Анализ аберрационных свойств оптических систем переменного увеличения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Нгуен Ван Луен

• Нгуен Ван Луен
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Луен

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Тонкий компонент. Аберрации изображения, образованного тонким компонентом

1.1. Основные соотношения теории аберраций третьего порядка

и их применение

1.2. Основные параметры бесконечно тонкого компонента

1.3. Определения зависимости монохроматических аберраций третьего порядка в зависимости увеличения изображения

Глава 2. Структура принципиальных схем оптических систем переменного увеличения

2.1. Принципиальные схемы оптических систем переменного увеличения

2.2. Синтез схем оптической системы объектива переменного фокусного расстояния

2.3. Однокомпонентные оптические системы переменного увеличения

2.4. Двухкомпонентные оптические системы переменного увеличения

2.5. Трёхкомпонентные оптические системы переменного увеличения

2.5.1.Трёхкомпонентная система переменного увеличения типа «коллектива»

2.5.2.Трёхкомпонентная оборачивающая система переменного увеличения

Глава 3. Аберрационные свойства тонкого компонента как базового элемента композиции оптической системы

переменного увеличения

3.1. Аберрационный анализ однокомпонентной системы переменного увеличения

3.2. Аберрационный анализ схемы объектива переменного фокусного расстояния с одним компонентом переменного увеличения

3.2.1. Аберрационный анализ схемы двухкомпонентного объектива переменного фокусного расстояния

3.2.2. Аберрационный анализ схемы трёхкомпонентного вариобъектива и трансфокатора

Глава 4. Анализ аберрационных свойств сложной схемы оптической системы переменного увеличения

4.1. Аберрации третьего порядка оптической системы переменного увеличения из п тонких компонентов

4.2. Анализ аберрационных свойств схемы оптической системы переменного увеличения

4.3. Аберрационный анализ оптической схемы вариообъектива и трансфокатора

4.4. Метод анализа аберрационных свойств общей схемы оптической системы переменного увеличения

4.5. Анализ аберрационных свойств схемы двухкомпонентной системы переменного увеличения

4.6. Анализ аберрационных свойств схемы трёхкомпонентной системы переменного увеличения

Глава 5. Анализ аберраций изображения, образованного

реальной оптической системой переменного увеличения

5.1. Определение основных параметров оптических компонентов конечной толщины

5.2. Анализ аберрационных свойств реальной оптической системы переменного увеличения

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Пример анализа аберрационных свойств схемы

двухкомпонентного объектива переменного фокусного расстояния 145 Приложение 2. Пример анализа аберрационных свойств схемы

трёхкомпонентного вариообъектива

Приложение 3. Пример анализа аберрационных свойств

четырёхкомпонентного вариобъектива

Приложение 4. Пример анализа аберраций изображения, образованного реальной оптической системой переменного увеличения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ аберрационных свойств оптических систем переменного увеличения»

Введение

Оптические системы переменного увеличения находят широкое применение в различных отраслях науки и техники: фотографии,

астрономических приборах, спектрофотометрии, тренажеростроении, различных приборах инфракрасной техники, тепловидении, пирометрии, лазерной технике, медицинской технике и другие.

Изменением увеличения решаются прежде всего две основные задачи: 1. Быстрый поиск наблюдаемого объекта и его введение в поле системы. Для этого удобно использовать большое поле прибора, которому соответствует малое увеличение (или малое фокусное расстояние). 2. Изменение увеличения (или фокусного расстояния) для наблюдения за объектом, выполнения измерений, наблюдения увеличенных деталей и т.п. При больших увеличениях (или больших фокусных расстояниях) поле системы заметно уменьшается [1].

Первое достоверное описание способности линз, создающие увеличенное изображение предмета, найдено в трудах монаха францисканского ордена Роджера Бекона (1214-1294), выпускника Оксфордского университета, одного из замечательных учёных и мыслителей XIII века [2].

Пусть I, Ь - величина наблюдаемого предмета и расстояние до него от зрачка глаза наблюдателя. При этом угловую величину со наблюдаемого предмета можно определить из выражения

Угловую величину со' наблюдаемого изображения, образованного линзой (лупой), можно определить соотношением:

кинематографии, телевидении, видеотехнике, микроскопии,

/

(1)

где V - расстояние от зрачка глаза наблюдателя до изображения, образованного линзой; Г - величина изображения.

Из (1) и (2) получаем выражение, определяющее видимое увеличение изображения, образованного лупой:

V I V

Г

где V - поперечное увеличение изображения, V = у.

