Коррекция хроматизма изображающих рефракционно-дифракционных оптических систем Левин, Илья Анатольевич

Введение к работе

Работа посвящена анализу возможностей коррекции хроматизма рефракционно-дифракционных оптических систем; разработке оптических схем, расчёту и исследованию таких систем, предназначенных для формирования изображения протяженных объектов в полихроматическом и квазимонохроматическом излучении.

Актуальность темы

Совершенствование оптических систем и освоение нетрадиционных для оптики спектральных областей требует новых подходов к коррекции хроматизма, т.е. зависимости характеристик оптической системы а, следовательно, и качества изображения от длины волны. Наиболее распространённым приёмом коррекции хроматизма стеклянно-линзовых систем оптического диапазона является использование стёкол с отличающимися значениями коэффициента дисперсии. Однако, в ряде случаев, например, когда требуется достичь высокой степени коррекции хроматизма невозможно обойтись без использования оптических материалов с особыми спектральными характеристиками, которые, как правило, являются весьма дорогими и не технологичными. С другой стороны, включение в оптическую систему наряду с рефракционными линзами дифракционных оптических элементов, осуществляющих преобразования волнового фронта в результате дифракции электромагнитной волны на микроструктуре элемента, позволяет упростить схему и отказаться от использования необычных оптических материалов. В частности, такое решение предложено для подавления так называемого вторичного спектра, или апохроматизации оптической системы (М. Ган, 1984 г., T. Stone, 1988 г., Z. Weng, 1995 г., J. Rayces, 2001 г., M. Zajac, 2004 г., H. Xing, 2008 г. и др.). Развитием этого решения явилась разработка метода, предполагающего достижение апохроматизации или даже суперахроматизации путём введения в оптическую систему, состоящую из рефракционных линз, дифракционно-рефракционного корректора, включающего дифракционную линзу и одну или две рефракционные линзы (Г. Грейсух, Е. Ежов, С. Степанов, 2006-2010).

Переход от чисто рефракционной к рефракционно-дифракционной схеме оптической системы может оказаться особенно эффективным при разработке компактных объективов для массовых видеокамер наблюдения и мобильных телефонов. Сочетание требований низкой стоимости и весьма высоких оптических характеристик объективов рассматриваемого класса обуславливает целесообразность изготовления элементов их оптических схем из пластмасс, так как современные методы формообразования на основе прецизионной штамповки позволяют легко тиражировать пластмассовые линзы с асферическими преломляющими поверхностями и, кроме того, при необходимости штамповать эти поверхности с дифракционным микрорельефом. Вышеизложенное определяет несомненную актуальность развития и адаптации метода использования дифракционно-рефракционного корректора применительно к пластмассово- линзовым объективам.

Проблема построения оптических систем на базе рефракционных линз ещё более усугубляется при переходе в коротковолновую часть электромагнитного спектра и, в частности, в вакуумную ультрафиолетовую область. Здесь каталог используемых материалов ограничен лишь несколькими единицами. В качестве альтернативы рефракционным линзам в этой спектральной области могут рассматриваться дифракционные оптические элементы. Однако оптические системы, включающие силовые дифракционные элементы обладают значительным хроматизмом. В области его коррекции и в нашей стране и за рубежом сделаны лишь первые шаги (M. Farn, J. Goodman, 1991 г., Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.А. Степанов, 2010 г.), поэтому разработка методов коррекции хроматизма оптических систем с силовыми дифракционными элементами также весьма актуальна.

Цель диссертационной работы

Анализ возможностей коррекции хроматизма рефракционно-дифракционных оптических систем; разработка оптических схем, расчёт и исследование таких систем, предназначенных для формирования изображения протяженных объектов в полихроматическом и квазимонохроматическом излучении.

Задачи диссертационной работы

1. Исследовать связь комбинаций оптических материалов рефракционных линз с их оптическими силами при коррекции хроматизма рефракционных и рефракционно-дифракционных оптических систем.

2. Исследовать возможность достижения заданной степени коррекции хроматизма в пластмассово-линзовых объективах путём включения в его оптическую схему дифракционно-рефракционного корректора.

3. Разработать оптические схемы компактных рефракционно-дифракционных пластмассово-линзовых объективов, способных формировать высококачественное изображение в полихроматическом излучении, включающем видимый и ближний инфракрасный спектральные диапазоны; произвести компьютерный расчёт и исследование этих объективов.

4. Разработать методику оценки и провести исследования влияния рельефа вращательно-симметричной микроструктуры, числа зон Френеля и функции распределения фазовой задержки линзоподобного дифракционного элемента на его дифракционную эффективность и качество формируемого элементом волнового фронта.

