Суперапохромат для широкой области спектра
Владельцы патента RU 2749179:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академика Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается объектива-суперапохромата. Объектив включает в себя два оптически связанных компонента, разделенных воздушным промежутком d2. Двояковыпуклая и двояковогнутая линзы первого компонента, разделенные воздушным промежутком d1, изготовлены из двух марок стекол Y и X соответственно, а двояковыпуклая линза и отрицательный мениск второго компонента, разделенные воздушным промежутком d3, изготовлены из стекол марок Z и X соответственно. Показатели преломления и числа Аббе стекол X, Y и Z удовлетворяют следующим условиям: 1,7≤nX≤1,8 и 34≤vX≤36; 1,6≤nY≤1,7 и 30≤vY≤34; 1,6≤nZ≤1,7 и 50≤vZ≤55, а воздушные промежутки такие, что d2<0,0016f, d1<d2 и d3<d2, где f - фокусное расстояние объектива. Технический результат заключается в создании апохроматического объектива простой и компактной конструкции с расширенным рабочим спектральным диапазоном (430-1000 нм) и улучшенной коррекцией хроматических аберраций. 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использована в качестве объектива для телескопических систем различного назначения, в том числе в астрономических телескопах для визуального наблюдения.
Известен тонкий суперапохромат из трех линз [1], состоящий из двух положительных и одной отрицательной линз. Одна положительная и одна отрицательная линзы склеены, а вторая положительная линза отделена от склейки воздушным промежутком. Для изготовления линз используются три разных оптических материала.
Недостатками этого объектива является наличие склейки, низкое (1:15) относительное отверстие, значительная габаритная длина устройства, высокий остаточный хроматизм положения вне пределов спектральной области F-C.
Известен четырехлинзовый апохромат, состоящий из менисковой линзы, обращенной вогнутой поверхностью к предмету, двояковогнутой лизы и двух двояко выпуклых линз [2]. Для изготовления линз используются три разных оптических материала, в том числе «особый» флинт.
Недостатками этого объектива являются низкое (1:10) относительное отверстие объектива и большой остаточный хроматизм положения в синей области спектра.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является четырехлинзовый апохроматический объектив [3], включающий два оптически связанных компонента, разделенных воздушным промежутком d2, первый компонент содержит двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, изготовленные из двух марок стекол Y и X соответственно, и разделенные воздушным промежутком d1, второй - двояко-выпуклую линзу и отрицательный мениск, изготовленные из стекол марок Y и X соответственно, разделенные воздушным промежутком d3, причем показатели преломления и числа Аббе стекол X и Y удовлетворяют следующим условиям: 1,6≤nX≤1,8 и 49≤vX≤55; 1,5≤nY≤1,7 и 51≤vY≤66, а воздушные промежутки удовлетворяют следующим условиям:
d2≤0,002f, d1<d2 и d3<d2.
Недостатком этого объектива является ограниченный рабочий спектральный диапазон (0,479÷0,656 мкм).
Техническое решение направлено на создание апохроматического объектива простой и компактной конструкции с расширенным рабочим спектральным диапазоном (430-1000 нм) и улучшенной коррекцией хроматических аберраций.
Технический результат достигается тем, что предлагается суперапохроматический объектив, включающий два оптически связанных компонента, разделенных воздушным промежутком d2, отличающийся тем, что двояковыпуклая и двояковогнутая линзы первого компонента, разделенные воздушным промежутком d1, изготовлены из двух марок стекол Y и X соответственно, а двояко-выпуклая линза и отрицательный мениск второго компонента, разделенные воздушным промежутком d3 изготовлены из стекол марок Z и X соответственно, причем показатели преломления и числа Аббе стекол X, Y и Z удовлетворяют следующим условиям: 1,7≤nX≤1,8 и 34≤vX≤36; 1,6≤nY≤1,7 и 30≤vY≤34, 1,6≤nZ≤1,7 и 50≤vZ≤55, а воздушные промежутки такие, что: d2<0,0016/, d1<d2 и d3<d2,
где
nX - показатель преломления стекла марки X;
nY - показатель преломления стекла марки Y;
nZ - показатель преломления стекла марки Z;
vX - число Аббе стекла марки X;
vY - число Аббе стекла марки Y;
vZ - число Аббе стекла марки Y;
f - фокусное расстояние объектива.
Объектив-суперапохромат, изображенный на Фиг. 1 состоит из двух компонентов: первый компонент содержит двояковыпуклую линзу 1, выполненную из стекла марки Y и двояковогнутую линзу 2, выполненную из стекла марки X, второй - двояковыпуклую линзу 3, выполненную из стекла марки Z и отрицательный мениск 4, выполненный из стекла марки X. Первый компонент отделен от второго воздушным промежутком d2, а линзы внутри компонентов разделены воздушными промежутками d1 (линзы 1 и 2) и d3 (линзы 3 и 4).