Пусть а, а' - расстояние от передней и задней главной плоскости линзы, оптической сила которой равна (р,^до плоскости предмета и ею изображения. При этом *

Ь' = а' - р , (4)

где р' - расстояние от задней главной плоскости лупы до зрачка глаза

а'

наблюдателя. Используя формулу отрезков с учётом V — —, получаем

'Ч ^ а '

\-¥ ^ а =-. Поставив а' в выражение (4), имеем

(р /

V = \-а'(р = 1-(Ь' + р')(р. (5)

При р' = -Ь': V = Г. При продольном перемещении лупы от предмета к наблюдателю величина образованного ею изоаргйкения расчёт и достигает максимальной величины при р' = 0. При этом, положив V = Г, получаем, что Ь - V, а Г = 1- /хр. Отсюда следует, что

1 < Г < 1 - , где Ь <0. (6)

Таким образом, можно считать, что лупа является простейшей естественным образом воспринимаемой панкратической системой. Видимое увеличение изображения, образованного оптическим микроскопом, состоящим из объектива (микрообъектива) и окуляра, равно

Гм= ^ОБ^ОК ' (7)

где Гок = —■— видимое увеличение изображения, образованного окуляром

/ок

с фокусным расстоянием ; — поперечное увеличение изображения, образованного объективом. Если оптическая система окуляра состоит из двух компонентов сру и срг, то её оптическая сила: (рок = срх + ср2- (рх(ргс1, где с1 - расстояние между компонентами. При изменении расстояния с1 продольном перемещением линзы изменяется фокусное расстояние (<рок), а, следовательно, видимые увеличения изображения Гок и Гм.

Первая в мире конструкция ахроматического микроскопа переменного увеличения была разработана и осуществлена в России благодаря трудам действительного члена Петербургской академии наук Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724-1802), его ученика Н. Фусса, Ф. Эпинуса и других. В начале 60-х годов XX века один из первых в мире окуляров переменного фокусного расстояния для микроскопов разработано Т. Вагнеровский, X. Фушара и Т. Кришчинский (Польша) [3]. Начиная с 30-х годов прошлого века все известные типы микроскопов разрабатывались и серийно выпускались, сначала на заводе "Прогресс", а затем в ЛОМО. Наряду с научным руководством разработкой оптики микроскопов самого различного назначения, на протяжении длительного времени доктор технических наук Т.А.Иванова занималась вопросами проектирования оптических систем с переменными характеристиками [4].

Во время первой мировой войны в 1916 году западнее Ютландского полуострова произошло сражение между главными силами английского и германского флотов. Высокая эффективность применения зрительных труб переменного увеличения немецким флотом для управления артиллерийским огнём в этом сражении способствовала заметному развитию их проектирования и производства [5]. В 1920 году в ГОИ была организована оптотехническая лаборатория, которая почти сразу же приступила к

разработке зрительной трубы переменного увеличения. В последние годы разработкой оптических прицелов переменного увеличения в ГОИ руководил доктор технических наук Д.Ю.Гальперн. В настоящее время зрительные трубы переменного увеличения хорошо находят применение на охоте, на отдыхе, в путешествиях и так далее [6].

Датой изобретения фотографии считается 19 августа 1839 года, когда в Парижской академии наук физиком Д.Ф. Aparo было сделано сообщение о разработанном J1. Дагером совместно с Ж.Н. Ньепсом способе получения изображений [7]. Начало развитию фото-и киносъёмочной оптики в России было положено трудами исследований члена-корреспондента Академии Наук СССР: А.И. Тудоровского, профессоров Г.Г. Слюсарева и Д.С. Волосова в ГОИ, а также профессоров ЛИТМО B.C. Игнатовского, И.А. Турыгина, В.Н. Чуриловского и М.М. Русинова. К середине 50-х годов прошлого века относится появление значительного числа объективов переменного фокусного расстояния. В 1959 году первый фотообъектив переменного фокусного расстояния "Фойхтлендер-Зумар" (/' = 36 -82мм) был разработан и изготовлялся фирмами "Фойхтлендер" (Германия) и "Зумар" (США). В 1963 году аналогичный объектив "Рубин-1" (/' = 37-80мм) был разработан

в ГОИ и изготовлен на Красногорском механическом заводе.

В конце 60-х годов XX века определилась потребность создания оптики для камер вещательного телевидения [8]. Больших успехов в разработке оптических систем с широким интервалом изменения фокусного расстояния добились фирма "Анженье" (Франции) и "Тейлор-Гобсон" (Англии). Весьма широко представлена номенклатура вариообъективов как для камер студийного (BCTV) и внестудийного (EFP) вещания, так и для камер, предназначенных для электронного репортажа (ENG), разработанных фирмой "Шнайдер" (Германия). В последние годы века XX в мире появилось

большое число различных типов вариообъективов производства фирм "Кэнон" и "Фуджинон" (Японии).

