Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование вторичного спектра 7
Раздел 1. Хроматизм положения 8
Раздел 2 Вторичный спектр
Глава 2. Апохроматические системы 19
Раздел 1. Апохроматические системы с голограммным оптическим элементом 20
Раздел 2. Апохроматические системы из ахроматизованных компонентов 26
Раздел 3. Апохроматические системы с неахроматизованных компонентов 31
Глава 3. Объективы коллиматоров для области спектра 400-900нм 35
Глава 4. Светосильные объективы для области спектра 400-900 нм 43
Глава 5. Оценка влияния изменения конструктивных параметров и температуры окружающей среды на качество изображения систем 55
Заключение : 75
Библиография
- Вторичный спектр
- Апохроматические системы из ахроматизованных компонентов
- Светосильные объективы для области спектра 400-900 нм
- Оценка влияния изменения конструктивных параметров и температуры окружающей среды на качество изображения систем
Введение к работе
Актуальность работы:
В связи с созданием и широким распространением приемников оптического излучения, работающих в спектральном интервале, превышающем границы видимой области, возникает необходимость разработки соответствующих объективов. Такие системы используются, например, в приборах для сумеречного наблюдения в условиях естественной освещенности с использованием матричных приемников, обеспечивающих высокую чувствителыгость в спектральном диапазоне 400 - 900 нм.
Принципиальной трудностью при разработке длиннофокусных, светосильных систем, работающих в широком спектральном интервале, является устранение вторичного спектра, как аберрации определяющей качество изображения таких систем.
Вопросы теории и практики проектирования и расчета апохроматнческих систем получили развитие в трудах Л.Н. Андреева, Д.Ю. Гальперна, А.П. Грамматика, Г.А Можарова, Б.Л. Нефедова, М.М. Русинова, Г.Г. Слюсарева, В.Н. Чуриловского, R.E.Stephens, C.G. Wynne и др.
Для создания апохроматнческих систем часто используются кристаллы (кварцевое стекло, фтористый литий и др.) и стекла с особым ходом дисперсии. Системы из этих материалов, как правило, являются чувствительными к изменению температуры окружающей среды. Вследствие чего возникают терморассфокуссирока и термоаберрации, которые необходимо учитывать при разработке данного типа систем.
Актуальной является задача исследования возможности создания апохроматнческих систем для спектрального диапазона 400 - 900 нм, аберрационные свойства которых будут изменяться в допустимых пределах при изменении температуры.
Цель работы:
Анализ исследования возможности создания и разработка апохроматнческих линзовых объективов, работающих в области спектра 400-900 нм.
Задачи исследования:
-
Построение диаграммы зависимости относительной частной дисперсии от коэффициента дисперсии в области спектра 400 - 900 нм для стекол ГОСТа 3514- 94, флюорита и фтористого лития
-
Исследование классических формул хроматических аберраций второго порядка для области спектра 400 - 900 нм.
-
Исследование возможности коррекции вторичного спектра для диапазона длин волн 400-900 нм на основе стекол с обычным ходом дисперсии.
-
Разработка объективов коллиматоров, работающие в области спектра 400-900 нм.
5. Разработка светосильных объективов для области спектра 400 - 900 нм.
Методы исследования:
При решении поставленных задач использовались методы:
-
Компьютерного моделирования оптических систем
-
Автоматизированного проектирования оптических систем
-
Оптимизации конструктивных параметров оптических систем Научная новизна работы:
-
Показана принципиальная возможность полного устранения вторичного спектра в системах из стекол с обычным ходом дисперсии.
-
Обнаружено наличие трех экстремальных точек кривой остаточного хроматизма при апохроматической коррекции в диапазоне длин волн 400-900 нм!
-
Подтверждена возможность создания и приведены расчеты объективов коллиматоров для области спектра 400-900 нм из стекол с обычным ходом дисперсии.
-
Подтверждена возможность создания и выполнены расчеты светосильных объективов для области спектра 400 - 900 нм из стекол с обычным ходом дисперсии.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Возможность полного устранения вторичного спектра в системах из стекол с обычным ходом дисперсии.
-
Принципы построения оптических систем с апохроматической коррекцией для трех длин волн из стекол с обычным ходом дисперсии.
-
Коэффициент пропорциональности вторичного спектра фокусному расстоянию системы из ахроматических компонентов, выполненных из стекол с обычным ходом дисперсии для спектрального диапазона 400-900 нм.
