ПРОЕКЦИОННЫЙ ОБЪЕКТИВ ТИПА ГАУССА Российский патент 2009 года по МПК G02B9/42 G02B11/26 

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

Известен объектив типа Гаусса («Вычислительная оптика». /Под общей ред. М.М.Русинова, Ленинград, «Машиностроение», 1984 г., стр.361, табл.34.12), содержащий четыре компонента по ходу луча. Первый компонент - положительный одиночный мениск, обращенный вогнутостью к изображению; второй компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, состоящий из двух склеенных линз - двояковыпуклой и двояковогнутой, третий компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, состоящий из двух склеенных линз - двояковогнутой и двояковыпуклой, четвертый компонент - положительный одиночный мениск, обращенный вогнутостью к предмету. Однако этот объектив, пересчитанный на фокусное расстояние 66,32 мм, при работе с конечной дистанции при линейном увеличении минус 1,1, линейном поле зрения 2У=32 мм и тангенсе апертурного угла, равном 0,1, имеет недостаточно высокое качество изображения. Так, поперечная аберрация для точки на оси достигает величины 0,2 мм.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является объектив для макрофотосъемки типа Гаусса (патент ФРГ №3113618, G02В 13/24; табл.1, 2; публ. 1982 г.), содержащий четыре компонента, первый из которых (по ходу лучей) - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, склеенный из положительного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению; третий - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению и склеенный из двояковогнутой и двояковыпуклой линз; четвертый - одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к изображению.

В данном объективе выполнены условия:

1,7<n₁, n₆

50<ν₁, ν₆

60<ν₂, ν₅

0,118f<d₃+d₄<0,128f

0,184f<d5<0,211f

1<|R₅/R₆|<1,1

1,2<|R₁₀/R₁|<1,36

1<|R₈/R₃|<1,1

0,95<(d₃+d₄)/(d₆+d₇)<1,04

где R₁-R₁₀ - радиусы кривизны линзовых поверхностей;

d₁-d₉ - толщины линз или воздушные промежутки между ними;

n₁-n₆ - показатели преломления линз;

ν₁-ν₆ - коэффициенты дисперсии стекла линз;

f - фокусное расстояние всего объектива.

Данный объектив исправлен для длины волны 587,56 нм (линия d), ахроматизован в видимом диапазоне длин волн и имеет качество изображения более высокое, чем у объектива типа Гаусса («Вычислительная оптика». /Под общей ред. М.М.Русинова, Ленинград, «Машиностроение», 1984 г., стр.361, табл.34.12). Однако этот объектив, пересчитанный на фокусное расстояние 66,32 мм, при работе с конечной дистанции при линейном увеличении минус 1,1, линейном поле зрения 2У=32 мм и тангенсе апертурного угла, равном 0,1, имеет недостаточно высокое качество изображения (так, поперечная аберрация до точки на оси достигает величины 0,137 мм) и недостаточную технологичность, так как у данного объектива все радиусы оптических поверхностей - разные, в связи с чем при изготовлении объектива должны быть изготовлены разные пробные стекла и обрабатывающий инструмент на каждую оптическую поверхность, что и снижает технологичность. Кроме того, в данном объективе первый и четвертый компоненты выполнены из дорогостоящего лантанового стекла группы сверхтяжелых кронов (СТК), что также является его недостатком.

Задачей заявляемого изобретения является создание проекционного объектива типа Гаусса с улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной технологичностью.

Технический результат - повышение технологичности и повышение качества изображения.

Это достигается тем, что в проекционном объективе типа Гаусса, состоящем из четырех компонентов, первый и четвертый из которых - одиночные положительные линзы, а второй и третий - отрицательные мениски, склеенные из положительной и отрицательной линз, обращенные друг к другу отрицательными линзами, в отличие от известного, первый компонент симметричен четвертому, а второй - третьему с равенством соответствующих радиусов оптических поверхностей, толщин линз и воздушных промежутков, причем ось симметрии проходит через середину воздушного промежутка между вторым и третьим компонентами, одиночные положительные линзы выполнены двояковыпуклыми, меньшей выпуклостью обращенными к линии симметрии, а в склеенном мениске положительная линза выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой, и, кроме того, имеют место условия:

1,6<n₁=n₅=n₆<1,616

1,618<n₂<1,63

1,54<n₃=n₄<1,59

0,005<n₂-n₁<0,1

50<ν₂<58

37<ν₃, ν₄<46

58<ν₅<72,

где n₁-n₆ - показатели преломления материала линз с первой по шестую для линии d;

ν₁-ν₆ - коэффициенты дисперсии материала линз с первой по шестую для линии d,

кроме того, первый и четвертый компоненты выполнены из оптического стекла группы тяжелых кронов (ТК) без использования лантанового стекла.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива.

Проекционный объектив типа Гаусса состоит из четырех компонентов, шести линз. Первый компонент по ходу лучей выполнен из двояковыпуклой линзы 1, обращенный меньшей выпуклостью к изображению. Второй компонент - отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой линзы 2 и двояковогнутой линзы 3, обращенный вогнутостью к изображению. Третий компонент - отрицательный мениск, склеенный из двояковогнутой линзы 4 и двояковыпуклой линзы 5, обращенный вогнутостью к предмету. Четвертый компонент - двояковыпуклая линза 6, обращенная меньшей выпуклостью к предмету. Перед линзой 1 и за линзой 6 может быть расположен светофильтр, одна или несколько плоскопараллельных пластин, одна или несколько призм (не показаны).

