ТЕЛЕОБЪЕКТИВ Российский патент 2007 года по МПК G02B13/02 G02B9/06 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических, например, в визуальных телескопических, а также в ИК-оптических системах.

Известен телеобъектив (М.И.Апенко, Л.А.Запрягаева, И.С.Свешникова «Задачник по прикладной оптике», Москва, Недра, 1987, стр.303), содержащий два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух одиночных линз - двояковыпуклой и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению; а второй компонент - одиночная двояковогнутая линза с равными по модулю радиусами. Этот объектив исправлен в спектральном диапазоне от 480 до 644 нм.

Однако этот телеобъектив имеет большие продольные габариты, сложную конструкцию (он состоит из трех отдельных линз, что требует применения дополнительного кольца между первыми двумя линзами) и недостаточную технологичность (он содержит две поверхности, требующие повышенной точности изготовления и центрировки, а также необходимости их просветления).

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является телефотообъектив (Патент США №2327759, НКИ 359-748, публ. 1943 г., фиг.1), содержащий два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных одиночных линз - двояковыпуклой и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению; а второй компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету.

Характеристики данного объектива:

фокусное расстояние f'100 ммотносительное отверстие1:3,7угол поля зрения7 град.длина оптической системы (расстояние от первой до последней оптических поверхностей)66,7 ммзадний фокальный отрезок23,1 ммкоэффициент укорочения телеобъектива К_Т0,898

Выполнены соотношения:

0,45≤d_в/f'≤0,9

d/f'=0,667

d₃/f'=0,667

S'_F'/f'=0,231

R₁/|R₂|=0,94

R₄/R₅=0,708

n₁=1,516

n₂=1,617

n₃=1,516

ν₁=64

ν₂=36,6

ν₃=64,

где d_в - величина воздушного промежутка между первым и вторым компонентами;

d - длина объектива;

d₃ - толщина третьей линзы;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

S'_F' - задний фокальный отрезок;

R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей;

n₁, ν₁ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала первой линзы;

n₂, ν₂ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала второй линзы;

n₃, ν₃ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала третьей линзы.

Данный телеобъектив имеет большой коэффициент укорочения телеобъектива, большое отношение длины объектива (расстояния от первой до последней оптических поверхностей) к фокусному расстоянию, малое отношение заднего фокального отрезка к фокусному расстоянию, которое не позволяет располагать за телеобъективом призму (или призмы) со значительной длиной хода лучей в стекле (крупногабаритные), и недостаточную технологичность, так как не содержит плоских оптических поверхностей. При обработке линз данного объектива должны изготавливаться пробные стекла и обрабатывающий инструмент на каждую оптическую поверхность, а на плоские поверхности пробные стекла и обрабатывающий инструмент всегда имеются в наличии. Кроме того, при контроле плоских поверхностей вместо пробного стекла можно использовать интерферометр, что позволяет повысить класс чистоты плоской поверхности.

Задачей заявляемого изобретения является создание телеобъектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной технологичностью при высоком качестве изображения.

Технический результат - уменьшение коэффициента укорочения телеобъектива, уменьшение отношения длины объектива к фокусному расстоянию, увеличение отношения заднего фокального отрезка к фокусному расстоянию и повышение технологичности при высоком качестве изображения.

Это достигается тем, что в телеобъективе, содержащем два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных линз - первой двояковыпуклой и второй - отрицательной, второй компонент - третья линза - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, показатель преломления материала второго компонента менее 1,55, в отличие от известного отрицательная линза первого компонента выполнена вогнутоплоской, за вторым компонентом введен оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями и, кроме того, выполняются условия:

0,2≤d_в/f'≤0,3

0,015<d₃/f'<0,02

0,4<R₁/|R₂|<0,55

0,4<R₄/R₅<0,55

1,42<n₁<1,5

1,619<n₂<1,67

66<ν₁<98

33<ν₂<36,4,

где d_в - величина воздушного промежутка между первым и вторым компонентами;

d₃ - толщина третьей линзы;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей;

n₁, ν₁ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала первой линзы;

n₂, ν₂ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала второй линзы.

Оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями может быть выполнен в виде призмы (или призм) или плоскопараллельной пластины (или пластин), причем выполняется условие:

0,3<d₄/f'<0,5,

где d₄ - суммарная длина оптического хода лучей в оптическом элементе.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного телеобъектива.

Телеобъектив состоит из двух последовательно расположенных по ходу лучей от предмета компонентов и оптического преломляющего элемента, первый из компонентов состоит из двух склеенных линз - двояковыпуклой 1, вогнутоплоской отрицательной 2, а второй компонент - отрицательный мениск 3, обращенный вогнутостью к предмету, оптический преломляющий элемент - плоскопараллельная пластина 4.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив, то есть световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1-3 и оптический преломляющий элемент 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан) или в которой находится плоскость промежуточного изображения.

