ЛЕЙКОСАПФИРОВАЯ АХРОМАТИЧЕСКАЯ ЛУПА Российский патент 1997 года по МПК G02B25/00 

Изобретение относится к оптическим визуальным приборам для рассматривания с увеличением объектов с тонкой структурой или малых размеров, а именно к лупам /1/.

Аналогом является стандартная 10^x измерительная лупа ГОСТ 8309-57, выполненная в виде одной линзы, склеенной из двух одинаковых и симметрично расположенных внешних линз из одного сорта оптического стекла и промежуточной линзы из другого сорта оптического стекла.

Прототипом является используемый в качестве лупы симметричный окуляр /1,2/, содержащий разделенные малым воздушным промежутком две одинаковые линзы, склеенные из двух линз из разных сортов оптического стекла.

Прототипу, как и всем остальным известным лупам с линзами из стекла, присущ один весьма существенный недостаток, проявляющийся при их использовании в технологическом процессе шлифовки, полировки и контроля деталей из стекла и кристаллов, в частности, при огранке бриллиантов из алмаза, фианита и других драгоценных кристаллов.

В этом процессе из-за практически неизбежной небрежности у многих обработчиков на внешних полированных поверхностях стеклянных линз в лупах часто возникают заколы, царапины и со временем происходит их заматывание при попадании на них абразива при их прочистке, вследствие чего такие лупы выходят из строя и требуется их замена на новые.

Целью изобретения является создание лупы, которая была бы неуязвима к механическим повреждениям внешних, наружных полированных поверхностей ее линз и обладала бы удовлетворительным качеством изображения рассматриваемого через нее увеличенного объекта в пределах ее поля зрения, а также упрощение конструкции и облегчение технологии изготовления линз лупы.

Указанный технический результат достигается путем выполнения внешних, наружных линз лупы из высокотвердого монокристалла лейкосапфира, а промежуточных, внутренних одной или двух линз из оптического стекла, оптимальный сорт которого определен путем многочисленных пробных расчетов со всеми содержащимися в каталоге его сортами из основного условия полного устранения хроматической аберрации лупы, а также из условия минимизации хроматической аберрации лупы при дополнительном условии упрощения ее конструкции и облегчения технологии за счет выполнения некоторых поверхностей ее линз плоскими или с одинаковыми по абсолютной величине радиусами их кривизны в соответствии с установленным нами критерием отбора подходящих сортов, из которых выявлен оптимальный сорт ТФ2.

В соответствии с поставленной целью и путем ее достижения предлагается лейкосапфировая ахроматическая лупа:
содержащая систему четырех или трех линз в оправе, с полевой и глазной внешними ее линзами, выполненными из монокристалла лейкосапфира Al₂O₃ при любой ориентировке в них его оптической оси, с промежуточными, внутренними двумя или одной линзами, выполненными из оптического стекла сорта ТФ2, а система линз с малыми толщинами и промежутками между ними выполнена с суммарными оптическими силами внешних и внутренних линз в соответствии с соотношениями Φ₁ + 0,00708 Г: Φ₂ 0,00308 Г: Φ = Φ₁ + Φ₂ + 0,004 Г, где Г увеличение лупы, оптические силы внешних линз, внутренних линз и Φ лупы;
с увеличением Г 10^x, содержащая две одинаковые и симметрично установленные с малым воздушным промежутком линзы, склеенные из внешних и внутренних линз с толщинами d₁≅5 мм, d₂≅1 мм, с диаметром ⊘≅24 мм и с радиусом их сферических поверхностей r₁, r₂, r₃, выполненных в соответствии с соотношениями
;
с увеличением Г 10^x, выполненная при этих соотношениях и дополнительном произвольно заданном соотношении между r₁, r₂, r₃ или при заданных значениях одного из них, в частности, со следующими радиусами
r₂ -r₁ r₁= +40 мм, r₂= -40 мм r₃= 1229,43 мм
r₁ r₂ 20,56 мм, r₃ 41,67 мм
r₂ <₆5M r₁ + 20,56 мм, r₃ + 41,36 мм
r₃ <₆5M r₁ + 38,72 мм, r₂ 41,36 мм;
c увеличением Г 10_x, содержащая одну промежуточную линзу, склеенную с внешними линзами, диаметр ⊘ тройной склеенной линзы и толщины составляющих линз d₁, d₂, d₃ ограничены переделами: o ≅24 мм, d₁ d₃≅5 мм, d₂ ≅1 мм, а радиусы кривизны их сферических поверхностей выполнены в соответствии с соотношениями полной ахроматизации лупы
r₁ -r₄ +38,72 мм, r₂ r₃ 41,36 мм;
с увеличением Г 10_x, выполненная в виде аналогичной симметричной тройной склеенной линзы с радиусами r₁, r₂, r₃, r₄, выполненными в соответствии с соотношениями почти полной ахроматизации лупы
r₁ r₃ -r₂ r₄ + 41 мм;
c увеличением Г 10^x, выполненная в виде аналогичной, но несимметричной тройной склеенной линзы со следующими значениями радиусов:

