RU2784320C1

RU2784320C1 - Apochromat lens

Info

Publication number: RU2784320C1
Application number: RU2022104710A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Страхов; Джамиль Джониевич Бабаев; Александр Анатольевич Машиньян
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2022-11-23

Abstract

FIELD: telescopic systems.

SUBSTANCE: invention can be used as a lens for telescopic systems for various purposes. The apochromat objective includes two two-lens components separated by an air gap d₂, the first component contains biconvex and biconcave lenses arranged sequentially along the beam, separated by an air gap d₁, the lenses of the second component are separated by an air gap d₃. The second component consists of a plano-convex lens in series along the beam and a negative meniscus with its convex surface facing the plano-convex lens. The air gap d₂ satisfies the condition d₂≤D, where D is the diameter of the entrance pupil of the lens. The first and third lenses are made of glass that meets the conditions: 1.49≤n_d≤1.53 and 80≤ν_d≤85, and the second and fourth lenses are made of glass that meets the conditions: 1.55≤n_d≤1.57 and 60≤ν_d≤65, where n_d is the refractive index for the d line, ν_d is the Abbe number.

EFFECT: simplification of the design, increase in the working spectral range and increase in the field of view while maintaining the luminosity and a high degree of correction of geometric and chromatic aberrations of the device.

1 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

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 и фотографирования.The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used as a lens for telescopic systems for various purposes, including astronomical telescopes for visual observation and photography.

Известен объектив с исправленным вторичным спектром состоящий из трех компонентов [WO 2006/091181 А1, МПК G02B 11/16, G02B 9/343, опубл. 01.08.2006, "Lens system with corrected secondary spectrum"]. Первый компонент представляет собой два мениска, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, второй компонент выполнен из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третий компонент выполнен из линзы-мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости изображений.Known lens with a corrected secondary spectrum consisting of three components [WO 2006/091181 A1, IPC G02B 11/16, G02B 9/343, publ. 08/01/2006, "Lens system with corrected secondary spectrum"]. The first component consists of two menisci with their convex surfaces facing each other, the second component is made of biconvex and biconcave lenses, the third component is made of a meniscus lens with its concave surface facing the image plane.

Недостатком этого технического решения является наличие трех компонентов, разделенных большими (порядка фокусного расстояния объектива) воздушными промежутками, что ведет к увеличению габаритов объектива, его массы, сложности изготовления и повышенной трудоемкости сборки и юстировки. Кроме того, объектив имеет узкий рабочий спектральный диапазон и небольшое относительное отверстие.The disadvantage of this technical solution is the presence of three components separated by large (of the order of the focal length of the lens) air gaps, which leads to an increase in the dimensions of the lens, its weight, manufacturing complexity and increased complexity of assembly and adjustment. In addition, the lens has a narrow working spectral range and a small relative aperture.

Известен апохроматический объектив [Патент РФ №2429508, МПК G02B 9/14, опубл. 20.09.2011, бюл. 26], состоящий из оптически связанных расположенных по ходу лучей трех компонентов, первый и третий из которых являются положительными, при этом первый компонент выполнен в виде одиночной линзы, второй компонент имеет форму мениска, склеенного из двух линз, а третий компонент содержит две линзы и обращен вогнутой стороной к плоскости изображений, преломляющие поверхности линз компонентов являются сферическими, линзы выполнены из двух марок оптических стекол.Known apochromatic lens [RF Patent No. 2429508, IPC G02B 9/14, publ. 09/20/2011, bul. 26], consisting of optically connected three components located along the beams, the first and third of which are positive, while the first component is made in the form of a single lens, the second component has the shape of a meniscus glued from two lenses, and the third component contains two lenses and the concave side is turned to the image plane, the refractive surfaces of the lenses of the components are spherical, the lenses are made of two grades of optical glasses.

