Объектив
Иллюстрации
Показать всеИзобретение может быть использовано в качестве объектива высокоточных углоизмерительных систем. Объектив включает два компонента, первый из которых выполнен в виде положительной двояковыпуклой линзы, а второй компонент содержит отрицательный и положительный мениски, обращенные выпуклостью к плоскости изображения. Между показателями преломления, коэффициентами дисперсии материала линз, фокусными расстояниями компонентов и линз объектива, а также воздушными промежутками и задним фокальным отрезком объектива выполняются определенные соотношения. Технический результат - упрощение конструкции и повышение относительного отверстия объектива при сохранении качества изображения, близкого к дифракционному. 1 ил., 6 табл.
Реферат
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам высокоточных углоизмерительных систем, в том числе к объективам автоколлиматоров для формирования и приема излучения в ближней ИК-области спектра при условии использования в автоколлиматоре, имеющем при работе в направлении от тест-объекта на объект визирования большой диаметр выходного зрачка и малое угловое поле, а в направлении от объекта визирования на фотоприемное устройство работающего ограниченными зонами входного зрачка в большом угловом поле, при этом объект визирования может быть расположен в любой части входного зрачка объектива. Объективы таких систем должны иметь хорошее качество изображения при достаточной светосиле и сравнительно простую конструкцию, обеспечивающую нерасстраиваемость в процессе эксплуатации системы с сохранением высокой точности измерения.
Известен телеобъектив для углоизмерительных систем (например, в а.с. №1007069, СССР, МПК G02B 13/02, опубликованном в 1983 г.), состоящий из двух компонентов, образованных четырьмя линзами, в котором первый компонент - положительный, выполненный в виде трехлинзовой склейки; второй компонент - одиночный отрицательный мениск. В заднем фокальном отрезке объектива может быть расположена склеенная призма, используемая в качестве светоделительного блока автоколлиматора. Объектив исправлен для длины волны 951 нм, ахроматизирован в диапазоне спектра от 900 до 1060 нм и имеет следующие оптические характеристики:
фокусное расстояние 120 мм,
относительное отверстие 1:4,6,
угловое поле зрения на входе 2°.
Небольшая величина фокусного расстояния и заднего фокального отрезка не позволяет использовать этот объектив в высокоточных углоизмерительных системах, где требуется точность определения угловых координат объекта менее 20" и необходимость установки дополнительных зеркал между объективом и светоделительным блоком для компоновки системы в заданных габаритах.
Задачей изобретения является создание объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - повышение относительного отверстия и упрощение конструкции объектива при сохранении качества изображения, близкого к дифракционному.
Поставленная цель достигается тем, что в объективе, включающем два компонента, первый из которых содержит положительную двояковыпуклую линзу, а второй компонент содержит отрицательный мениск, в отличие от известного, первый компонент выполнен в виде одиночной линзы, во втором компоненте отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости изображения, кроме того, во второй компонент за отрицательным мениском введен одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, при этом выполняются следующие соотношения:
1,65≤nе1=nе3≤1,77
45≤νe1=νe3≤60
1,7≤νe1/νe2=νe3/νe2≤3,5
0,1d2≤d4≤0,3d2
где:
nе1, ne3 - показатели преломления для длины волны 546,1 нм соответственно двояковыпуклой линзы и положительного мениска;
νe1, νe2, νе3 - коэффициенты дисперсии материала соответственно двояковыпуклой линзы, отрицательного и положительного менисков;
, , , - фокусные расстояния соответственно объектива, первого и второго компонентов, отрицательного и положительного менисков;
d2, d4 - воздушные промежутки соответственно между первым и вторым компонентами и между отрицательным и положительным менисками второго компонента;
- задний фокальный отрезок объектива.
На чертеже изображена принципиальная оптическая схема объектива.
Объектив состоит из двух компонентов, образованных тремя линзами. Первый положительный компонент выполнен в виде одиночной двояковыпуклой линзы 1. Второй отрицательный компонент выполнен в виде двух одиночных линз: отрицательного мениска 2 и положительного мениска 3, обращенных выпуклостью к плоскости изображения. В заднем фокальном отрезке объектива расположена призма 4, используемая для приведения изображения тест-объекта, подсвеченного осветителем, на чувствительную площадку фотоприемного устройства (ФПУ). Призма 4 выполнена из двух прямоугольных призм АР-90°, склеенных гипотенузными гранями. В зоне склейки призм нанесено светоделительное покрытие, обозначенное на чертеже знаком θ.
Объектив работает следующим образом. Расходящийся пучок лучей от каждой точки тест-объекта, расположенного в задней фокальной плоскости объектива F', отражается призмой 4 в направлении линзы 3. После прохождения лучами света последовательно линз 3, 2 и 1 изображение тест-объекта строится в бесконечности полным выходным зрачком объектива. Отразившись от объекта визирования, параллельный пучок лучей попадает на линзу 1, которая преобразует его в сходящийся пучок. Далее линзы 2 и 3 направляют световой пучок на призму 4, после прохождения которой в плоскости чувствительной площадки фотоприемного устройства (ФПУ), совмещенной с задней фокальной плоскостью объектива F', строится автоколлимационное изображение тест-объекта, отраженное от объекта визирования, при этом объектив работает ограниченными зонами входного зрачка, которые в зависимости от расположения объекта визирования могут находиться в любой части входного зрачка объектива.