Предложенная оптическая система может также работать как объектив коллиматора в обратном ходе лучей.

В соответствии с предложенным решением рассчитан телеобъектив, исправленный в спектральном диапазоне от 480 до 660 нм, причем основная расчетная длина волны λ=546 нм.

Конструктивные параметры телеобъектива приведены в таблице 1.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние f'175,11 ммотносительное отверстие1:4,3угол поля зрения6 град.длина оптической системы объектива (расстояние от первой до последней оптических поверхностей)65,4 ммзадний фокальный отрезок74,02 ммкоэффициент укорочения телеобъектива К_т0,796

Выполнены условия:

d_в/f'=0,2707

d₃/f'=0,01713

R₁/|R₂|=0,4944

R₄/R₅=0,5034

n₁=1,4874

n₂=1,6641

ν₁=70,02

ν₂=35,43

d₄/f'=0,463

d/f'=0,3735

S'_F'/f'=0,4227,

где d_в - величина воздушного промежутка;

d - длина объектива;

d₃ - толщина третьей линзы;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

S'_F' - задний фокальный отрезок;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

S'_F' - задний фокальный отрезок;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей;

n₁, ν₁ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала первой линзы;

n₂, ν₂ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала второй линзы;

d₄ - суммарная длина оптического хода лучей в оптическом преломляющем элементе с плоскими поверхностями.

Таблица 1Радиусы, ммТолщины, ммМарка стеклаПоказатель преломления n_DКоэфф. дисперсии ν_DСветовой диаметр, ммR₁=41,69    40 d₁=11ЛКЗ1,487470,02 R₂=-84,33    40 d₂=4БФ281,664135,43 R₃=∞    38 d₃=47,4 1  R₄=-27,1    21 d₄=3К81,516364,05 R₅=-53,83    22 d₅=9,7 1  R₆=∞    20 d₆=81К81,516364,05 R₇=∞    20

Конструктивные параметры телеобъектива

В таблице 2 приведены аберрации для λ=546 нм рассчитанного варианта телеобъектива.

Таблица 2Вид аберрацииПредложенный светосильный объектив (не более)Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:4,30,056 ммПоперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=6 град.0,066 ммПоперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=6 град.0,047 ммМеридиональный астигматический отрезок Х_м для поля зрения 2W=6 град.-0,437 ммСагиттальный астигматический отрезок X_s для поля зрения 2W=6 град.-0,168 ммДисторсия для поля зрения 2W=6 град.-0,041%

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан телеобъектив с уменьшенным коэффициентом укорочения телеобъектива, уменьшенным отношением длины объектива к фокусному расстоянию, увеличенным отношением заднего фокального отрезка к фокусному расстоянию и повышенной технологичностью при высоком качестве изображения.

Телеобъектив состоит из двух последовательно расположенных по ходу лучей от предмета компонентов, первый из которых состоит из двух склеенных линз - двояковыпуклой и вогнутоплоской отрицательной, а второй компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, за вторым компонентом находится оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями. В телеобъективе выполняются указанные в формуле изобретения соотношения между величиной воздушного промежутка между первым и вторым компонентами, толщиной третьей линзы, суммарной длиной оптического хода лучей в оптическом преломляющем элементе с плоскими поверхностями, фокусным расстоянием объектива, радиусами первой, второй, четвертой и пятой оптическими поверхностями и показателями преломления и коэффициентами дисперсии для линии D материала первой и второй линз. Технический результат - уменьшение коэффициента укорочения телеобъектива, уменьшение отношения длины объектива к фокусному расстоянию, увеличение отношения заднего фокального отрезка к фокусному расстоянию и повышение технологичности при высоком качестве изображения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Телеобъектив, содержащий два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных линз - первой - двояковыпуклой и второй - отрицательной, второй компонент - третья линза - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, показатель преломления материала второго компонента менее 1,55, отличающийся тем, что отрицательная линза первого компонента выполнена вогнутоплоской, за вторым компонентом введен оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями и, кроме того, выполняются условия:

0,2≤d_B/f'≤0,3;

0,015<d₃/f'<0,02;

0,4<R₁/|R₂|<0,55;

0,4<R₄/R₅<0,55;

1,42<n₁<1,5;

1,619<n₂<1,67;

66<v₁<98;

33<v₂<36,4;

0,3<d₄/f'<0,5,

где d_B - величина воздушного промежутка между первым и вторым компонентами;

d₃ - толщина третьей линзы;

d₄ - суммарная длина оптического хода лучей в оптическом преломляющем элементе с плоскими поверхностями;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей;

n₁, v₁ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала первой линзы;

n₂, v₂ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала второй линзы.