Исследование и разработка линзовых объективов, работающих в широкой области спектра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Цыганок, Елена Анатольевна

• Цыганок, Елена Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Цыганок, Елена Анатольевна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Исследование вторичного спектра

Раздел 1. Хроматизм положения

Раздел 2. Вторичный спектр

Глава 2. Апохроматические системы

Раздел 1. Апохроматические системы с голограммным

оптическим элементом

Раздел 2. Апохроматические системы из ахроматизованных

компонентов

Раздел 3. Апохроматические системы с неахроматизованных

компонентов

Глава 3. Объективы коллиматоров для области спектра

400 - 900нм

Глава 4. Светосильные объективы для области спектра

400-900

Глава 5. Оценка влияния изменения конструктивных параметров и температуры окружающей среды на качество изображения

55

систем

Заключение

Библиография

Приложение 1. Оптические характеристики бесцветного оптического стекла для области спектра

400-900

Приложение 2. Конструктивные параметры объективов

коллиматоров для области спектра 400 - 900 нм

Приложение 3. Конструктивные параметры светосильных

объективов для области спектра 400 - 900 нм

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка линзовых объективов, работающих в широкой области спектра»

ВВЕДЕНИЕ

В связи с созданием и широким распространением приемников оптического излучения, работающих в спектральном интервале, превышающем видимые пределы, возникает необходимость разработки соответствующих объективов. Такие системы используются в приборах для сумеречного наблюдения в условиях естественной освещенности с использованием приемников, обеспечивающих высокую чувствительность в спектральном диапазоне 400 - 900 нм (рис.1).

Рис.1 Спектральная чувствительность кремниевого приемника оптического излучения (TOSHIBA TCD 1304); X - длина волны излучения, S(X) - относительная чувствительность приемника к длине волны

излучения

Для некоторых применений разработчики приборов отдают предпочтение линзовым системам, свободным от центрального экранирования и, как правило, не содержащим асферических поверхностей.

Принципиальной трудностью при разработке длиннофокусных, светосильных линзовых систем, работающих в широком спектральном интервале, является устранение вторичного спектра, как аберрации определяющей качество изображения таких систем.

Впервые апохроматические объективы были рассчитаны для микроскопов Эрнстом Карлом Аббе, в которых исправление вторичного спектра происходило благодаря тому, что одна из линз выполнялась из стекла X, которое впоследствии оказалась флюоритом. Со временем область применения апохроматических объективов расширилась. В дальнейшем методы проектирования и расчета совершенствовались.

Вопросы теории и практики проектирования и расчета апохроматических систем получили развитие в трудах JI.H. Андреева, Д.Ю. Гальперна, А.П. Грамматина, Г.А Можарова, Б.Л. Нефедова, М.М. Русинова, Г.Г. Слюсарева, В.И. Чуриловского, R.E.Stephens, C.G. Wynne, R. Duplov и др.

Как правило, для создания апохроматических систем используются кристаллы (кварцевое стекло, фтористый литий и др.) и особые стекла. 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. Однако, имеется группа специальных оптических приборов, работающих в диапазоне температур от - 40 до +50°С, где качество изображения должно изменяться в допустимых приделах. В некоторых случаях отсутствует возможность перефокусировки. Поэтому качество изображения в фиксированной плоскости регистрации также должно изменяться в допустимых приделах.

Актуальной является задача исследования возможности создания апохроматических систем для спектрального диапазона 400 - 900 нм, аберрационные свойства которых будут изменяться в допустимых пределах при существенном изменении температуры.

Поэтому целью работы является анализ исследования возможности создания и разработка апохроматических линзовых объективов, работающих в области спектра 400 - 900 нм.

Достижение выше изложенной цели предполагало решение ряда задач:

1. Построение диаграммы зависимости относительной частной дисперсии от коэффициента дисперсии для области спектра 400 -900 нм для стекол ГОСТа 3514- 94, флюорита и фтористого лития

2. Исследование классических формул хроматических аберраций второго порядка для области спектра 400 - 900 нм.

3. Исследование возможности коррекции вторичного спектра для диапазона длин волн 400 - 900 нм с применением стекол с обычным ходом дисперсии.

4. Разработка объективов коллиматоров, работающие в области

спектра 400 - 900 нм.

5. Разработка светосильных объективов для области спектра 400900 нм.

Практическая ценность диссертационной работы состоит:

1. Разработаны практические рекомендации по созданию апохроматических систем их стекол с обычным ходом дисперсии.

2. Сформулированы практические рекомендации по выбору марок оптических стекол для создания апохроматических термостабильных систем, работающих в области спектра 400 -900 нм.