В соответствии с предложенным решением был выполнен расчет объектива, конструктивные параметры которого приведены в табл.1.
Таблица 1 | |||||
Радиусы R, мм | Толщины и воздушные промежутки d, мм | Марки стекла | Показатели преломления nе | Коэффициенты дисперсии νe | Световые диаметры, мм |
R1=765,6 | 130 | ||||
d1=16 | CTK119 | nе1=1,7476 | νе1=50,21 | ||
R2=-271,6 | 130 | ||||
d2=60 | |||||
R3=-84,92 | 110 | ||||
d3=10 | ТФ110 | nе2=1,8138 | νe2=25,17 | ||
R4=-426,6 | 125 | ||||
d4=10 | |||||
R5=-264,2 | 120 | ||||
d5=20 | CTK119 | nе3=1,7476 | νe3=50,21 | 120 | |
R6=-95,28 | |||||
d6=336 | |||||
R7=∞ | 12×36 | ||||
d7=20 | K108 | ||||
R8=∞ | nе4=1,5183 | νe4=63,83 | 11×35 |
Объектив исправлен для длины волны 940 нм, ахроматизирован в диапазоне спектра от 920 до 970 нм. Фокусное расстояние объектива для расчетной длины волны равно 429,4 мм. Оптические константы материала линз объектива, приведенные в табл.1, связаны следующими соотношениями:
nе1=nе3=1,7476
νe1=νе3=50,21
νe1/νe2=νe3/νе2=50,21/25,17=2,0
Фокусные расстояния компонентов и отдельных линз объектива для расчетной длины волны 940 нм имеют следующие значения:
фокусное расстояние первого компонента (линза 1)
фокусное расстояние второго компонента
фокусное расстояние отрицательного мениска (линза 2)
фокусное расстояние положительного мениска (линза 3) что соответствует условиям:
214,7<276,6<429,4
858,8<|-1202,4|<1717,6
|-137,9|<194,5<276,6
Воздушный промежуток между первым и вторым компонентами d2 равен 60 мм, что соответствует условию:
42,94<60<85,88
Воздушный промежуток между второй и третьей линзами d4 равен 10 мм, что соответствует условию:
6<10<18
Задний фокальный отрезок равен 370,9 мм, что соответствует условию:
300,58<370,9<386,46
При работе объектива в направлении от тест-объекта на объект визирования:
относительное отверстие 1:3,3
угловое поле на выходе 0°10'.
В табл.2 приведены аберрации в угловой мере на выходе объектива для точки на оси при расчете с конечного расстояния S1=-21,615 мм.
Таблица 2 | |||||
m | m' | σ'λ 0 | σ'λ 1 | σ'λ 2 | σ'λ 1-σ'λ 2 |
38,22 | 32,76 | 5,4" | 3,7" | -6,3" | 10,0" |
54,05 | 46,23 | 1,8" | 4,9" | -8,5" | 13,4" |
66,20 | 56,49 | -10,8" | 5,2" | -9,5" | 14,7" |
76,44 | 65,00 | -2,4" | 4,0" | -8,6" | 12,6" |
При работе в направлении от объекта визирования на фотоприемное устройство (ФПУ) объектив формирует изображение ограниченными зонами, расположенными в любой части входного зрачка; угловое поле на входе 3°28'. В табл.3 приведены аберрации для точки на оси бесконечно удаленного предмета при диаметре светового пучка 30 мм, расположенного по центру объектива.
Таблица 3 | ||||||||
λ0=940 нм | λ1=920 нм | λ2=970 нм | ||||||
m | tgσ' | ΔS' | Δy' | ΔS' | Δy' | ΔS' | Δy' | |
0 | 0 | 0 | 0 | -0,1059 | 0 | 0,1770 | 0 | -0,2829 |
7,5 | 0,0175 | -0,0152 | -0,0003 | -0,1058 | -0,0018 | 0,1767 | 0,0031 | -0,2825 |
10,6 | 0,0247 | -0,0297 | -0,0007 | -0,1057 | -0,0026 | 0,1766 | 0,0044 | -0,2823 |
13,0 | 0,0303 | -0,0432 | -0,0013 | -0,1055 | -0,0032 | 0,1764 | 0,0053 | -0,2819 |
15,0 | 0,0350 | -0,0560 | -0,0020 | -0,1053 | -0,0037 | 0,1762 | 0,0062 | -0,2815 |
В табл.4, 5 и 6 приведены аберрации для зоны и края углового поля зрения бесконечно удаленного предмета при диаметре светового пучка 30 мм, расположенного по центру объектива, соответственно для точки вне оси, для меридионального и сагиттального сечений объектива.