Практически все вариообъективы для съёмочных камер цветного телевидения в России были разработаны сотрудниками профессора Г.Г.Слюсарева под его научным руководством. Первые объективы-объектив "Радуга" с кратностью изменения фокусного расстояния т- 10х и объектив "Сокол" с т = 20х для камеры КТ-132 выпускались в ЛОМО с 1974 года по 1987 год.

Оптическая схема вариообъектива "Радуга-М".

г 4 3 610 9 Ю 11 12 и- 14 К К п 18 19 20

Конструкция вариообъектива "Радуга-М".

Оптическая схема варыообъектива "Сокол 20x29 ".

Конструкция вариообъектива "Сокол 20x29 ". К Московской Олимпиаде 1980 года в ГОИ был рассчитан, а в JIOMO изготовлен вариообъектив ОЦТ35х13М, состоящий из двух панкратики 17,5х

и 2х, с очень высокой для тех лет кратностью изменения фокусного расстояния. Он использовался в составе студийно-внестудийной камеры КТ-178 и серийно выпускался JIOMO с 1985 года.

Плостт предмет!

_[__1 Д В J П Ш

Лкртурт Плоскость

Оптическая схема вариообъектива ОЦТ 35x1 ЗП.

Конструкция вариообъектива ОЦТ 35x1 ЗП.

Оптическая схема вариообъектива ОЦТ 10х14П.

Конструкция вариообъектива ОЦТ 10x1411.

Плоскость изображения ч б

Защитное стеш ' передающей трубки

6 7 5

Плоскость изображения

Защитное стекло передающей тоубки

Защитное стекло пеоеЯоющей трубки

Плоскость изображения

Оптическая схема оптико-механического комплекса ОМБ—308.

Конструкция вариообъектива ''Вариогоир ЛОМ0-201". Решение всех вопросов, связанных с разработкой конструкции объективов и цветоделительных блоков, с изготовлением опытных образцов оптических комплексов (головок) передающих камер цветного телевидения и

Оптическая схема вариообъектива "Фотон ". С 1986 года в ЛОМО серийно выпускался объектив "Вариогоир-24" (т = 10х) для телевизионной репортажной камеры КТ-190.

Пжкмть лреЗмстС

диафрагма

Рласкоак!

Оптическая схема вариообъектива "Вариогоир ЛОМО-201".

постановкой их на серийное производство в ЛОМО осуществлялось под научным руководством доктора технических наук, профессора В.А.Зверева.

Применение панкратических систем значительно расширилось и охватывает теперь не только фотографию, микроскопию, телевидение, и кинематографию, но и такие отрасли техники, как тепловидение, пирометрия, тренажёростроение, лазерная техника и другие. Работы по созданию оптических систем переменного увеличения для преобразования пучков лазерного излучения и для оптических тренажёров достаточно широко и на протяжении длительного времени ведутся в МГТУ им. Н.Э.Баумана под научным руководством профессора, доктора технических наук И.И.Пахомова [9].

Все оптические системы переменного увеличения, независимо от способа изменения увеличения, делятся на два класса: 1. Оптические системы с дискретным изменением увеличения. 2. Оптические системы с непрерывным изменением увеличения (панакратические системы). Каждый класс оптические системы переменного увеличения в свою очередь подразделяется по способу изменения увеличения. Преимуществом панкратических систем перед системами дискретного изменения увеличения является возможность получения произвольного масштаба изображения в заданном диапазоне увеличения [9].

В зависимости от кинематики перемещения компонентов панкратические системы могут иметь непрерывную (механическую) или дискретную (оптическую) компенсацию расфокусировки изображения (смещения плоскости изображения). Непрерывная компенсация расфокусировки изображения предполагает применение в конструкции панкратической системы высокоточного кулачкового механизма для перемещения компонентов, изготовление которого и сегодня остается весьма трудоемким делом. Естественно предположить, что именно поэтому первые панкратические системы, появившиеся в 30-х годах нашего столетия, имели

дискретную компенсацию расфокусировки изображения. Первые фотографические объективы с переменным фокусным расстоянием имели дискретную компенсацию расфокусировки изображения. Для примера можно назвать объектив Зуммар, разработанный Ф.Бэком в 1947 году, объектив Фойхтлендер Зуммар, разработанный в 1959 году фирмой Фойхтлендер (Германия), объектив Ауто Никкор Зумм, разработанный примерно в то же время японской фирмой Ниппон Когаку К.К., японский объектив Астронар Зум и другие.