3. Диаграмма зависимости относительной частной дисперсии от коэффициента дисперсии для области спектр 400-900 нм для стекол ГОСТа 3514-94, флюорита и фтористого лития.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

1. Путем компьютерного моделирования показана принципиальная возможность полного устранения вторичного спектра в системах из стекол с обычным ходом дисперсии.

2. Обнаружено наличие трех экстремальных точек кривой остаточного хроматизма при апохроматической коррекции в диапазоне дайн волн 400 - 900 нм.

3. Подтверждена возможность создания и приведены расчеты объективов коллиматоров для области спектра 400-900 нм из стекол с обычным ходом дисперсии.

4. Подтверждена возможность создания и выполнены расчеты светосильных объективов для области спектра 400 - 900 нм из стекол с обычным ходом дисперсии.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Возможность полного устранения вторичного спектра в системах из стекол с обычным ходом дисперсии.

2. Принципы построения оптических систем с апохроматической коррекцией для трех длин волн из стекол с обычным ходом дисперсии.

3. Коэффициент пропорциональности вторичного спектра фокусному расстоянию системы из ахроматических компонентов, выполненных из стекол с обычным ходом дисперсии для спектрального диапазона 400 - 900 нм.

4. Оптические схемы линзовых объективов коллиматоров, работающих в области спектра 400 - 900 нм.

5. Оптические схемы светосильных линзовых объективов, работающих в области спектра 400 - 900 нм.

6. Оценка чувствительности полученных систем к изменению температуры окружающей среды.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Цыганок, Елена Анатольевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию вторичного спектра, как аберрации определяющей качество линзовых систем в диапазоне длин волн 400 - 900 нм, и разработке апохроматических систем для этой области спектра. В заключении отметим основные результаты:

1. Получена диаграмма зависимости относительной частной дисперсии от коэффициента дисперсии для области спектр 400 - 900 нм для стекол ГОСТа 3514- 94, флюорита и фтористого лития.

2. Получен коэффициент для определения вторичного спектра систем из двух ахроматизованных тонких компонентов, выполненных из обычных стекол, в диапазоне длин волн 400 - 900 нм.

3. Обнаружено наличие трех экстремальных точек кривой остаточного хроматизма при апохроматической коррекции в диапазоне длин волн 400 - 900 нм.

4. Показана возможность устранения вторичного спектра для области спектра 400 - 900 нм с применением обычных стекол.

5. Разработаны практические рекомендации для построения оптических систем с апохроматической коррекцией их обычных стекол.

6. Сформулированы практические рекомендации по выбору оптических стекол для создания апохроматических термостабильных систем, работающих в области спектра 400 - 900 нм.

7. Разработаны объективы коллиматоров для области спектра 400900 нм.

8. Разработаны светосильных объективов для области спектра 400 -900 нм.

9. Определена чувствительность полученных систем к изменению температуры окружающей среды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Цыганок, Елена Анатольевна, 2012 год

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Чуриловский В.Н. Общая теория оптических приборов. М. - Л.: Машиностроение, 1960.144с.

2. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. Л.: Машиностроение, 1968. 312с.

3. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М.-Л.: Машиностроение, 1966. 564с.

4. Грамматин А.П. Методы синтеза оптических систем// Учебное пособие. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002

5. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969.

6. Слюсарев Г.Г. Расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1984.

7. ГОСТ3415 - 94. Стекло оптическое бесцветное. Технические условия.

8. Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог/

Под ред. Петровского Г.Т. М.: Дом оптики, 1990.130 с.

9. Панов В. А., Андреев Л.Н. Оптика микроскопов. Л.: Машиностроение, 1976. 432с.

10. Андреев Л.Н., Грибанова С.В., Кравец - Кравчевская Ы.М., Федорова О.Н Объективы для видимой и ультрафиолетовой области спектра// Труды ГОИ. 1980. Т. 37. Вып.167. с.204 - 213.

11. Балаценко О.Н., Грамматин А.П. Объективы апохроматы без кристаллов// Оптический журнал. 2002. №2. - С.21-24

12. Цыганок Е.А. Вторичный спектр в диапазоне длин волн 400 -900 нм// Сборник трудов VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. Вып 1. Оптотехника и оптическое приборостроение/ Главный редактор д,т.н.,проф. В.Л. Ткалич. -СПб:СПбГУ ИТМО,2009. с.164-166.

13. Цыганок Е.А. Возможности исправления вторичного спектра// Сборник тезисов докладов VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых/ Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. с.82 - 83.