Воздушные промежутки d1 и d3 служат для коррекции сферической аберрации, а промежуток d2 - для коррекции сферохроматической аберрации. Показатели преломления и числа Аббе стекол X, Y и Z удовлетворяют следующим условиям: 1,7≤nX≤1,8 и 34≤vX≤36; 1,6≤nY≤1,7 и 30≤vY≤34, 1,6≤nZ≤1,7 и 50≤vZ≤55, а воздушные промежутки такие, что:
d2≤0,0016f, d1<d2 и d3<d2.
Все оптические поверхности имеют сферическую форму.
Действие объектива, изображенного на Фиг. 1. осуществляется следующим образом: параллельный пучок лучей от удаленного предмета проходит через входной зрачок объектива, совпадающий с первой поверхностью, и, преломившись последовательно через поверхности четырех линз, строит изображение этого предмета в фокальной плоскости F'.
Ниже приведен пример конкретной реализации предлагаемого объектива. В качестве примера рассчитан следующий объектив:
фокусное расстояние F' - 714 мм;
относительное отверстие - 1:7;
рабочий спектральный диапазон объектива - 430÷1000 нм;
угловое поле в пространстве предметов -+/- 0,25°;
показатель преломления nd стекла X - 1,749;
число Аббе vd стекла X - 35,33;
показатель преломления nd стекла Y - 1,673;
число Аббе vd стекла Y - 32,10;
показатель преломления nd стекла Z - 1,622;
число Аббе vd стекла Z - 53,06.
Конструктивные параметры рассчитанного объектива приведены в таблице 1. В строках «1», «2», «3» и «4» указаны радиусы кривизны, толщины, показатели преломления и число Аббе для четырех линз. В строках «d1» «d3» указаны воздушные промежутки между линзами 1-2 и 3-4 соответственно, а в строке «d2» - воздушный промежуток между компонентами.
Высокое качество изображения, создаваемого предложенным суперапохроматическим объективом, подтверждается графическими материалами, представленными на Фиг. 2 и Фиг. 3.
На Фиг. 2. приведен график продольной хроматической аберрации для спектрального интервала 430 нм - 1000 нм. По оси абсцисс отложена продольная хроматическая аберрация в микронах, по оси ординат отложена длина волны в нанометрах. Хорошо виден W-образный характер кривой продольной хроматической аберрации, что свидетельствует о том, что в предлагаемом объективе в указанном спектральном диапазоне как минимум четыре длины волны сведены в одном фокусе и тем самым достигнута высокая степень коррекции продольной хроматической аберрации, величина которой в данном примере равна 57,36 мкм, что составляет 1/12500 от величины фокусного расстояния объектива.
На Фиг. 3. приведен график полихроматического числа Штреля в рабочем спектральном диапазоне объектива. По оси абсцисс отложены координаты полевых точек в угловой мере, а по оси ординат - число Штреля. Система имеет дифракционное качество в рабочем спектральном диапазоне в пределах всего поля зрения.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении рабочего спектрального диапазона объектива до 430-1000 нм при сохранении высокого уровня коррекции геометрических и хроматических аберраций и малых габаритов устройства.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого устройства, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать простую и компактную конструкцию суперапохроматического объектива с высоким (1:7) относительным отверстием и хорошей коррекцией хроматических и монохроматических аберраций, который может использоваться в телескопических системах различного назначения, в том числе, в качестве объектива астрономических телескопов для визуального наблюдения.
Литература
1. Попов Г.М. Современная астрономическая оптика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 192 с. Стр. 67-68.
2. Слюсарев Г.Г. «Расчет оптических систем», Л-д, Машиностроение, 1975 г., 640 с. Стр. 114-116.
3. RU №192789, 2019 г.
Объектив-суперапохромат, включающий два оптически связанных компонента, разделенных воздушным промежутком d2, отличающийся тем, что двояковыпуклая и двояковогнутая линзы первого компонента, разделенные воздушным промежутком d1, изготовлены из двух марок стекол Y и X соответственно, а двояковыпуклая линза и отрицательный мениск второго компонента, разделенные воздушным промежутком d3, изготовлены из стекол марок Z и X соответственно, причем показатели преломления и числа Аббе стекол X, Y и Z удовлетворяют следующим условиям: 1,7≤nX≤1,8 и 34≤vX≤36; 1,6≤nY≤1,7 и 30≤vY≤34; 1,6≤nZ≤1,7 и 50≤vZ≤55, а воздушные промежутки такие, что d2≤0,0016f, d1<d2 и d3<d2,
где nX - показатель преломления стекла марки X;
nY - показатель преломления стекла марки Y;
nZ - показатель преломления стекла марки Z;
vX - число Аббе стекла марки X;
vY - число Аббе стекла марки Y;
vZ - число Аббе стекла марки Z;
f - фокусное расстояние объектива.