Телеобъектив с внутренней фокусировкой

 

Использование: оптическое приборостроение , геодезические приборы. Сущность изобретения: в трехкомпонентном объективе главная плоскость положительного фокусирующего компонента 3 расположена вблизи плоскости изображения, а его фокусное расстояние составляет 0,05...0,2 эквивалентного фокусного расстояния первого 1 и второго 2 компонентов. 1 с.. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s>)5 G 02 В 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К = -/тэкв, 1()

1у

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4765290/10 (22) 05.12.89 (46) 23.05.92, Бюл, ¹ 19 (71) Изюмский приборостроительный завод им.Дзержинского (72) В.Г.Охотниченко (53) 771.351.4(088.8) (56) Заявка ФРГ № 2708218, кл, G 02 В 13/02, опублик. 1977.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам зрительных труб, в частности. геодезических приборов.

Актуальным требованием, предъявляемым сегодня к геодезическим приборам, является получение наиболее короткой ближней границы фокусировки при наименьших габаритах прибора, Возможность визирования на небольших расстояниях значительно облегчает работу оператора в стесненных условиях,,например шахтах, и, кроме того, позволяет использовать прибор при выполнении контрольно-юстировочных операций на производстве, Выполнение совместно обоих требований встречает значительные трудности, Для уменьшения продольных габаритов прибора при больших фокусных расстояниях объектива, которое необходимо для получения высокой точности визирования, объектив строится по схеме телеобъектива, состоящего из двух компонентов, первого положительного и второго отрицательного. При этом главные плоскости оказываются вы„„ Ы„„ 1735792 А1 (54) ТЕЛЕОБЪЕКТИВ С ВНУТРЕННЕЙ ФОКУСИРОВКОЙ (57) Использование: оптическое приборостроение, геодезические приборы. Сущность изобретения: в трехкомпонентном объективе главная плоскость положительного фокусирующего компонента 3 расположена вблизи плоскости изображения, а его фокусное расстояние составляет 0,05...0,2 эквивалентного фокусного расстояния первого 1 и второго 2 компонентов, 1 с„1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл. двинутыми далеко вг еред. Сокращение габаритов характеризуется коэффициентом укорочения К телеобъектива, который вычисляется по формуле где L — расстояние от первого компонента до сетки (длина объектива);

4 экв — расстояние от задней главной плоскости до сетки (эквивалентное фокусное расстояние объектива).

С другой стороны, получение возможно меньших пределов фокусировки требует небольших фокусных расстояний объектива при малых расстояниях до предмета и

"нормального" невыдвинутого расположения главных плоскостей, Это должно обеспечиваться небольшими перемещениями подвижных компонентов, и тем легче удовлетворять указанные требования, чем больше оптическая сила фокусирующих систем.

Наконец, для визирных отсчетных зрительных труб (особенно в нивелирах, теодолитах) большое значение имеет постоянство

1735792 вает перемещение фокусирующей линзы, приходится несколько ослаблять требования к величинам приведенных выше коэффициентов. Это приводит к росту ближней

5 границы фокусировки (БГФ) до величин (4".8) э и

В табл. 1 приведены величины БГФ некоторых конкретных нивелиров.

Таким образом, даже теоретически, при

10 существующих марках оптического стекла при данной конструкции телеобъектива не удается получить БГФ менее 1,9 f < В реальных системах эта величина колеблется в пределах (4„,8) f>c, .

15 При правильном выборе геометрических параметров объектива эта схема менее чувствительна к поперечным смещениям фокусирующего компонента, чем схема, у которой наводка на резкость осуществляет20 ся перемещением всего объектива или сетки.

Z—

„ à — fl (х — р — т — Х) р, e" Г (,ОДЗ) 45

50 реальных системах из-за высоких требава- 55 ний к качеству изображения, а в нивелирах, положения визирной линии при перефокусировке, колебание которой возникает при поперечных смещениях фокусирующих компонентов в процессе наведения, обусловленных случайными местными и систематическими погрешностями изготовления направляющих, Известен объектив с внутренней фокусировкой, состоящий из двух компонентов — положительного неподвижного и отрицательного подвижного, перемещением которого обеспечивается фокусировка на близко расположенные предметы. Следующая формула связывает кратчайшее расстояние визирования с параметрами схемы:

+1

К ((1 > ) (! +,„К 1 - с! где f — эквивалентное фокусное расстояние объектива для случая визирования в бесконечность;

К вЂ” коэффициент укорочения объектива (также для случая визирования в бесконечность); ц — коэффициент, равный отношению расстояния между компонентами к длине объектива; ! — коэффициент, равный отношению расстояния от второго компонента до сетки при наименьшей дистанции фокусировки к длине объектива L.