-
Оптические схемы линзовых объективов коллиматоров, работающих в области спектра 400 - 900 нм.
-
Оптические схемы светосильных линзовых объективов, работающих в области спектра 400 - 900 нм.
-
Оценка чувствительности полученных систем к изменению температуры окружающей среды.
Практическая ценность работы:
-
Разработаны практические рекомендации по созданию апохроматических систем из стекол с обычным ходом дисперсии.
-
Сформулированы практические рекомендации по выбору марок оптических стекол для создания апохроматических термостабильных систем, работающих в области спектра 400 - 900 нм.
-
Диаграмма зависимости относительной частной дисперсии от коэффициента дисперсии в области спектр 400-900 нм для стекол ГОСТа 3514-94, флюорита и фтористого лития.
Апробация работы:
Основные результаты работы представлялись на VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2009); VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2010); VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2011); XXXIX научной и учебно -методической конференции СПбГУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2010); XL научной и учебно - методической конференции НИУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2011); XXLI научной и учебно - методической конференции НИУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2012).
Проводимые исследования поддержаны индивидуальным грантом комитета по науке и высшей школе Правительства г. Санкт - Петербурга в 2011 году (ПСП №11628). Публикации:
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Личный вклад автора:
Личное участие в апробации результатов исследования; при участии автора, проводилась подготовка основных публикаций по выполненной работе; непосредственно автором были проведены исследования возможности коррекции вторичного спектра и создания апохроматических систем для области спектра 400-900 нм; рассчитаны новые оптические схемы длиннофокусных и светосильных объективов. Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 41 наименований и 3 приложений; содержит 107 страниц основного текста, 60 рисунков и 15 таблиц.
Вторичный спектр
Поэтому такой способ выбора третьего стекла для систем, работающих в спектральном диапазоне 400 - 900 нм не подходит.
В работах [18-21] приведены методы подбора третьего стекла, обладающего необходимыми гипотетическими частными дисперсиями и коэффициентами дисперсии для коррекции вторичного спектра. Но, как правило стекло с такими оптическими параметрами отсутствует в ГОСТе [7] и каталоге оптических бесцветных стекол [8]. Эти методы в больщей мере ставят задачи для оптиков - технологов по разработке требуемого стекла.
Апохроматйческая коррекция оптических линзовых систем возможна в трех случаях, при использовании: 1. Голографического элемента 2. Ахроматизованных компонентов системы 3. Неахроматизованных компонентов системы Раздел 1. Лпохроматические системы с голограммным оптическим элементом. Причиной возникновения хроматических аберраций в оптических системах является дисперсия, т.е. зависимость показателей преломления материалов, из которых они выполнены, от длины волны света, в результате чего при преломлении полихроматического луча на поверхности системы происходи его расщепление на пучок монохроматических лучей, идущих в различных направлениях. Синие лучи преломляются сильнее, чем красные (рис.9). 400нм 900нм
Преломление полихроматического луча из-за дисперсии стекла. В случае дифракционной решетки красные лучи преломляются сильнее (рис.10). Поэтому в качестве компенсации хроматических аберраций могут применяться дифракционные оптические элементы [22 - 24]. 900нм 400нм
При решении вопроса о целесообразности дифракционного элемента в оптических системах наиболее сложным моментом, как правило, является оценка уровня рассеянного света, возникающего вследствие наличия дополнительных дифракционных порядков. При протяженных источниках паразитная засветка существенно снижает качество изображения. Поэтому применение систем с голограммным оптическим элементов для коррекции хроматических аберраций ограничивается случаем точечного источника (рис. 11). С учетом дифракции в дополнительные порядки энергетический поток, формирующий изображение бесконечно удаленной светящейся точки, может быть представлен следующим выражением[23]: Р ЪК 2тЛ , (22) иг=-оо «=-оо где т - номер порядка дифракции, Іщ, х - спектральное распределение дифракционный эффективности в m-м порядке дифракции, Р х весовой коэффициент, учитывающий спектральное распределение энергетического потока, спектральное пропускание оптической системы и спектральную чувствительность приемника излучения. ЛОЭ К Ф
Схема апохроматического объектива с дифракционным оптическим элемент ом. ПА - плоскость анализации, К- оптическая линза из стекла типа крон, Ф - оптическая линза из стекла типа флинт, О - диаметр входного зрачка. Основная часть энергетического потока, дифрагирующая в первый порядок, участвует в формировании полезного изображения, при этом дополнительные дифракционные порядки образуют бесконечно большое число вторичных аберрированных изображений, локализованных вдоль оптической оси по обе стороны от плоскости основного изображения. Таким образом, освещенность, создаваемая паразитной засветкой в центре плоскости полезного изображения, может рассматриваться как результат суммирования бесконечно большого числа расфокусированных изображений, формируемых дополнительными порядками дифракции [25]. т--оо т=1 (23) где Е тх - спектральное распределение освещенности в т-м порядке дифракции.
