ОБЪЕКТИВ КОЛЛИМАТОРА Российский патент 2014 года по МПК G02B27/30 G02B17/08 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам коллиматоров, работающим в видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн, и может быть использовано в различных оптических приборах.

Известен зеркально-линзовый объектив (патент ФРГ №2222864, МПК G02B 17/08, опубл. 31.10.1977 г.). Данный объектив может работать в качестве объектива коллиматора, т.е. в обратном ходе лучей. При этом лучи идут из плоскости установки, в которой находится тест-объект. В обратном ходе лучей объектив состоит из четырех компонентов: первого, выполненного в виде склеенных отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к тест-объекту, и двояковыпуклой линзы, второго - выпуклого зеркала, обращенного выпуклостью в сторону тест-объекта, третьего - вогнутого зеркала с отверстием в центральной части, в котором находится первый компонент, причем отражающими поверхностями зеркала обращены друг к другу, и четвертого компонента, выполненного по ходу лучей из отрицательного одиночного мениска, обращенного выпуклостью к изображению и расположенного за ним со стороны пространства изображений одиночного положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению. Однако данный объектив имеет сложную конструкцию (состоит из двух зеркал и четырех линз), недостаточное фокусное расстояние 100 мм и недостаточную технологичность, т.к. одно из зеркал выполнено с отверстием, что затрудняет его изготовление.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является зеркально-линзовый объектив (а.с. СССР №535536, МПК G02B 17/00, опубл. 15.11.1976 г.). Данный объектив может работать в качестве объектива коллиматора, т.е. в обратном ходе лучей. При этом лучи идут из плоскости установки, в которой находится тест-объект. В обратном ходе лучей объектив состоит из четырех компонентов: первого, выполненного в виде мениска, обращенного выпуклостью к тест-объекту, второго - выпуклого (первичного) зеркала, обращенного выпуклостью в сторону тест-объекта, третьего - вогнутого (вторичного) зеркала с отверстием в центральной части, в котором находится первый компонент, причем отражающими поверхностями зеркала обращены друг к другу, и четвертого компонента - двухлинзового оптического элемента, выполненного по ходу лучей из отрицательного одиночного мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и расположенной за ним со стороны пространства изображений одиночной двояковыпуклой линзы, причем, второй компонент расположен между третьим и четвертым компонентами. Однако данный объектив имеет сложную конструкцию (состоит из двух зеркал и трех линз), недостаточное фокусное расстояние 200 мм, недостаточный диаметр выходного зрачка 100 мм и недостаточную технологичность, т.к. одно из зеркал выполнено с отверстием, что затрудняет его изготовление.

Задача изобретения - создание объектива коллиматора с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - увеличение фокусного расстояния и диаметра выходного зрачка при упрощенной конструкции и повышенной технологичности при сохранении высокого качества изображения.

Это достигается тем, что в объективе коллиматора, содержащем первичное зеркало, на первую по ходу лучей поверхность которого нанесено зеркальное покрытие, вторичное зеркало с зеркальным покрытием, нанесенным на кольцевую периферийную часть, установленное перед первичным зеркалом так, что отражающими поверхностями зеркала обращены друг к другу, двухлинзовый оптический элемент, установленный за первичным зеркалом со стороны пространства изображений и состоящий по ходу лучей из одиночной отрицательной линзы, обращенной вогнутой поверхностью к пространству изображений, и одиночной двояковыпуклой линзы, в отличие от известного, первичное и вторичное зеркала выполнены в виде сплошных плоско-параллельных пластин, на первичном зеркале зеркальное покрытие нанесено в его центральной зоне, периферийная часть - прозрачная, а на первой со стороны предмета поверхности в центральной зоне вторичного зеркала расположен тест-объект, выполненный в виде прозрачной марки или перекрестия на непрозрачном фоне.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного объектива коллиматора.

Объектив коллиматора состоит из первичного зеркала 1, вторичного зеркала 2 и двухлинзового оптического элемента. Первичное зеркало 1 выполнено в виде плоско-параллельной пластины с нанесенным зеркальным покрытием на первую по ходу лучей поверхность в его центральной зоне, при этом периферийная его часть остается прозрачной. Вторичное зеркало 2 выполнено в виде плоско-параллельной пластины, на периферийную часть которой нанесено зеркальное покрытие в виде кольца, причем зеркальными поверхностями первичное и вторичное зеркала обращены друг к другу. В центральной зоне первой со стороны предмета поверхности вторичного зеркала расположен тест-объект, выполненный в виде прозрачной марки или перекрестия на непрозрачном фоне. Двухлинзовый оптический элемент установлен за первичным зеркалом со стороны пространства изображений и состоит по ходу лучей из одиночной отрицательной линзы 3, обращенной вогнутой поверхностью к пространству изображений, и одиночной двояковыпуклой линзы 4. Все оптические элементы в данном объективе коллиматора выполнены без отверстий.

