ОБЪЕКТИВ Российский патент 2007 года по МПК G02B9/18 G02B13/14 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических, в том числе в ИК-оптических системах.

Известен объектив (патент США №2703037, НКИ 359-748, публ. 1955 г.), состоящий из четырех одиночных линз, разделенных на два компонента по две линзы в каждом, при этом первый по ходу лучей компонент является положительным и включает в себя двояковыпуклую линзу и склеенную с ней двояковогнутую, а второй компонент является отрицательным и состоит по ходу лучей из отрицательного мениска и положительного мениска, обращенных вогнутостью к предмету и разделенных небольшим воздушным промежутком.

Однако этот объектив имеет недостаточно высокое относительное отверстие 1:4,5 и недостаточную технологичность, так как не содержит плоских поверхностей.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является фотообъектив (патент США №2631497, НКИ 359-748, публ. 1953 г.), состоящий из четырех одиночных линз, разделенных на два компонента по две линзы в каждом, при этом первый по ходу лучей компонент является положительным и включает в себя двояковыпуклую линзу и склеенную с ней двояковогнутую, а второй компонент является отрицательным и состоит по ходу лучей из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, и плосковыпуклой линзы, разделенных небольшим воздушным промежутком; эти два компонента разделены воздушным промежутком, равным более 0,2 и менее 0,5 фокусного расстояния объектива; радиус передней поверхности первой линзы более 0,23 фокусного расстояния объектива, радиус склеенных поверхностей первых двух линз равен около 0,4 фокусного расстояния объектива, радиус задней поверхности второй линзы равен около 0,7 фокусного расстояния объектива, радиус передней поверхности третьей линзы равен 0,1-0,2 фокусного расстояния объектива, радиус задней поверхности третьей линзы равен более 0,2 фокусного расстояния объектива и менее бесконечности, радиус передней поверхности четвертой линзы значительно больше фокусного расстояния объектива, и радиус задней поверхности четвертой линзы равен 1/4 фокусного расстояния объектива; общая осевая толщина первых двух линз плюс промежуток между противоположными поверхностями второй и третьей линз равна не менее 0,37 фокусного расстояния объектива.

Характеристики данного объектива:

фокусное расстояние f'100 ммотносительное отверстие1:4,5

Выполнены соотношения:

d_в2/f'=0,0003

|R₂|/f'=0,408

|R₄|/f'=0,13395

R₄/R₅=0,1372

d₃/f'=0,0079

n₁=1,62398

n₂=1,74066

n₃=1,61008

n₄=1,72719

ν₁=47

ν₂=27,2

ν₃=46

ν₄=28,

где d_B2 - величина второго воздушного промежутка;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

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

d₃ - толщина третьей линзы;

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;

n₄, ν₄ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии d материала четвертой линзы.

Данный объектив имеет недостаточно большое относительное отверстие, малый второй воздушный промежуток, который не позволяет располагать за третьей линзой перед четвертой линзой объектива призму (или призмы) со значительной длиной хода лучей в стекле (крупногабаритные) и недостаточную технологичность, так как содержит только одну плоскую оптическую поверхность. При обработке линз данного объектива должны изготавливаться пробные стекла и обрабатывающий инструмент на каждую сферическую 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 объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной технологичностью при высоком качестве изображения.

Технический результат - повышение относительного отверстия, увеличение приведенного к воздуху воздушного промежутка между третьей и четвертой линзами с целью возможности установки дополнительных оптических элементов и повышение технологичности при высоком качестве изображения.

Это достигается тем, что в объективе, содержащем два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных линз - первой - двояковыпуклой и второй - отрицательной, второй компонент состоит из двух одиночных линз - третьей - отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, и расположенной за ним четвертой - положительной линзы, содержащей плоскую оптическую поверхность, причем эти два компонента разделены первым воздушным промежутком, равным значению, находящемуся в диапазоне более 0,2 и менее 0,5 фокусного расстояния объектива, а радиус передней поверхности первой линзы более 0,23 фокусного расстояния объектива; в отличие от известного второй компонент - положительный, отрицательная линза первого компонента выполнена вогнутоплоской, четвертая линза обращена плоскостью к изображению, при этом между третьей и четвертой линзами расположен оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями, кроме того, выполняются условия:

0,19<d_B2/f'<0,8

0,7<|R₂|/f'<1

0,2<|R₄|/f'<0,4

0,3<R₄/R₅<0,6

0,01<d₃/f'<0,1

1,42<n₁<1,5

1,6<n₂<1,68

1,42<n₃<1,54

1,42<n₄<1,63

48<ν₁<98

31<ν₂<36

47<ν₃<98

56<ν₄<98,

где d_B2 - величина второго воздушного промежутка, приведенного к воздуху по оптической оси;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

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

d₃ - толщина третьей линзы;

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;

n₄, ν₄ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии d материала четвертой линзы.

Кроме того, оптический преломляющий элемент может быть выполнен в виде призмы (или призм) или плоскопараллельной пластины (или пластин).

На фиг.1 и 2 представлены оптические схемы предложенного объектива.

