Объектив-апохромат
APOCHROMAT LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в качестве объектива для телескопических систем различного назначения, в том числе, в астрономических телескопах для визуального наблюдения и фотографирования.
Известен объектив с исправленным вторичным спектром состоящий из трех компонентов [WO 2006/091181 А1, МПК G02B 11/16, G02B 9/343, опубл. 01.08.2006, "Lens system with corrected secondary spectrum"]. Первый компонент представляет собой два мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, второй компонент выполнен из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третий компонент выполнен из линзы-мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений.
Недостатком этого технического решения является наличие трех компонентов, разделенных большими (порядка фокусного расстояния объектива) воздушными промежутками, что ведет к увеличению габаритов объектива, его массы, сложности изготовления и повышенной трудоемкости сборки и юстировки. Кроме того, объектив имеет узкий рабочий спектральный диапазон и небольшое относительное отверстие.
Известен апохроматический объектив [Патент РФ №2429508, МПК G02B 9/14, опубл. 20.09.2011, бюл. 26], состоящий из оптически связанных расположенных по ходу лучей трех компонентов, первый и третий из которых являются положительными, при этом первый компонент выполнен в виде одиночной линзы, второй компонент имеет форму мениска, склеенного из двух линз, а третий компонент содержит две линзы и обращен вогнутой стороной к плоскости изображений, преломляющие поверхности линз компонентов являются сферическими, линзы выполнены из двух марок оптических стекол.
Недостатками этого технического решения являются большие величины воздушных промежутков между компонентами, (порядка фокусного расстояния объектива), что в совокупности с большим числом компонентов (3) ведет к усложнению конструкции и нестабильности взаимного положения компонентов в процессе эксплуатации. Кроме того, в объективе недостаточно хорошо исправлен хроматизм положения.
2
1
3
X
X
Y
Y
3
2
3
1
3
X
Y
X
Y
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является четырехлинзовый апохроматический объектив [Патент РФ на полезную модель №192789, МПК G02B 9/14, опубл. 01.10.2019, бюл. 28], состоящий из двух компонентов, разделенных воздушным промежутком d. Первый компонент содержит двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, изготовленные из двух марок стекол Y и X соответственно и разделенные воздушным промежутком d, второй - двояковыпуклую линзу и отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью в сторону плоскости изображений, разделенные воздушным промежутком d. Выполняются соотношения: 1,6≤n≤1,7 и 49≤ν≤55; 1,5≤n≤1,7 и 51≤ν≤66, d≤0,002f; d≤d, d≤d, где n - показатель преломления стекла марки X; n - показатель преломления стекла марки Y; ν - число Аббе стекла марки X; ν - число Аббе стекла марки Y; f - фокусное расстояние объектива.
Недостатками этого объектива является узкий рабочий спектральный диапазон (0,479-0,656) мкм и малое поле зрения (0,3°).
Технической задачей изобретения является расширение рабочего спектрального диапазона и увеличение поля зрения.
Техническим результатом изобретения является упрощении конструкции, увеличение рабочего спектрального диапазона и увеличение поле зрения с сохранением светосилы и высокой степени коррекции геометрических и хроматических аберраций устройства.
2
1
3
2
2
d
d
d
d
d
d
Это достигается тем, что объектив-апохромат, включающий два оптически связанных двухлинзовых компонента, разделенных воздушным промежутком d, первый компонент содержит последовательно по ходу луча расположенные двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, разделенные воздушным промежутком d, линзы второго компонента разделены воздушным промежутком d, согласно изобретению второй компонент состоит из последовательно по ходу луча расположенных плоско-выпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью в сторону плоско-выпуклой линзы, причем воздушный промежуток d удовлетворяет условию d≤D, где D - диаметр входного зрачка объектива, первая и третья линзы по ходу луча изготовлены из стекла, отвечающего условиям: 1,49≤n≤1,53 и 80≤ν≤85, а вторая и четвертая линзы по ходу луча из стекла, удовлетворяющим условиям: 1,55≤n≤1,57 и 60≤ν≤65, где n - показатель преломления для линии d, ν - число Аббе.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена оптическая схема объектива-апохромата, на фиг. 2 - график продольной хроматической аберрации для спектрального интервала (420 - 700) нм, на фиг. 3 - график полихроматического числа Штреля в рабочем спектральном диапазоне объектива, на фиг. 4 - графики частотно-контрастной характеристики объектива для центральной и краевой зоны поля зрения в сравнении с дифракционным пределом.
