ОБЪЕКТИВ Российский патент 2007 года по МПК G02B9/16 G02B13/16 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам высокоточных углоизмерительных систем, в том числе к объективам автоколлиматоров для формирования и приема излучения в ближней ИК-области спектра при условии использования в автоколлиматоре, имеющем при работе в направлении от тест-объекта на объект визирования большой диаметр выходного зрачка и малое угловое поле, а в направлении от объекта визирования на фотоприемное устройство работающего ограниченными зонами входного зрачка в большом угловом поле, при этом объект визирования может быть расположен в любой части входного зрачка объектива. Объективы таких систем должны иметь хорошее качество изображения при достаточной светосиле и сравнительно простую конструкцию, обеспечивающую нерасстраиваемость в процессе эксплуатации системы с сохранением высокой точности измерения.

Известен телеобъектив для углоизмерительных систем (например, в а.с. №1007069, СССР, МПК G02B 13/02, опубликованном в 1983 г.), состоящий из двух компонентов, образованных четырьмя линзами, в котором первый компонент - положительный, выполненный в виде трехлинзовой склейки; второй компонент - одиночный отрицательный мениск. В заднем фокальном отрезке объектива может быть расположена склеенная призма, используемая в качестве светоделительного блока автоколлиматора. Объектив исправлен для длины волны 951 нм, ахроматизирован в диапазоне спектра от 900 до 1060 нм и имеет следующие оптические характеристики:

фокусное расстояние 120 мм,

относительное отверстие 1:4,6,

угловое поле зрения на входе 2°.

Небольшая величина фокусного расстояния и заднего фокального отрезка не позволяет использовать этот объектив в высокоточных углоизмерительных системах, где требуется точность определения угловых координат объекта менее 20" и необходимость установки дополнительных зеркал между объективом и светоделительным блоком для компоновки системы в заданных габаритах.

Задачей изобретения является создание объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - повышение относительного отверстия и упрощение конструкции объектива при сохранении качества изображения, близкого к дифракционному.

Поставленная цель достигается тем, что в объективе, включающем два компонента, первый из которых содержит положительную двояковыпуклую линзу, а второй компонент содержит отрицательный мениск, в отличие от известного, первый компонент выполнен в виде одиночной линзы, во втором компоненте отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости изображения, кроме того, во второй компонент за отрицательным мениском введен одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, при этом выполняются следующие соотношения:

1,65≤n_е1=n_е3≤1,77

45≤ν_e1=ν_e3≤60

1,7≤ν_e1/ν_e2=ν_e3/ν_e2≤3,5

0,1d₂≤d₄≤0,3d₂

где:

n_е1, n_e3 - показатели преломления для длины волны 546,1 нм соответственно двояковыпуклой линзы и положительного мениска;

ν_e1, ν_e2, ν_е3 - коэффициенты дисперсии материала соответственно двояковыпуклой линзы, отрицательного и положительного менисков;

, , , - фокусные расстояния соответственно объектива, первого и второго компонентов, отрицательного и положительного менисков;

d₂, d₄ - воздушные промежутки соответственно между первым и вторым компонентами и между отрицательным и положительным менисками второго компонента;

- задний фокальный отрезок объектива.

На чертеже изображена принципиальная оптическая схема объектива.

Объектив состоит из двух компонентов, образованных тремя линзами. Первый положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы 1. Второй отрицательный компонент выполнен в виде двух одиночных линз: отрицательного мениска 2 и положительного мениска 3, обращенных выпуклостью к плоскости изображения. В заднем фокальном отрезке объектива расположена призма 4, используемая для приведения изображения тест-объекта, подсвеченного осветителем, на чувствительную площадку фотоприемного устройства (ФПУ). Призма 4 выполнена из двух прямоугольных призм АР-90°, склеенных гипотенузными гранями. В зоне склейки призм нанесено светоделительное покрытие, обозначенное на чертеже знаком θ.

Объектив работает следующим образом. Расходящийся пучок лучей от каждой точки тест-объекта, расположенного в задней фокальной плоскости объектива F', отражается призмой 4 в направлении линзы 3. После прохождения лучами света последовательно линз 3, 2 и 1 изображение тест-объекта строится в бесконечности полным выходным зрачком объектива. Отразившись от объекта визирования, параллельный пучок лучей попадает на линзу 1, которая преобразует его в сходящийся пучок. Далее линзы 2 и 3 направляют световой пучок на призму 4, после прохождения которой в плоскости чувствительной площадки фотоприемного устройства (ФПУ), совмещенной с задней фокальной плоскостью объектива F', строится автоколлимационное изображение тест-объекта, отраженное от объекта визирования, при этом объектив работает ограниченными зонами входного зрачка, которые в зависимости от расположения объекта визирования могут находиться в любой части входного зрачка объектива.

