Объективы ОП

Оптическая система в зависимости от решаемой задачи может обстоять из различных оптических элементов, которые можно классифицировать следующим образом:

1. объективы;
2. окуляры;
3. коллективы;
4. оборачивающие системы;
5. отклоняющие системы.

Рассмотрим каждый элемент приведенной классификации в отдельности по его назначению (выполняемой функции).

Объективы ОП выполняют функцию преобразования информации, которую несет лучистый поток, идущий от объекта. Объектив может быть частью ОС или самостоятельной ОС, например, фотографические, киносъемочные, проекционные, телевизионных камер и др.

В зависимости от назначения объективы имеют различную конструкцию, но они обязательно включают в себя силовые оптические элементы, которые способны преобразовывать форму светового пучка, несущего информацию об объекте.

Общим для всех объективов являются их основные характеристики, к которым относятся:

• фокусное расстояние f' ;
• относительное отверстие D/f' или диафрагменное числе К;
• поле зрения 2ω' (2y');
• разрешающая способность и качество изображения.

По конструкции их можно разделить на линзовые (диоптрические), зеркально - линзовые (катодиоптрические) и зеркальные (катоптрические).

Рис. 3.2.1.2-1

В зависимости от величины поля зрения, относительного отверстия и качества изображения объективы имеют различную сложность.

Но назначению объективы можно подразделить на:

а/ объективы телескопических систем,

б / объективы микроскопов,

в/ фотообъективы (кинообъективы),

г/ проекционные объективы.

Объективы телескопических систем имеют малое поле зрения (до 15⁰), относительное отверстие (I : 12 до 1:40), фокусное расстояние от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров.

Линзовые объективы состоят из 2 ч 4 линз. Наиболее распространены двухлинзовые. Линзы у объективов диаметром до 100 мм, как правило, склеивают, при больших диаметрах устанавливают в оправы с воздушным промежутком, т. к. при склейке могут появляться напряжения, которые снижают качество изображения.

Рис. 3.2.1.2-2

Не склеенные объективы имеют лучшее качество изображения при те же характеристиках, однако они требуют более сложную оправу, которая обеспечит центрировку компонентов.

Линзовые объективы телескопических систем имеют предел по своей величине, т.к. возникают технологические трудности при получении болъшой массы стекла с хорошими оптическими характеристиками.

Самым большим линзовым объективом является объектив телескопа, установленного в Иеркской обсерватории (США). Он имеет диаметр 1,02 м и фокусное расстояние f ' = 18,9 м.

Зеркальные объективы имеют ряд преимуществ перед линзовыми, т.к. при этом значительно уменьшается длина трубы и полностью отсутствуют хроматические аберрации. Недостатком является неполное использование светового отверстия, трудности в устранении сферической аберрации, что вынуждает применять асферические поверхности.

Впервые зеркальные объективы появились в 1616 году. Дальнейшее развитие они получили в 19 и начале 20 веков. Преимущественно эти системы были катодиоптрическими.

Из зеркальных объективов наибольшее распространение получил объектив Кассегрена. Он состоит из двух зеркал: большого - параболического и малого выпуклого - гиперболического. По этой схеме построены все большие телескопы.

Из катодиоптрических систем наибольшее распространение получил объектив Шмидта, который состоит из сферического зеркала и коррекционной асферической пластинки, установленной в центре кривизны зеркала.

Рис. 3.2.1.2-3

Длина такой системы равна двум фокусным расстояниям зеркала, что является недостатком.

Применение пластинки Шмидта с системой Кассегрена устраняет этот недостаток и дает возможность сделать поверхности обоих зеркал сферической формы.

Рис. 3.2.1.2-4

В 1941 году профессор Максутов Д. Д. предложил вместо пластинки Шмидта устанавливать ахроматическим мениск со сферическими поверхностями.

Рис. 3.2.1.2-5

Кроме указанных систем, применяют коррекционные линзы в узкой части пучка, зеркала при этом имеют сферическую поверхность.