14. Нефедов Б.Л. Расчет апохроматов из двух и трех различных стекол// Оптико - механическая промышленность. 1973. №1. с.52 - 62.

15. Нефедов Б.Л. О вторичном спектре// Труды ГОИ. 1970. Т. 49. Вып. 183. с.61 - 67.

16. Нефедов Б.Л. Кальянов Ю.А. Основные характеристики трехцветных тонких апохроматов из трех различных стекол// Оптико - механическая промышленность. 1973. №10. с.16 - 21.

17. Иванова Т.А. Расчет трехлинзовых склеенных компонентов с уменьшенным вторичным спектром// Оптико - механическая промышленность. 1979. №9. с. 12 - 14.

18. Stephens R.E. Four - color achromats and superchromats// JOSA.

1959. V.49. №4. p.398 - 402.

19. Stephens R.E. Selection of glasses for three - color achromats// JOSA.

1960. V.50. №10. p.1016 - 1019.

20. Можаров Г.А. Разработка и исследование апохроматических систем// Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Загорск. 1980, с.36.

21. Можаров Г.А. Теория аберраций оптических систем// Учебное пособие. М. 2011,270 с.

22. Саржевский A.M. Оптика. Полный курс. Изд. 2-е. - М.: Едиториал УРСС, 2004. 608с.

23. Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Казин С.В., Степанов С.А. Анализ возможностей ахроматизацни оптических систем, состоящих из

дифракционных элементов// Компьютерная оптика.2010. т.34, №2 с. 187- 193.

24. Max J. Rield Optical design. Applying the fundamentals. SPIE PRESS. Bellingham, Washington USA. 2009. Society of photo-optical instrumentation engineerings.

25. Грамматин А.П., Майоров MA. Апохроматические объективы с киноформными элементами для наблюдения звезд. // Оптико -механическая промышленность. 1989. №3. с. 17 - 19.

26. Гани М. А. Теория и методы расчета голограммных и киноформных оптических элементов. Л.:ГОИ, 1984.140с.

27. Wynne С. G. A comprehensive first-order theory of chromatic aberration secondary spectrum correction without special glasses// OptActa. 1978. V. 25. №8. P. 627 - 636.

28. Wynne C.G. Secondary spectrum correction with normal glasses// Opt.Commun. 1977. v.21. p.419 - 424.

29. Duplov R. Apochromatic telescope without anomalous dispersion glasses// Applied Optics. 2006. V.45. №21. P. 5164 - 5167

30. Qinhua Yang, Baochang Zhao, Renkui Zhou. Design apochromatic telescope without anomalous dispersion glasses//Chinese optics letters. 2008. V.6. №2. P. 146 - 148.

31. Парко Л. В., Агеев А.С. Апохроматический объектив звание // Международный патент W02008/002188 А1. 2008.

32. Грамматин А.П., Романова Г.А., Цыганок ЕА. Компьютерное моделирование при изучении дисциплин, связанных с расчетом оптических систем// Методические указания к лабораторным работам. НИУ ИТМО. 2011.113 с.

33. Грамматин А.П., Цыганок Е.А. Особенности вторичного спектра объективов коллиматоров, работающих в диапазоне длин волн 400 - 900 нм// Известие ВУЗов «Приборостроение». 2011г. Т.54, №9, с.75 -77.

34. Andrey G. Anisimov, Elena A. Tsyganok, and Igor A. Konyakhin Study of the influence of the tetrahedral reflectors properties on autocollimating systems characteristics// Proc. SPEE, Vol. 7786, 77860V (2010); doi:10.1117/12.859822

35. Цыганок E.A. Коллиматоры для объективов, работающих в области спектра от 400 до 900 нм// Сборник тезисов докладов VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. Выпуск 2. Труды молодых ученых/ Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. с.72 - 73.

36. ГОСТа 15114-78. Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения.

37. Гальперн Д.Ю., Полтырева Е.С, Вторичный спектр оптических систем из линз конечной толщины// Оптико-механическая промышленность. 1974. №9. с. 22 - 26.

38.

39. Русинов ММ. Техническая оптика. М. : Либроком, 2011.

40. Русинов М.М. Композиция оптических систем. М.: Либроком, 2011

41. Русинов М.М., Грамматин А.П., Иванов П.Д., Ишанин Г.Г., Андреев Л.И., Агалъцова H.A., Василевский О.Н., Родионов С.А. Вычислительная оптика. Справочник.// Либроком, 2009.

42. Грамматин А.П., Окишева Е.В. Связь между хроматическими аберрациями оптических систем для различных участков спектра// Оптико - механическая промышленность. 1990. №7. с. 39-41.