Телеобъектив с внутренней фокусировкой Советский патент 1992 года по МПК G02B13/02 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам зрительных труб, в частности геодезических приборов.

Актуальным требованием, предъявляемым сегодня к геодезическим приборам, является получение наиболее короткой ближней границы фокусировки при наи- меньших габаритах прибора. Возможность визирования на небольших расстояниях значительно облегчает работу оператора в стесненных условиях, например шахтах, и, кроме того, позволяет использовать прибор при выполнении контрольно-юстировочных операций на производстве

Выполнение совместно обоих требований встречает значительные трудности. Для уменьшения продольных габаритов прибора при больших фокусных расстояниях объектива, которое необходимо для получения высокой точности визирования, объектив строится по схеме телеобъектива, состоящего из двух компонентов, первого положительного и второго отрицательного При этом главные плоскости оказываются выдвинутыми далеко вперед. Сокращение габаритов характеризуется коэффициентом укорочения К телеобъектива, который вычисляется по формуле

К L/fgKB,

где L - расстояние от первого компонента до сетки (длина объектива);

fsKB расстояние от задней главной плоскости до сетки (эквивалентное фокусное расстояние объектива).

С другой стороны, получение возможно меньших пределов фокусировки требует небольших фокусных расстояний объектива при малых расстояниях до предмета и нормального невыдвинутого расположения главных плоскостей. Это должно обеспечиваться небольшими перемещениями подвижных компонентов, и тем легче удовлетворять указанные требования,чем больше оптическая сила фокусирующих систем

Наконец, для визирных отсчетных зрительных труб(особенно в нивелирах,теодолитах) большое значение имеет постоянство

(Л

С

V4 CJ СЛ vj

Ю Ю

положения визирной линии при перефокусировке, колебание которой возникает при поперечных смещениях фокусирующих компонентов в процессе наведения, обусловленных случайными местными и систе- матическими погрешностями изготовления направляющих.

Известен объектив с внутренней фокусировкой, состоящий из двух компонентов - положительного неподвижного и отрица- тельного подвижного, перемещением которого обеспечивается фокусировка на близко расположенные предметы. Следующая формула связывает кратчайшее расстояние визирования с параметрами схемы:

fa 00

1 -К

qK

+ 1 -

1-q

K((1-n())

0 5

0

вает перемещение фокусирующей линзы, приходится несколько ослаблять требования к величинам приведенных выше коэффициентов. Это приводит к росту ближней границы фокусировки (БГФ) до величин (4...8)тэ .

В табл. 1 приведены величины БГФ некоторых конкретных нивелиров.

Таким образом, даже теоретически, при существующих марках оптического стекла при данной конструкции телеобъектива не удается получить БГФ менее 1,9 fa o В реальных системах эта величина колеблется в пределах (4...8) fsc1.

При правильном выборе геометрических параметров объектива эта схема менее чувствительна к поперечным смещениям фокусирующего компонента, чем схема, у которой наводка на резкость осуществляется перемещением всего объектива или сетки.

Использование: оптическое приборостроение, геодезические приборы. Сущность изобретения: в трехкомпонентном объективе главная плоскость положительного фокусирующего компонента 3 расположена вблизи плоскости изображения, а его фокусное расстояние составляет 0,05...0,2 эквивалентного фокусного расстояния первого 1 и второго 2 компонентов. 1 с.. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

где Тэ - эквивалентное фокусное расстояние объектива для случая визирования в бесконечность;

К - коэффициент укорочения объектива (также для случая визирования в бесконечность);

q - коэффициент, равный отношению расстояния между компонентами к длине объектива;

I - коэффициент, равный отношению расстояния от второго компонента до сетки при наименьшей дистанции фокусировки к длине объектива L

Проанализируем эту зависимость, исхо- дя из оптимальных и достигнутых на сегодняшний день величин, входящих в формулу.

Коэффициент укорочения К принимают равным 0,65 исходя из того, что до сих пор не удалось получить удовлетворительную систему с К 0,65. Величину примем равной 0,5,так как именно такое значение обеспечивает минимальную оптическую силу второй группы линз и оптимальные условия с точки зрения коррекции аберраций.

Минимальное расстояние визирования рассчитывают для случая, когда в системе нет оборачивания, тогда фокусирующая может приближаться вплотную к сетке, при этом I 0,05, и при наличии призменной оборачивающей системы, тогда I 0,17.

