RU2302651C1 - Teleobjective - Google Patents

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: teleobjective consists of two components serially positioned along the direction of beams from object, first one of which consists of two glued lenses - biconvex one and concave-flat negative one, and second component - negative meniscus, facing the object with its concave part, an optical refraction element with flat surfaces is located behind the second component. In teleobjective, certain ratios, defined in invention, are maintained between value of air space between first and second components, thickness of third lens, total length of optical beam drive in optical refraction element with flat surface, focus distance of objective, radiuses of first, second, fourth and fifth optical surfaces and refraction coefficients and dispersion coefficients for line D of material of first and second lenses.

EFFECT: decreased shortening coefficient of teleobjective, decreased ratio of objective length to focus distance, increased ratio of back focal length to focus distance, increased manufacturability with high image quality.

5 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных оптических, например, в визуальных телескопических, а также в ИК-оптических системах.The present invention relates to optical instrumentation and can be used in various optical, for example, in visual telescopic, as well as in infrared optical systems.

Известен телеобъектив (М.И.Апенко, Л.А.Запрягаева, И.С.Свешникова «Задачник по прикладной оптике», Москва, Недра, 1987, стр.303), содержащий два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух одиночных линз - двояковыпуклой и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению; а второй компонент - одиночная двояковогнутая линза с равными по модулю радиусами. Этот объектив исправлен в спектральном диапазоне от 480 до 644 нм.A well-known telephoto lens (M.I.Apenko, L.A. Zapryagaeva, I.S.Sveshnikova "The problem book on applied optics", Moscow, Nedra, 1987, p. 303), containing two components, the first of which (along the rays) - positive, consisting of two single lenses - biconvex and negative meniscus, convex to the image; and the second component is a single biconcave lens with equal radii in absolute value. This lens is corrected in the spectral range from 480 to 644 nm.

Однако этот телеобъектив имеет большие продольные габариты, сложную конструкцию (он состоит из трех отдельных линз, что требует применения дополнительного кольца между первыми двумя линзами) и недостаточную технологичность (он содержит две поверхности, требующие повышенной точности изготовления и центрировки, а также необходимости их просветления).However, this telephoto lens has large longitudinal dimensions, a complex structure (it consists of three separate lenses, which requires the use of an additional ring between the first two lenses) and insufficient manufacturability (it contains two surfaces that require increased manufacturing accuracy and centering, as well as the need for their enlightenment) .

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является телефотообъектив (Патент США №2327759, НКИ 359-748, публ. 1943 г., фиг.1), содержащий два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных одиночных линз - двояковыпуклой и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению; а второй компонент - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету.The closest analogue to the claimed technical solution is a telephoto lens (US Patent No. 2237759, NKI 359-748, publ. 1943, figure 1), containing two components, the first of which (along the rays) is positive, consisting of two glued single lenses - biconvex and negative meniscus, convex to the image; and the second component is a single negative meniscus facing concavity to the subject.

Характеристики данного объектива:Characteristics of this lens:

фокусное расстояние f'focal length f ' 100 мм100 mm относительное отверстиеrelative hole 1:3,71: 3,7 угол поля зренияfield of view angle 7 град.7 deg. длина оптической системы (расстояние отoptical system length (distance from   первой до последней оптических поверхностей)first to last optical surfaces) 66,7 мм66.7 mm задний фокальный отрезокback focal length 23,1 мм23.1 mm коэффициент укорочения телеобъектива К_Т telephoto shortening coefficient K _T 0,8980.898

Выполнены соотношения:The relations are satisfied:

0,45≤d_в/f'≤0,90.45≤d _in / f'≤0.9

d/f'=0,667d / f '= 0.667

d₃/f'=0,667d ₃ / f '= 0.667

S'_F'/f'=0,231S '_F' / f '= 0.231

R₁/|R₂|=0,94R ₁ / | R ₂ | = 0.94

R₄/R₅=0,708R ₄ / R ₅ = 0.708

n₁=1,516n ₁ = 1,516

n₂=1,617n ₂ = 1,617

n₃=1,516n ₃ = 1,516

ν₁=64ν ₁ = 64

ν₂=36,6ν ₂ = 36.6

ν₃=64,ν ₃ = 64,

где d_в - величина воздушного промежутка между первым и вторым компонентами;where d _in - the amount of air gap between the first and second components;

d - длина объектива;d is the length of the lens;

d₃ - толщина третьей линзы;d ₃ is the thickness of the third lens;

f' - фокусное расстояние всего объектива;f 'is the focal length of the entire lens;

