Например, Бобцов

Синтез силовых компонентов широкоугольных объективов

УДК 535.317.2 СИНТЕЗ СИЛОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ШИРОКОУГОЛЬНЫХ ОБЪЕКТИВОВ

© 2012 г. В. А. Безруков, канд. техн. наук; Г. В. Карпова, канд. техн. наук
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
E-mail: bezrukov@mail.ifmo.ru

Исследованы свойства телеконцентрической системы и предложена методика синтеза силовых компонентов широкоугольных объективов с использованием телеконцентрической системы.

Ключевые слова: широкоугольные объективы, телеконцентрическая система, силовые компоненты, аберрации.

Коды OCIS: 080.2740, 080.3620, 220.1000.

Поступила в редакцию 09.11.2011.

Основной задачей при создании широкоугольного объектива яв­ляется задача развития углового поля при заданной оптической силе объектива. Процесс разработки оптической системы начинается с синтеза силового компонента, который определяет оптическую силу системы. В  соответствии с методом синтеза, предложенного М.М.  Русиновым, необходимо наиболее полно использовать коррекционные возможности силовых компонентов для устранения главных полевых аберраций  – астигматизма и комы.
Рассмотрим один из вариантов компоновки силовых компонентов широкоугольных объективов с использованием телеконцентрической системы.
В соответствии с методом М.М. Русинова [1] силовые или базовые компоненты обозначаются буквой Б, а коррекционные компоненты  – буквой К. При синтезе базовых и коррекционных компонентов мы будем использовать сферические поверхности, свободные от астигматизма и комы относительно главного луча, проходящего через центр поверхности или через ее апланатические точки. Такие поверхности обозначаются следующими буквами: а  – апланатические поверхности, к – поверхности, концентричные зрачку, о  – плоские поверх­ ности.
Телеконцентрическая система – это афокальная или телескопическая система. Любую прямую, проходящую через общий центр концентрических поверхностей, можно рассматривать как новую ось такой системы. Поэтому вдоль

главного луча, как и вдоль оптической оси, в  такой системе сохраняется строгая афокальность, что приводит к отсутствию кривизны поля. Одновременно концентрические системы при совмещении зрачка с общим центром поверхностей являются также системами анастигматическими, оптическая сила которых определяется выражением из работы [1]

åΦ =-

1/nk+1 -1/nk rê

.

(1)

Применяя выражение (1) к рассматриваемой системе (рис. 1) и приравнивая его к нулю, получим условие образования телеконцентрической системы

r3 r2

=

1/n3 -1/n4 1/n3 -1/n2

.

(2)

Толщина по оптической оси определяется из выражения d = r2-r3.

n2 n3

n4

Рис. 1. Телеконцентрическая система Т(о, снк, к).

32 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

Располагая перед первой концентрической поверхностью плоскую поверхность, образуем с  учетом вышеприведенных выражений телеконцентрическую систему, состоящую из плоско-выпуклой линзы БТ(ок) и коррекционной концентрической линзы КТ(кк), входной зрачок которой располагается на плоскости раздела n1  –  n2. По классификации М.М.  Русинова полученную систему можно зашифровать в виде суммы

Ò(î, ñíê, ê) = ÁÒ (îê) + ÊÒ (êê).

(3)

В силу концентричности обеих поверхностей главный луч после преломления на плоской п­ оверхности войдет и выйдет по нормалям ко второй и первой поверхностям. Следствием этого будет отсутствие астигматизма и комы. В  силу условия образования телеконцентрической системы вдоль главного луча, как и вдоль оптической оси, сохранится строгая афокальность, что приводит к отсутствию кривизны поля. Плоская поверхность телеконцентрической системы внесет хроматизм увеличения, величина которого в угловой мере может быть определена путем дифференцирования закона преломления по показателю преломления [1]

dw¢ = èççæçnn11-n11 - nn22-n21ö÷ø÷÷÷tgw¢,

(4)

а условие устранения хроматизма увеличения будет иметь вид

n1 -1 n1n1

=

nn22-n21,

(5)

где n1 и n2  – коэффициенты дисперсий среды пространства предметов и материала линзы БТ(ок) соответственно. Угловое увеличение полученной системы равно

γt

=

γ

=

n1 n2

,

(6)

то есть в телеконцентрической системе выпол-

няется условие синусов Аббе, которое, как из-

вестно [1], несовместимо с условием ортоско-

пии. Поэтому телеконцентрическая система будет обладать дисторсией, рассчитываемой по известной формуле

D

=

cos w cos w¢

-1,

(7)

где w и w′ – углы главного луча с оптической осью в пространстве предметов и после преломления на плоской поверхности линзы БТ(ок).

Используя телеконцентрическую систему совместно с силовым элементом БТ(ок) и располагая входной зрачок на плоскости раздела n1  –  n2, образуем оптическую систему вида Ò(î, ñíê, ê) + Á(îê), свободную от астигматизма и комы, в которой соблюдается условие постоянства сферической аберрации по угловому полю.
Угловое увеличение полученной системы определяется из выражения

γ

=

n1 n2n5

,

(8)

где n5 – показатель преломления материала линзы Б(ок).
При контакте линз системы Т(о,  снк,  к)

­образуется поверхность нормальной концен-

трической склейки, (снк) определяющая боль-

шую положительную сферическую аберрацию всей системы.
Одним из коррекционных элементов, служащих для исправления сферической аберрации, является тонкий концентрический воздуш-

ный промежуток [1]. Создавая воздушный кон-

центрический промежуток в телеконцентриче-

ской системе от поверхности концентрической

нормальной склейки, можно активно влиять

на аберрации третьего и высших порядков. Это позволяет достичь исправления сферической аберрации на краю отверстия. Использование этого приема ограничено величиной воздушного промежутка, что обусловлено воз-

можностью непрохождения крайних лучей

широкого наклонного пучка. Поэтому целе-

сообразно использовать этот прием совместно

с  уменьшением толщины концентрической

линзы КТ(кк) при сохранении последнего ее р­ адиуса концентричным.
В обоих случаях первая поверхность базового элемента Б(ок) уже не будет плоской,

и  должна быть заменена на апланатическую

поверхность для главного луча, относительно

которого ведется исходная компоновка, т. е.

линза Б(ок) становится линзой Б(ак).

Применение обоих приемов для исправле-

ния сферической аберрации приводит к опти-
ческим системам силовых компонентов ши-
рокоугольных объективов вида К(о, снк, к)  + + Б(ак) и Á(îê) + Ê(êê) + Á(àê), которые свободны от астигматизма, комы и сферической

аберрации.

Полученные системы и графики аберраций

представлены на рис.  2 и 3. Основные оптиче-

ские характеристики представленных систем

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

33

h, мм 2,91
1,45

w, …° 49,0 42,4 34,6
24,5

DS′, мм

Zt′, Zs′, мм

–1 1 –4 –2

Рис. 2. Базовый компонент К(о, снк, к) + + Б(ак).

h, мм 2,79
1,39

w, …° 49,0 42,4
34,6
24,5

DS′, мм

Zt′, Zs′, мм

–1 1 –3

3

Рис. 3. Базовый компонент Б(ок) + К(кк) + + Б(ак).

имеют следующие значения: фокусное расстояние 29  мм, угловое поле в пространстве пред­ метов 98  угл. градусов и относительное отверстие 1:4.

Изложенная методика позволяет синтезировать силовые компоненты широкоугольных объективов, свободных от астигматизма, комы и сферической аберрации.

* * * * *

ЛИТЕРАТУРА
1. Русинов М.М. Техническая оптика. Л.: Машиностроение, 1979. 488 с.

34 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012