Телескопическая оптическая система (варианты)
Владельцы патента RU 2365954:
Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (RU)
Группа изобретений может быть использована для работы в прямом и в обратном ходе лучей, например, в качестве афокальной насадки для наблюдательных приборов переменного увеличения и в лазерных системах. Система состоит из первого компонента, выполненного в виде одиночной отрицательной линзы, и второго компонента, состоящего из двух положительных линз, первая из которых - одиночная, а вторая - склеена из отрицательной и положительной линз. В первом варианте линза первого компонента - двояковогнутая, а первая линза второго компонента - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, вторая - склеенная из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Выполняется соотношение |R1 2к|=|R3 2к|=|R4 2к|, где R1 2к; R3 2к; R4 2к - радиусы первой, третьей и четвертой оптических поверхностей второго компонента. Во втором варианте линза первого компонента - плосковогнутая. Линзы второго компонента - мениски, обращенные выпуклостями к изображению. Выполняется соотношение |R1 2к|=|R4 2к|. Технический результат - увеличение диаметра входного зрачка и увеличение углового поля зрения в пространстве предметов при высоком качестве изображения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.
Группа изобретений относится к оптическому приборостроению, может быть использована в телескопических системах, работающих в прямом и в обратном ходе лучей, например, в качестве афокальной насадки для наблюдательных приборов переменного увеличения и в лазерных системах.
Афокальная насадка устанавливается перед телескопической наблюдательной системой (зрительной трубой) в прямом ходе лучей для повышения видимого увеличения основной зрительной трубы и в обратном ходе, т.е. развернутой на угол 180° вокруг оси, перпендикулярной к оптической оси системы - для уменьшения видимого увеличения (И.А.Турыгин, «Прикладная оптика», М., «Машиностроение», 1965, с.223, фиг.6.28).
При работе в лазерной системе афокальная насадка используется для увеличения диаметра лазерного пучка либо для уменьшения его угловой расходимости («Теория оптических систем», Б.Н.Бегунов и др., М., «Машиностроение», 1981, с.336, рис.249).
Известны телескопические системы (SU 1811625, публ. 1993 г., RU 2189064, публ. 2002 г., G02B 23/00), сходные с системами Галилея, но работающие в обратном ходе лучей.
Наиболее близким аналогом к обоим вариантам заявляемых технических решений является телескопическая система Галилея (RU 2209455; публ. 2003 г. G02B 23/00;), содержащая объектив и окуляр, в которой объектив состоит из двух положительных линз, первая - склеенная из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, вторая выполнена в виде одиночной выпуклоплоской линзы, а окуляр - одиночная двояковогнутая линза. Система, рассчитанная для длин волн 589 и 1540 нм, имеет высокое качество изображения, видимое увеличение 5,5 крат при малой длине 45,89 мм. Угловое поле в пространстве предметов составляет 2′30′′, диаметр входного зрачка - 22,5 мм, выходного - 4,1 мм. При работе системы в обратном ходе лучей ее входной зрачок становится выходным с размером 22,5 мм, а угловое поле в пространстве предметов составляет 13′45′′. При использовании системы, например, в качестве афокальной насадки совместно с наблюдательной системой, имеющей диаметр входного зрачка 30-32 мм, для его заполнения требуется увеличение диаметра выходного зрачка и углового поля насадки, что является следствием увеличенного диаметра входного зрачка насадки.
Задачей заявляемого изобретения является создание телескопической оптической системы с улучшенными эксплуатационными характеристиками при высоком качестве изображения.
Технический результат - увеличение диаметра входного зрачка и увеличение углового поля зрения в пространстве предметов при высоком качестве изображения.
Указанный технический результат достигается при создании телескопической оптической системы, которая может быть выполнена двумя вариантами:
По первому варианту телескопическая оптическая система состоит из первого компонента, выполненного в виде одиночной двояковогнутой линзы, и второго компонента, состоящего из двух положительных линз. Первая линза второго компонента - одиночная, а вторая - склеенная из двояковогнутой и двояковыпуклой линз. Одиночная линза второго компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению. В системе сохраняется равенство: |R1 2к|=|R3 2к|=|R4 2к|, где R1 2к; R3 2к; R4 2к - радиусы первой, третьей и четвертой оптических поверхностей второго компонента. Между первым и вторым компонентами может быть расположена плоскопараллельная пластина, например светофильтр.
По второму варианту телескопическая оптическая система состоит из первого компонента, выполненного в виде одиночной отрицательной линзы и второго компонента, состоящего из двух положительных линз. Первая линза второго компонента - одиночная, а вторая - склеенная из отрицательной и положительной линз. Линза первого компонента выполнена в виде плосковогнутой, обращенной вогнутостью к изображению. Линзы второго компонента выполнены в виде менисков, обращенных выпуклостями к изображению. В системе сохраняется равенство: |R1 2к|=|R4 2к|, где R1 2к, R4 2к - радиусы первой и четвертой оптических поверхностей второго компонента. Перед первым компонентом может быть установлена плоскопараллельная пластина, например светофильтр. Плоскопараллельная пластина может быть приклеена к первому компоненту.