Перспективы использования оптических приборов в различных областях и увеличения объема их выпуска выдвигают на первый план проблему создания систем, обладающих максимальной простотой конструкции и технологичностью изготовления в условиях серийного производства. Решение этой проблемы в значительной степени определяется рациональностью методов проектирования оптики приборов. Идеи синтеза систем - метода построения оптических конструкций путем последовательного усложнения исходного (базового) элемента в результате добавления к нему коррекционных элементов, — высказанные М. М. Русиновым и положенные им в основу создания светосильных широкоугольных объективов, оказались исключительно плодотворными для разработки оптики приборов различного назначения [10, 11].

В общем случае процесс проектирования оптических систем переменного увеличения (панкратических систем) состоят из следующих этапов:

1. Выбор принципиальной оптической схемы.

Цель этого этапа - определение числа и относительного расположения компонентов.

2. Габаритный расчёт принципиальной оптической схемы.

Цель этого этапа - определение расположения компонентов, их оптических сил и габаритов, а также закона перемещения компонентов.

3. Выбор конструкции разрабатываемой оптической системы.

Цель этого этапа-выбор количества и вида линз и линзовых элементов, образующих каждый из компонентов, а также выбор стекла линз.

4. Аберрационный расчёт панкратической системы.

Цель этого этапа - определение числовых значений конструктивных параметров элементов всех компонентов системы исходя из условия получения требуемого качества изображения, образованного системой во всём диапазоне изменения увеличения или фокусного расстояния.

При всей важности последних двух этапов процесса проектирования, первые два весьма ответственны, поскольку от того, насколько удачно они выполнены, зависит конечный успех решения задачи в целом и, прежде всего:

1. Внешние габариты системы: длина, диаметр и так далее.

2. Сложность механических устройств перемещения компонентов, требования к точности их изготовления.

3. Коррекционные возможности системы, так как от выбора оптических сил и взаимного расположения компонентов зависят их основные параметры Р и \У, а от них-большая или меньшая сложность конструкции компонентов [12].

Этим определяется актуальность исследования проблем схемного проектирования оптических систем с переменными характеристиками.

Развитие теории расчёта оптических систем переменного увеличения нашло отражение в многочисленных публикациях, как в зарубежной, так и в отечественной печати. Большинство работ посвящено методам расчёта в параксиальной области параметров панкратических систем с наиболее простыми кинематическими схемами, имеющих линейную взаимосвязь перемещений подвижных компонентов, т.е. систем с дискретной компенсацией расфокусировки изображения. Среди зарубежных публикаций особого внимания заслуживают работы Л. Бергщтейна [13-16]. Первые

исследования в области теории и расчёта трёхкомпонентных фотографических объективов переменного фокусного расстояния были выполнены Д.С. Волосовым в ГОИ в предвоенные годы. Дальнейшее развитие теории расчёта и проектирования оптических систем с переменными характеристиками получили в трудах его сотрудников: М.С.Стефанского, М.Г.Шпякина, Н.А.Градобоевой и других [17-23].

Работы в области расчёта оптических систем с переменными характеристиками, которые выполнились в МВТУ им. Н.Э. Баумана (И.И. Пахомов, Б.Н. Бегунов, В.И. Савоскин, В.Г. Поспехов, A.B. Шикуть, Д.Е. Пискунов и другие), достаточно широко представлены в печати в трудах МВТУ. По мнению И.И. Пахомова [9], предложенный им метод расчёта применим для систем, которые включают в себя как частный случай те системы, которые рассматривались Ф. Бэком, JI. Бергштейном, М.С. Стефанским, М.Г. Шпякиным и другими [18, 19, 22, 24, 25].

Заметим, что в работах, посвящённых методам расчёта оптических систем с переменными характеристиками, в качестве исходной принимается оптическая схема системы в целом, при этом выбор схемы определяется либо предполагаемым методом расчёта, либо предыдущим опытом и, как правило, не обсуждается. Публикации, посвящённые этому вопросу, весьма скромно представлены в печати. Однако, как уже отмечалось, именно выбор оптической схемы нередко предопределяет конечный успех всего процесса проектирования системы. Уместно привести слова профессора Д.С. Волосова по этому вопросу: "Область применения систем переменного увеличения определяется тем, насколько удачно будет решён ряд вопросов, касающихся не только коррекции аберраций, но и простоты оптической и механической конструкции и компактности габаритов системы" [33, 27]. Именно этим определяется актуальность настоящей диссертационной работы, посвящённой одному из вопросов решения проблемы проектирования оптических систем переменного увеличения: разработке теории

обоснованного выбора принципиальной схемы оптической системы, наилучшим образом решающей поставленную задачу, разработке теоретических основ композиции и параметрического синтеза оптических систем с переменными оптическими характеристиками, а также исследованию характера изменения и величины остаточной расфокусировки изображения, образованного системой, и её влияния на его качество.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы.