Рис. 3.2.1.2-6

В фокусе объектива устанавливают фотопластинку, телевизионную передающую трубку и другие приемники.

Значительное уменьшение длины объектива позволяет получить система телеобъектива. Это достигается вынесением задней главной плоскости вперед.

Рис. 3.2.1.2-7

Такие системы применяются в зрительных трубах и фотообъективах. Дополнительной характеристикой системы будет коэффициент телеобъектива - К_Т, К_Т = 0,6 ч 0,9.

Объективы микроскопов, кроме ранее указанных характеристик, еще характеризуются апертурой - А и линейным увеличением - V^х.

По своей конструкции разнообразны (однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные и т.д.).

В зависимости от коррекции объективы разделяются на:

а/ Монохроматы, в которых аберрации устранены для одной длины волны.

Применяются для работы в монохроматическом свете.

б/ Ахроматы, в них не исправлены сферохроматизм, вторичный спектр и кривизна поля.

Увеличение ахроматов V = I^х ч 100^х, апертура без иммерсии A = 0,05 ч 0,85, апертура с иммерсией А = 0,85 - 1,65.

В качестве примеров приведем следующие ахроматы:

- Однокомпонентный ахромат. Применяется для отсчетных микроскопов.

Рис. 3.2.1.2-8

Для него V = I^х ч 4^х, апертура A = 0,2.

- Двухкомпонентный ахромат. Применяются в штриховых отсчетных микроскопах с телецентрическим ходом лучей.

Рис. 3.2.1.2-9

Для него V = 5^х ч 10^х, апертура A = 0,2.

- Трехкомпонентный ахромат. Имеет ряд недостатков таких, как недостаточно исправленные аберрации - хроматизм увеличения, вторичный спектр, кривизна изображения.

Рис. 3.2.1.2-10

Для него V = 10^х ч 40^х, апертура A = 0,65.

- Четырехкомпонентный ахромат. Недостатки те же.

Рис. 3.2.1.2-11

Для него V = 40 ^х ч 90^х, апертура A = 1,25.

3) Апохроматы. В них устранена аберрация хроматизма по вторичному спектру, но не исправлена кривизна изображения, часть линз изготавливается из кристаллов флюорита, квасцов и др.

В качестве примеров приведем следующие ахпороматы:

• Трехкомпонентный апохромат. Применяется в лабораторных и исследовательских микроскопах.

Рис. 3.2.1.2-12

Для него V = 6^х, апертура A = 0,3.

• Четырехкомпонентный апохромат. Применяется там же.

Рис. 3.2.1.2-13

Для него V = 20^х, апертура A = 0,65.

Существуют апохроматы и с большим количеством компонентов.

4/ Планахроматы и планапохроматы. Отличаются от предыдущих исправленной кривизной изображения, что очень важно для микрофотографии. Для устранения кривизны вводятся дополнительные менисковые линзы - компенсаторы.

Пример планахромата приведен на рис.3.2.1.2-14.

Рис. 3.2.1.2-14

Для него V = 9^х, апертура A = 0,2.

Кроме того, объективы микроскопов классифицируются по виду (свойствам применяемой иммерсии):

а/ сухие системы (без иммерсии),

б/ водная иммерсия,

в/ масляная или однородная иммерсия,

г/ глицериновая иммерсия (ультрафиолетовая).

Сухие системы имеют апертуру от 0,05 до 0,3 и увеличение от 2^х до 90^х .

С водной иммерсией А = 0,15 - 1,2, при увеличениях от 6 до 90^х .

С масляной иммерсией А = 0,7 - 1,4, при увеличениях от 20 до 120^х .

С глицериновой иммерсией применяются в ультрафиолетовой области спектра и имеют А = 0,45 - 1,2 при увеличениях от 20 до 100^х .

В последнее время наряду с линзовыми объективами стали применяться зеркальные и зеркально-линзовые объективы. Достоинством зеркальных объективов является возможность их применения в широком спектральном диапазоне оптического излучения (от 0,2 до 15м мкм) без перефокусировки.