Объектив симметричен относительно оси, проходящей через середину воздушного промежутка между третьим и четвертым компонентами, однако линзы 2 и 5 выполнены из стекла разных марок с разными показателями преломления. При этом радиусы кривизны оптических поверхностей первого и четвертого компонентов равны друг другу (R₁=R₁₀; R₂=R₉), толщины первого и четвертого компонентов равны друг другу и воздушный промежуток между первым и вторым компонентом равен воздушному промежутку между третьим и четвертым компонентами. Соответственно радиусы кривизны второго и третьего компонентов также равны друг другу (R₃=R₈; R₄=R₇; R₅=R₆) и толщины линз 2 и 3 соответственно равны толщинам линз 5 и 4.

Предложенная оптическая система работает как проекционный объектив с конечной дистанции перед объективом, переносящий изображение также на конечную дистанцию после объектива.

Объектив работает следующим образом. Световой поток от предмета, расположенного на конечной дистанции перед объективом, попадает в объектив, где проходит через линзы 1-6 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, расположенной за объективом. При этом как плоскость предметов, так и плоскость наилучшей установки, могут быть плоскостями промежуточного изображения в сложной визуальной телескопической оптической системе или в микроскопе.

В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный вариант проекционного объектива типа Гаусса, исправленный и ахроматизованный в видимом спектральном диапазоне.

Конструктивные параметры объектива по конкретному варианту приведены в табл.1.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние66,32 ммлинейное увеличение-1,1тангенс апертурного угла0,1линейное поле зрения2У=32 мм

Таблица 1Радиус, ммТолщина, ммМарка стеклаПоказатель преломления, n_dКоэфф. дисперсии, ν_dСветовой диаметр, ммR₁=61,38    22 d₁=6,74TK1141,61309160,58 R₂=-610,9    22 d₂=2,14 1  R₃=29,17    22 d₃=7,64TK1201,62209756,71 R₄=-143,88    22 d₄=3,02ЛФ1051,57502241,311R₅=20,65    17,6 d₅=4,09 1  R₆=-20,65    17,6 d₆=3,02ЛФ1051,57502241,31 R₇=143,88    24 d₇=7,64TK1141,61309160,58 R₈=-29,17    24 d₈=2,14 1  R₉=610,9    24 d₉=6,74TK1141,61309160,58 R₁₀=-61,38    24

В предлагаемом варианте изобретения имеет место равенство:

n₂-n₁=0,009006,

где n₂, n₁ - показатели преломления материала первой и второй линзы.

В табл.2 приведены аберрации для длины волны 587,56 нм (линия d) для ближайшего аналога и предложенного проекционного объектива типа Гаусса при фокусных расстояниях 66,32 мм, линейном увеличении минус 1,1; тангенсе апертурного угла, равном 0,1, и при линейном поле зрения 2У=32 мм.

В предложенном объективе имеется равенство по модулю радиусов сферических оптических поверхностей на пять пар поверхностей, что обеспечивает ему более высокую технологичность. Кроме того, предложенный объектив имеет более высокое качество изображения, так как обеспечено меньшее значение аберраций для точки на оси и для широкого наклонного пучка лучей в меридиональном и сагиттальном сечениях, что следует из табл.2.

Таблица 2Вид аберрацииБлижайший аналогПредложенный объектив по конкретному варианту (не более)Поперечная сферическая аберрация для точки на оси0,137 мм0,009 ммПоперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2У=32 мм0,247 мм0,11 ммПоперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2У=32 мм0,12 мм0,024 ммМеридиональный астигматический отрезок Х'_м для поля зрения 2У=32 мм-0,195 мм- 0,0238 ммСагиттальный астигматический отрезок X'_s для поля зрения 2У=32 мм-0,185 мм- 0,517 ммДисторсия для поля зрения 2У=32 мм0,29%-0,017%

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан проекционный объектив типа Гаусса для видимого диапазона спектра с повышенными технологичностью и качеством изображения.

Объектив может быть использован в визуальных телескопических системах, микроскопах. Объектив состоит из четырех компонентов, первый из которых - двояковыпуклая линза, обращенная меньшей выпуклостью к изображению. Второй - отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, обращенный вогнутостью к изображению. Третий - отрицательный мениск, склеенный из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, обращенный вогнутостью к предмету. Четвертый - двояковыпуклая линза, обращенная меньшей выпуклостью к предмету. Объектив симметричен относительно середины воздушного промежутка между третьим и четвертым компонентами. Выполняются указанные в формуле изобретения соотношения, касающиеся показателей преломления и коэффициентов дисперсии материала линз. Технический результат - повышение технологичности и качества изображения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Проекционный объектив типа Гаусса, состоящий из четырех компонентов, первый и четвертый из которых - одиночные положительные линзы, а второй и третий - отрицательные мениски, склеенные из положительной и отрицательной линз, обращенные друг к другу отрицательными линзами, отличающийся тем, что первый компонент симметричен четвертому, а второй - третьему с равенством соответствующих радиусов оптических поверхностей, толщин линз и воздушных промежутков, причем ось симметрии проходит через середину воздушного промежутка между вторым и третьим компонентами, одиночные положительные линзы выполнены двояковыпуклыми, меньшей выпуклостью обращенными к линии симметрии, а в склеенном мениске положительная линза выполнена двояковыпуклой, а отрицательная - двояковогнутой, и, кроме того, имеют место условия:

1,6<n₁=n₅=n₆<1,616,

1,618<n₂<1,63,

1,54<n₃=n₄<1,59,

0,005<n₂-n₁<0,1,

50<ν₂<58,

37<ν₃, ν₄<46,

58<ν₅<72,

где n₁-n₆ - показатели преломления материала линз с первой по шестую для линии d;

ν₁-ν₆ - коэффициенты дисперсии материала линз с первой по шестую для линии d.