Результат интеллектуальной деятельности: Суперапохромат для широкой области спектра

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≤n_X≤1,8 и 49≤v_X≤55; 1,5≤n_Y≤1,7 и 51≤v_Y≤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≤n_X≤1,8 и 34≤v_X≤36; 1,6≤n_Y≤1,7 и 30≤v_Y≤34, 1,6≤n_Z≤1,7 и 50≤v_Z≤55, а воздушные промежутки такие, что: d₂<0,0016/, d₁<d₂ и d₃<d₂,

где

n_X - показатель преломления стекла марки X;

n_Y - показатель преломления стекла марки Y;

n_Z - показатель преломления стекла марки Z;

v_X - число Аббе стекла марки X;

v_Y - число Аббе стекла марки Y;

v_Z - 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≤n_X≤1,8 и 34≤v_X≤36; 1,6≤n_Y≤1,7 и 30≤v_Y≤34, 1,6≤n_Z≤1,7 и 50≤v_Z≤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 n_d стекла X - 1,749;

число Аббе v_d стекла X - 35,33;

показатель преломления n_d стекла Y - 1,673;

число Аббе v_d стекла Y - 32,10;

показатель преломления n_d стекла Z - 1,622;

число Аббе v_d 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.