Недостатками этого технического решения являются большие величины воздушных промежутков между компонентами, (порядка фокусного расстояния объектива), что в совокупности с большим числом компонентов (3) ведет к усложнению конструкции и нестабильности взаимного положения компонентов в процессе эксплуатации. Кроме того, в объективе недостаточно хорошо исправлен хроматизм положения.The disadvantages of this technical solution are the large air gaps between the components (of the order of the focal length of the lens), which, together with a large number of components (3), leads to a more complex design and instability of the relative position of the components during operation. In addition, the position chromatism is not well corrected in the lens.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является четырехлинзовый апохроматический объектив [Патент РФ на полезную модель №192789, МПК G02B 9/14, опубл. 01.10.2019, бюл. 28], состоящий из двух компонентов, 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 - двояковыпуклую линзу и отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью в сторону плоскости изображений, разделенные воздушным промежутком d₃. Выполняются соотношения: 1,6≤n_X≤1,7 и 49≤ν_X≤55; 1,5≤n_Y≤1,7 и 51≤ν_Y≤66, d₃≤0,002f; d₂≤d₃, d₁≤d₃, 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.The closest in technical essence to the proposed invention is a four-lens apochromatic lens [RF Patent for utility model No. 192789, IPC G02B 9/14, publ. 01.10.2019, bul. 28], consisting of two components separated by an air gap d ₂ . The first component contains a biconvex and biconcave lenses made of two types of glass Y and X, respectively, and separated by an air gap d ₁ , the second one - a biconvex lens and a negative meniscus with a convex surface facing the image plane, separated by an air gap d ₃ . The following relations are fulfilled: 1.6≤n _X ≤1.7 and 49≤ν _X ≤55; 1.5≤n _Y ≤1.7 and 51≤ν _Y ≤66, d ₃ ≤0.002f; d ₂ ≤d ₃ , d ₁ ≤d ₃ , where n _X is the refractive index of glass brand X; n _Y - refractive index of glass brand Y; ν _X - Abbe number of glass brand X; ν _Y - Abbe number of glass brand Y; f is the focal length of the lens.

Недостатками этого объектива является узкий рабочий спектральный диапазон (0,479-0,656) мкм и малое поле зрения (0,3°).The disadvantages of this lens are a narrow working spectral range (0.479-0.656) µm and a small field of view (0.3°).

Технической задачей изобретения является расширение рабочего спектрального диапазона и увеличение поля зрения.The technical objective of the invention is to expand the working spectral range and increase the field of view.

Техническим результатом изобретения является упрощении конструкции, увеличение рабочего спектрального диапазона и увеличение поле зрения с сохранением светосилы и высокой степени коррекции геометрических и хроматических аберраций устройства.The technical result of the invention is to simplify the design, increase the working spectral range and increase the field of view while maintaining the aperture ratio and a high degree of correction of geometric and chromatic aberrations of the device.

Это достигается тем, что объектив-апохромат, включающий два оптически связанных двухлинзовых компонента, разделенных воздушным промежутком d₂, первый компонент содержит последовательно по ходу луча расположенные двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, разделенные воздушным промежутком d₁, линзы второго компонента разделены воздушным промежутком d₃, согласно изобретению второй компонент состоит из последовательно по ходу луча расположенных плоско-выпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклой поверхностью в сторону плоско-выпуклой линзы, причем воздушный промежуток d₂ удовлетворяет условию d₂≤D, где D - диаметр входного зрачка объектива, первая и третья линзы по ходу луча изготовлены из стекла, отвечающего условиям: 1,49≤n_d≤1,53 и 80≤ν_d≤85, а вторая и четвертая линзы по ходу луча из стекла, удовлетворяющим условиям: 1,55≤n_d≤1,57 и 60≤ν_d≤65, где n_d - показатель преломления для линии d, ν_d - число Аббе.This is achieved by the fact that the apochromat objective, which includes two optically coupled two-lens components separated by an air gap d ₂ , the first component contains biconvex and biconcave lenses sequentially along the beam, separated by an air gap d ₁ , the lenses of the second component are separated by an air gap d ₃ , according to the invention, the second component consists of a plano-convex lens located in series along the beam and a negative meniscus facing the convex surface towards the plano-convex lens, and the air gap d ₂ satisfies the condition d ₂ ≤D, where D is the diameter of the entrance pupil of the lens, the first and the third lenses along the beam are made of glass that meets the conditions: 1.49≤n _d ≤1.53 and 80≤ν _d ≤85, and the second and fourth lenses along the beam are made of glass that meets the conditions: 1.55≤n _d ≤1.57 and 60≤ν _d ≤65, where n _d is the refractive index for line d, ν _d is the Abbe number.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена оптическая схема объектива-апохромата, на фиг. 2 - график продольной хроматической аберрации для спектрального интервала (420 - 700) нм, на фиг. 3 - график полихроматического числа Штреля в рабочем спектральном диапазоне объектива, на фиг. 4 - графики частотно-контрастной характеристики объектива для центральной и краевой зоны поля зрения в сравнении с дифракционным пределом.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows the optical scheme of the apochromat lens, Fig. 2 is a graph of longitudinal chromatic aberration for the spectral interval (420 - 700) nm, in FIG. 3 is a graph of the polychromatic Strehl number in the working spectral range of the lens, in FIG. 4 - graphs of the frequency-contrast characteristics of the lens for the central and edge zones of the field of view in comparison with the diffraction limit.