Апохроматические системы из ахроматизованных компонентов
В работах [27,28] предлагается новый путь создания апохроматически линзовых систем из двухкомпонентов, состоящих из обычных стекол и разделенных большим воздушным промежутком, коррекция вторичного спектра происходит, по мнению автора, за счет разницы высот для разных длин волн.
В работах [29 ,30, 31] были представлены трехкомпонентные системы для телескопов. Каждый компонент состоит из двух либо трех линз. Данные системы работают в спектральном диапазоне 420 - 700 нм, тем самым «обрезана» спектральная область 725 - 775нм, соответствующая экстремальным значениям графика остаточного хроматизма. Качество изображения систем является хорошим только для осевой точки.
Так как согласно традиционной теории хроматизма, вторичный спектр системы из обычных стекол зависит только от оптических характеристик стекла, в рамках диссертационной работы было проведено исследование возможности исправления вторичного спектра в двухкомпонентных системах, состоящих из линз, выполненных из обычных стекол, за счет изменения расстояния между неахроматизованными компонентами (рис. 12) [32]. В качестве первого компонента системы использовалась одиночная линза, выполненная из тяжелого флинта ТФ10 (ve= 9,2058). Второй компонент - две тонкие линзы, выполненные из ЛКЗ и ТФ10, который выступает в качестве компенсатора вторичного спектра. Воздушный промежуток между компонентами изменялся в диапазоне (0,1-1,5у, где / -фокусное расстояние системы, которое принималось равным 150 мм. Фі
Схема двухкомпонентной апохроматической системы из обычных стекол. Во всех случаях вторичный спектр, как расстояние между параксиальными изображениями для основной длины волны и крайних длин волн, равнялся нулю. Для сравнения, согласно традиционной теории хроматизма, вторичный спектр в системе из тонких компонентов, выполненных любого числа линз из стекол ЛКЗ и ТФ10, с фокусным расстоянием 150 мм при исправлении хроматизма в каждом компоненте будет равен 0,65 мм (рис. 13).
Остаточный хроматизм системы из стекол ЛКЗ и ТФ10: сплошной линией обозначен остаточный хроматизм системы с расстоянием между компонентами равным фокусному, пунктирной - вторичный спектр системы из обычных стекол. в таблице 2 приняты следующие обозначения; Сп - основной параметр ГГ. Слюсарева, характеризующий хроматические аберрации, второго компонента, q 1 - оптическая сила первого компонента, р2 - оптическая сила первой линзы второго компонента, q 3 - оптическая сила второй линзы второго компонента, й - расстояние между компонентами.
Обратим внимание, что при малых воздушных промежутках вторичный спектр остается исправленным, но основной параметр ГГ.Слюсарева С во втором компоненте достигает величин, что затрудняющих его реализацию и приводит к необходимости использованию чрезвычайно больших относительных оптических сил, входящих в этот компонент. Естественно, такие оптические системы неосуществимы практически. Начиная с воздушного промежутка равного фокусному расстоянию при разделении положительной линзы второго компонента на две, появляется возможность создания таких систем. В таблице 3 приведены рекомендуемые марки стекол для второго компонента при создании апохроматических систем в области спектра 400 -900 нм и их остаточный хроматизм (8 M - $ ш) при d=f=150мм. В качестве первого компонента необходимо использовать положительную линзу, в»плпиРіп«лг. wi отрк-ття птнппятпегося к ГТЇ\ШПЄ ТЯЖЄЛЬІх флИНТОВ у КОТОрой Хроматизм положения. При этом хроматизм увеличения объектива чрезвычайно велик (до 9%). Для его устранения необходимо применение третьего компонента. Им может служить линза Смита для одновременного устранения кривизны изображения.