Для первого случая минимальное расстояние визирования получается равным примерно 1,9 fa v, для второго - 2,2 . В реальных системах из-за высоких требова- ний к качеству изображения, а в нивелирах, кроме того, еще и из-за необходимости вводить в поле зрения различную информацию, из-за чего вблизи сетки дополнительно размещаются оптические детали,что ограничигде а - угол отклонения визирной оси в секундах при поперечном смещении компонента на величину Xi;

f - эквивалентное фокусное расстояние объектива;

fi - фокусное расстояние первого неподвижного компонента;

р- коэффициент перерасчета радиан в угловые секунды, равен 206265.

Из формулы следует, что для уменьшения колебания визирной оси при перефокусировке фокусное расстояние должно быть возможно ближе к fi .

Реально fi1 (0,5...075)f . Поэтому

Xi

a f

(1.. nw3)

При а 2, f 400, Xi (4...12) мкм.

Полученной величиной Xi определяются требования к направляющим подвижного компонента.

Известен объектив с внутренней фокусировкой, состоящий из трех компонентов, первого положительного неподвижного и второго и третьего фокусирующих, перемещающихся в разные стороны при наведении на близко расположенный предмет.

Причем второй компонент - положительный, а третий - отрицательный. Второй и третий компоненты совместно имеют отрицательную оптическую силу. В начальный момент, при расположении предмета в бесконечности, эта система подобна предыдущему телеобъективу. Первые компоненты аналогичны по своим параксиальным характеристикам, а второй и третий компоненты совместно аналогичны второму компоненту системы с отрицательной фокусирующей линзой.

Данная конструкция позволяет получить значительно меньшие расстояния визирования, так как кроме передвижения отрицательного фокусирующего компонента перемещается также второй положительный компонент к первому неподвижному компоненту, что позволяет сильнее уменьшить фокусное расстояние и перераспределить положение главных плоскостей. При расчетах конкретных схем удалось достигнуть БГФ, равной эквивалентному фокусному расстоянию при фокусировке на бесконечность. Так, например, объектив нивелира 2Н-05 позволяет визировать на расстояние 447 мм от первой поверхности при f3 450 мм. При анализе влияния поперечного смещения отрицательного компонента на колебание визирной оси при перефокусировке можно воспользоваться той же формулой, что и в предыдущем случае, имея в виду под fi - эквивалентное фокусное расстояние первого неподвижного и второго подвижного компонентов.

Так как первый компонент по своим геометрическим параметрам подобен первому неподвижному компоненту предыдущей схемы, то эквивалентное фокусное расстояние первого и второго компонентов будет меньше фокусного расстояния первого компонента предыдущей схемы. Поэтому объектив с двумя перемещающимися компонентами более чувствителен к поперечным децентрировкам отрицательного фокусирующего блока.

Основные недостатки известных схем телеобъективов - ограниченность диапазо-. на перефокусировки и невозможность получить резкое изображение предмета, находящегося на расстоянии ближе эквивалентного фокусного расстояния объектива при бесконечно удаленном предмете.

Это объясняется тем, что фокусирующие элементы находятся далеко от плоскости изображения и тем самым существенно влияют на геометрию схемы в исходном состоянии. Поэтому они не могут обладать оптическими силами достаточной величины, чтобы при небольших перемещениях обеспечить положение эквивалентных главных плоскостей, требуемое для резкого видения предметов, практически совпадающих с первой аоверхностью объектива.

К существенным недостаткам обеих схем также следует отнести высокую чувствительность к поперечным смещениям фокусирующих компонентов, что приводит к жестким требованиям к форме направляющих этих компонентов.

Кроме того, два перемещающихся компонента значительно усложняют конструкцию прибора.

Известен также объектив, состоящий из положительного компонента и подвижного

0 положительного компонента, перемещением которого от сетки осуществляется наведение на близко расположенный предмет. Такая схема объектива применяется в серийно выпускаемом изделии ППС-11.

5 Объектив имеет значительную длину, большую, чем его эквивалентное фокусное расстояние при бесконечно удаленном предмете, Эта разница тем больше, чем дальше от плоскости изображения находит0 ся исходное положение фокусирующей линзы и чем меньше ее фокусное расстояние.

Наиболее близким к предлагаемому является телеобъектив с внутренней фокусировкой, содержащий три компонента,

5 первый из которых - положительный неподвижный, второй - отрицательный неподвижный, третий - положительный, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

0 Перемещением третьего компонента осуществляется наведение на близко расположенный предмет.