1. В работах, посвящённых методам расчёта оптических систем переменного увеличения, в качестве исходной принимается оптическая схема системы в целом, при этом выбор схемы определяется либо предполагаемым методом расчёта, либо предыдущим опытом и, как правило, не обсуждается.

2. Выбор принципиальной оптической схемы, т.е. числа и относительного расположения компонентов, вычисление их оптических сил и габаритов, а также закона перемещения компонентов определяют внешние габариты системы, сложность механических устройств перемещения компонентов, требования к точности их изготовления, а также коррекционные возможности системы, так как от выбора оптических сил и взаимного расположения компонентов зависят их основные параметры Р и \¥, а от них - большая или меньшая сложность конструкции компонентов.

Расчёт оптической системы переменного увеличения в области параксиальных соотношений сводится к выбору оптических сил компонентов системы и определению закона их перемещений, при которых достигается требуемый диапазон изменения поперечного увеличения изображения. При этом выбор начального положения и диапазона перемещения компонентов далеко не всегда может оказаться наиболее благоприятным для сохранения неизменной коррекции аберраций. Поэтому разработка метода аберрационной оценки выбранного диапазона перемещения компонентов на стадии габаритного расчёта является весьма актуальной задачей. Именно этим определяется актуальность настоящей диссертационной работы,

посвящённой одному из наиболее важных вопросов решения проблемы проектирования оптических систем переменного увеличения: разработке теории обоснованного выбора принципиальной схемы оптической системы, наилучшим образом решающей задачу коррекции аберраций изображения, образованного системой с переменными оптическими характеристиками.

Поэтому разработка метода аберрационного анализа системы на стадии габаритного расчёта представляется весьма актуальной.

Целью работы

Целью работы является разработка теории и метода анализа аберрационных свойств изображения, образованного оптической системой переменного увеличения, и обоснованного выбора принципиальной схемы оптической системы.

Задачи исследования:

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ структуры принципиальных схем оптических систем переменного увеличения: однокомпонентной, двухкомпонентной и трёхкомпонентной; дано обоснование дополнения оптической системы переменного увеличения системой оптического сопряжения и оптической системой переноса изображения.

2. На основе соотношений теории аберраций третьего порядка разработана теория анализа аберрационных свойств изображения, образованного оптической системой переменного увеличения.

3. Разработан метод анализа аберрационных свойств оптических систем переменного увеличения.

4. Выполнена разработка программ для аберрационного анализа оптических систем переменного увеличения.

Научная новизна работы

1. Впервые выполнен обоснованный анализ структуры принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. Разработаны теоретические основы композиции и параметрического синтеза принципиальных схем оптических систем переменного увеличения на основе базовой однокомпонентной схемы.

2. Впервые разработаны теоретические основы и метод аберрационного анализа принципиальных схем оптических систем переменного увеличения.

3. Впервые разработан метод эквивалентной замены реальных оптических компонентов тонкими. Эффективность применения метода подтверждена на примере анализа аберрационных свойств реальной оптической системы.

Методы исследований

Для решения поставленных задач применялись следующие методы:

1. Аналитические методы параксиальной оптики.

2. Аналитические методы теории аберраций третьего порядка.

3. Компьютерное моделирование, основанное на применении современного программного обеспечения расчёта оптических систем и программ Ма^аЬ.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Результаты анализа структуры принципиальных схем оптических систем переменного увеличения.

2. Аналитические соотношения и метод их применения для аберрационного анализа принципиальных схем оптических систем переменного увеличения.

3. Аналитические соотношения, определяющие эквивалентную замену реальных оптических компонентов тонкими.

4. Результаты применения метода аберрационного анализа принципиальной схемы оптической системы переменного увеличения для анализа реальной оптической системы.

Практическая ценность

1. Принципиальные схемы оптических систем переменного увеличения, полученные в результате анализа их структуры, определяют элементную базу для композиции принципиальной схемы требуемой оптической системы.

2. Полученные аналитические соотношения и разработанный метод их применения определяют возможность оптимизации параметров оптической системы на стадии разработки принципиальной схемы и определения требований к аберрационным свойствам элементов схемы.