5. Исследовать возможность и оценить эффективность коррекции хроматических аберраций литографических дифракционно-линзовых объективов, обусловленных конечной шириной спектральных линий вакуумного ультрафиолетового излучения эксимерных лазеров.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Исследована суперахроматизация оптических систем, проведённая с охватом свыше тысячи наименований марок стёкол и оптических пластмасс, и, в частности, показано, что в случае оптических систем, рефракционные линзы которых выполнены из технологичных и коммерчески доступных пластмасс, переход от чисто рефракционной к рефракционно-дифракционной схеме позволяет уменьшить максимальную по модулю оптическую силу корректирующих рефракционных линз в 2,3 ... 2,8 раза.

5. 1. Теоретически показано, что включение дифракционно-рефракционного корректора в схему пластмассово-линзового объектива позволяет достичь требуемой степени коррекции хроматизма положения при минимальном числе рефракционных линз, входящих в состав корректора. При ахроматизации - это одна рефракционная линза, выполненная из того же кроноподобного оптического материала, что и весь объектив в целом, при апохроматизации - это также одна рефракционная линза, но выполненная из флинтоподобного материала. Суперахроматизация требует использования в дифракционно-рефракционном корректоре как минимум двух рефракционных линз, материалами которых является кроно-флинтоподобная пара.

   2. Разработаны схемы компактных высокоразрешающих рефракционно- дифракционных объективов, рефракционные линзы которых выполнены из наиболее технологичных и коммерчески доступных оптических пластмасс только двух марок. Благодаря высокой степени коррекции хроматизма объективы работают в расширенном спектральном диапазоне, включающем видимое и ближнее инфракрасное излучение. Произведён компьютерный расчёт данных объективов и их исследование, которое показало, что в пределах углового поля зрения до 60 при освещении объектов полихроматическим излучением объективы обеспечивают пространственное разрешение не менее 150 мм^-1, а при монохроматической ИК-подсветке разрешение составляет не менее 127 мм^-1.

   3. Исследовано влияние рельефа вращательно-симметричной микроструктуры, числа зон Френеля и функции распределения фазовой задержки линзоподобного дифракционного элемента на его дифракционную эффективность и качество формируемого элементом волнового фронта. Получены уравнения рельефов микроструктур таких элементов, которые независимо от числа зон Френеля обеспечивают совпадающую с расчётной форму формируемого волнового фронта, а также близкую к 100% дифракционную эффективность на одной длине волны. В случае двухслойных структур эти рельефы, кроме того, обеспечивают минимальное (примерно до 98%) падение дифракционной эффективности в пределах всего видимого спектрального диапазона.

   4. Показано, что хроматизм положения и сферохроматизм дважды телецентрических объективов, состоящих из дифракционных линз, обусловленный конечной шириной спектральной линии глубокого ультрафиолетового излучения эксимерных лазеров, можно снизить до уровня, при котором качество формируемого изображения практически не отличается от дифракционно ограниченного. Это достигается благодаря тому, что микроструктуры дифракционных линз выполнены на асферических поверхностях подложек, изготовленных из одного оптического материала, например, кварца.

   Практическая значимость

   Разработанные схемные решения и продемонстрированные потенциальные возможности простых по конструкции объективов с дифракционными линзами, создают условия для расширения элементной базы оптики в таких областях её применения как цифровые камеры и ультрафиолетовая литография.

   Полученные в диссертации уравнения рельефов вращательно-симметричных микроструктур линзоподобных дифракционных элементов, обеспечивающих (независимо от числа зон Френеля) совпадающую с расчётной форму формируемого волнового фронта и близкую к 100% дифракционную эффективность на одной длине волны, а в случае двухслойных структур минимальное падение дифракционной эффективности в широком спектральном диапазоне, включающем видимое и ближнее инфракрасное излучение.

   На защиту выносятся:

   5. 4. 1. Результаты исследования суперахроматизации оптических систем, проведённого с охватом свыше тысячи наименований марок стёкол и оптических пластмасс и показавшего, в частности, что в случае оптических систем, рефракционные линзы которых выполнены из технологичных и коммерчески доступных пластмасс, переход от чисто рефракционной к рефракционно- дифракционной схеме позволяет уменьшить максимальную по модулю оптическую силу корректирующих рефракционных линз в 2,3 ... 2,8 раза.