Так как положительный фокусирующий компонент сильно удален от плоскости изо5 бражения, то его параметры, а именно фокусное расстояние, значительно влияют на геометрию схемы. Он не может обладать большой оптической силой, так как при ее увеличении возрастают габариты всего объ0 ектива при сохранении эквивалентного фокусного расстояния. С другой стороны, для осуществления эффективной фокусировки оптическая сила фокусирующего компонента должна быть как можно больше. Поэтому

5 невозможно получить существенного расширения диапазона перефокусировки (от первой поверхности) при приемлемых габаритах прибора.

С другой стороны, из-за значительного

0 удаления от плоскости изображения и отличной от нуля оптической силы линейное увеличение положительного фокусирующего компонента значительно отличается от единицы, это соответственно приводит к

5 увеличению колебания визирной оси при смещении фокусирующего компонента.

Цель изобретения - повышение стабильности положения визирной оси при перефокусировке и сокращение наименьшего расстояния визирования.

Указанная цель достигается тем, что в телеобъективе с внутренней фокусировкой, содержащем три компонента, первый из которых положительный неподвижный, второй - отрицательный неподвижный, третий

-положительный, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси, задняя главная плоскость третьего компонента при фокусировке на удаленный пред- мет расположена на расстоянии (-0,01...+0,03) fi.a1 от плоскости изображения, а его фокусное расстояние составляет (0,05...0,2)11,2, где fi.21 - эквивалентное фокусное расстояние первого и второго компонентов.

Кроме того, третий компонент может быть выполнен из отрицательного и положительного компонентов.

На фиг. 1 изображена принципиальная оптическая схема телеобъектива в виде главных плоскостей компонентов; на фиг. 2

-то же, в виде конструктивного выполнения компонентов; на фиг. 3 - графики остаточных аберраций конкретного примера выполнения телеобъектива.

Телеобъектив содержит первый неподвижный положительный компонент 1, второй неподвижный отрицательный компонент 2 и третий положительный компонент 3, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

Приведенный диапазон удаления задней главной плоскости компонента 3 от плоскости изображения позволяет выполнить этот компонент тонким, расположенным в непосредственной близости от нее. В случае, когда необходимо при бесконечно удаленном предмете значительно отодвинуть фокусирующий компонент от плоскости изображения, его можно выполнить в виде реверсивного двухкомпонентного телеобъектива, у которого первая линза или группа линз отрицательная, а вторая - положительная, либо в виде положительного ме- ниска, обращенного выпуклостью к изображению.

В обоих случаях достигается вынос задней главной плоскости из тела фокусирующего компонента.

Размещение положительного фокусирующего компонента вблизи сетки приводит к тому, что не нарушается геометрия исходного телеобъектива, у которого главные плоскости оказываются выдвинутыми далеко вперед. Поэтому при одной и той же оптической силе объектива удалось получить значительно меньшие габариты, а значит, и массу всего прибора. Так как главные плоскости положительного фокусирующего компонента в начальный момент находятся

в непосредственной близости от плоскости изображения и практически не влияют на геометрию схемы, то его оптическую силу можно сделать достаточно малой, чтобы при

небольших перемещениях обеспечить резкое видение предмета, совпадающего с первой поверхностью.

Анализируя вывод, приведенный ранее, зависимости стабильности визирной оси от

0 поперечного смещения фокусирующего компонента, можно сделать заключение о ее инвариантности к знаку этого компонента и, следовательно, ею можно воспользоваться при рассмотрении предложенной

5 схемы. В этом случае под fV следует понимать эквивалентное фокусное расстояние первого и второго неподвижных компонентов. Так как главные плоскости фокусирующего блока практически совпадают с

0 плоскостью изображения, то его оптическая сила практически никак не сказывается на фокусном расстоянии всего объектива, полностью определяемого параметрами и расположением предыдущих частей.

5 Следовательно, справедливо приближенное равенство f i f, и числитель дроби обращается в нуль (приближенно). Значит, можно сделать вывод о том, что система практически нечувствительна к поперечным

0 смещениям фокусирующего блока, чем достигается высокая стабильность визирной оси. Это особенно важно для высокоточных визирных систем геодезических приборов, например для нивелиров типа Н5 05.

Кроме того, последние модели высокоточных нивелиров для увеличения точности наведения при одновременном сохранении ее скорости оснащаются двухступенчатыми

0 системами фокусировки, у которых чувствительность точного механизма в 3-5 раз ниже механизма грубой наводки. В предлагаемом объективе отпадает необходимость в таком устройстве, так как при

5 примерно одном и том же ходе подвижного компонента чувствительность его перемещению на начальном участке значительно ниже. В табл. 2 приводятся значения положения предмета при смещении фокусирую0 щих компонентов на 0,1 мм относительно номинального положения, соответствующего бесконечно удаленному предмету, для различных нивелиров, имеющих разные схемы объективов.