Объектив коллиматора работает следующим образом: световой поток от источника света, например светодиода, через осветитель, который может быть выполнен в виде плоско-параллельной пластины с матовой поверхностью (не показаны), попадает на тест-объект, выполненный на первой поверхности вторичного зеркала 2, выполненного в виде плоско-параллельной пластины, проходит сквозь эту пластину в центральной зоне, попадает на первичное зеркало 1, отражается от его центральной зеркальной зоны, идет назад, попадает на кольцевую зеркальную зону вторичного зеркала 2, отражается от нее и идет назад, проходит через периферийную прозрачную часть первичного зеркала 1, затем последовательно проходит через линзы 3 и 4 и коллимирует в бесконечность.

В соответствии с предложенным решением рассчитан конкретный объектив коллиматора, исправленный для длины волны 640 нм.

Конструктивные параметры объектива коллиматора приведены в таблице 1.

Характеристики рассчитанного объектива:

фокусное расстояние f' 500,36 мм угловое поле в пространстве изображений 2 град диаметр выходного зрачка 120 мм

В табл.2 приведены аберрации для длины волны 640 нм предложенного объектива коллиматора в обратном ходе лучей при диаметре выходного зрачка 120 мм и угловом поле в пространстве изображений 2W=2 град. Предлагаемый объектив имеет увеличенное фокусное расстояние 500,36 мм, увеличенный диаметр выходного зрачка 120 мм, упрощенную конструкцию (состоит из четырех одиночных элементов). Кроме того, выполнение первичного и вторичного зеркал сплошными и в виде плоско-параллельных пластин в значительной степени упрощает их изготовление, повышая технологичность процесса. Предлагаемый объектив коллиматора имеет также высокое качество изображения, что следует из табл.2.

Таким образом, выполнен технический результат - создан объектив коллиматора с увеличенными фокусным расстоянием и диаметром выходного зрачка при упрощенной конструкции и повышенной технологичности при сохранении высокого качества изображения.

Таблица 1 Радиусы, мм Толщины, мм Марка стекла Показатель преломления, n_e Коэфф. дисперсии, ν_e Световой диаметр, мм R₁=∞         18   d₁=7,5 K8 1,518294 63,83   R₂=∞         18,4   d₂=125   1     R₃=∞         43,8   d₃=-125   -1     R₄=∞         69,3   d₄=125   1     R₅=∞         94,8   d₅=7,5 K8 1,518294 63,83   R₆=∞         95,8   d₆=35,52   1     R₇=38900         103   d₇=8 ТФ103 1,723666 29,31   R₈=221,8         104,6   d₈=27,12   1     R₉=304,75         120   d₉=13,3 ТК₁₄ 1,615506 60,34   R₁₀=-221,8         120       1    

Таблица 2 Вид аберрации Значение аберраций предлагаемого объектива коллиматора, не более Поперечная сферическая аберрация для точки на оси -0,074 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении 0,238 мм Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении 0,096 мм Меридиональный астигматический отрезок $$X_{м}^{\text{'}}$$ -0,247 мм Сагиттальный астигматический отрезок $$X_s^{\text{'}}$$ 0,003 мм Дисторсия 0,00355%

Объектив может использоваться для работы в видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн. Объектив коллиматора содержит первичное зеркало, на первую по ходу лучей поверхность которого нанесено зеркальное покрытие, вторичное зеркало с зеркальным покрытием на кольцевой периферийной части, причем отражающие поверхности зеркал обращены друг к другу, двухлинзовый оптический элемент, установленный за первичным зеркалом со стороны пространства изображений и состоящий по ходу лучей из одиночной отрицательной линзы, обращенной вогнутой поверхностью к пространству изображений, и одиночной двояковыпуклой линзы. Первичное и вторичное зеркала выполнены в виде сплошных плоско-параллельных пластин, на первичном зеркале зеркальное покрытие нанесено в его центральной зоне, периферийная часть - прозрачная. На первой со стороны предмета поверхности в центральной зоне вторичного зеркала расположен тест-объект, выполненный в виде прозрачной марки или перекрестия на непрозрачном фоне. Технический результат - увеличение фокусного расстояния, диаметра выходного зрачка при упрощенной конструкции и повышенной технологичности при сохранении высокого качества изображения. 1 ил., 2 табл.

Объектив коллиматора, содержащий первичное зеркало, на первую по ходу лучей поверхность которого нанесено зеркальное покрытие, вторичное зеркало с зеркальным покрытием на кольцевой периферийной части, установленное перед первичным зеркалом так, что отражающими поверхностями зеркала обращены друг к другу, двухлинзовый оптический элемент, установленный за первичным зеркалом со стороны пространства изображений и состоящий по ходу лучей из одиночной отрицательной линзы, обращенной вогнутой поверхностью к пространству изображений, и одиночной двояковыпуклой линзы, отличающийся тем, что первичное и вторичное зеркала выполнены в виде сплошных плоско-параллельных пластин, на первичном зеркале зеркальное покрытие нанесено в его центральной зоне, периферийная часть - прозрачная, а на первой со стороны предмета поверхности в центральной зоне вторичного зеркала расположен тест-объект, выполненный в виде прозрачной марки или перекрестия на непрозрачном фоне.