В соответствии с предложенным решением был выполнен расчет объектива, конструктивные параметры которого приведены в табл.1.

Таблица 1Радиусы R, ммТолщины и воздушные промежутки d, ммМарки стеклаПоказатели преломления n_еКоэффициенты дисперсии ν_eСветовые диаметры, ммR₁=765,6    130 d₁=16CTK119n_е1=1,7476ν_е1=50,21 R₂=-271,6    130 d₂=60    R₃=-84,92    110 d₃=10ТФ110n_е2=1,8138ν_e2=25,17 R₄=-426,6    125 d₄=10    R₅=-264,2    120 d₅=20CTK119n_е3=1,7476ν_e3=50,21120R₆=-95,28      d₆=336    R₇=∞    12×36 d₇=20K108   R₈=∞  n_е4=1,5183ν_e4=63,8311×35

Объектив исправлен для длины волны 940 нм, ахроматизирован в диапазоне спектра от 920 до 970 нм. Фокусное расстояние объектива для расчетной длины волны равно 429,4 мм. Оптические константы материала линз объектива, приведенные в табл.1, связаны следующими соотношениями:

n_е1=n_е3=1,7476

ν_e1=ν_е3=50,21

ν_e1/ν_e2=ν_e3/ν_е2=50,21/25,17=2,0

Фокусные расстояния компонентов и отдельных линз объектива для расчетной длины волны 940 нм имеют следующие значения:

фокусное расстояние первого компонента (линза 1)

фокусное расстояние второго компонента

фокусное расстояние отрицательного мениска (линза 2)

фокусное расстояние положительного мениска (линза 3) что соответствует условиям:

214,7<276,6<429,4

858,8<|-1202,4|<1717,6

|-137,9|<194,5<276,6

Воздушный промежуток между первым и вторым компонентами d₂ равен 60 мм, что соответствует условию:

42,94<60<85,88

Воздушный промежуток между второй и третьей линзами d₄ равен 10 мм, что соответствует условию:

6<10<18

Задний фокальный отрезок равен 370,9 мм, что соответствует условию:

300,58<370,9<386,46

При работе объектива в направлении от тест-объекта на объект визирования:

относительное отверстие 1:3,3

угловое поле на выходе 0°10'.

В табл.2 приведены аберрации в угловой мере на выходе объектива для точки на оси при расчете с конечного расстояния S₁=-21,615 мм.

Таблица 2mm'σ'_{λ 0}σ'_{λ 1}σ'_{λ 2}σ'_{λ 1}-σ'_{λ 2}38,2232,765,4"3,7"-6,3"10,0"54,0546,231,8"4,9"-8,5"13,4"66,2056,49-10,8"5,2"-9,5"14,7"76,4465,00-2,4"4,0"-8,6"12,6"

При работе в направлении от объекта визирования на фотоприемное устройство (ФПУ) объектив формирует изображение ограниченными зонами, расположенными в любой части входного зрачка; угловое поле на входе 3°28'. В табл.3 приведены аберрации для точки на оси бесконечно удаленного предмета при диаметре светового пучка 30 мм, расположенного по центру объектива.

Таблица 3 λ₀=940 нмλ₁=920 нмλ₂=970 нмmtgσ'ΔS'Δy'ΔS'Δy'ΔS'Δy'0000-0,105900,17700-0,28297,50,0175-0,0152-0,0003-0,1058-0,00180,17670,0031-0,282510,60,0247-0,0297-0,0007-0,1057-0,00260,17660,0044-0,282313,00,0303-0,0432-0,0013-0,1055-0,00320,17640,0053-0,281915,00,0350-0,0560-0,0020-0,1053-0,00370,17620,0062-0,2815

В табл.4, 5 и 6 приведены аберрации для зоны и края углового поля зрения бесконечно удаленного предмета при диаметре светового пучка 30 мм, расположенного по центру объектива, соответственно для точки вне оси, для меридионального и сагиттального сечений объектива.

