ОБЪЕКТИВ С ВЫНЕСЕННЫМ ВХОДНЫМ ЗРАЧКОМ Российский патент 2008 года по МПК G02B9/62 G02B11/32 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптической промышленности и, в частности, для контроля микродефектов поверхностей.

Основными требованиями, предъявляемыми к объективу, являются:

- УФ область спектра;

- вынесенный входной зрачок на расстояние не менее 0,5 f', где

f' - фокусное расстояние объектива;

- телецентрический ход лучей в пространстве изображений;

- задний рабочий отрезок более 0,5÷0,6f';

- линейное поле изображения 2y'>0,25f';

- относительное отверстие более 1:2;

- дифракционно-ограниченное качество изображения;

- дисторсия - менее 0,2%.

Известен светосильный гидрообъектив с вынесенным входным зрачком [1], содержащий четыре компонента, первый из которых - одиночная положительная линза, второй содержит положительный и отрицательный мениски, обращенные вогнутостью к предмету, третий - одиночная двояковыпуклая линза, четвертый компонент - положительный.

Для увеличения относительного отверстия и повышения качества изображения объектива первый компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к предмету, второй компонент выполнен из одиночных менисков, четвертый компонент выполнен склеенным из двояковыпуклой и двояковогнутой линз.

Известен длиннофокусный объектив с вынесенным входным зрачком [2], содержащий четыре компонента, из которых первый компонент, склеенный из двояковогнутой и положительной линз, второй компонент - одиночная положительная линза, третий и четвертый компоненты выполнены склеенными.

Для повышения качества изображения и увеличения выноса выходного зрачка до значения s₁=0,6-0,7 f', положительная линза первого компонента выполнена двояковыпуклой, второй компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, третий компонент склеен из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, а четвертый компонент состоит из двояковогнутой и положительной линз, где f' - фокусное расстояние объектива.

Известен светосильный объектив с вынесенным входным зрачком [3], содержащий четыре положительных компонента, первый и второй из которых - двусклеенные, третий - двояковыпуклая линза, четвертый склеен из положительной и отрицательной линз.

Повышение относительного отверстия, увеличение выноса входного зрачка и повышение качества изображения достигается тем, что перед первым компонентом установлены положительный и отрицательный мениски, обращенные выпуклостью к предмету, первый компонент выполнен из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, второй - из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, в четвертом компоненте положительная линза выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой.

Известен объектив с вынесенным входным зрачком [4], который относится к оптическому приборостроению и может быть применен для построения телевизионных обзорных комплексов.

Объектив содержит пять компонентов, первый из которых выполнен в виде положительной двухсклеенной линзы, второй - в виде одиночной двояковогнутой линзы, третий - в виде одиночной положительной линзы, четвертый - в виде положительной линзы, и пятый - в виде положительной линзы и склеен из двояковыпуклой и двояковогнутой линз.

Входной зрачок объектива вынесен относительно его первой поверхности и в нем размещена апертурная диафрагма.

Указанное построение объектива обеспечивает повышение его относительного отверстия с одновременным увеличением углового поля и сохранением высокого качества изображения.

Общим недостатком приведенных объективов является:

- отсутствие возможности работы в УФ области спектра с длинами волн менее 300 нм;

- отсутствие телецентрического хода лучей в пространстве изображения;

- малый задний рабочий отрезок;

- качество изображения не соответствует дифракционно-ограниченной системе.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является светосильный объектив с вынесенным входным зрачком [5], содержащий пять компонентов, из которых первый - однолинзовый компонент, второй - однолинзовый положительный, третий - двухлинзовый отрицательный компонент, четвертый - одиночная двояковыпуклая линза и пятый - одиночная отрицательная линза. При этом суммарные оптические силы первого и второго компонентов - положительная, третьего компонента - отрицательная, четвертого и пятого - отрицательная.

Недостатками объектива, принятого за прототип, являются:

- невозможность работы в УФ области спектра из-за использования обычных марок стекол для линз;

- отсутствие телецентрического хода лучей в пространстве изображения;

- малый задний рабочий отрезок, менее 0,2f', что ограничивает его применение.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей объектива за счет обеспечения его работы в ультрафиолетовой области спектра для длин волн менее 300 нм с одновременным обеспечением телецентрического хода лучей в пространстве изображения, высокого качества изображения и минимальной дисторсии.

Для решения поставленной задачи предложен объектив с вынесенным входным зрачком, который, как и прототип, содержит первый однолинзовый компонент, второй однолинзовый положительный компонент, третий двухлинзовый отрицательный компонент, четвертый компонент, выполненный в виде одиночной двояковыпуклой линзы и пятый компонент - в виде одиночной отрицательной линзы.

