Светосильный объектив Советский патент 1992 года по МПК G02B9/62 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а более точно светосильным объективам, используемым в системах контроля положения объектов в пространстве.

Известен объектив, содержащий близ- фокальный рассеивающий мениск, обращенный выпуклой стороной к изображению, перед которым установлены четыре компонента, первый из которых представляет собой ориентированный вогнутостью к предмету рассеивающий мениск, второй и четвертый -двояковыпуклые линз ы, третий -двояковогнутую линзу.

К недостаткам системы можно отнести невысокую светосилу (,25) и небольшой угол поля зрения (2 ш 4°).

Известна система светосильного объектива, содержащего две линзовые группы:

близфокальную, представленную положительным по оптической силе компонентом, и переднюю, выполнение которой возможно осуществить в нескольких вариантах. Наиболее близким техническим решением является компоновка ее из пяти одиночных элементов, крайние из которых являются рассеивающими, причем первый по ходу луча представляет собой мениск, обращенный вогнутостью к предмету, а второй - двояковогнутая линза, между которыми установлены двояковыпуклая линза и два собирающих мениска.

Недостаток схемы: величина относительного отверстия объектива составляет ,96.

Прототипом изобретения является шес- тилинзовый светосильный объектив с вынесенным входным зрачком, состоящий из

XI

О

о ел о к

одиночной близфокальной рассеивающей линзы и головного компонента, выполненного в виде собирающей линзы, перед которой установлены ориентированные выпуклыми сторонами на встречу друг другу два рассеивающих мениска, между которыми заключена одиночная двояковыпуклая линза, а первый по ходу луча мениск склеен из линз с оптическими силами разных знаков

Система обладает недостаточно высоким значением величины относительного отверстия (,5).

Целью изобретения является повышение светосилы при сохранении качества аберрационной коррекции системы.

Поставленная цель достигается тем, что объектив содержит два компонента, первый из которых включает в себя отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предме- ту и склеенный из менисков с разной по знаку оптической силой, двояковыпуклую линзу и одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, а второй - отрицательную линзу в виде мени- ска, обращенного вогнутостью к изображению, после которого установлены положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету и двояковогнутая линза.

Признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, характеризуют собой выполнение отдельных элементов оптической схемы, которая составлена с учетом хода лучей через преломляющие поверхно- сти, обладающие известными свойствами, что гарантирует требуемое взаимодействие (коррекционное и силовое) отдельных элементов не только внутри каждого блока, но и управляемую взаимосвязь между компо- нентами различных линзовых групп.

Предлагаемый объектив для удобства анализа его работы условно может быть разделен на две части: первая включает близз- рачковую, вторая - близфокальную линзовую группы. В первой группе наиболее сильно сказываются искажения изображения предмета по осевому пучку лучей, в частности для точки на оси. Доминирующим влиянием второй по ходу луча линзовой группы является оказание воздействия на полевые аберрации системы. Однако функциональное разграничение не является абсолютным. Обусловлено это обстоятельство тем, что объектив, имея высокие внешние характеристики по развитию светосилы и поля зрения, обладает большим удалением плоскости изображения от последней поверхности. Тем самым нарушается возможность использовать параметры задней

линзовой группы аналогично линзе Смита и быть пассивной к развитию апертуры, как принято при компоновке большинства известных светосильных объективов средних угловых полей с вынесенным за первую поверхность зрачком входа.

Все элементы указанной схемы синтеза тесно взаимосвязаны в данном конкретном случае и представляют собой сочетание, один влияет на роль и значение другого, и только такое сочетание обеспечивает достижение цели изобретения. Таким образом, схема решает общую задачу, направленную на достижение одного общего положительного эффекта, и ее решение возможно лишь при совместном действии всех элементов схемы.

Исключение одного из признаков приводит к нарушению возможности выполнения, следовательно, не сумма эффектов от каждого элемента в отдельности, а функциональное сочетание порознь известных признаков обеспечивает присущий только этому сочетанию положительный эффект.

Переходя к рассмотрению поэлементного состава составляющих объектив компонентов, следует отметить характерные структурные особенности. Передняя линзовая группа имеет три составляющих, причем использование тонких положительных линз и собирающих менисков в различных сочетаниях известно было ранее для коррекции сферической аберрации при форсировании апертуры, а при установке в зрачке - и комы последующей системы. Рассеивающие мениски, обращенные вогнутой стороной к пространству изображений, и установленный в качестве, колпака перед основной головной частью объектива, служат для развития угла поля зрения и имеют существенное1 удаление от первого компонента основного объектива, являясь, как правило, отрицательным элементом перевернутой зрительной трубы Галлилея.