         2. Оптические схемы и конструктивные параметры компактных высокоразрешающих рефракционно-дифракционных объективов, рефракционные линзы которых выполнены из наиболее технологичных и коммерчески доступных оптических пластмасс только двух марок. Благодаря высокой степени коррекции хроматизма объективы работают в расширенном спектральном диапазоне, включающем видимое и ближнее инфракрасное излучение и в пределах углового поля зрения до 60 при освещении объектов полихроматическим излучением обеспечивают пространственное разрешение не менее 150 мм^-1, а при монохроматической ИК-подсветке - не менее 127 мм^-1.

         3. Результаты исследования влияния рельефа вращательно-симметричной микроструктуры, числа зон Френеля и функции распределения фазовой задержки линзоподобного дифракционного элемента на его дифракционную эффективность и качество формируемого элементом волнового фронта. Уравнения рельефов однослойных и двухслойных двухрельефных микроструктур, обеспечивающих независимо от числа зон Френеля совпадающую с расчётной форму формируемого волнового фронта, а также близкую к 100% дифракционную эффективность на одной длине волны в случае однослойных структур и минимальное (примерно до 98%) падение дифракционной эффективности в пределах всего видимого спектрального диапазона в случае двухслойных двухрельефных структур.

         4. Метод коррекции хроматических аберраций дифракционно-линзовых объективов, рассчитанных на излучение эксимерных лазеров, позволяющий снизить аберрации до приемлемого уровня, благодаря тому, что микроструктуры дифракционных линз выполняются на асферических поверхностях подложек, изготовленных из одного оптического материала, например, кварца.

         5. Оптическая схема и конструктивные параметры дважды телецентрического объектива глубокого ультрафиолетового диапазона, состоящего из пяти дифракционно-рефракционных компонентов и одной рефракционной линзы, имеющего оптические характеристики, сопоставимые с характеристиками традиционных фотолитографических объективов, содержащих более двадцати рефракционных линз.

         Публикации

         По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья в других журналах, 9 статей в сборниках трудов конференций, а также получены 1 патент на изобретение и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

         Апробация работы

         Основные результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса», г. Самара, 2010 г.; VIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов», г. Пенза, 2010 г.; Научно-технической конференции-семинаре по фотонике и информационной оптике в рамках научной сессии НИЯУ МИФИ-2011, г. Москва, 2011 г.; 8-ой Международной научно-практической конференции «Голоэкспо-2011», г. Минск, Беларусь, 2011 г.; VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011», г. Санкт-Петербург, 2011 г.; Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике в рамках научной сессии НИЯУ МИФИ-2012, г. Москва, 2012 г.; 9-й Международной конференции «ГолоЭкспо-2012» Голография. Наука и практика», г. Москва, 2012 г.; Международной конференции «Прикладная оптика - 2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.

         Связь с государственными программами

         Результаты, изложенные в диссертации, были получены при выполнении работ в рамках гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке научных исследований молодых российских ученых-докторов наук (грант МД-2293.2012.9) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. Проект: Фокусирующая и изображающая дифракционная оптика полихроматического излучения. Государственный контракт № 16.740.11.0145.

         Объём и структура диссертации

         Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка использованных источников. Общий объём составляет 1 32 страницы машинописного текста, 40 рисунков, 29 таблиц и 121 библиографическая ссылка.
         

         Похожие диссертации на Коррекция хроматизма изображающих рефракционно-дифракционных оптических систем

         

         Теоретическое и экспериментальное исследование возможностей нелинейно-оптической коррекции искажений в оптических системах Венедиктов Владимир Юрьевич

         

         Флуктуационное влияние электрической системы коррекции положения пробной массы на колебания механических осцилляторов Елкин Игорь Александрович

         

         Алгоритмы коррекции показаний системы видеоанализа движений человека по измерениям силовой платформыМишанов Алексей Юрьевич

         Задачи многократной коррекции управляемых системГредасова, Надежда Викторовна

         Математическое моделирование оптических систем анализа и коррекции волнового фронтаКаленков, Сергей Геннадьевич

         Динамические свойства гидростатических опорных систем технологического оборудования и средства их коррекцииПривалов, Василий Валерьевич

         Адаптивная система коррекции инерциальной системы ориентации радиотелескопаСмирнов, Сергей Викторович

         

         Замкнутая многоконтурная автоматическая система коррекции погрешностей бесплатформенной инерциальной навигационной системы малоразмерного беспилотного летательного аппаратаПанов Сергей Владимирович

         Разработка методического аппарата повышения эффективности использования электроракетных двигательных установок в системах коррекции орбиты малых низкоорбитальных космических аппаратовХромов, Александр Викторович

         

         Математические модели стадии синтеза производства этаноламинов и разработка оптимальных систем коррекции его фракций на основе хроматографической диагностикиПенкин Константин Владимирович