S'_F' - задний фокальный отрезок;S '_F' - posterior focal segment;

R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей;R ₁ , R ₂ , R ₄ , R ₅ - the radii of the first, second, fourth and fifth optical surfaces;

n₁, ν₁ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала первой линзы;n ₁ , ν ₁ - refractive index and dispersion coefficient for line D of the material of the first lens;

n₂, ν₂ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала второй линзы;n ₂ , ν ₂ - refractive index and dispersion coefficient for the line D of the material of the second lens;

n₃, ν₃ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала третьей линзы.n ₃ , ν ₃ - refractive index and dispersion coefficient for line D of the material of the third lens.

Данный телеобъектив имеет большой коэффициент укорочения телеобъектива, большое отношение длины объектива (расстояния от первой до последней оптических поверхностей) к фокусному расстоянию, малое отношение заднего фокального отрезка к фокусному расстоянию, которое не позволяет располагать за телеобъективом призму (или призмы) со значительной длиной хода лучей в стекле (крупногабаритные), и недостаточную технологичность, так как не содержит плоских оптических поверхностей. При обработке линз данного объектива должны изготавливаться пробные стекла и обрабатывающий инструмент на каждую оптическую поверхность, а на плоские поверхности пробные стекла и обрабатывающий инструмент всегда имеются в наличии. Кроме того, при контроле плоских поверхностей вместо пробного стекла можно использовать интерферометр, что позволяет повысить класс чистоты плоской поверхности.This telephoto lens has a large telephoto shortening coefficient, a large ratio of the lens length (distance from the first to the last optical surfaces) to the focal length, a small ratio of the back focal segment to the focal length, which does not allow a prism (or prism) to be placed behind the telephoto lens with a significant path length in glass (large), and lack of manufacturability, as it does not contain flat optical surfaces. When processing the lenses of this lens, test glasses and a processing tool should be made for each optical surface, and test glasses and a processing tool are always available on flat surfaces. In addition, when monitoring flat surfaces, an interferometer can be used instead of a test glass, which allows to increase the cleanliness class of a flat surface.

Задачей заявляемого изобретения является создание телеобъектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной технологичностью при высоком качестве изображения.The objective of the invention is the creation of a telephoto lens with improved performance and high adaptability with high image quality.

Технический результат - уменьшение коэффициента укорочения телеобъектива, уменьшение отношения длины объектива к фокусному расстоянию, увеличение отношения заднего фокального отрезка к фокусному расстоянию и повышение технологичности при высоком качестве изображения.The technical result is a decrease in the shortening factor of a telephoto lens, a decrease in the ratio of the lens length to the focal length, an increase in the ratio of the back focal length to the focal length, and an increase in manufacturability with high image quality.

Это достигается тем, что в телеобъективе, содержащем два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных линз - первой двояковыпуклой и второй - отрицательной, второй компонент - третья линза - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, показатель преломления материала второго компонента менее 1,55, в отличие от известного отрицательная линза первого компонента выполнена вогнутоплоской, за вторым компонентом введен оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями и, кроме того, выполняются условия:This is achieved by the fact that in a telephoto lens containing two components, the first of which (along the rays) is positive, consisting of two glued lenses - the first biconvex and the second - negative, the second component - the third lens - a single negative meniscus with a concavity facing the subject , the refractive index of the material of the second component is less than 1.55, in contrast to the known negative lens of the first component is made concave, behind the second component is an optical refractive element with flat surfaces and, In addition, the following conditions are met:

0,2≤d_в/f'≤0,30.2≤d _in / f'≤0.3

0,015<d₃/f'<0,020.015 <d ₃ / f '<0.02

0,4<R₁/|R₂|<0,550.4 <R ₁ / | R ₂ | <0.55

0,4<R₄/R₅<0,550.4 <R ₄ / R ₅ <0.55

1,42<n₁<1,51.42 <n ₁ <1.5

1,619<n₂<1,671.619 <n ₂ <1.67

66<ν₁<9866 <ν ₁ <98

33<ν₂<36,4,33 <ν ₂ <36.4,

где d_в - величина воздушного промежутка между первым и вторым компонентами;where d _in - the amount of air gap between the first and second components;

d₃ - толщина третьей линзы;d ₃ is the thickness of the third lens;

f' - фокусное расстояние всего объектива;f 'is the focal length of the entire lens;

R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей;R ₁ , R ₂ , R ₄ , R ₅ - the radii of the first, second, fourth and fifth optical surfaces;

n₁, ν₁ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала первой линзы;n ₁ , ν ₁ - refractive index and dispersion coefficient for line D of the material of the first lens;

n₂, ν₂ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала второй линзы.n ₂ , ν ₂ - refractive index and dispersion coefficient for the line D of the material of the second lens.

Оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями может быть выполнен в виде призмы (или призм) или плоскопараллельной пластины (или пластин), причем выполняется условие:An optical refractive element with flat surfaces can be made in the form of a prism (or prisms) or plane-parallel plate (or plates), and the condition is fulfilled:

0,3<d₄/f'<0,5,0.3 <d ₄ / f '<0.5,

где d₄ - суммарная длина оптического хода лучей в оптическом элементе.where d ₄ is the total length of the optical path of the rays in the optical element.

На чертеже представлена оптическая схема предложенного телеобъектива.The drawing shows an optical diagram of the proposed telephoto lens.

Телеобъектив состоит из двух последовательно расположенных по ходу лучей от предмета компонентов и оптического преломляющего элемента, первый из компонентов состоит из двух склеенных линз - двояковыпуклой 1, вогнутоплоской отрицательной 2, а второй компонент - отрицательный мениск 3, обращенный вогнутостью к предмету, оптический преломляющий элемент - плоскопараллельная пластина 4.A telephoto lens consists of two components sequentially located along the rays from the object and an optical refractive element, the first component consists of two glued lenses - a biconvex 1, a concave plane negative 2, and the second component - a negative meniscus 3, facing concavity to the object, the optical refractive element - plane parallel plate 4.

Предложенная оптическая система работает как собирающий из бесконечности объектив, то есть световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает в объектив, где проходит через линзы 1-3 и оптический преломляющий элемент 4 и образует изображение предмета в плоскости наилучшей установки, в которой установлен приемник оптического излучения (не показан) или в которой находится плоскость промежуточного изображения.The proposed optical system works like a lens collecting from infinity, that is, the light flux from an object located at infinity enters the lens, where it passes through lenses 1-3 and the optical refractive element 4 and forms an image of the object in the plane of the best installation in which the receiver is installed optical radiation (not shown) or in which the plane of the intermediate image is located.

Предложенная оптическая система может также работать как объектив коллиматора в обратном ходе лучей.The proposed optical system can also work as a collimator lens in the reverse ray path.

В соответствии с предложенным решением рассчитан телеобъектив, исправленный в спектральном диапазоне от 480 до 660 нм, причем основная расчетная длина волны λ=546 нм.In accordance with the proposed solution, a telephoto lens is calculated, corrected in the spectral range from 480 to 660 nm, with the main calculated wavelength λ = 546 nm.

Конструктивные параметры телеобъектива приведены в таблице 1.The design parameters of the telephoto lens are shown in table 1.

Характеристики рассчитанного объектива:Characteristics of the calculated lens:

фокусное расстояние f'focal length f ' 175,11 мм175.11 mm относительное отверстиеrelative hole 1:4,31: 4.3 угол поля зренияfield of view angle 6 град.6 deg. длина оптической системы объектива (расстояниеlens optical system length (distance   от первой до последней оптических поверхностей)from first to last optical surfaces) 65,4 мм65.4 mm задний фокальный отрезокback focal length 74,02 мм74.02 mm коэффициент укорочения телеобъектива К_т telephoto shortening factor K _t 0,7960.796