На фиг.1 представлена оптическая схема телескопической системы по первому варианту, на фиг.2 - по второму варианту.
Телескопическая оптическая система по первому варианту (фиг.1) содержит первый компонент, выполненный в виде двояковогнутой линзы 1, и второй компонент, состоящий из одиночного положительного мениска 2, обращенного выпуклостью к изображению, и положительной линзы, склеенной из двояковогнутой 3 и двояковыпуклой 4 линз. Между первым и вторым компонентом может быть расположена плоскопараллельная пластина 5, например светофильтр.
Телескопическая оптическая система по второму варианту (фиг.2) содержит первый компонент, выполненный в виде плосковогнутой линзы 6, обращенной вогнутостью к изображению, и второй компонент, состоящий из одиночного положительного мениска 2, обращенного выпуклостью к изображению, и положительного мениска, склеенного из отрицательного 7 и положительного менисков 8. Все мениски обращены выпуклостью к изображению. Перед первым компонентом - линзой 6 - может быть установлена плоскопараллельная пластина 9, например светофильтр. Она может быть приклеена к линзе 6.
Апертурная диафрагма (входной зрачок) совпадает с первой поверхностью линзы 1 или линзы 6, но может находиться и в другом месте.
Телескопические оптические системы по обоим вариантам работают следующим образом. Световые лучи от предмета, расположенного в бесконечности, проходя последовательно через оптические элементы системы, выходят в виде параллельных пучков лучей, образуя изображение в бесконечности. Предлагаемая телескопическая оптическая система может также работать и в обратном ходе лучей, то есть, когда первым по ходу лучей расположен второй компонент, а за ним - первый компонент.
Рассчитаны два варианта телескопической системы. Вариант 1 выполнен в виде двух исполнений. Исполнение 2 отличается применением светофильтра 5. Конструктивные параметры телескопической оптической системы по первому варианту приведены в табл.1 и 2.
Варианты исправлены в видимом диапазоне спектра:
исполнение 1 первого варианта - в спектральном диапазоне 486…656 нм;
исполнение 2 первого варианта - в спектральном диапазоне 510…656 нм;
второй вариант - в спектральном диапазоне 510…656 нм.
| Таблица 1 | |||||
| КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИСПОЛНЕНИЯ 1 ПЕРВОГО ВАРИАНТА | |||||
| Радиус, мм | |||||
| Толщина, мм | Марка стекла | Показатель преломления nе | Коэфф. дисперсии νe | Световой диаметр, мм | |
| R1 1к=-68,55 | 16 | ||||
| d1=l,3 | СТКЗ | 1,662237 | 57,09 | ||
| R2 1к=20,61 | 16 | ||||
| d2=36,16 | 1 | ||||
| R1 2к=-91,41 | 27,5 | ||||
| d3=4 | TK16 | 1,615192 | 58,09 | ||
| R2 2к=-44,87 | 28,4 | ||||
| d4=0,2 | 1 | ||||
| R3 2к=-91,41 | 28,6 | ||||
| d5=2,6 | Ф113 | 1,624583 | 36,12 | ||
| R4 2к=91,41 | 29,6 | ||||
| d6=7,l | К8 | 1,518294 | 63,83 | ||
| R5 2к=-34,83 | 30,2 |
Характеристики телескопической оптической системы по первому варианту:
| Видимое увеличение | 0,34 крат |
| Диаметр входного зрачка | 10,26 мм |
| Угловое поле в пространстве предметов | 21° |
Конструктивные параметры телескопической системы по второму варианту приведены в табл.3. Характеристики телескопической оптической системы по второму варианту:
| Видимое увеличение | 0,5 крат |
| Диаметр входного зрачка | 16,12 мм |
| Угловое поле в пространстве предметов | 14° |
| Таблица 2 | |||||
| КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИСПОЛНЕНИЯ 2 ПЕРВОГО ВАРИАНТА | |||||
| Радиус, мм | Толщина, мм | Марка стекла | Показатель преломления nе | Коэфф. дисперсии νe | Световой диаметр, мм |
| R1 2к=-68,55 | 16 | ||||
| d1=1,3 | СТК3 | 1,662237 | 57,09 | ||
| R2 2к=20,61 | 16 | ||||
| d2=5 | 1 | ||||
| R1 ПЛ=∞: | 17,2 | ||||
| d3=1,6 | ЖС18 | 1,524994 | 63,83 | ||
| R2 ПЛ=∞: | 17,2 | ||||
| d4=30,1 | 1 | ||||
| R1 2к=-91,41 | 27,5 | ||||
| d5=4 | TK16 | 1,615192 | 58,09 | ||
| R2 2к=44,87 | 28,4 | ||||
| d6=0,2 | 1 | ||||