Предлагаемый суперсветосильный объектив представляет собой новое техническое решение, заключающееся в такой комбинации оптических элементов объектива, которая не ставит целью выявить новые свойства каждого из них, а позволяет проявить их совокупное качество. Зто обстоятельство относится и к передней линзовой группе, компоновка которой должна удовлетворять условию исправления сферической аберрации и комы при форсировании апертуры системы и предусматривать установку перед одиночными двояковыпуклой линзой и собирающим мениском рассеивающего мениска обратной ориентировки по отношению к пространству предметов. Выполнение его в виде склейки из собирающего и рассеивающего менисков в сочетании кронфлинт с существенной разницей в показателях преломления способствует исправлению астигматической разности, которая резко нарастает при исправлении кривизны поля и дисторсии системы за счет параметров близфокальной линзовой группы. Компоновка этой линзовой группы также является оригинальной за счет введения перед отрицательной последней линзой объектива рассеивающего и собирающего менисков, обращенных вогнутостями к изображению.

На фиг. 1 дан пример конкретной pea- лизации принципиальной оптической схемы объектива; на фиг. 2 - графики остаточных аберраций объектива.

Предлагаемый объектив содержит две линзовые группы: Li и LZ. Группа линз Ц выполнена в виде двух менисков, выпуклыми сторонами обращенных к одиночной двояковыпуклой линзе 1, заключенной между ними, причем первый по ходу луча мениск имеет отрицательную оптическую силу и склеен из собирающего 2 и рассеивающего 3 менисков, второй одиночный мениск 4 положительной оптической силы. Линзовая группа L.2 содержит рассеивающий 5 и собирающий 6 одиночные мениски, вогнутостя- ми обращенные к пространству изображений, и двояковогнутую линзу 7.

В целях обеспечения заданных внешних параметров системы и ее качественных показателей предусматривается при расче- тах соблюдение определенных соотношений между оптическими силами отдельных компонентов. В соответствии с принятыми цифровыми обозначениями оптических компонентов схемы объектива на фиг. 1 можно записать :

2,з 4 fб 1 .

fi -f5 f7

f AfWif sf1.

Представленная схема объектива работает следующим образом. В соответствии с законами преломления световых лучей на выпуклых и вогнутых поверхностях раздела оптических сред с различными показателя- ми преломления, происходит преобразование светового потока при прохождении им каждого элемента схемы, параллельный пучок преобразуется в гомоцентрический и в плоскости приемника формируется изобра- жение объекта наблюдения.

Следует отметить, что композиционно объектив построен, т.е. обеспечивается

5 10

15

20 5 0

5 0

5

0 5

строгая балансировка аберрационных составляющих осевых и широких наклонных пучков лучей, т.е. стабильность пятна рассеяния в плоскости установки приемника при смещениях от оптической оси по полю зрения к его краю. Выполнение этого условия надежной работы системы позволяет гарантировать необходимую точность регистрации положения объектов наблюдения в пространстве. Поскольку объектив в данном конкретном случае рассчитан для ближней ИК-области спектра (основная длина волны АО Ю,925 нм) с применением стекол с повышенной радиационно-оптической устойчивостью к у -излучению, выбор которых по ОСТ 3-28-77 весьма ограничен, то очевидно, что качественные характеристики системы могут быть улучшены при использовании более широкой гаммы оптических материалов, к которым не предъявляется особых требований по эксплуатации. Иллюстрацией высокой степени аберрационной коррекции светосильного объектива, предложенного к рассмотрению, являются графики остаточных аберраций, приведенные нз фиг. 2.

Техническая эффективность предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом заключается в увеличении относительного отверстия системы в 2,5 раза ().

Кроме вышеуказанного, предложенная схема оптики объектива при величине заднего рабочего отрезка, составляющей.- (0,13 ±0,16)Г, достаточно компакта - ее длина вдоль оптической оси не превышает значения ,7f. Геометрическое виньетирование в системе практически отсутствует, что положительно сказывается на распределении освещенности по полю зрения. Формула изобретения Светосильный объектив .содержащий два компонента, первый из которых включает отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету и склеенный из менисков с разной по знаку оптической силой, двояковыпуклую линзу и одиночный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, а второй - отрицательную линзу, отличающийся тем, что, с целью повышения светосилы системы при сохранении качества изображения, одиночный мениск первого компонента выполнен положительным, а после отрицательной линзы второго компонента, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению, введены положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и двояковогнутая линза.

Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению, а более точно к светосильным объективам, используемым в системах контроля положения объектов в пространстве. Сущность изобретения: объектив содержит две линзовые группы, первая из которых включает отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету и склеенный из менисков с разной по знаку оптической силой, двояковыпуклую линзу и одиночный положительный мениск обращенный вогнутостью к изображению, а вторая - отрицательную линзу в виде мениска, обращенного вогнутостью к изображению, после которого ус- тановлены положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и двояковогнутая линза, 2 ил.

д s /мм)

0,05

Щиг.1

uT 10

Ж)

FttptrtJ

&(-/)

0,4

O.I

1,0