Таблица 4 | ||||||||||
ω | Z | Z' | ΔY', % | |||||||
-1°13'34" | 0 | -478,7 | -0,151 | -0,385 | 0,234 | 9,189 | -0,0005 | 0,00025 | -0,00024 | 0,0005 |
-1°43'54" | 0 | -478,6 | -0,301 | -0,768 | 0,467 | 12,981 | -0,001 | 0,00035 | -0,00035 | 0,0007 |
Таблица 5 | ||||||||
ω=-1°13'34" | ω=-1°43'54" | |||||||
m | Δtgσ' | Δtgσ' | ||||||
15,0 | 0,0350 | -0,0066 | -0,0034 | 0,0058 | 0,0350 | -0,0164 | -0,0032 | 0,0057 |
13,0 | 0,0303 | -0,0063 | -0,0029 | 0,0050 | 0,0303 | -0,0152 | -0,0028 | 0,0049 |
10,6 | 0,0247 | -0,0058 | -0,0023 | 0,0041 | 0,0247 | -0,0134 | -0,0022 | 0,0040 |
7,5 | 0,0175 | -0,0047 | -0,0016 | 0,0028 | 0,0175 | -0,0105 | -0,0015 | 0,0027 |
0 | 0 | 0 | 0,00025 | -0,00024 | 0 | 0 | 0,00035 | -0,00035 |
-7,5 | -0,0175 | 0,0093 | 0,0021 | -0,0034 | -0,0175 | 0,0170 | 0,0022 | -0,0035 |
-10,6 | -0,0247 | 0,0149 | 0,0029 | -0,0046 | -0,0247 | 0,0264 | 0,0030 | -0,0048 |
-13,0 | -0,0303 | 0,0199 | 0,0035 | -0,0056 | -0,0303 | 0,0345 | 0,0036 | -0,0058 |
-15,0 | -0,0350 | 0,0246 | 0,0040 | -0,0065 | -0,0350 | 0,0420 | 0,0041 | -0,0066 |
Таблица 6 | ||||||||
ω=-1°13'34" | ω=-1°43'54" | |||||||
M | tgδ' | ΔY' | ΔХ' | tgδ' | ΔY' | ΔX' | ||
7,5 | 0,0175 | 0,0008 | -0,0029 | 0,0175 | 0,0011 | -0,0055 | ||
10,6 | 0,0247 | 0,0015 | -0,0044 | 0,0247 | 0,0022 | -0,0082 | ||
13,0 | 0,0303 | 0,0023 | -0,0059 | 0,0303 | 0,0032 | -0,0104 | ||
15,0 | 0,0350 | 0,0030 | -0,0072 | 0,0350 | 0,0043 | -0,0125 |
По сравнению с наиболее близким аналогом предлагаемый объектив при увеличенной светосиле и сохранении качества изображения, близкого к дифракционному, имеет более простую и технологичную конструкцию: количество линз три вместо пяти, отсутствие склеенных линз, что особенно важно для линз большого диаметра, выполненных из химически неустойчивых стекол. Объектив может быть использован в автоколлиматоре, который имеет узкий по спектру источник излучения, например, светодиод со спектральным интервалом ±25 нм, и принимает ограниченными зонами входного зрачка излучение, отраженное от одного или нескольких объектов визирования. Примененные марки стекол в сочетании с оправой из титанового сплава и выбранные величины воздушных промежутков d2 и d4 позволили получить объектив с исправленной термооптической аберрацией. Наличие в объективе заднего фокального отрезка, равного 0,86 от фокусного расстояния объектива, позволяет расположить между объективом и призмой дополнительные зеркала для компоновки системы автоколлиматора в заданных продольных габаритах. Для сравнения, в аналоге задний фокальный отрезок составляет величину 0,6 от фокусного расстояния объектива.
Таким образом, объектив может быть использован в высокоточной многоканальной оптико-электронной углоизмерительной системе, являясь основным узлом автоколлиматора и обеспечивая высокую точность и надежность измерения угловых координат нескольких объектов системой при разных условиях эксплуатации.
Объектив, включающий два компонента, первый из которых содержит положительную двояковыпуклую линзу, а второй компонент содержит отрицательный мениск, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде одиночной линзы, во втором компоненте отрицательный мениск обращен выпуклостью к плоскости изображения, кроме того во второй компонент за отрицательным мениском введен одиночный положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, при этом выполняются следующие соотношения:
1,65≤nе1=nе3≤1,77
45≤νe1=νe3≤60
1,7≤νe1/νe2=νe3/νe2≤3,5
0,1d2≤d4<0,3d2
где ne1, ne3 - показатели преломления для длины волны 546,1 нм соответственно двояковыпуклой линзы и положительного мениска;
νe1, νe2, νe3 - коэффициенты дисперсии материала соответственно двояковыпуклой линзы, отрицательного и положительного менисков;
, , , - фокусные расстояния соответственно объектива, первого и второго компонентов, отрицательного и положительного менисков;
d2, d4 - воздушные промежутки соответственно между первым и вторым компонентами и между отрицательным и положительным менисками второго компонента;
- задний фокальный отрезок объектива.