3. Аналитические соотношения, определяющие эквивалентную замену реальных оптических компонентов тонкими, позволяют выполнить аберрационный анализ реальной оптической системы в пределах любого диапазона изменения поперечного увеличения.

4. Результаты выполненных исследований являются существенным вкладом в развитие учебных курсов, посвященных вопросам расчёта и проектирования оптических систем.

Диссертационная работа состоит из введения, основной части, содержащей 5 глав, заключения, списка литературы и 4 приложения.

Глава 1. Тонкий компонент. Аберрации изображения, образованного

тонким компонентом.

Любую оптическую систему из произвольного числа элементов (линз) при конечном расстоянии между её главными плоскостями и отличной от нуля оптической силе будем считать однокомпонентной. Если в однокомпонентной системе толщины линз и воздушные промежутки между ними не считаются коррекционными параметрами, то в первом приближении их можно принять равными нулю. При этом однокомпонентная система становится тонким компонентом, расстояние между главными плоскостями которого равно нулю [28].

1.1. Основные соотношения теории аберраций третьего порядка и их применение

Опыт применения математического аппарата теории аберраций третьего порядка при проектировании оптических систем показал, что величина коэффициентов аберраций третьего порядка, как правило, адекватно отражает состояние коррекции аберраций в изображении, образованном проектируемой оптической системой, если система и отдельные компоненты в её составе обладают умеренными величинами числовой апертуры и углового поля. При этом при а' = 1 и /3 = 1 составляющие поперечной аберрации Sg'm в меридиональной плоскости и SG'm в сагиттальной плоскости определяются выражениями вида [12, 29, 30]:

-2n'Sg'm = <7'm(a'm2 + a's2)Sl +(3<2 + сг;>5п + + J^) 1}

-2 n'SG'm = ст;«2 + + + a'scu\Sni + J2S1W), J

где коэффициенты аберраций третьего порядка

Sx = BQ,

* 1 \ (1.2)

- ^Г^ш о + 2дК0 + с/2£0, с* _ е _ Г)

и1У ~ "IV — О'

^ = = +<?(зс0+д)+з^Х+^

(1.2)

1=1

7=Л

Со=1

к.,«,., - ка

1=1 /=1

(=« 1 = И

/=1 ;=1

/г.

1=1

1=1

к

£0 = -Х

^ уа -V ,а

(=1

К

(=1

к

;=1

к

;=1

1=1

Здесь ()1 = Т1а1 +Рг \ сг - коэффициент деформации поверхностей.

РГ =

- а,

У

;+1 v , — v

г+1 ,

ч

7 ^ /? У!

к=2 пк-\пкпк

; 4 =

1 1

V

Из выражений (1.2) можно сделать следующие выводы:

- если В0 = 0, то ^ = 0 и 5П не зависит от д, т.е. от положения входного зрачка;

- если ^ = 51,! = 0, то В0 = К0 = 0, а, следовательно, Зш = /2С0 и не зависит от д;

- от д не зависит;

- если ^ = = = 51У = 0, то В0 = К0 = С0 = £>0 = 0, а, следовательно, = /3Е0 и не зависит от положения входного зрачка. Отсюда следует

теорема, имеющая большое практическое значение: при исправлении первых t аберраций третьего порядка аберрация с номером / +1 при принятой последовательности аберраций не зависит от положения зрачка. Заметим, что если =0, то # = 0, т.е. если центр входного зрачка оптической системы

совпадает с вершиной её первой преломляющей поверхности, то

коэффициенты аберраций третьего порядка (или суммы Зейделя) становятся равными "коэффициентам с нулями": = В0, = К0, = С0, 5'1*у=£>0,

= Е0. Заметим также, что если поверхность имеет сферическую форму, то коническая константа сг = 0, при этом величина (2г= Рг

Простейшая оптическая система является одним тонким компонентом в виде системы из 5 тонких линз. В этом случае выражения, определяющие коэффициенты аберраций третьего порядка, принимают вид: В0 = ЬР, где

^ = где = С0= ф; £)0=<ря, где я =

Е0= 0.

Радиус кривизны /-ой поверхности оптической системы определяется выражением г, = —————, при этом в случае тонкого компонента

= к2 =... = /г, =... = - И, где /г = . Отсюда следует, что параметры

1=У /=у

Р = и|+1;а,,а|+1) и Ж = и/+1; а,-, агЧ1) зависят от радиусов

1=1 /=1

кривизны поверхностей и показателей преломления разделяемых ими сред, т.е. от величин, которые можно назвать внутренними параметрами оптической системы, и от положения осевой точки предмета. Последняя зависимость вносит неопределённость в определение собственных аберрационных свойств тонкого компонента. Если отрезок ^=00, то при конечной высоте И точки пересечения осевого виртуального луча с тонким компонентом угол ах = 0. Положив при этом угол ау+1 = а' = 1, получаем

/г, = к = /'. Таким образом, в этом случае параметры Р = Р и Ж = \¥ будут зависеть только от внутренних параметров оптической системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Луен, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С.. Расчет и проектирование оптических

систем. Москва. «Логос», 2000, 584 с.