Выполнены условия:The conditions are met:

d_в/f'=0,2707d _in / f '= 0.2707

d₃/f'=0,01713d ₃ / f '= 0.01713

R₁/|R₂|=0,4944R ₁ / | R ₂ | = 0.4944

R₄/R₅=0,5034R ₄ / R ₅ = 0.5034

n₁=1,4874n ₁ = 1.4874

n₂=1,6641n ₂ = 1,6641

ν₁=70,02ν ₁ = 70.02

ν₂=35,43ν ₂ = 35.43

d₄/f'=0,463d ₄ / f '= 0.463

d/f'=0,3735d / f '= 0.3735

S'_F'/f'=0,4227,S '_F' / f '= 0.4227,

где d_в - величина воздушного промежутка;where d _in - the value of the air gap;

d - длина объектива;d is the length of the lens;

d₃ - толщина третьей линзы;d ₃ is the thickness of the third lens;

f' - фокусное расстояние всего объектива;f 'is the focal length of the entire lens;

S'_F' - задний фокальный отрезок;S '_F' - posterior focal segment;

f' - фокусное расстояние всего объектива;f 'is the focal length of the entire lens;

S'_F' - задний фокальный отрезок;S '_F' - posterior focal segment;

f' - фокусное расстояние всего объектива;f 'is the focal length of the entire lens;

R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей;R ₁ , R ₂ , R ₄ , R ₅ - the radii of the first, second, fourth and fifth optical surfaces;

n₁, ν₁ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала первой линзы;n ₁ , ν ₁ - refractive index and dispersion coefficient for line D of the material of the first lens;

n₂, ν₂ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала второй линзы;n ₂ , ν ₂ - refractive index and dispersion coefficient for the line D of the material of the second lens;

d₄ - суммарная длина оптического хода лучей в оптическом преломляющем элементе с плоскими поверхностями.d ₄ - the total length of the optical path of the rays in the optical refractive element with flat surfaces.

Таблица 1Table 1 Радиусы, ммRadii, mm Толщины, ммThickness mm Марка стеклаGlass mark Показатель преломления n_D Refractive Index n _D Коэфф. дисперсии ν_D Coeff. variance ν _D Световой диаметр, ммLight diameter mm R₁=41,69R ₁ = 41.69         4040   d₁=11d ₁ = 11 ЛКЗLKZ 1,48741.4874 70,0270.02   R₂=-84,33R ₂ = -84.33         4040   d₂=4d ₂ = 4 БФ28Bf28 1,66411,6641 35,4335.43   R₃=∞R ₃ = ∞         3838   d₃=47,4d ₃ = 47.4   1one     R₄=-27,1R ₄ = -27.1         2121   d₄=3d ₄ = 3 К8K8 1,51631,5163 64,0564.05   R₅=-53,83R ₅ = -53.83         2222   d₅=9,7d ₅ = 9.7   1one     R₆=∞R ₆ = ∞         20twenty   d₆=81d ₆ = 81 К8K8 1,51631,5163 64,0564.05   R₇=∞R ₇ = ∞         20twenty

Конструктивные параметры телеобъективаTelephoto lens design

В таблице 2 приведены аберрации для λ=546 нм рассчитанного варианта телеобъектива.Table 2 shows the aberrations for λ = 546 nm of the calculated telephoto lens variant.

Таблица 2table 2 Вид аберрацииType of aberration Предложенный светосильный объектив (не более)The proposed fast lens (no more) Поперечная сферическая аберрация для точки на оси при относительном отверстии 1:4,3Transverse spherical aberration for a point on the axis with a relative aperture of 1: 4.3 0,056 мм0.056 mm Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для поля зрения 2W=6 град.Transverse aberration of a wide inclined beam in the meridional section for the field of view 2W = 6 deg. 0,066 мм0.066 mm Поперечная аберрация широкого наклонного пучка в сагиттальном сечении для поля зрения 2W=6 град.Transverse aberration of a wide inclined beam in the sagittal section for the field of view 2W = 6 deg. 0,047 мм0.047 mm Меридиональный астигматический отрезок Х_м для поля зрения 2W=6 град.The meridional astigmatic segment X _m for the field of view 2W = 6 deg. -0,437 мм-0.437 mm Сагиттальный астигматический отрезок X_s для поля зрения 2W=6 град.Sagittal astigmatic segment X _s for the field of view 2W = 6 deg. -0,168 мм-0.168 mm Дисторсия для поля зрения 2W=6 град.Distortion for the field of view 2W = 6 deg. -0,041%-0.041%