Проанализируем эту зависимость, исходя из оптимальных и достигнутых на сегодняшний день величин, входящих в формулу.

Коэффициент укорочения К принимают равным 0,65 исходя из того, что до сих пор не удалось получить удовлетворительную систему с К < 0,65, Величину примем равной

0,5,так как именно такое значение обеспечивает минимальную оптическую силу второй группы линз и оптимальные условия с точки зрения коррекции аберраций.

Минимальное расстояние визирования рассчитывают для случая, когда в системе нет оборачивания, тогда фокусирующая может приближаться вплотную к сетке, при этом = 0,05, и при наличии призменной оборачивающей системы, тогда! = 0,17.

Для первого случая минимальное расстояние визирования получается равным примерно 1,9 f>, для второго — 2,2 f . В кроме того, еще и из-за необходимости вводить в поле зрения различную информацию, из-за чего вблизи сетки дополнительно размещаются оптические детали, что of ðàíè÷è- .

40 где a — угол отклонения визирной оси в секундах при поперечном смещении компонента на величину Х1;

f — эквивалентное фокусное расстояние

I объектива; — фокусное расстояние первого не1 подвижного компонента; р — коэффициент перерасчета радиан в угловые секунды, равен 206265.

Из формулы следует, что для уменьшения колебания визирной оси при перефокусировке фокусное расстояние должно быть возможно ближе к f>

Реально f1 = (0,5...075)f. Поэтому

При а"= 2, f = 400, X1 = (4...12) мкм.

Полученной величиной Х> определяются требования к направляющим подвижного компонента.

Известен объектив с внутренней фокусировкой, состоящий из трех компонентов, первого положительного неподвижного и второго и третьего фокусирующих, перемещающихся в разные стороны при наведении на близко расположенный предмет.

Причем второй компонент — положительный, а третий — отрицательный. Второй и третий компоненты совместно имеют отрицательную оптическую силу. В начальный момент, при расположении предмета в бесконечности, эта система подобна предыду1735792

40

50

55 щему телеобъективу. Первые компоненты аналогичны по своим параксиальным характеристикам, а второй и третий компоненты совместно аналогичны второму компоненту системы с отрицательной фокусирующей линзой.

Данная конструкция позволяет получить значительно меньшие расстояния визирования, так как кроме передвижения отрицательного фокусирующего компонента перемещается также второй положительный компонент к первому неподвижному компоненту, что позволяет сильнее уменьшить фокусное расстояние и перераспределить положение главных плоскостей. При расчетах конкретных схем удалось достигнуть БГФ, равной эквивалентному фокусному расстоянию при фокусировке на бесконечность. Так, например, объектив нивелира 2Н-05 позволяет визировать на расстояние 447 мм от первой поверхности при

f> = 450 мм. При анализе влияния попереч1 ного смещения отрицательного компонента на колебание визирной оси при перефокусировке можно воспользоваться той же формулой, что и в предыдущем случае, имея в виду под f< — эквивалентное фокусное

1 расстояние первого неподвижного и второго подвижного компонентов.

Так как первый компонент по своим геометрическим параметрам подобен первому неподвижному компоненту предыдущей схемы, то эквивалентное фокусное расстояние первого и второго компонентов будет меньше фокусного расстояния первого компонента предыдущей схемы. Поэтому объектив с двумя перемещающимися компонентами более чувствителен к поперечным децентрировкам отрицательного фокусирующего блока.

Основные недостатки известных схем телеобъективов — ограниченность диапазо-. на перефокусировки и невозможность получить резкое иэображение предмета, находящегося на расстоянии ближе эквивалентного фокусного расстояния объектива при бесконечно удаленном предмете.

Это объясняется тем, что фокусирующие элементы находятся далеко от плоскости изображения и тем самым существенно влияют на геометрию схемы в исходном состоянии, Поэтому они не могут обладать оптическими силами достаточной величины, чтобы при небольших перемещениях обеспечить положение эквивалентных главных плоскостей, требуемое для резкого видения предметов, практически совпадающих с первой поверхностью объектива.

К существенным недостаткам обеих схем также следует отнести высокую чувствительность к поперечным смещениям фокусирующих компонентов, что приводит к жестким требованиям к форме направляющих этих компонентов.

Кроме того, два перемещающихся компонента значительно усложняют конструкцию прибора.

Известен также объектив, состоящий из положительного компонента и подвижного положительного компонента, перемещением которого от сетки осуществляется наведение на близко расположенный предмет.

Такая схема объектива применяется в серийно выпускаемом изделии ППС-11, Объектив имеет значительную длину, большую, чем его эквивалентное фокусное расстояние при бесконечно удаленном предмете, Эта разница тем больше, чем дальше от плоскости изображения находится исходное положение фокусирующей линзы и чем меньше ее фокусное расстояние, Наиболее близким к предлагаемому является телеобъектив с внутренней фокусировкой, содержащий три компонента, первый из которых — положительный неподвижный, второй — отрицательный неподвижный, третий — положительный, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси, Перемещением третьего компонента осуществляется наведение на близко расположенный предмет.

