АПОХРОМАТИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ
APOCHROMATIC LENS

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в качестве апохроматического объектива в астрономических телескопах для визуального наблюдения, фото- и видеорегистрации.
Известна система рефрактора с апохроматическим корректором, содержащая два компонента, первый из которых выполнен из двух линз, а второй - из трех [R.Christen in Sky and Telescope (Oct., 1985), pp.375-378].
Недостатками этой системы являются остаточный хроматизм увеличения и применение особого сорта стекла.
Известен апохроматический объектив, состоящий из двух компонентов [патент США №4854686, 1989, Apochromat type objective lenses]. Первый компонент состоит из двух линз - двояковыпуклой и отрицательного мениска, второй компонент выполнен из двояковогнутой линзы и положительного мениска.
Недостатком этого объектива является наличие в первом компоненте двух линз, диаметры которых равны диаметру входного зрачка, что ведет к увеличению габаритов объектива, его массы. Кроме того, в конструкции объектива используется не менее трех марок стекол.
Известен апохроматический объектив, состоящий из трех компонентов [R.Duplov, "Apochromatic telescope without anomalous dispersion glasses", Applied Optics (March 2006), 66926]. Первый компонент представляет собой два мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, второй компонент выполнен из мениска, двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третий компонент выполнен из двояковыпуклой и двояковогнутой линз.
Недостатком этого объектива является наличие в первом компоненте двух менисков, диаметры которых равны диаметру входного зрачка, что ведет к увеличению габаритов объектива, его массы, сложности и трудоемкости изготовления, сборки и юстировки. Кроме того, в конструкции объектива используются три марки стекла.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является апохроматический объектив [патент РФ №2331094, 2008. Апохроматический объектив], 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 и третий компоненты содержат не менее чем по две линзы и имеют форму менисков, причем третий компонент обращен вогнутой стороной к плоскости изображений, преломляющие поверхности линз компонентов являются сферическими, линзы выполнены из двух марок оптических стекол. В объективе-аналоге первый компонент представляет собой одиночную двояковыпуклую линзу. Показатели преломления и коэффициенты дисперсии используемых марок стекол удовлетворяют условию:
1
2
1
2
1,45<n<1,55; 1,65<n<1,75; 50<ν<60; 30<ν<40.
Недостатками наиболее близкого аналога являются малая величина относительного отверстия, большое число линз, кроме того, узкий рабочий спектральный диапазон от 0,44 до 0,7 мкм, которого недостаточно для нужд фото- и видеорегистрации.
Конструктивное исполнение компонентов наиболее близкого аналога, использованные сорта стекол указанного диапазона показателей преломления и дисперсий не позволяют уменьшить число линз, повысить относительное отверстие при сохранении высокого качества изображения. Расширение спектрального диапазона в синюю область у этой системы затруднено из-за недостаточных коррекционных возможностей третьего компонента. Итак, устранение указанных недостатков в наиболее близком аналоге невозможно без существенного изменения устройства оптической системы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание технологичной конструкции апохроматического объектива с высокими техническими характеристиками, который может использоваться в астрономических телескопах для визуальных наблюдений, фото- и видеорегистрации.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении количества линз в объективе, повышении относительного отверстия при использовании в качестве материалов для линз двух марок стекол и сохранении высокого качества изображения в широком спектральном диапазоне.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что апохроматический объектив состоит 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 и третий компоненты содержат не менее чем по две линзы и имеют форму менисков, причем третий компонент обращен вогнутой стороной к плоскости изображений. Преломляющие поверхности линз компонентов являются сферическими, линзы выполнены из двух марок оптических стекол. В отличие от наиболее близкого аналога, одиночная линза первого компонента выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений. Второй компонент выполнен отрицательным в виде склеенных двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Третий компонент выполнен из двух близкорасположенных линз, первая из которых является двояковыпуклой, вторая - отрицательным мениском. При этом показатели преломления и коэффициенты средней дисперсии материалов линз удовлетворяют соотношению:
Выполнение первого компонента в виде мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений, а третьего компонента - из двух близкорасположенных линз, первая из которых является двояковыпуклой, вторая - отрицательным мениском, позволяет осуществлять лучшую коррекцию аберраций широких наклонных пучков и увеличить относительное отверстие системы.
Выполнение второго компонента отрицательным в виде склеенных двояковогнутой и двояковыпуклой линз и использование в качестве материалов стекол, показатели преломления и коэффициенты дисперсии которых удовлетворяют соотношению (1), позволяет уменьшить число линз и повысить относительное отверстие при сохранении апохроматической коррекции системы.