Таблица 4ωZZ'ΔY', %-1°13'34"0-478,7-0,151-0,3850,2349,189-0,00050,00025-0,000240,0005-1°43'54"0-478,6-0,301-0,7680,46712,981-0,0010,00035-0,000350,0007

Таблица 5 ω=-1°13'34"ω=-1°43'54"mΔtgσ'Δtgσ'15,00,0350-0,0066-0,00340,00580,0350-0,0164-0,00320,005713,00,0303-0,0063-0,00290,00500,0303-0,0152-0,00280,004910,60,0247-0,0058-0,00230,00410,0247-0,0134-0,00220,00407,50,0175-0,0047-0,00160,00280,0175-0,0105-0,00150,00270000,00025-0,00024000,00035-0,00035-7,5-0,01750,00930,0021-0,0034-0,01750,01700,0022-0,0035-10,6-0,02470,01490,0029-0,0046-0,02470,02640,0030-0,0048-13,0-0,03030,01990,0035-0,0056-0,03030,03450,0036-0,0058-15,0-0,03500,02460,0040-0,0065-0,03500,04200,0041-0,0066Таблица 6 ω=-1°13'34"ω=-1°43'54"Mtgδ'ΔY'ΔХ'tgδ'ΔY'ΔX'7,50,01750,0008-0,00290,01750,0011-0,005510,60,02470,0015-0,00440,02470,0022-0,008213,00,03030,0023-0,00590,03030,0032-0,010415,00,03500,0030-0,00720,03500,0043-0,0125

По сравнению с наиболее близким аналогом предлагаемый объектив при увеличенной светосиле и сохранении качества изображения, близкого к дифракционному, имеет более простую и технологичную конструкцию: количество линз три вместо пяти, отсутствие склеенных линз, что особенно важно для линз большого диаметра, выполненных из химически неустойчивых стекол. Объектив может быть использован в автоколлиматоре, который имеет узкий по спектру источник излучения, например, светодиод со спектральным интервалом ±25 нм, и принимает ограниченными зонами входного зрачка излучение, отраженное от одного или нескольких объектов визирования. Примененные марки стекол в сочетании с оправой из титанового сплава и выбранные величины воздушных промежутков d₂ и d₄ позволили получить объектив с исправленной термооптической аберрацией. Наличие в объективе заднего фокального отрезка, равного 0,86 от фокусного расстояния объектива, позволяет расположить между объективом и призмой дополнительные зеркала для компоновки системы автоколлиматора в заданных продольных габаритах. Для сравнения, в аналоге задний фокальный отрезок составляет величину 0,6 от фокусного расстояния объектива.

Таким образом, объектив может быть использован в высокоточной многоканальной оптико-электронной углоизмерительной системе, являясь основным узлом автоколлиматора и обеспечивая высокую точность и надежность измерения угловых координат нескольких объектов системой при разных условиях эксплуатации.

Изобретение может быть использовано в качестве объектива высокоточных углоизмерительных систем. Объектив включает два компонента, первый из которых выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, а второй компонент содержит отрицательный и положительный мениски, обращенные выпуклостью к плоскости изображения. Между показателями преломления, коэффициентами дисперсии материала линз, фокусными расстояниями компонентов и линз объектива, а также воздушными промежутками и задним фокальным отрезком объектива выполняются определенные соотношения. Технический результат - упрощение конструкции и повышение относительного отверстия объектива при сохранении качества изображения, близкого к дифракционному. 1 ил., 6 табл.

Объектив, включающий два компонента, первый из которых содержит положительную двояковыпуклую линзу, а второй компонент содержит отрицательный мениск, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде одиночной линзы, во втором компоненте отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости изображения, кроме того во второй компонент за отрицательным мениском введен одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, при этом выполняются следующие соотношения:

1,65≤n_е1=n_е3≤1,77

45≤ν_e1=ν_e3≤60

1,7≤ν_e1/ν_e2=ν_e3/ν_e2≤3,5

0,1d₂≤d₄<0,3d₂

где n_e1, n_e3 - показатели преломления для длины волны 546,1 нм соответственно двояковыпуклой линзы и положительного мениска;

ν_e1, ν_e2, ν_e3 - коэффициенты дисперсии материала соответственно двояковыпуклой линзы, отрицательного и положительного менисков;

, , , - фокусные расстояния соответственно объектива, первого и второго компонентов, отрицательного и положительного менисков;

d₂, d₄ - воздушные промежутки соответственно между первым и вторым компонентами и между отрицательным и положительным менисками второго компонента;

- задний фокальный отрезок объектива.