5 Из табл. 2 видно, что чувствительность фокусирующего механизма в предложенном объективе намного ниже. Значит, при одной и той же скорости перемещения компонента получают на начальном участке значительно меньшую чувствительность.

Следовательно, отпадает необходимость в двухскоростном устройстве наведения, что ведет к снижению себестоимости и повышению надежности изделий.

Схема конкретного объектива приведена на фиг. 2, где обозначены через г радиусы кривизны, а через d толщины линз и воздушные промежутки. Ниже представлены конструктивные параметры:

П 257di 4,2ТФ5

г2 69,18d2 9,5БК8

гз 233,9da 38Воздух

г4 70,15d4 14,3ТФ12

из-71,12ds 3,9ТФ5

76 72,44d6 121,38 Воздух

ry -131,22d 3,1ЛКЗ

га 76,38ds varВоздух

rg 71,12dg 3Ф1

по 41,59dio 30Воздух

Гц 34,67dn 5CTK12

П2 49,09

Фокусные расстояния, мм: Объектив 402 Неподвижная часть 399,5 Фокусирующая система 30,4 На фиг. 3 представлены графики аберраций при бесконечно удаленном предмете, где До - продольная сферическая аберрация;

Zsv - сагиттальная кривизна; Zm1 - меридианальная кривизна; г- неизопланатизм; m - высота луча во входном зрачкэ; ш- угловое поле в пространстве предметов.

В табл. 3 приводятся значения положения предмета от первой поверхности в зависимости от изменения расстояния de между неподвижным и фокусирующим компонентами.

Таким образом, предлагаемый объектив хорошо корригирован в отношении всех- аберраций. Перемещение положительной линзы обеспечивает наведение на предмет, находящийся на любом расстоянии от первой поверхности. Смещение фокусирующей линзы Xi при изменении визирной оси на 2 составляет

II

(f -ti )p

2 399,5-402 nfiMM олдосс - и,О ММ ,

(399,5-402) -ЯТ6265

что значительно больше, чем для других схем объективов. Это увеличивает точность визирования или при ослаблении требований к направляющим подвижных систем ве5 дет к снижению себестоимости.

Использование изобретения дает возможность при минимальных габаритах построить систему с неограниченным диапазоном перефокусировки и высокой

10 стабильностью визирной оси. Возможность наведения на любые расстояния позволит оператору не заботиться о местоположении прибора, что особенно важно при работе в стесненных условиях. Также отпадает необ15 ходимость в изготовлении насадочных линз, применение которых частично решает эту задачу,

Низкая чувствительность смещения визирной оси к поперечным смещениям фоку20 сирующего компонента значительно снижает требования к его направляющим, что, с одной стороны, уменьшает себестоимость прибора, а с другой - повышает его точность при снятии отсчетов с предметов,

25 находящихся на различных дистанциях.

Кроме того, из-за благоприятной зависимости перемещения положительного компонента от положения предмета становится нецелесообразным применение в высоко30 точных визирных системах узла двухскоро- стной фокусировки, что также снижает себестоимость и увеличивает надежность прибора.

Формула изобретения

35 1. Телеобъектив с внутренней фокусировкой, содержащий три компонента, первый из которых положительный неподвижный, второй - отрицательный неподвижный, третий - положительный, ус40 тановленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности положения визирной оси при перефокусировке и сокращения наименьшего

45 расстояния визирования, задняя главная плоскость третьего компонента при фокусировке на удаленный предмет расположена на расстоянии (-0,01..,+0,03)fi,2 от плоскости изображения, а его фокусное расстоя50 ние составляет (0,05...0,2)fi,2, где fi.21 - эквивалентное фокусное расстояние первого и второго компонентов.

55 отрицательного и положительного компонентов.

Тип нивелира и тип схемы объектива

Н-05 с отрицательной фокусирующей линзой 2 Н-05 с двумя фокусирующими компонентами

Предлагаемый объектив с положительной фокусирующей линзой (конструктивные параметры в примере конкретного выполнения)

2

V

Фие.1

Положение предмета, м от первой поверхности при смещении фо кусирующей на 0,1 мм

656

118

101507

Таблица 3

Л/юскость изображения

WtetiL

%

6

О гг Г3 Гч rs Г6,

1

Ю

0,1 Д5 ,мм

9

de

с/ю

Гд Г10 П ГК

Плоскость изображения

Фиг. 2

Ю

0,1&%

0.1 Zs,z /77