Так как положительный фокусирующий компонент сильно удален от плоскости изображения, то его параметры, а именно фокусное расстояние, значительно влияют на геометрию схемы, Он не может обладать большой оптической силой, так как при ее увеличении возрастают габариты всего объектива при сохранении эквивалентного фокусного расстояния. С другой стороны, для осуществления эффективной фокусировки оптическая сила фокусирующего компонента должна быть как можно больше. Поэтому невозможно получить существенного расширения диапазона перефокусировки (от первой поверхности) при приемлемых габаритах прибора.

С другой стороны, из-за значительного удаления от плоскости изображения и отличной от нуля оптической силы линейное увеличение положительного фокусирующего компонента значительно отличается от единицы, это соответственно приводит к увеличению колебания визирной оси при смещении фокусирующего компонента.

Цель изобретения — повышение стабильности положения визирной оси при перефокусировке и сокращение наименьшего расстояния визирования.

1735792

10

20

35

45

55

Указанная цель достигается тем, что в телеобъективе с внутренней фокусировкой, содержащем три компонента, первый из которых положительный неподвижный, второй — отрицательный неподвижный, третий — положительный, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси, задняя главная плоскость третьего компонента при фокусировке на удаленный предмет расположена на расстоянии (-0,01...+0,03) f>,z от плоскости изображения, а его фокусное расстояние составляет (0,05„,0,2)т,z, где f1,2 — эквивалентное фокусное расстояние первого и второго компонентов.

Кроме того. третий компонент может быть выполнен из отрицательного и поло>кительного комгонентов.

На фиг. 1 изображена принципиальная оптическая схема телеобъектива в виде главных плоскостей компонентов; на фиг. 2 — то же, в виде конструктивного выполнения компонентов; на фиг. 3 — графики остаточных аберраций конкретного примера выполнения телеобъектива, Телеобъектив содержит первый неподвижный положительный компонент 1, второй неподвижный отрицательный компонент 2 и третий положительный компонент 3, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

Приведенный диапазон удаления задней главной плоскости компонента 3 от плоскости изображения позволяет выполнить этот компонент тонким, расположенным в непосредственной близости от нее. В случае, когда необходимо при бесконечно удаленном предмете значительно отодвинуть фокусирующий компонент от плоскости изображения, его можно выполнить в виде реверсивного двухкомпонентного телеобъектива, у которого первая линза или группа линз отрицательная, а вторая — положительная, либо в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к изображению.

В обоих случаях достигается вынос задней главной плоскости из "тела" фокусирующего компонента.

Размещение положительного фокусирующего компонента вблизи сетки приводит к тому, что не нарушается геометрия исходного телеобъектива, у которого главные плоскости оказываются выдвинутыми далеко вперед. Поэтому при одной и той же оптической силе объектива удалось получить значительно меньшие габариты, а значит, и массу всего прибора, Так как главные плоскости положительного фокусирующего компонента в начальный момент находятся в непосредственной близости от плоскости изображения и практически не влияют на геометрию схемы, то его оптическую силу можно сделать достаточно малой, чтобы при небольших перемещениях обеспечить резкое видение предмета, совпадающего с первой поверхностью.

Анализируя вывод, приведенный ранее, зависимости стабильности визирной оси от поперечного смещения фокусирующего компонента, можно сделать заключение о ее инвариантности к знаку этого компонента и, следовательно, ею можно воспользоваться при рассмотрении предложенной схемы. В этом случае под f< следует пони1 мать эквивалентное фокусное расстояние первого и второго неподвижных компонентов. Так как главные плоскости фокусирующего блока практически совпадают с плоскостью изображения, то его оптическая сила практически никак не сказывается на фокусном расстоянии всего объектива, полностью определяемого параметрами и расположением предыдущих частей, Следовательно, справедливо приближенное равенство ft = f, и числитель дроби об1» ращается в нуль.(приближенно), Значит, можно сделать вывод о том, что система практически нечувствительна к поперечным смещениям фокусирующего блока, чем достигается высокая стабильность визирной оси. Это особенно важнодля высокоточных визирных систем геодезических приборов, например для нивелиров типа Н05.

