет оптических систем, Лю Машиностроение, 1971
2.Merz V. Munch. Akad, Ber., 1968, Bd, 28.
3.Г.М.Попов Современная астрономическая оптика, М. Наука, 1988.
4.Бабин А.Н., Попов Г.М., Попова М.Б., Известия КрАО, 1983, ее. 141148.
5.Справочник конструктора оптико-механических приборов. Издательство Машиностроение, Ленинрад, 1968, ее. 348-357.
6.Г.Г.Скворцов, В.А. Павлов, П.И. Поляков, Л.А. Федин, Микроскопы, Издательство Машиностроение, Ленинград, 1969, ее. 177-226.
7.Ф.С. Новик, П.А. Ногин Киносъемочная оптика. Издательство Искусство, Москва, 1968, ее. 214-220.
8.Кинопроекционная техника под ред. С.М. Проворнова, Издательство Искусство, Москва, 1973.
9.Г.М. Попов, Известия Кр АО, 1982, т. 65, ее. 184-190 - прототип.
10.Каталог фирмы Meade Instruments Corporation, page 56.
иг9БЫ
.4i 2ДП
; 0 В1 г  D И В И с- Н Ы
I НегФгрйческиЕ павезкности
1 йсферика Бысшегп порядгга  1.8045 Н 1,00 КпзФ(и; -ЛА42810Е-10 А77А110Е-14 -.л жну йЕ-Я
ОРЕдпЕТ; Уда, размер У  КОООООгр.мчсЕе SO- .ОООдптр от вх.зрачка йЗОБРйХ; Близ, размео Y 00000 31 ,000 (км от пл,Гаусса Дйлфр. : N0 3 30 ,0000 (мх 0рргд., ап ртура 101,5000 (ки;
Относитепьные вепйчикы предмета ; 1,000
J Т И С  С И Т  П Ь Н О 9 Б И п Ь с Т И jJ С г Q К И с Вер  h :; с  ; -J : v
Откосктэлькае Еиньет роваккЕ нижнее ; ,000
Зистама-  f:ki2-ok4
Оарайсйапькае характеристики
F F SF 3F SK SH -1401 98998 1401 98998 -1276,53996 1473.56951 125,45000 71.57954
.ппПАу 1473.пА9п1 1473,5А9л1 -;401,98998 -2J7973 -,66532
tki2-ok4 Раьпта-RTOPftL-PC
ической системе
О у ч о к N 1
;пнертуак
ИовJGC,пучкаi Гпавкьй Верхний Нижний Еоковий
If) ЯпЛ. rl-- i;--inn i7i.ini лОСОчОi ..Т i n; Til
iVij-jvv.-.-ji.ivi ,---iUv, 0 .-i ,r-,-.Ov;i - ,11-t i.jLi-ii
fni iiT7-  I;Q-iiiA лО7inl  fi i  i  i ОТ
L } j. I -- -J --, . i. iA -- i I I. - ii. , V   i -i -. i , V -- i,1 v -- Ui.. i . U j. ;1 7 , i . -J
/I-i-fir.,,i . Я-Т   AT, r,i л---10 IC.I iVJ 1 Ti. ;iVVVi,.. Ti. ,i-/J Tuiiv- -  -i.;,iV-Ji - ij . Т A. ;i/,iLini Li-  40Q- OA  AlvОПП OA 7v-M 7Q
j J j. I 1  i.,1. - -j t - V ;i V U 1 .- L.  V - 1   i,:-I -. . V;,. -- - .  , /
йпЕртурная днаФРагка
lAi ,V: 7ЛЛЛ Ai ,Лi Л 7f Ai . ЛТ i.. т i.;.VVvi-v-J.7i..iV:j  -iL;1V Q I 7  i,1V-.илоскость найпучшек установки
О пучок сиедекие средке-квадратичнак п л, у L т а к о Б к и и -J
5л  6/ 3/2003 10;2/ OPAL-PC тм1;ГГ Ой ПИПТЕпЧ
нйСКИОоК8:5578нй прснОКЛЕНКй
Св8ТОЕие |Стрепки  высоты
.0565 ,0589
tkl2-ok4 Файл 1400
iHCTSna КОНСТРУкТИВКйЕ ОАРйКЕТРй ООТИнЕСКОй СИСТЕпУ
i  /СУ
исевые П о:; 1 К D л Б И ;- И Ы расст.
2270.0001
278.60025.555
т,.л о г. лЛг, ЛпЛ
-J V  1 U- V V1 V S V V V
-485.300
Несферические поверхности 1 нсферика sbiciiiero порядка  LS045 Н 1.00 КоэФ(и1 -Лб42810Е-10
L 7 7 i 1 t Г; г  {   Т Л и О С ч г.   1 О I J ; : и 1 i V: л - . - V -J и ; -j -- С. i -j
In  I t )Д-зЛ  раЗИвр Т  j. I -, .  ,,  : NnLcK IjJ-t v-,-UДПTp 0 i Вл  -j-pd-iKa
И305РА1: Близ, рагмер Y . SI
ДИйФР. ; N2 3 SD .OOv ;гь ; 5редн апеотуда 100.0000 (мм)
Откосйтелькыр величины предмата : 1,000 ОтносйтепьнпЕ виньетироганйе згрлкег; ,000 Откис;:тгльно8 вйкьетироБание НЙЖКЕ ; ,000
Система-  tkl2-Qk4 Олоскость наипучшРи установки
средне-квадратичная (CKj
О пучок|СМ85еНИ5
пп установки  uiг1рпп«пр;;нЯ
Ра6ота-ЫА
ЛОЛ РГ UI hi. ; W
Iпоперечное смешение
ri -IV U г. U 1
заданная I .0000 ,0724  542 .0124
волновой критерии геометр, критерийi
граница | глуЁкны peskocTn |повопн.{ -.0020; .1104
; по геометр.; -.УЧУ/; i,o/