Светосильные объективы для области спектра 400-900 нм
Для расчета апохроматических систем из обычных стекол в качестве исходной служит система, состоящая из двух тонких компонентов. Первый компонент - одиночная положительная линза из стекла, относящегося к rovnne тяжелых флинтов. Расстояние между компонентами должны быть равными фокусному расстоянию системы. Второй компонент - склейка из двух либо трех линз, с фокусным расстоянием равным фокусному расстоянию системы. Рекомендуемые марки стекол для второго компонента приведены в таблице 3. Так как
В полученной двухкомпонентной системе проводится автоматизированная коррекция хроматизма положения и вторичного спектра за счет изменения оптических сил компонентов. Вводятся толщины. И выполняется коррекция монохроматических аберраций. Так как в полученной системе будет оставаться недопустимый хроматизм увеличения, в систему добавляется третий компонент. В качестве которого может СЛУЖИТЬ линза Смита для одновременного устранения кривизны изображения. Необходимость в апохроматических объективах возникает и при создании аттестационных систем, в частности объективов коллиматоров [33,34,35]. Качество изображения, которых определяется исходя из ГОСТа 15114-78 «Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения» [36]. Традиционным методом расчета систем был получен объектив коллиматора - 1 (рис. 14) с применением особых стекол. Основные характеристики: Г=1000 мм, 2ш=50\
Объектив коллиматора с/ =1000 мм, 2ш—50 , K=ll, L=996MM В таблице 4 приведены числа Штреля и среднеквадратическое
Критерием оценки качества изображения является частотно -контрастная характеристика. Для частоты 70 лин/мм контраст должен быть не ниже 0,2. Рассчитанный объектив коллиматора удовлетворяет данному требованию, на частоте 70 лин/мм контраст для осевой точки 0,38 и всех внеосевых точек поля - выше 0,2 (рис.15 и 16) к
Частотно - контрастная характеристика для внеосевой точки объектива коллиматора с/ =1000 мм, 2ю=50 , К=Н Сплошной линией обозначено меридиональное сечение, пунктирной линией - сагиттальное сечение, v - пространственная частота. К- контраст. Таблица 4 Число Штреля и среднеквадратичное отклонение волнового фронта (СКО) объектива коллиматора с f =1000 мм, 2ю=50 , К=11
Недостатком данного объектива является очень сильная терморасфокусировка. Поэтому, согласно предложенным рекомендациям, был выполнен расчет объективов коллиматоров, лишенных указанного недостатка. На рис Л 7 представлен объектив коллиматора - 2 с основными характеристиками Г=500мм,2ш=30 ,К=5. Рис.17 Объектив коллиматора с f =500 мм, 2ш=30 , К=5, Ь=897мм в таблице 5 приведены числа Штреля и среднеквадратическое отклонение волнового фронта. Критерием оценки качества изображения является частотно -контрастная характеристика. Для частоты 100 лин/мм контраст должен быть не ниже 0,2. Рассчитанный объектив удовлетворяет данному требованию, на частоте 100 лин/мм контраст для осевой точки 0,46 и всех внеосевых точек поля - выше 0,2 (рис.18 и 19)
Частотно - контрастная характеристика для внеосевой точки объектива коллиматора с f=500 мм, 2ю=30 , К=5. Сплошной линией обозначено меридиональное сечение, пунктирной линией - сагиттальное сечение, v - пространственная частота, К-контраст.
Объектив коллиматора - 3 с основными характеристиками f=1000 мм, 2(О=30 5 К=5 (рис. 20) представлен на рис. В таблице 6 приведены числа Штреля и среднеквадратическое отклонение волнового фронта. } БИБЛ ТЄКА__
Объектив коллиматора с/ =1000 мм, 2са=30 , К=5,5, L=1985MM Критерием оценки качества изображения является частотно -контрастная характеристика. Для частоты 60 лин/мм контраст должен быть не ниже 0,2. Рассчитанный объектив удовлетворяет данному требованию, на частоте 100 лин/мм контраст для осевой точки 0,52 и всех внеосевых точек поля-выше 0,2 (рис.21 и 22)
Оценка влияния изменения конструктивных параметров и температуры окружающей среды на качество изображения систем
Изменение температуры окружающей среды может привести к на этапе расчета оптических систем. Проведем оценку термостабильности некоторых рассчитанных систем, а так же влияние изменения конструктивных параметров на качество изображения.
Рассмотрим объектив коллиматора - 1, В таблице 7 приведено влияние конструктивных параметров на волновую сферическую аберрацию и задний отрезок системы.
Из таблицы 7 следует, что задний отрезок системы будет сильно зависеть от погрешности показателя преломления для основной длины волны. Поэтому необходимо будет делать перерасчет на плавки.