Объектив (фиг.1 и 2) состоит из двух последовательно расположенных по ходу лучей от предмета компонентов, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных линз: двояковыпуклой 1 и отрицательной - вогнутоплоской 2; второй компонент, состоящий из двух одиночных линз - отрицательного мениска 3, обращенного вогнутостью к предмету, и расположенной за ним выпуклоплоской линзы 4. Причем на фиг.1 показана оптическая схема объектива с плоскопараллельной пластиной 5, расположенной между 3 и 4 линзами, а на фиг.2 показана оптическая схема объектива с призмой 6, расположенной между 3 и 4 линзами; за объективом может быть расположена плоскопараллельная пластина.

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, 2, 3, плоскопараллельную пластину 5 или призму 6 и затем через линзу 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан).

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

В соответствии с предложенным решением рассчитан объектив, исправленный для длины волны 900 нм.

Конструктивные параметры объектива приведены в табл.1.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние f'101,69 ммотносительное отверстие1:2,5угол поля зрения40 минзадний фокальный отрезок1,79 мм

Выполнены условия:

d_B2/f'=0,6542

|R₂|/f'=0,8293

|R₄|/f'=0,2665

R₄/R₅=0,5034

d₃/f'=0,0295

n₁=1,487464

n₂=1,664262

n₃=1,516373

n₄=1,516373

ν₁=70,03

ν₂=35,44

ν₃=64,07

ν₄=64,0,

где d_в2 - величина второго воздушного промежутка;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

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

d₃ - толщина третьей линзы;

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;

n₄, ν₄ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии d материала четвертой линзы.

Таблица 1
Конструктивные параметры объективаРадиусы, ммТолщины, ммМарка стеклаПоказатель преломления n_dКоэфф. дисперсии ν_dСветовой диаметр, ммR₁=41,69    40 d₁=11ЛК31,48746470,03 R₂=-84,33    40 d₂=4БФ281,66426235,44 R₃=∞    38 d₃=47,4 1  R₄=-27,1    21 d₄=3К81,51637364,07 R₅=-53,83    22 d₅=9,7 1  R₆=∞    20 d₆=81К81,51637364,07 R₇=∞    20 d₇=2 1  R₈=6,699    6 d₈=1,7К81,51637364,07 R₉=∞    6 d₉=1,6 1  R₁₀=∞    6 D₁₀=1,6К81,51637364,07 R₁₁=∞    6

В табл.2 приведены аберрации для λ=900 нм рассчитанного варианта объектива.

Таблица 2Вид аберрацииПредложенный светосильный объектив (не более)Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:2,50,014 ммПоперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=40 мин0,016 ммПоперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=40 мин0,013 ммМеридиональный астигматический отрезок Х_м для поля зрения 2W=40 мин0,063 ммСагиттальный астигматический отрезок X_s для поля зрения 2W=40 мин0,056 ммДисторсия для поля зрения 2W=40 мин-0,055%

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан объектив с повышенным относительным отверстием, увеличенным приведенным к воздуху воздушным промежутком между третьей и четвертой линзами и повышенной технологичностью при высоком качестве изображения.

Объектив состоит из двух последовательно расположенных по ходу лучей компонентов, первый из которых - положительный, состоящий из двух склеенных линз: двояковыпуклой и отрицательной - вогнутоплоской. Второй компонент состоит из двух одиночных линз - отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, и расположенной за ним выпуклоплоской линзы. Между одиночными линзами второго компонента может находиться призма, или призмы, или плоскопараллельная пластина, или пластины. В объективе выполняются указанные в формуле изобретения соотношения между величиной второго воздушного промежутка, фокусным расстоянием всего объектива, радиусами второй, четвертой и пятой оптических поверхностей, толщиной третьей линзы и показателями преломления и коэффициентами дисперсии для линии d материалов линз. Технический результат - повышение относительного отверстия, увеличение приведенного к воздуху воздушного промежутка между третьей и четвертой линзами с целью возможности установки дополнительных оптических элементов и повышение технологичности при высоком качестве изображения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Объектив, содержащий два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных линз - первой - двояковыпуклой и второй - отрицательной, второй компонент, состоящий из двух одиночных линз - третьей - отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету, и расположенной за ним четвертой - положительной линзы, содержащей плоскую оптическую поверхность, причем эти два компонента разделены первым воздушным промежутком, равным значению, находящемуся в диапазоне более 0,2 и менее 0,5 фокусного расстояния объектива, а радиус передней поверхности первой линзы более 0,23 фокусного расстояния объектива, отличающийся тем, что второй компонент - положительный, отрицательная линза первого компонента выполнена вогнутоплоской, четвертая линза обращена плоскостью к изображению, при этом между третьей и четвертой линзами расположен оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями, кроме того, выполняются условия

0,19<d_B2/f'<0,8,

0,7<|R₂|/f'<1,

0,2<|R₄|/f'<0,4,

0,3<R₄/R₅<0,6,

0,01<d₃/f'<0,1,

1,42<n₁<1,5,

1,6<n₂<1,68,

1,42<n₃<1,54,

1,42<n₄<1,63,

48<ν₁<98,

31<ν₂<36,

47<ν₃<98,

56<ν₄<98,

где d_B2 - величина второго воздушного промежутка, приведенного к воздуху по оптической оси;

f' - фокусное расстояние всего объектива;

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

d₃ - толщина третьей линзы;

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;

n₄, ν₄ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии d материала четвертой линзы.