В отличие от прототипа первый и второй компоненты образует первый оптический узел I, третий компонент образует второй оптический узел II, при этом оптические силы первого и второго оптических узлов ϕ_I и ϕ_II удовлетворяют условию:

ϕ_I=-ϕ_II=(0,6÷0,7)ϕ,

ϕ_I+ϕ_II<0,06ϕ, где ϕ - оптическая сила всего объектива, расстояние между узлами d удовлетворяет условию:

d=(0,3÷0,4)/ϕ, при этом в первом оптическом узле I первая линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, а вторая линза - в виде двояковыпуклой, при этом оптические силы линз ϕ_I1 и ϕ_I2 удовлетворяют условию:

ϕ_I1=-(1,5÷1,65)ϕ,

ϕ_I2=(0,5÷0,65)ϕ,

второй оптический узел выполнен из двух одиночных отрицательных менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

ϕ_II,1=-(0,01÷0,02)ϕ,

ϕ_II,2=-(0,5÷0,6)ϕ,

четвертый и пятый компоненты образуют третий оптический узел III, с оптической силой третий, при этом ϕ_III=(1÷1,1)ϕ, кроме того, III оптический узел выполнен из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

ϕ_III,1=ϕ,

ϕ_III,2=-(0,12÷0,2)ϕ.

Кроме того, все линзы объектива выполнены из кварцевого стекла.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что благодаря предлагаемой схеме выполнения объектива, состоящего из трех оптических узлов, каждый из которых выполнен из двух одиночных линз, оптические силы которых удовлетворяют условию:

ϕ_I=-ϕ_II=(0,6÷0,7)ϕ,

ϕ_I+ϕ_II<0,06ϕ,

d=(0,3÷0,4)/ϕ,

ϕ_III=(1÷1,1)ϕ.

обеспечивается вынос входного зрачка на расстояние более 0,5 f', значение заднего отрезка более 0,5-0,6 f' и телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений.

Это достигается за счет того, что I и II оптические узлы образуют систему, близкую к афокальной (ϕ_I+ϕ_II<0,06ϕ), телескопической системы типа Галлилея с увеличением около - 1.

При этом оптическая сила всего объектива обеспечивается третьим узлом, для которого ϕ_III≃ϕ.

Близкая к афокальной системе I и II оптических узлов, система выполняет две основные функции:

1. Переносит передний фокус третьего оптического узла в пространство предметов перед первым оптическим узлом на расстояние не менее 0,5 f'. С этой плоскостью совмещен входной зрачок объектива, что и обеспечивает телецентрический, т.е. параллельный, оптической оси ход лучей в пространстве изображений.

2. Является корректором аберраций третьего узла.

Третий узел с входным зрачком, совмещенный с передним фокусом, вносит положительную волновую сферическую отрицательную кому и положительный астигматизм.

Тогда как система, состоящая из I и II оптических узлов, имеет аберрации, равные по величине и обратные по знаку.

Выбор оптических сил линз I и II оптических узлов и их конфигураций обеспечивает необходимый вынос главных плоскостей и фокусов узлов, что обеспечивает получение афокальной системы с увеличением, близким к единице, и необходимое значение аберраций по величине и знаку для коррекции аберраций III оптического узла. Выбор оптических сил и конфигураций линз III оптического узла обеспечивает получение большого значения заднего рабочего отрезка.

Для обеспечения работы объектива в УФ области спектра материалом линз является кварцевое стекло. Для коррекции хроматических аберраций в узком УФ спектральном интервале оптические силы линз удовлетворяют условию:

т.е. алгебраическая сумма оптических сил близка к нулю.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где представлена оптическая схема объектива с вынесенным входным зрачком и Приложением, где приведены конструктивные параметры и оптические характеристики объектива.

Предлагаемая оптическая система объектива содержит шесть линз.

Первая и вторая линзы образуют I оптический узел, третья и четвертая линзы образуют II оптический узел и пятая и шестая - III оптический узел.

I оптический узел имеет оптическую силу ϕ_I=-ϕ_II=(0,6÷0,7)ϕ, состоит из мениска 1, обращеннго вогнутостью к объекту двояковыпуклой линзы 2, при этом их оптические силы удовлетворяют условию:

ϕ_I1=-(1,5÷1,65)ϕ,

ϕ_I2=(0,5÷0,65)ϕ.

II оптический узел имеет оптическую силу - ϕ_II=(0,6÷0,7)ϕ, состоит из отрицательных менисков 3 и 4, обращенных выпуклостями друг к другу, при этом их оптические силы удовлетворяют условию:

ϕ_II,1=-(0,01÷0,02)ϕ,

ϕ_II,2=-(0,5÷0,6)ϕ.