На фиг.1-5 представлены примеры выполнения предлагаемой симметричной лейкоспапфировой ахроматической лупы; на фиг. 6 несимметричной с 10^x -м увеличением, на которых обозначены: 1 внешние линзы из лейкосапфира, 2 - внутренние линзы из стекла ТФ 2, ⊘ ≅24 мм диаметр линз, r_i / i 1, 2, 3, 4/ радиусы кривизны поверхностей линз, продольная хроматическая аберрация лупы с фокусным расстоянием 25 мм и диаметром зрачка глаза ≈4-5 мм.

На фиг. 1 внешние линзы 1 выполнены симметричными, т.е. с r₂ -r₁, а соединение поверхности внутренних линз 2, разделенные малым воздушным промежутком, обладают весьма малой кривизной r₃ 1229 мм; на фиг. 2 наружные поверхности внешних линз 1 плоские; на фиг. 3 - поверхность склейки линз 1 и 2 плоская; на фиг. 4 соседние поверхности внутренних линз 2, разделенные малым воздушным промежутком, плоские, следовательно, их можно склеить или, что эквивалентно, заменить их одной двояковогнутой линзой; на фиг. 5 трехлинзовая симметричная склеенная лупа, полученная в результате перехода от предыдущего трехлинзового варианта при дополнительном условии выравнивания радиусов кривизны:

при котором достигается практически почти полная ахроматизация лупы, т. е. остаточная продольная хроматическая аберрация пренебрежимо мала 0,05 мм. На фиг. 6 техлинзовая несимметричная склеенная лупа, рассчитанная при: r₁ r₃ r₂ r₄ и выполненная со следующими значениями радиусов r₁ r₃ + 20,56 мм.

Помимо выполнения внешних линз предлагаемой лупы из монокристалла лейкосапфира, что делает ее неуязвимой для механических повреждений, существенной новизной найденного технического решения является также результат поиска среди многочисленных сортов отечественного оптического стекла оптического сорта, при котором можно было бы не только осуществить ахроматизацию, но и достичь максимально возможной простоты конструкции и, следовательно, наиболее простой и экономической технологии изготовления лупы, а именно выполнить следующие требования:
а) чтобы лупа содержала только одну промежуточную линзу из такого сорта стекла;
б) чтобы радиусы кривизны сферических поверхностей трех линз лупы были бы одинаковыми по абсолютной величине, что позволило бы выполнить лупу в виде тройной склеенной симметричной линзы, как показано на фиг. 5 на примере ее выполнения;
в) чтобы внешние линзы были выполнены плоско-выпуклыми, а промежуточная
плоско-вогнутой с одинаковыми по абсолютной величине радиусами их сферических поверхностей, что позволило бы выполнить лупу в виде тройной склеенной несимметричной линзы, как показано на фиг. 6 на примере ее выполнения.

Критерием поиска оптимального сорта стекла для промежуточной линзы из многочисленных его сортов была совместимость выполнения указанных требований а), б), в) с требованием ахроматизации лупы, а именно наиболее точное выполнение приближенного равенства

Все отечественные сорта оптического стекла /1/ при оценке их соответствующими расчетами оказались далекими от выполнения этого критерия, кроме одного сорта ТФ 2, для которого этот критерий наиболее точно выполнялся.

При этом сорте стекла ТФ 2 остаточная продольная хроматическая аберрация трехлинзовой склеенной лупы (фиг. 5 и фиг. 6) с увеличением Г 10^x, т. е. при фокусном расстоянии лупы у' 25 мм пренебрежимо мала /1,2/.