2. История прикладной оптики. Сб. под ред. А.А. Гурикова. М.: Наука, 1993.

176 с.

3. Kryszczynski Т. Analysis of four-component zoom systems with mechanical

compensation. SPIE, Polish Chapter. Warsaw. 1996. 84 c.

4. Иванова T.A., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение, 1984. 231 с.

5. Слюсарев Г.Г. Расчёт оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975. 640 с.

6. Г.Н. Репинмкий. Новые панкратические наблюдательные систы //Оптический журнал. 1994. №8. С. 69-76.

7. Фотокинотехника. Сб. под ред. Иофис Е.А. М.: Советская энциклопедия,

1981.447 с.

8. Оптические головки передающих камер цветного телевидения. Справочник под ред. Васильевского О.Н. Л.: Машиностроение, 1988. 109с.

9. ПахомовИ.И. Панкратические системы. М.: Машиностроение, 1976. 160с.

10. Зверев В.А., Иванова Т.А. Некоторые вопросы проектирования оптики приборов из базовых элементов //Оптико-механическая промышленность. 1976. №10. С.14-17.

11. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989.383 с.

12. Слюсарев Г.Г. Методы расчёта оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969. 672 с.

13. Bergstein L. General theory of optically compensated varifocal systems 11 JOSA. 1958. Vol.48. №3. P. 154-171.

14. Bergstein L., Motz L. Two-component optically compensated varyfocal system // JOSA. 1962. Vol.52. №4. P. 365-368.

15. Bergstein L., Motz L. Three-component optically compensated varyfocal system // JOSA. 1962. Vol.52. №4. P. 257-260.

16. Bergstein L., Motz L. Four-component optically compensated varyfocal system //JOSA. 1962. Vol.52. №4. P. 326-329.

17. Полтырева E.C. Автоматический способ определения гауссовых элементов панкратических оборачивающих систем с линейным законом перемещения компонентов. В сб. «Современные методы расчёта и проектирования оптических систем». Труды ГОИ. Л.: Машиностроение, 1970. T.XXXVII, вып. 167. С.28-39.

18. Стефанский М.С. Исследование и расчёт светосильных афокальных систем переменного увеличения, применяемых в качестве насадок к объективам для изменения их фокусного расстояния. В сб. Труды ГОИ. Л.: ОНТИГОИ, 1958. T.XXVI, вып. 152. С.43-68.

19. Стефанский М.С. Параксиальные элементы многокомпонентных телескопических систем переменного увеличения // Оптико-механическая промышленность. 1964. №3. С.42-46.

20. Градобоева Н. А. Автореферат кандидатской диссертации. Л.: ГОИ, 1975. 18 с.

21. Градобоева Н. А. «Широкоугольные панкратические фотообъективы «Янтарь» // Оптико-механическая промышленность. 1974. № 1. С.30-33.

22. Стефанский М.С., Градобоева И.А., Исаева И.Е. Пятикомпонентные широкоугольные панкратические объективы // Оптико-механическая промышленность. 1977. №8. С.22-25.

23. Градобоева Н.А., Карлсбрун P.M., Чайкин Д. С. Работы ГОИ по созданию и развитию телевизионной и фотографической оптики с переменными характеристиками // Оптический журнал. 1994. №8. С.63 - 68.

24. Шпякин М.Г. Расчёт в параксиальной области панкратических объективов большой кратности с линейно перемещающимися компонентами // Оптико-механическая промышленность. 1969. №8. С. 22-25.

25. Шпякин М.Г. Автореферат кандидатской диссертации. Л.: ГОИ, 1971. 19с.

26. Волосов Д. С. Методы расчёта сложных фотографических систем. М.-Л.: Гостехиздат, 1948. 394 с.

27. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. (Теория, основы проектирования, оптические характеристики). Учебное пособие для киновузов. М.: Искусство, 1978. 543 с.

28. Точшина Т.В. Разработка теоретических основ композиции и параметрического синтеза принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. Диссертация кандидата технических наук, Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2004, 219 с.

29. М. И. Апенко, А. С. Дубовик. Прикладная оптика. - Москова «Наука», 1982.351 с.