III оптический узел имеет оптическую силу ϕ_III=(1÷1,1)ϕ, состоит из двояковыпуклой линзы 5 и отрицательного мениска 6, обращенного вогнутостью к изображению, при этом их оптические силы удовлетворяют условию:

ϕ_III,1=ϕ,

ϕ_III,2=-(0,12÷0,2)ϕ.

Все линзы объектива выполнены из кварцевого стекла.

Предлагаемый объектив работает следующим образом.

Объектив расположен в бесконечности.

Оптические узлы I и II (линзы 1, 2, 3 и 4) изображают объект на большом расстоянии от последней поверхности линзы 4.

Оптический узел III (линзы 5 и 6) перепроектируют его в плоскость, близкую к фокальной плоскости оптического узла III.

Входной зрачок располагается на расстоянии более 0,5 f' перед первой поверхностью объектива, а изображение бесконечно удаленного объектива - в фокальной плоскости объектива, расположенной на расстоянии 0,5÷0,6 f' от последней поверхности объектива.

К преимуществам предлагаемого объектива можно отнести расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения его работы в УФ области спектра с длинами волн менее 300 нм при одновременном обеспечении телецентрического хода лучей в пространстве изображения.

Обеспечение выноса входного зрачка на расстояние более 0,5f' позволяет устанавливать в его плоскости оптические сканирующие элементы, маски, фазовые и амплитудные фильтры и т.п.

При заднем рабочем отрезке более 0,5÷0,6 f' обеспечивается возможность установки осветительных устройств между объектом и объективом при работе в отраженном свете или при работе в обратном ходе лучей, приемников, чувствительная поверхность которых расположена глубоко внутри его конструкции и т.п.

Кроме того, в предлагаемом объективе достигнуто дифракционно-ограниченное качество изображения и дисторсии менее 0,2% для линейного поля изображения не менее 0,25 f' при относительном отверстии не менее 1:2.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, авторское свидетельство №1642426, МПК: 5 G02B 11/34, 1991 г.

2. Российская Федерация, авторское свидетельство №1615659, МПК: 5 G02В 9/34, 1991 г.

3. Российская Федерация, авторское свидетельство №1578679, МПК: 5 G02В 9/64, 11/32, 1990 г.

4. Российская Федерация, патент №2053530, МПК: 6 G02B 9/60, 1996 г.

5. Российская Федерация, патент №2053531, МПК: 6 G02B 9/60, 1996 г. - прототип.

Объектив содержит пять компонентов. Первый однолинзовый в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, и второй однолинзовый в виде двояковыпуклой линзы компоненты образуют первый оптический узел I, третий компонент из двух одиночных отрицательных менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, образует второй оптический узел II, четвертый компонент в виде одиночной двояковыпуклой линзы и пятый компонент в виде одиночного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, образуют третий оптический узел III. Оптические силы линз, узлов и объектива связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения работы в ультрафиолетовой области спектра для длин волн менее 300 нм с одновременным обеспечением телецентрического хода лучей в пространстве изображения, высокого качества изображения и минимальной дисторсии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Объектив с вынесенным входным зрачком, содержащий первый однолинзовый компонент, и второй однолинзовый положительный компонент, третий двухлинзовый отрицательный компонент, четвертый компонент, выполненный в виде одиночной двояковыпуклой линзы, и пятый компонент - в виде одиночной отрицательной линзы, отличающийся тем, что первый и второй компоненты образуют первый оптический узел I, третий компонент образует второй оптический узел II, при этом оптические силы первого и второго оптических узлов ϕ_I и ϕ_II удовлетворяют условию:

ϕ_I=-ϕ_II=(0,6÷0,7)ϕ,

ϕ_I+ϕ_II<0,06ϕ,

где ϕ - оптическая сила всего объектива,

расстояние между узлами d удовлетворяет условию:

d=(0,3÷0,4)/ϕ,

при этом в первом оптическом узле I первая линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, а вторая линза - в виде двояковыпуклой, при этом оптические силы линз ϕ_I1 и ϕ_I2 удовлетворяют условию:

ϕ_I1=-(1,5÷1,65)ϕ,

ϕ_I2=(0,5÷0,65)ϕ,

второй оптический узел выполнен из двух одиночных отрицательных менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

ϕ_II,1=-(0,01÷0,02)ϕ,

ϕ_II,2=-(0,5÷0,6)ϕ,

четвертый и пятый компоненты образуют третий оптический узел III, с оптической силой ϕ_III, при этом

ϕ_III=(1÷1,1)ϕ, кроме того, III оптический узел выполнен из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:

ϕ_III,1=ϕ,

ϕ_III,2=-(0,12÷0,2)ϕ.