§ 119. Гидросъемочные объективы с использованием эллиптических поверхностей

Кардинальное решение задачи создания широкоугольного и светосильного гидросъемочного объектива с высокой равномерностью освещенности по полю зрения и при исправленной дисторсии может быть обеспечено при использовании в них плоскоэллиптических линз с глубокой несферической поверхностью.

Сопоставляя работу плоскопараболической и плоскосферической линз в воздухе, можно увидеть, что первая линза, сохраняя анастигматичность, при определенной величине показателя преломления становится корригированной на дисторсию.

Вместе с тем для плоскосферической линзы наблюдаем отсутствие дисторсии при исправленном астигматизме в том случае, когда среда, расположенная с плоской стороны такой линзы, обладает показателем преломления, равным показателю преломления стекла самой линзы.

Таким образом, при переходе от параболической формы поверхности к сферической и при сохранении анастигматической и ортоскопической коррекции происходит изменение показателя преломления от единицы до величины показателя преломления стекла линзы. Поэтому если остановиться на каком-то промежуточном показателе преломления, например на показателе преломления воды, то для осуществления анастигматической и ортоскопической коррекции должен определиться промежуточный — эллиптический — профиль преломляющей поверхности.

Рис. 23.9. Работа плоскоэллиптической линзы

Перейдем к определению этого профиля. На рис. 23.9 представлен ход главного луча через плоскоэллиптическую линзу, перед плоской поверхностью которой находится водная среда, а позади эллиптической поверхности — воздушная; показатели преломления обозначим через

Главный луч образует с осью линзы углы и и пересекает ось по выходе из линзы в точке геометрического фокуса эллиптической поверхности.

Расстояние от вершины эллиптической поверхности до фокальной плоскости, проходящей через задний фокус линзы обозначим через положение геометрического фокуса определим отрезком

Величина реального изображения согласно рис. 23.9, определится по формуле

величина неискаженного изображения будет равна

Заднее фокусное расстояние может быть определено через величину радиуса в вершине линзы

переднее фокусное расстояние находим из выражения

В соответствии с формулами (23.15) и (23.16) формулы (23.13) и (23.14) преобразуются:

Для устранения дисторсии величины и должны быть равны друг другу. Поэтому

откуда может быть определено отношение величин

Согласно формуле (14.78), отношение величин должно быть равно

что позволяет формулу (23.19) представить в виде

Освобождаясь от иррациональности в этой формуле, получаем

откуда

где а — большая полуось эллипса.

Полагая угол заданным, определим угол Согласно закону преломления, легко определяется угол

Углы падения и преломления на второй эллиптической поверхности также связываются через закон преломления

что позволяет, задавшись углом найти угол

Тогда и угол определится согласно формулё

Приведем численный пример. Полагая (стекло марки и задавая угол в воде, находим

Принимая затем угол определим углы и

После этого, в соответствии с формулой (23.23), находим

Если получим: длина большой полуоси ; длина малой полуоси ; эксцентриситет и отрезок до зрачка

Размещая после такой линзы концентрическую линзу или линзу с последней поверхностью, совмещенной с изображением, можно обеспечить при соответственном подборе ее оптической силы исправление кривизны поля; имея же в концентрической линзе нормальную склеенную концентрическую поверхность, представляется возможным исправить сферическую аберрацию.

Таким путем приходим к системе вида

строго корригированной на астигматизм для всего поля зрения и исправленной на дисторсию и кривизну поля для определенного полевого угла.

Такая система будет корригирована и на сферическую аберрацию; однако эллиптическая поверхность внесет в изображение некоторую кому.

Для размещения диафрагмы в подобной системе может быть образован воздушный промежуток за счет вырезания воздушной биапланатической линзы.

В этом случае схема гидросъемочного объектива с плоскоэллиптической линзой преобразуется и может быть записана в виде

У одной из базовых линз вблизи материальной диафрагмы может быть отрезана тонкая линза, изменяя прогиб которой можно воздействовать на кому, не затрагивая при этом исправление астигматизма.

В таком виде приходим к схеме гидросъемочного объектива «Гидроруссар-6» с полем зрения в воде и с относительным отверстием при соблюдении освещенности изображения на краю поля порядка 80% от освещенности в центре поля.

Схема объектива «Гидроруссар-6» и графики его аберраций представлены на рис. 23.10.

(кликните для просмотра скана)

Следует обратить бнимание на несмотря на значительную величину относительного отверстия в объективе «Гидроруссар-6», оптическая сила создается лишь одной сферической поверхностью — наружной поверхностью первого базового компонента.

Поэтому совершенно естественным явилось стремление перейти к усложненному силовому компоненту, построенному из двух или трех силовых элементов — обычному объективу типа плазмат с добавлением силовой линзы

Подобная линза, будучи положительной, вносит отрицательную кривизну поля, при помощи которой может быть частично скомпенсирована положительная кривизна плоскоэллиптической линзы.

Рис. 23.12. Объектив «Гидроруссар-9»

Кроме того, после плоскоэллиптической линзы может быть введена линза составляющая вместе с ней телескопическую систему.

В этом случае приходим к гидросъемочным объективам вида

осуществленным под названиями «Гидроруссар-7» и «Гидроруссар-9».

Эти два объектива, так же как и объектив «Гидроруссар-6», имеют поле зрения в воде но их относительные отверстия повышены до соответственно; светораспределение

обеспечивает освещенность на краю поля порядка 80% от освё щенности в центре поля.

Схемы объективов «Гидроруссар-7» и «Гидроруссар-9» с графиками их аберраций представлены на рис. 23.11 и 23.12.