30. В. А. Зверев, Основы геометрической оптики, НИУ ИМТО, 2002. 218 с.

31. Нефёдов Б. Л. Методы решения задач по вычислительной оптике. М.-Л.: Машиностроение, 1966. 264 с.

32. Полякова И.П. Выбор соотношений между фокусными расстояниями компонентов панкратической оборачивающей системы // Оптико-механическая промышленность. 1972. №2. С.25-27.

33. Журова С. А., Зверев В.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения // Оптический журнал. 1999. №10. С. 68-85.

34. Рамин Хой. Анализ базовых схем оптических систем переменного увеличения. Диссертация кандидата технических наук, Санкт-

Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2004, 131 с.

35. В.А. Зверев, Т.В. Точилина. Параметрическая модель оптической системы переменного увеличения с дискретной компенсаций расфокусировки изображения // Оптический журнал. 2004. Т. 71, № 10. С. 8-15.

36. JI. И. Михайловская. Панкратическая зрительная труба. Издательство МГТУ, 1993, 31.с.

37. Журова С. А., Зверев В.А. Однокомпонентная оптическая схем оптических система переменного увеличения // Оптический журнал. 1998. Т. 65. №10. С. 26-32.

38. Mads Demenikov, Ewan Findlay, Andrew R. Harvey. Miniaturization of zoom lenses with a single moving element, Optics Express 6118. Vol. 17, No. 8, 2009.

39. Хваловский В.В. Геометрический расчёт двухкомпонентных гомотопических систем // Оптический журнал. 1994. № 9. С. 20-27.

40. Полякова И.П., Полтырева Е.С. Исследование закона движения в двухкомпонентной панкратической системе // Оптико-механическая промышленность. 1975. №10. С.21-25.

41. Antonin Miks, Jiri Novak. Analysis of two-element zoom systems based on variable power lenses, Optics Express 6797, Vol. 18, No. 7, 2010

42. Н.П. Заказное, С.И. Кирюшин, В.И. Кузичев. Теория оптических систем. Машиностроение, 1992. 447 с.

43. Chuen-Lin Tien, Chun-Hao Huang, Tsai-Wei Lin, Wen-Shing Sun, Chern-Sheng Lin. Optimization design of two-group night vision zoom lenses. Indian Journal of Pure & Applied Physics. 2011. Vol. 49, December, pp. 809-815.

44. Чуриловский B.H. Теория оптических приборов. M.-JL: Машиностроение, 1966. 564 с.

45. Нгуен Ван Луги. Автоматизация проектирования панкратической телескопической системы // Оптический журнал. -2013. -Т. 80, № 12. - С. 22-25.

46. Antonin Miks, Jiri Novak. Analysis of three-element zoom lens based on refractive variable-focus lenses. Optics Express 2398, Vol. 19, No. 24, 2011.

47. Antonin Miks, Jiri Novak. Paraxial analysis of three-component zoom lens with fixed distance between object and image points and fixed position of imagespace focal point. Optics Express 2398, Vol. 22, No. 13, 2014.

48. Ежова K.B., Зверев B.A., Нгуен Ван Луен. Аберрационные свойства тонкого компонента как базового элемента композиции оптической системы переменного увеличения // Оптический журнал. - 2013. -Т. 80, № 12. - С. 26-30.

49. I. Livshits, К. Ezhova, V. Zverev, Nguen Van Luen. Method of zoom lenses aberration analysis // Proc. of SPIE (Zoom Lenses IV). - 2012. - Vol. 8488. -P. 848803-1-848803-11.

50. Kseniia Ezhova, Victor Zverev, Nguyen Van Luyen. Analysis of aberration properties of two-components zoom lenses // Proc. of SPIE (Optical Modelling and Design III). -2014.- Vol. 9131. - P.91311T-1-91311T-9.

51. Зверев В.А., Нгуен Ван Луен., Ежова К.В. Анализ аберрационных свойств двухкомпонентной оптической системы переменного увеличения //Сборник тезисов докладов II Всероссийского конгресса молодых ученых, Выпуск 2. СПб: НИУ ИТМО, - 2013. С. 94-95.

52. Зверев В.А., Нгуен Ван Луен, Точилина Т.В. Композиция принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. X Международная конференция "Прикладная оптика - 2012". Санкт-Петербург, 2012 г. Тезисы доклада, - С. 51-56.

53. ZEMAX®, Optical Design Program, User's Guide, 2011. 805 с

54. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шулъц М.М.. MFTLAB 7: программирование, численные методы. Санкт-Петербург, «БХВ-Петербург», 2005 г., 752 с.