Объектив-апохромат (см. фиг. 1) состоит из двух компонентов: первый компонент содержит двояковыпуклую линзу 1 и двояковогнутую линзу 2, второй - плоско-выпуклую линзу 3 и отрицательный мениск 4. Первый компонент отделен от второго воздушным промежутком d₂, а линзы внутри компонентов разделены воздушными промежутками d₁ и d₃ Воздушный промежуток d₁ служит для коррекции сферической аберрации высших порядков, d₃ - для коррекции сферохроматизма и полевых аберраций, а промежуток d₂ - для коррекции сферической аберрации. При этом d₂≤D, где D - диаметр входного зрачка объектива, воздушные промежутки d₁ и d₃ такие, что d₁, d₃<<d₂. В схеме объектива использовано два типа оптического стекла, первая и третья линзы по ходу луча изготовлены из стекла, показатель преломления, n_d, для линии d и число Аббе, ν_d, которого отвечают условиям: 1,49≤n_d≤l,53 и 80≤ν_d≤85; а те же параметры второй и четвертой по ходу луча линз, удовлетворяют условиям: 1,55≤n_d≤1,57 и 60≤ν_d≤65. Все оптические поверхности имеют сферическую форму.The apochromat lens (see Fig. 1) consists of two components: the first component contains a biconvex lens 1 and a biconcave lens 2, the second - a plano-convex lens 3 and a negative meniscus 4. The first component is separated from the second by an air gap d ₂ , and the lenses internally separated by d ₁ and d ₃ air gaps. The d ₁ air gap is for higher-order spherical aberration correction, the d ₃ is for spherochromatism and field aberration correction, and the d ₂ is for spherical aberration correction. While d ₂ ≤D, where D is the diameter of the entrance pupil of the lens, the air gaps d ₁ and d ₃ such that d ₁ , d ₃ <<d ₂ . The lens scheme uses two types of optical glass, the first and third lenses along the beam are made of glass, the refractive index, n _d , for the d line and the Abbe number, ν _d , which meet the conditions: 1.49≤n _d ≤l.53 and _{80≤νd≤85} ; and the same parameters of the second and fourth lenses along the beam, satisfy the conditions: 1.55≤n _d ≤1.57 and 60≤ν _d ≤65. All optical surfaces are spherical.

Объектив-апохромат работает следующим образом.The apochromat lens works as follows.

Параллельный пучок лучей от удаленного предмета проходит через входной зрачок объектива, совпадающий с первой поверхностью линзы 1, преломившись на ней, далее последовательно проходит через вторую поверхность линзы 1, поверхности линз 2-4, преломляясь на каждой из них, строит изображение этого предмета в фокальной плоскости F'. По пути следования светового пучка через линзы объектива происходит коррекция аберраций.A parallel beam of rays from a distant object passes through the entrance pupil of the lens, coinciding with the first surface of the lens 1, refracting on it, then sequentially passes through the second surface of the lens 1, the surfaces of the lenses 2-4, refracting on each of them, builds an image of this object in the focal plane F'. Along the path of the light beam through the objective lens, aberrations are corrected.

Ниже приведен пример конкретной реализации предлагаемого объектива-апохромата.Below is an example of a specific implementation of the proposed apochromat objective.

В качестве примера рассчитан следующий объектив:As an example, the following lens is calculated:

Фокусное расстояние F' - 613 ммFocal length F' - 613 mm

Относительное отверстие - 1:6Relative hole - 1:6

Рабочий спектральный диапазон объектива - 420 ÷ 700 нмWorking spectral range of the lens - 420 ÷ 700 nm

Угловое поле в пространстве предметов 2ω - 2°Angular field in object space 2ω - 2°

Конструктивные параметры рассчитанного объектива приведены в таблице 1.The design parameters of the calculated lens are shown in Table 1.