Совокупность предлагаемых признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации апохроматического объектива с заявленным техническим результатом.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны оптические системы апохроматических объективов, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1 - оптическая схема объектива;
фиг.2 - график зависимости заднего фокального отрезка от длины волны;
фиг.3 - график продольных осевых аберраций;
фиг.4 - график астигматизма и дисторсии;
фиг.5 - график частотно-контрастной характеристики.
Апохроматический объектив (фиг.1) содержит первый компонент 1, второй компонент 2 и третий компонент 3. Первый компонент 1 выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутой стороной к плоскости изображений. Второй компонент 2 выполнен отрицательным в виде склеенных линз - двояковогнутой 4 и двояковыпуклой 5. Третий компонент 3 выполнен из двух близкорасположенных линз, первая из которых является двояковыпуклой 6, вторая - отрицательным мениском 7.
Все линзы выполнены из двух марок обычного оптического стекла, показатели преломления и коэффициенты дисперсии которых удовлетворяют соотношению (1).
Действие объектива осуществляется следующим образом. Параллельный пучок лучей от удаленного предмета проходит последовательно положительный мениск и два компонента и строит изображение этого предмета в фокальной плоскости 8. Проходя через положительный мениск 1, пучок лучей фокусируется, возникшие при этом аберрации на оси исправляются отрицательным компонентом 2. Положительный компонент 3 исправляет полевые аберрации всего объектива.
В качестве конкретного примера рассчитан объектив со следующими характеристиками:
фокусное расстояние - 940 мм;
относительное отверстие - 1:7;
рабочий спектральный диапазон - 0,42÷0,7 мкм,
основная длина волны - 0,546 мкм,
угловое поле в пространстве предметов - 1,5°;
линейное поле в пространстве изображений - 24,6 мм.
По сравнению с наиболее близким аналогом увеличено относительное отверстие системы, расширен спектральный диапазон в коротковолновой области. Также повышена технологичность системы: уменьшено общее число линз с шести до пяти, отсутствует трехлинзовая склейка.
Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого предлагаемой оптической системой апохроматического объектива, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения.
На фиг.2 приведен график продольной хроматической аберрации для спектрального интервала от 0,42 до 0,7 мкм. По оси абсцисс отложена продольная хроматическая аберрация в мкм, по оси ординат отложена длина волны в мкм. Характер кривой продольной хроматической аберрации свидетельствует о том, что в предлагаемом объективе в указанном спектральном диапазоне достигается высокая степень коррекции хроматической аберрации, величина которой равна 250 мкм, что составляет менее 1/3700 от величины фокусного расстояния объектива.
На фиг.3 приведен график астигматизма предлагаемой оптической системы объектива. По оси ординат отложен размер изображения (в мм), а по оси абсцисс - астигматические отрезки в мм. Остаточный астигматизм, обеспечиваемый предлагаемым объективом, на краю поля зрения не превышает 0,09 мм, что свидетельствует о высокой степени коррекции полевых аберраций.
На фиг.4 показан график дисторсии предлагаемой оптической системы объектива. По оси ординат отложен размер изображения (в мм), а по оси абсцисс - относительная дисторсия в %. Из представленного графика видно, что дисторсия на краю поля зрения не превышает 0,1%.
-1
-1
-1
На фиг.5 показаны графики частотно-контрастной характеристики предлагаемого объектива. По оси абсцисс отложена пространственная частота в мм, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста в относительных единицах. Из представленных графиков следует, что заявляемый апохроматический объектив обеспечивает высокое качество изображения. Так, при коэффициенте передачи контраста 0,1 пространственная частота в плоскости изображений для всех точек изображения в пределах поля зрения составляет не менее 120 мм. При указанной величине фокусного расстояния в конкретном примере исполнения угловая величина в пространстве предметов, соответствующая пространственной частоте 120 мм, составляет 1,8 угловых секунды.
Анализ качества изображения в примере конкретного исполнения подтверждает высокое качество изображения, даваемого предлагаемым апохроматическим объективом по всему полю зрения при расширенном спектральном диапазоне.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого устройства, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать технологичную конструкцию апохроматического объектива с высокими техническими характеристиками, который может использоваться в качестве объектива в астрономических телескопах для визуального наблюдения, фото- и видеорегистрации.