Результат интеллектуальной деятельности: Апохроматический объектив для широкой области спектра

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано 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.

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 трехлинзовый двухкомпонентный апохроматический объектив Кехлера (Kohler) [2]. Объектив состоит из двух компонентов, разделенных воздушным промежутком. Первый компонент состоит из одной положительной линзы, а второй - из положительной и отрицательной линз, склеенных между собой. Первая по ходу лучей положительная линза имеет показатель преломления для линии d больше 1,6 и число Аббе больше 55, а линзы второго компонента имеют числа Аббе меньше 35, разность относительных частных дисперсий больше 1,61 и разность показателей преломления менее 0,05. При этом разность показателей преломления линз второго компонента и линзы первого компонента должна быть больше 0,1.

Недостатками этого объектива является наличие склейки, что ограничивает диаметры склеиваемых линз, жесткие требования к оптическим постоянным стекол, что ограничивает конструктора в выборе стекол, узкий рабочий спектральный диапазон.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является двухкомпонентный апохроматический объектив [3], включающий два оптически связанных компонента, разделенных воздушным промежутком d₁. Первый компонент содержит одну положительную линзу, выполненную из стекла марки Y, второй - двояковогнутую линзу, выполненную из стекла марки X и положительный мениск, выполненный, из стекла марки Y, разделенные воздушным промежутком d₂. Показатели преломления и числа Аббе стекол X и Y удовлетворяют следующим условиям: 1,6≤ n_X ≤1,8 и 49≤ ν_X ≤55; 1,5≤ n_Y ≤1,7 и 51≤ ν_Y ≤66, d₁ ≤ 0,005f, d₂ ≤ d₁, где n_X - показатель преломления стекла марки X; n_Y - показатель преломления стекла марки Y; ν_X - число Аббе стекла марки X; ν_Y - число Аббе стекла марки Y; f - фокусное расстояние объектива.

Недостатком этого объектива является ограниченный рабочий спектральный диапазон (0,434÷0,700 мкм).

Техническое решение направлено на создание апохроматического объектива простой и компактной конструкции с расширенным рабочим спектральным диапазоном (400-900 нм) и улучшенной коррекцией хроматических аберраций.

Технический результат достигается тем, что предлагается апохроматический объектив, включающий два оптически связанных компонента - первый компонент однолинзовый, второй - двухлинзовый, с воздушным промежутком между компонентами d₁ и воздушным промежутком между линзами второго компонента d₂, отличающийся тем, что двояковыпуклая линза первого компонента и положительный мениск второго компонента изготовлены из разных марок стекол Y и Z, соответственно, причем, показатели преломления и числа Аббе стекол X, Y и Z удовлетворяют следующим условиям: 1,7≤ n_X ≤1,8 и 34≤ ν_X ≤36; 1,6≤ n_Y ≤1,7 и 51≤ ν_Y ≤54, 1,6≤ n_Z ≤1,7 и 30≤ ν_Z ≤33, а воздушные промежутки удовлетворяют условиям

d₁ ≤ 0,0018f, d₂ ≤ d₁

где

n_X - показатель преломления стекла марки X;

n_Y - показатель преломления стекла марки Y;

n_Z - показатель преломления стекла марки Z;

ν_X - число Аббе стекла марки X;

ν_Y - число Аббе стекла марки Y;

ν_Z - число Аббе стекла марки Y;

f - фокусное расстояние объектива.

Объектив-апохромат, изображенный на Фиг. 1 состоит из двух компонентов: первый компонент содержит двояковыпуклую линзу 1, выполненную из стекла марки Y, второй - двояковогнутую линзу 2, выполненную из стекла марки X и положительный мениск 4, выполненный из стекла марки Z. Первый компонент отделен от второго воздушным промежутком d₁, а линзы второго компонента разделены воздушным промежутком d₂.

Воздушный промежуток d₁ служит для коррекции сферической аберрации, а промежуток d₂ - для коррекции сферохроматической аберрации.

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 трех 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' - 1021 мм;

задний отрезок - 973,14 мм;

относительное отверстие - 1:10;

рабочий спектральный диапазон объектива - 400÷900 нм;

угловое поле в пространстве предметов - +/- 0,25°.

Конструктивные параметры рассчитанного объектива приведены в таблице 1. В строках «1», «2», «3» указаны радиусы кривизны, толщины, показатели преломления и числа Аббе для трех линз. В строке «d₁» указан воздушный промежуток между компонентами, а в строке «d₂» - воздушный промежуток между линзами 2 и 3.

Высокое качество изображения, создаваемого предложенным апохроматическим объективом, подтверждается графическими материалами, представленными на Фиг. 2 и Фиг. 3.

На Фиг. 2. приведен график продольной хроматической аберрации для спектрального интервала 400-900 нм. По оси абсцисс отложена продольная хроматическая аберрация в микронах, по оси ординат отложена длина волны в нанометрах. Хорошо виден S-образный характер кривой продольной хроматической аберрации, что свидетельствует о том, что в предлагаемом объективе в указанном спектральном диапазоне три длины волны сведены в одном фокусе и тем самым достигнута высокая степень коррекции продольной хроматической аберрации, величина которой в данном примере равна 153,5 мкм.

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 400-900 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 апохроматического объектива с относительным отверстием 1:10 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. US patent №785602, 1957 г.

3. RU №185717, 2018 г.