Следовательно, полную ахроматизацию 0 такой трехлинзовой склеенной лупы нельзя осуществить принципиально, но можно, разделив ее промежуточную линзу (фиг. 5) плоскостью на две, как указано на фиг.4, но при этом радиусы кривизны поверхностей внешних линз становится разными по величине: r₁ + 38,72 мм и r₂ 41,36 мм, но близкие к равным в трехлинзовой лупе на фиг. 5, r₂ -r₁ 41 мм при том же сорте стекла ТФ 2. При равных же по величине радиусах r₂ r₁ 40 мм внешних линз, как указано на фиг.1, соседние поверхности раздвоенной промежуточной линзы 2 становятся сферическими с малой кривизной r₃ 1229 мм. При относительно больших прогибах в разные стороны внешних линз, т. е. при r₁ (фиг.2) и r₂ (фиг.3) получаются аналогично соответствующие примеры выполнения симметричных четырехлинзовой ароматической лупы из двух склеенных линз, причем первый из них предпочтительнее, так как выпуклая поверхность внешних линз с относительно малым радиусом кривизны граничит с соответствующей склеенной поверхностью промежуточной линзы, а во втором с воздухом, т. е. в первом случае аберрации будут в меньшей степени проявляться, чем во втором, в особенности в наклонных к оси линзы пучках лучей, соответствующих краям поля зрения лупы.

Опыт работы с экспериментальным образцом лейкосапфировой двухлинзовой лупы без промежуточных линз, т. е. на ахроматизированной, показал, что качество изображения рассматриваемого через 10^x симметричную лупу объекта в большей части линейного поля зрения ⊘ ≈20 мм вполне удовлетворительное, за исключением того, что на его краю проявляется хроматическая аберрация увеличения, и это послужило поводом для разработки данной ахроматической лупы. Так как проявления нехроматических аберраций: сферической, комы, астигматизма в чисто лейкосапфировой лупе визуально не были замечены, их коррекцию в данной лупе мы не сочли нужным производить, но оставили на будущее ее возможность при необходимости за счет указанного выше произвольного соотношения между радиусами r₁, r₂, r₃, которое может быть не произвольным, а связанным условием коррекции нехроматических аберраций.

Сущность изобретения: ахроматическая лупа содержит систему четырех или трех линз в оправе. Наружные линзы выполнены из высокотвердого монокристалла лейкосапфира Al₂O₃, а промежуточные - из ТФ 2. Симметричная лупа состоит из двух разделенных малых воздушным промежутком линз, склеенных из наружных и внутренних линз. Несимметричная трехлинзовая лупа выполнена в виде склеенных внешних плоско-выпуклых линз и плоско-вогнутой внутренней линзы. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Ахроматическая лупа, содержащая четыре линзы в оправе, отличающаяся тем, что первая и четвертая линзы выполнены из монокристалла лейкосапфира Al₂O₃ при любой ориентировке в них его оптической оси, вторая и третья линзы выполнены из стекла ТФ2, при этом оптическая сила лупы Φ удовлетворяет условию
v = Φ₁ + Φ₂ = 0,004 Г,
где Г увеличение лупы,
Φ₁ = Φ′1

2. Лупа по п.1, отличающаяся тем, что состоит из двух одинаковых и симметрично расположенных с малым воздушным промежутком компонентов, выполненных с диаметром ⊘ ≅ 24 мм из склеенных соответственно первой, второй, третьей и четвертой линз с толщинами d₁ d₃ ≅ 5 мм и d₂ d₄ ≅ 1 мм, при этом радиусы сферических поверхностей линз r₁, r₂, r₃ удовлетворяют условию при Г 10⁴

3. Лупа по п. 1, отличающаяся тем, что каждый компонент выполнен со следующими значениями радиусов кривизны поверхности:
r₁ -r₂, r₁ 40 мм, r₂ -40 мм, r₃ -1229,43 мм
r₁ = ∞, r₂ = - 20,56 мм, r₃ = - 41,67 мм
r₁ = + 20,56 мм, r₂ = ∞, r₃ = 41,36 мм
r₁ = + 38,72 мм, r₂ = - 41,36, r₃ = ∞
4. Ахроматическая лупа, содержащая систему трех линз в оправе, отличающаяся тем, что первая и третья линзы выполнены из монокристалла лейкосапфира Al₂O₃ при любой ориентировке в них его оптической оси, вторая линза выполнена из стекла ТФ2, при этом оптическая сила лупы Φ удовлетворяет условию v = Φ₁ + Φ₂ = 0,004 Г, где Φ₂ = -0,00308 Г; Φ₁= Φ′1 + Φ″1 = + 0,00708 Г; Φ′1, Φ″1, Φ₂ - оптические силы соответственно первой, второй и третьей линз, Г увеличение лупы.