В строках «1», «2», «3» и «4» указаны радиусы кривизны, толщины, показатели преломления и числа Аббе для четырех линз. В строках «d₁» и «d₃» указаны воздушные промежутки между линзами первого и второго компонентов соответственно, а в строке «d₂» - воздушный промежуток между компонентами.Lines "1", "2", "3" and "4" indicate the radii of curvature, thicknesses, refractive indices and Abbe numbers for four lenses. The lines "d ₁ " and "d ₃ " indicate the air gaps between the lenses of the first and second components, respectively, and the line "d ₂ " - the air gap between the components.

Высокое качество изображения, создаваемого предложенным объективом-апохроматом, подтверждается графическими материалами, представленными на Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4.The high quality of the image created by the proposed apochromat objective is confirmed by the graphic materials shown in Fig. 2, Fig. 3 and FIG. four.

На Фиг. 2 приведен график продольной хроматической аберрации для спектрального интервала (420 - 700) нм. По оси абсцисс отложено изменение заднего фокального отрезка объектива для низкой зоны зрачка в микронах, по оси ординат отложена длина волны в микронах. Хорошо виден S-образный характер кривой продольной хроматической аберрации, что свидетельствует о высокой степени коррекции хроматической аберрации, величина которой в данном примере не превышает 64,08 мкм для низкой зоны зрачка, что составляет 1/9566 от величины фокусного расстояния объектива.On FIG. 2 shows a graph of longitudinal chromatic aberration for the spectral interval (420 - 700) nm. The abscissa shows the change in the rear focal length of the lens for the low pupil zone in microns, the ordinate shows the wavelength in microns. The S-shaped character of the longitudinal chromatic aberration curve is clearly visible, which indicates a high degree of chromatic aberration correction, the value of which in this example does not exceed 64.08 microns for the low pupil zone, which is 1/9566 of the focal length of the lens.

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.On FIG. 3 shows a graph of the polychromatic Strehl number in the working spectral range of the lens. The abscissa shows the coordinates of the field points in angular measure, and the ordinate shows the Strehl number. The system has diffraction quality in the working spectral range within the entire field of view.

На Фиг. 4 показаны графики частотно-контрастной характеристики объектива для центральной и краевой зоны поля зрения в сравнении с дифракционным пределом. По оси абсцисс отложена пространственная частота в мм^-1, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста в относительных единицах.On FIG. 4 shows graphs of the frequency-contrast response of the lens for the central and edge zones of the field of view in comparison with the diffraction limit. The abscissa shows the spatial frequency in mm ^-1 referred to the lens image plane, and the ordinate shows the contrast transfer coefficient in relative units.

Использование изобретения позволяет создать простую конструкцию объектива-апохромата с широким рабочим спектральным диапазоном и увеличенным полем зрения, с сохранением светосилы и высокой степени коррекции хроматических и геометрических аберраций, который может использоваться в телескопических системах различного назначения, в том числе, в качестве объектива астрономических телескопов для визуального наблюдения и фотографирования.The use of the invention makes it possible to create a simple design of an apochromat lens with a wide working spectral range and an enlarged field of view, while maintaining aperture ratio and a high degree of correction of chromatic and geometric aberrations, which can be used in telescopic systems for various purposes, including as a lens for astronomical telescopes for visual observation and photography.

Claims

An apochromat objective comprising two optically coupled two-lens components separated by an air gap d ₂ , the first component contains biconvex and biconcave lenses arranged in series along the beam, separated by an air gap d ₁ , the lenses of the second component are separated by an air gap d ₃ , characterized in that the second the component consists of a plano-convex lens in series along the beam and a negative meniscus facing the convex surface towards the plano-convex lens, and the air gap d ₂ satisfies the condition d ₂ ≤D, where D is the diameter of the entrance pupil of the lens, the first and third lenses along the beam are made of glass that meets the conditions: 1.49≤n _d ≤1.53 and 80≤ν _d ≤85, and the second and fourth lenses along the beam are made of glass that meets the conditions: 1.55≤n _d ≤ 1.57 and 60≤ν _d ≤65, where n _d is the refractive index for line d, ν _d is the Abbe number.