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан телеобъектив с уменьшенным коэффициентом укорочения телеобъектива, уменьшенным отношением длины объектива к фокусному расстоянию, увеличенным отношением заднего фокального отрезка к фокусному расстоянию и повышенной технологичностью при высоком качестве изображения.Thus, as a result of the proposed solution, it is possible to obtain a technical result: a telephoto lens with a reduced telephoto shortening coefficient, a reduced ratio of the lens length to the focal length, an increased ratio of the back focal length to the focal length, and increased adaptability with high image quality are created.

Claims (5)

1. Телеобъектив, содержащий два компонента, первый из которых (по ходу лучей) - положительный, состоящий из двух склеенных линз - первой - двояковыпуклой и второй - отрицательной, второй компонент - третья линза - одиночный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, показатель преломления материала второго компонента менее 1,55, отличающийся тем, что отрицательная линза первого компонента выполнена вогнутоплоской, за вторым компонентом введен оптический преломляющий элемент с плоскими поверхностями и, кроме того, выполняются условия:1. A telephoto lens containing two components, the first of which (along the rays) is positive, consisting of two glued lenses - the first is biconvex and the second is negative, the second component is the third lens - a single negative meniscus facing concavity to the subject, refractive index the material of the second component is less than 1.55, characterized in that the negative lens of the first component is made concave, behind the second component an optical refractive element with flat surfaces is introduced and, in addition, lovia: 0,2≤d_B/f'≤0,3;0.2≤d _B / f'≤0.3; 0,015<d₃/f'<0,02;0.015 <d ₃ / f '<0.02; 0,4<R₁/|R₂|<0,55;0.4 <R ₁ / | R ₂ | <0.55; 0,4<R₄/R₅<0,55;0.4 <R ₄ / R ₅ <0.55; 1,42<n₁<1,5;1.42 <n ₁ <1.5; 1,619<n₂<1,67;1.619 <n ₂ <1.67; 66<v₁<98;66 <v ₁ <98; 33<v₂<36,4;33 <v ₂ <36.4; 0,3<d₄/f'<0,5,0.3 <d ₄ / f '<0.5, где d_B - величина воздушного промежутка между первым и вторым компонентами;where d _B is the air gap between the first and second components; d₃ - толщина третьей линзы;d ₃ is the thickness of the third lens; d₄ - суммарная длина оптического хода лучей в оптическом преломляющем элементе с плоскими поверхностями;d ₄ - the total length of the optical path of the rays in the optical refractive element with flat surfaces; f' - фокусное расстояние всего объектива;f 'is the focal length of the entire lens; R₁, R₂, R₄, R₅ - радиусы первой, второй, четвертой и пятой оптических поверхностей;R ₁ , R ₂ , R ₄ , R ₅ - the radii of the first, second, fourth and fifth optical surfaces; n₁, v₁ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала первой линзы;n ₁ , v ₁ - refractive index and dispersion coefficient for line D of the material of the first lens; n₂, v₂ - показатель преломления и коэффициент дисперсии для линии D материала второй линзы.n ₂ , v ₂ - refractive index and dispersion coefficient for line D of the material of the second lens. 2. Телеобъектив по п.1, отличающийся тем, что оптический преломляющий элемент выполнен в виде призмы.2. The telephoto lens according to claim 1, characterized in that the optical refractive element is made in the form of a prism. 3. Телеобъектив по п.1, отличающийся тем, что оптический преломляющий элемент выполнен в виде призм.3. The telephoto lens according to claim 1, characterized in that the optical refractive element is made in the form of prisms. 4. Телеобъектив по п.1, отличающийся тем, что оптический преломляющий элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластины.4. The telephoto lens according to claim 1, characterized in that the optical refractive element is made in the form of a plane-parallel plate. 5. Телеобъектив по п.1, отличающийся тем, что оптический преломляющий элемент выполнен в виде плоскопараллельных пластин.5. The telephoto lens according to claim 1, characterized in that the optical refractive element is made in the form of plane-parallel plates.