2
1
3
1
3
2
2
1
3
1
3
2
d
d
d
d
d
d
Объектив-апохромат (см. фиг. 1) состоит из двух компонентов: первый компонент содержит двояковыпуклую линзу 1 и двояковогнутую линзу 2, второй - плоско-выпуклую линзу 3 и отрицательный мениск 4. Первый компонент отделен от второго воздушным промежутком d, а линзы внутри компонентов разделены воздушными промежутками d и d Воздушный промежуток d служит для коррекции сферической аберрации высших порядков, d - для коррекции сферохроматизма и полевых аберраций, а промежуток d - для коррекции сферической аберрации. При этом d≤D, где D - диаметр входного зрачка объектива, воздушные промежутки d и d такие, что d, d<<d. В схеме объектива использовано два типа оптического стекла, первая и третья линзы по ходу луча изготовлены из стекла, показатель преломления, n, для линии d и число Аббе, ν, которого отвечают условиям: 1,49≤n≤l,53 и 80≤ν≤85; а те же параметры второй и четвертой по ходу луча линз, удовлетворяют условиям: 1,55≤n≤1,57 и 60≤ν≤65. Все оптические поверхности имеют сферическую форму.
Объектив-апохромат работает следующим образом.
Параллельный пучок лучей от удаленного предмета проходит через входной зрачок объектива, совпадающий с первой поверхностью линзы 1, преломившись на ней, далее последовательно проходит через вторую поверхность линзы 1, поверхности линз 2-4, преломляясь на каждой из них, строит изображение этого предмета в фокальной плоскости F'. По пути следования светового пучка через линзы объектива происходит коррекция аберраций.
Ниже приведен пример конкретной реализации предлагаемого объектива-апохромата.
В качестве примера рассчитан следующий объектив:
Фокусное расстояние F' - 613 мм
Относительное отверстие - 1:6
Рабочий спектральный диапазон объектива - 420 ÷ 700 нм
Угловое поле в пространстве предметов 2ω - 2°
Конструктивные параметры рассчитанного объектива приведены в таблице 1.
1
3
2
В строках «1», «2», «3» и «4» указаны радиусы кривизны, толщины, показатели преломления и числа Аббе для четырех линз. В строках «d» и «d» указаны воздушные промежутки между линзами первого и второго компонентов соответственно, а в строке «d» - воздушный промежуток между компонентами.
Высокое качество изображения, создаваемого предложенным объективом-апохроматом, подтверждается графическими материалами, представленными на Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4.
На Фиг. 2 приведен график продольной хроматической аберрации для спектрального интервала (420 - 700) нм. По оси абсцисс отложено изменение заднего фокального отрезка объектива для низкой зоны зрачка в микронах, по оси ординат отложена длина волны в микронах. Хорошо виден S-образный характер кривой продольной хроматической аберрации, что свидетельствует о высокой степени коррекции хроматической аберрации, величина которой в данном примере не превышает 64,08 мкм для низкой зоны зрачка, что составляет 1/9566 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.
-1
На Фиг. 4 показаны графики частотно-контрастной характеристики объектива для центральной и краевой зоны поля зрения в сравнении с дифракционным пределом. По оси абсцисс отложена пространственная частота в мм, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста в относительных единицах.
Использование изобретения позволяет создать простую конструкцию объектива-апохромата с широким рабочим спектральным диапазоном и увеличенным полем зрения, с сохранением светосилы и высокой степени коррекции хроматических и геометрических аберраций, который может использоваться в телескопических системах различного назначения, в том числе, в качестве объектива астрономических телескопов для визуального наблюдения и фотографирования.