В объективах коллиматора после его юстировки, возможность перефокусироваться отсутствует. Поэтому при изменении температуры окружающей среды качество изображения в фиксированной плоскости регистрации должно изменяться в допустимых пределах.
Изменение частотно - контрастной характеристики, объектива коллиматора - 1 для осевой точки представлено на рис.45, для внеосеой на рис.46 и 47. Критерием оценки качества изображения является частотно -контрастная характеристика. Для частоты 70 лин/мм контраст должен быть не ниже 0,2.
Доверительные интервалы, в которых находятся с вероятностью 99,75% суммарные изменения заднего отрезка и волновой сферической аберрации при изменении конструктивных параметров системы AR=0,01R AD=0,01 =0,0002 Суммарное влияние Частотно - контрастная характеристика для осевой точки объектива коллиматора - 1 (f =1000 мм, 2т=50\ К=11). Сплошной линией -для температуры 20 С, штриховой для температуры - 25 С, пунктирной линией - для температуры 15 С. контрастная характеристика меридионального сечения для внеосевой точки объектива коллиматора - 1 (Г=1000мм, 2ю=50 , К=11). Сплошной линией - для температуры 20 С, штриховой -для температуры 25 С, пунктирной линией - для температуры 15 С. к
Частотно - контрастная характеристика сагиттального сечения для енеосевой точки объектива коллиматора - 1 (р=1000мм, 2о)=50\ К=11). Сплошной линией - для температуры 20 С, штриховой -для температуры 25 С, пунктирной линией - для температуры 15 С.
Качество изображения данного объектива коллиматора существенно падает при незначительных изменениях температуры окружающей среды. Вследствие чего эксплуатация данного объектива коллиматора возможна только в помещении, где поддерживается температура, при которой выполнялся расчет, 20С. Влияние температуры на волновую сферическую аберрацию и задний отрезок системы приведено в таблице.8 Таблща.8 Влияние изменения температуры на волновую сферическую аберрацию и задний отрезок системы.
Из таблицы 9 видно, что в данном объективе коллиматора требуется перерасчет на плавки. Существенное влияние на волновую сферическую аберрацию W400 для осевой и внеосевой точки предмета оказывает изменение радиусов кривизны и воздушных промежутков. Из таблицы 10 следует, что на радиусы R6 - К9 и воздушные промежутки D2, Dб, В8 должны быть с жесткими допусками. Таблица 10.
Изменение частотно - контрастной характеристики, объектива коллиматора - 2 для осевой точки представлено на рис.48, для внеосеой на рис. 49 и 50. Критерием оценки качества изображения является частотно -контрастная характеристика. Для частоты 100 лин/мм контраст должен быть не ниже 0,2.
Частотно - контрастная характеристика для осевой точки объектива коллиматора - 2 ([ =500 мм, 2ш=30 , К=5). Сплошной линией -для температуры 20 С, штриховой - для температуры 30 С, пунктирной линией - для температуры 10 С. к 0,8 0,6" 0,4-0,2-о 0,4 0,2-О V,лин/мм о 20 40 60 80 100 Рис.49 Частотно - контрастная характеристика меридионального сечения для внеосевой точки объектива коллиматора - 2 (f =500 мм, 2(0=30 , К=5). Сплошной линией - для температуры 20 С, штриховой - для температуры 30 С, пунктирной линией - для температуры 10 С, К
Частотно - контрастная характеристика сагиттального сечения для внеосевой точки объектива коллиматора - 2 $,=500мм, 2а =30\ К 5). Сплошной линией - для температуры 20 С, штриховой - для температуры 30 С, пунктирной линией - для температуры 10 С.
Качество изображения объектива коллиматора - 2, а так же коллиматора - 3 так как они состоят из одинаковых марок обычных стекол, при изменении температуры от 10С до 30С удовлетворяет поставленному критерию. Для частоты 100лин/мм контраст изображения осевой и внеосевой точек в фиксированной плоскости не ниже 0,2.
Но имеется группа специальных оптических приборов, работающих в диапазоне температур от - 40 до +50С. Поэтому рассмотрим изменение качества изображения некоторых рассчитанных объективов на указанный перепад температуры окружающей среды.
Изменение частотно контрастной характеристики объектива - 1 в фиксированной плоскости изображения для осевой точки представлено на рис.51, для внеосеой на рис. 52 и 53; при перефокусировке в плоскость наилучшей установки (ПНУ) для температуры 50С на рис.54 и для температуры -40С на рис. 55.