Характерной особенностью фото- и кинообъективов является хорошее качество изображения при большом поле изображения (зрения) и большем относительном отверстии. Применяются как простые, так и телеобъективы.

Фотообъективы характеризуются следущими характеристиками:

а/ фокусное расстояние f';

б/ угол поля изображения (зрения) 2 ω';

в/ относительное отверстие Д/f ' или диафрагменное число f '/Д;

г/ разрешающая способность, визуальная N _в и фотографическая N_ф в центре и на краю поля;

д/ коэффициенты светопропускания: общей τ и спeктральный τ_λ;

е/ коэффициент виньетирования Κ_w;

ж/ характер изменения освещенности по полю изображения;

з/ частотно-контрастная характеристика (ЧКХ).

Классифицируются объективы по ряду признаков, а именно:

- по степени исправления аберраций:

1. астигматы - объективы простой конструкции с недостаточным исправлением аберраций.

Они применяются в упрощенных фотокамерах и в профессиональной съемке для фотографирования пейзажей или портретов.

2. анастигматы - сложные объективы (три компонента и более).

У них в значительной степени исправлены астигматизм и кривизна поля. Применяются в большинстве современных фотоаппаратов.

- В зависимости от отношения фокусного расстояния к величине диагонали снимка объективы подразделяются на короткофокусные f' /L> I, нормальные f' /L = I, длиннофокусные f' /L < I.

Фокусные расстояния отечественных объективов нормированы и их величины представляют следующий ряд: f' = I2,5; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60; 65; 75; 80; 85; 105; 135; 150; 180; 210; 300; 500 и 1000 мм.

Рис. 3.2.1.2-15

Применяются объективы с переменным фокусным расстоянием (панкратические объективы). Фокусные расстояния объективов для любительских камер регламентированы ГОСТ 17278 - 71 для:

• 8 мм кинопленки: 10; 12; 15; 25; 50; 100; 260 мм;
• 16 мм кинопленки: 10 ; 50; 75, 100; 150; 200; 300 мм.

Для профессиональных киноаппаратов:

• 16 мм кинопленка (ГОСТ 9695 - 61): 8; 10; 12,5; 15; 20; 25; 32; 50; 75; 100; 125 и 150 мм;
• 35 мм кинопленка (ГОСТ 10728 - 64): 10 ÷ 1000 мм;
• 70 мм кинопленка (ГОСТ -10728 - 64): 15 ÷ 200 мм.

Переменное фокусное расстояние достигается или перемещением

компонентов самого объектива (вариообъективы) или перемещением компонентов специальной телескопической насадки, устанавливающейся на объектив с постоянным фокусным расстоянием.

Проекционные объективы составляют отдельную группу. Они имеют те же виды характеристик, но в отличие от съемочных должны иметь :

а/ минимальное виньетирование;

в/ высокую разрешающую способность (более 75 лин/мм);

Проекционные объективы должны обеспечивать:

а/ равномерную освещенность экрана;

б/ резкое изображение при короблении пленки вследствие ее нагрева;

в/ фокусное расстояние должно соответствовать расстоянию до экрана,

т. е. ,

где В_пр - ширина проекционного окна, В_э - ширина изображения на экране, L_пр - расстояние до экрана.

Примеры проекционных объективов:

Четырех линзовый объектив РО-107.

Рис. 3.2.1.2-16

Его технические характеристики: f' = 143,5 мм, N_ф = 80 ÷ 100 лин/мм в центре и 30 ч 40 лин/мм на краю поля зрения, К = 2,2, 2ω' = 12⁰.

Объектив П-5, приведенный на рис. 3.2.1.2-17.

Рис. 3.2.1.2-17

Его технические характеристики: f' = 90,5 мм, N_ф = 80 ÷ 100 лин/мм в центре и 30 ч 40 лин/мм на краю поля зрения, К = 2,0, 2ω' = 17⁰.

Шестилинзовый объектив РО-109 для демонстрации 16-мм фильмов.

Рис. 3.2.1.2-18