| R3 2к=-91,41 | 28,6 | ||||
| d7=2,6 | Ф113 | 1,624583 | 36,12 | ||
| R4 2к=91,41 | 29,6 | ||||
| d8=7,1 | К8 | 1,518294 | 63,83 | ||
| R5 2к=-34,83 | 30,2 |
| Таблица 3 | |||||
| КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ВТОРОГО ВАРИАНТА | |||||
| Радиус, мм | Толщина, мм | Марка стекла | Показатель преломления, nе | Коэфф. дисперсии νe | Световой диаметр, мм |
| R1 ПЛ=∞ | 16,2 | ||||
| d1=1,7 | ЖС18 | 1,524994 | 63,83 | ||
| R1 1к=∞ | 16,1 | ||||
| d2=1,8 | K8 | 1,518294 | 63,83 | ||
| R2 lK=25,7 | 16,1 | ||||
| d3=37,79 | 1 | ||||
| R1 1к=-179,47 | 29 | ||||
| d4=3,8 | TK16 | 1,615192 | 58,09 | ||
| R2 2к=-54,45 | 29,6 | ||||
| d5=1 | 1 | ||||
| R3 2к=-47,64 | 29,7 | ||||
| d6=2,7 | Ф113 | 1,624583 | 36,12 | ||
| R4 2к=-179,47 | 31,1 | ||||
| d7=5,7 | К8 | 1,518294 | 63,83 | ||
| R5 2к=-36,14 | 32 |
В табл.4 приведены аберрации рассчитанной телескопической системы для λ=546 нм для первого и второго вариантов.
Таким образом, в результате предложенных решений обеспечено получение технического результата: созданы телескопические оптические системы с увеличенным диаметром входного зрачка (не менее 10,26 мм) и угловым полем зрения (не менее 2W=14°) при высоком качестве изображения, что следует из табл.4.
Кроме того, предложенные варианты телескопической системы отличаются повышенной технологичностью, так как радиусы: в первом варианте - трех, а во втором - двух оптических поверхностей равны по абсолютной величине, что позволяет унифицировать часть пробных стекол и обрабатывающего инструмента.
| Таблица 4 | |||
| Вид аберрации | Значение аберрации, не более | ||
| Первый вариант, исполнение 1 | Первый вариант, исполнение 2 | Второй вариант | |
| Поперечная сферическая аберрация для точки на оси | 0,183 мин | 0,381 мин | 0,05 мин |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=21° | 1,366 мин | 1,57 мин | 0,05 мин |
| Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=21° | 1,375 мин | 1,621 мин | 0,027 мин |
| Меридиональный астигматический отрезок Хм для поля зрения 2W=21° | -0,0285 дптр | -0,0355 дптр | 0,0188 дптр |
| Сагиттальный астигматический отрезок Xs для поля зрения 2W=21° | -0,0283 дптр | -0,0306 дптр | -0,002 дптр |
| Дисторсия для поля зрения 2W=21° | -1,4% | -1,4% | -0,71% |
1. Телескопическая оптическая система, состоящая из первого компонента, выполненного в виде одиночной двояковогнутой линзы, и второго компонента, состоящего из двух положительных линз, первая из которых - одиночная линза, а вторая - склеенная из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, отличающаяся тем, что одиночная линза второго компонента выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью к изображению, и имеет место равенство
|R1 2к|=|R3 2к|=|R4 2к|,
где R1 2к; R3 2к; R4 2к - радиусы первой, третьей и четвертой оптических поверхностей второго компонента.
2. Телескопическая оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что между первым и вторым компонентами расположена плоскопараллельная пластина, например, светофильтр.
3. Телескопическая оптическая система, состоящая из первого компонента, выполненного в виде одиночной отрицательной линзы, и второго компонента, состоящего из двух положительных линз, первая из которых - одиночная линза, а вторая - склеенная из отрицательной линзы и положительной линзы, отличающаяся тем, что линза первого компонента выполнена в виде плосковогнутой, а линзы второго компонента выполнены в виде менисков, обращенных выпуклостями к изображению, и имеет место равенство
|R1 2к|=|R4 2к|,
где R1 2к; R4 2к - радиусы первой и четвертой оптических поверхностей второго компонента.
4. Телескопическая оптическая система по п.3, отличающаяся тем, что перед первым компонентом установлена плоскопараллельная пластина, например светофильтр.
5. Телескопическая оптическая система по п.4, отличающаяся тем, что плоскопараллельная пластина приклеена к первому компоненту.