Кроме того, последние модели высокоточных нивелиров для увеличения точности наведения при одновременном сохранении ее скорости оснащаются двухступенчатыми системами фокусировки, у которых чувствительность точного механизма в 3-5 раз ниже механизма грубой наводки. В предлагаемом объективе отпадает необходимость в таком устройстве, так как при примерно одном и том же ходе подвижного компонента чувствительность его перемещению на начальном участке значительно ниже. В табл. 2 приводятся значения положения предмета при смещении фокусирующих компонентов на 0,1 мм относительно номинального положения, соответствующего бесконечно удаленному предмету, для различных нивелиров, имеющих разные схемы объективов, Из табл. 2 видно, что чувствительность фокусирующего механизма в предложенном объективе намного ниже. Значит, при одной и той же скорости перемещения компонента получают на начальном участке значительно меньшую чувствительность, 1735792

ТФ5 10

6К8

Воздух

ТФ12

ТФ5

Воздух 15

ЛКЗ

Воздух

Ф1

Воздух

СТК12 20

2" . 399,5 402 — — 0,6 мм, 55

Следовательно, отпадает необходимость в двухскоростном устройстве наведения, что ведет к снижению себестоимости и повышению надежноСти изделий.

Схема конкретного объектива приведе- 5 на на фиг. 2, где обозначены через r радиусы кривизны, а через d толщины линз и воздушные промежутки. Ниже представлены конструктивные параметры: г1 = 257 d1= 4,2

2 = 69,18 дг = 9 5 гз=2339 бз=38

r4 = 70,15 d4= 14,3 г5 = 71,12 d5 = 3,9

76 = 72,44 d6 = 121,38

r7 = -131,22 Ф = 3,1

r8 = 76,38 ds = var гд = 71,12 од=3 г1о = 41,59 d)o = 30 г11 = 34,67 d > > = 5

r

Фокусные расстояния, мм:

Объектив 402

Неподвижная часть 399,5

Фокусирующая система 30,4 25

На фиг, 3 представлены графики аберраций при бесконечно удаленном предмете, где AS — продольная сферическая аберрация;

Zs — сагиттальная кривизна;

Zm — меридианальная кривизна;

r — неизопланатизм;

m — высота луча во входном зрачка; и- угловое поле в пространстве предметов. 35

В табл. 3 приводятся значения положения предмета от первой поверхности в зависимости от изменения расстояния da между неподвижным и фокусирующим компонентами. 40

Таким образом, предлагаемый объектив хорошо корригирован в отношении всех. аберраций. перемещение положительной линзы обеспечивает наведение на предмет, находящийся на любом расстоянии от пер- 45 вой поверхности. Смещение фокусирующей линзы Х1 при изменении визирной оси на 2 составляет что значительно больше, чем для других схем объективов. Это увеличивает точность визирования или при ослаблении требований к направляющим подвижных систем ведет к снижению себестоимости.

Использование изобретения дает возможность при минимальных габаритах построить систему с неограниченным диапазоном перефокусировки и высокой стабильностью визирной оси. Возможность наведения на любые расстояния позволит оператору не заботиться о местоположении прибора, что особенно важно при работе в стесненных условиях, Также отпадает необходимость в изготовлении насадочных линз, применение которых частично решает эту задачу, Низкая чувствительность смещения визирной оси к поперечным смещениям фокусирующего компонента .значительно снижает требования к его направляющим, что, с одной стороны, уменьшает себестоимость прибора, а с другой — повышает его точность при снятии отсчетов с предметов, находящихся на различных дистанциях.

Кроме того, из-за благоприятной зависимости перемещения положительного компонента от положения предмета становится нецелесообразным применение в высокоточных визирных системах узла двухскоростной фокусировки, что также снижает себестоимость и увеличивает надежность прибора.

Формула изобретения

1. Телеобъектив с внутренней фокусировкой, содержащий три компонента, первый из которых, положительный неподвижный, второй — отрицательный неподвижный, третий — положительный, установленный. с возможностью перемещения вдоль оптической оси, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения стабильности положения визирной оси при перефокусировке и сокращения наименьшего расстояния визирования, задняя главная плоскость третьего компонента при фокусировке на удаленный предмет расположена на расстоянии (-0,01...+0,03)f> от плоскости изображения, а его фокусное расстояние составляет (0,05...0,2)f>,ã, где 11, эквивалентное фокусное расстояние первого и второго компонентов.

2, Телеобъектив по п. 1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что третий компонент выполнен из отрицательного и положительного компонентов, 1735792

Таблица 1

Таблица 2

656

118 101507

Таблица 3

Плоскость д ыя

Тип нивелира и тип схемы объектива

Н-05 с отрицательной фокусирующей линзой

2Н-05 с двумя фокусирующими компонентами

Предлагаемый объектив с положительной фокусирующей линзой (конструктивные параметры в и име е конк етного выполнения

Положение предмета, м от первой поверхности при смещении фокусирующей на 0,1 мм

1735792

ПАОскОсль изабдаженоя

Фиг. Z

01 3S, Р

2, О? Еь.Zm

Фиг.5