Исследование влияния децентрировки оптических поверхностей на положение и качество образованного изображения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Рытова, Елена Сергеевна

• Рытова, Елена Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рытова, Елена Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ДЕЦЕНТРИРОВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

1.1 Децентрировка поверхностей вращения сферической и несферической формы в центрированной оптической системе.

1.2 Децентрировка поверхностей вращения сферической и несферической формы в децентрированной оптической системе.

1.3 Базы и базирование в оптике.

1.4. Краткое изложение известных результатов анализа влияния децентрировки поверхностей оптических систем и отдельных компонентов на положение и качество образованного изображения.

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ДЕЦЕНТРИРОВКИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ПОЛОЖЕНИЕ ОБРАЗОВАННОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ.

2.1 Децентрировка оптических поверхностей сферической формы и ее влияние на поперечный сдвиг образованного изображения.

2.2 Децентрировка оптических поверхностей сферической формы и ее влияние на положение образованного изображения.

2.3 Децентрировка плоских оптических поверхностей.

ГЛАВА 3. ЗЕРКАЛЬНО-ПРИЗМЕННЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТОЧНОСТЬ НАПРАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ СИСТЕМЫ.

3.1 Зеркально-призменные системы.

3.2 Влияние погрешностей изготовления призм различной конструкции.

3.3 Влияние ошибок базирования призменных систем на положение плоскости изображения.

3.4 Инвариант декомпланарности.

3.5 Применение инварианта декомпланарности для расчета погрешностей изготовление призм различной конструкции.

3.5.1 Обычная прямоугольная призма (не вращающаяся).

3.5.2 Пентапризма.

3.5.3 Призма Дове.

3.5.4 Прямоугольная призма с двумя отражающими гранями (БР-180).:.

ГЛАВА 4. АБЕРРАЦИОННАЯ СТРУКТУРА ИЗОБРАЖЕНИЯ ТОЧКИ,

ОБРАЗОВАННОГО ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ.

4.1. Аберрационная структура изображения точки, образованного центрированной оптической системой.

4.2 Функция волнового фронта и ее определение.

4.3 Аберрационная структура изображения точки, образованного произвольно расположенной системой оптических поверхностей.

4.4 Аберрационная структура изображения точки, образованного системой оптических поверхностей, обладающих плоскостью симметрии.

4.5 Аберрационная структура изображения точки, образованного децентрированной системой оптических поверхностей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния децентрировки оптических поверхностей на положение и качество образованного изображения»

Развитие современного оптического приборостроения требует создания высокосветосильных оптических систем, формирующих изображение в пределах большого углового поля в пространстве предметов. Высокие требования к параметрам оптических систем и к качеству образованного ими изображения определяют сложность их конструкции. Объективы проекционной литографии, например, или объективы камер профессионального телевидения содержат десяткилинз, к качеству изготовления которых предъявляются весьма жёсткие требования. Поэтому изготовление современных объективов, формирующих изображение высокого качества в каждой точке изображаемого пространства, представляет собой сложную технологическую задачу.

В общем случае неизбежные погрешности1 изготовления деталей центрированной оптической системы и погрешности их базирования в процессе выполнения сборочных работ приводят к неизбежным децентрировкам поверхностей, влияние которых на функциональные параметры оптической системы и, прежде всего, на качество изображения не должно превышать допустимого. Назначение допусков на изготовление деталей и отдельных сборок оптических систем носит, как правило, эвристический характер, определяемый накопленным опытом разработчика. Поэтому даже в том случае, когда оптические и механические детали объективов изготовлены строго в соответствии с указанными в. чертежах допусками, нередко наблюдается снижение качества образованного ими изображения, вызванного, прежде всего, остаточными децентрировками поверхностей. По мере развития' оптического приборостроения проблема определения влияния децентрировки на изменение остаточных аберраций изображения становилась всё острее.

Первые результаты систематических исследований этой проблемы были опубликованы в начале XX столетия (труды шведского учёного Гульстранда). Вполне очевидно, что если децентрировка одного из элементов оптической системы приводит к нарушению коррекции аберраций, то следует подобрать другой элемент, управляемой децентрировкой которого можно попытаться компенсировать влияние первого. Эти соображения, видимо, и были положены в основу последующих исследований, посвященных разработке методов вычисления известных аберраций изображения, образованного системой децентрированных поверхностей, и поиску потенциальных элементов-компенсаторов этих аберраций. Однако, следует обратить внимание на то, что- в децентрированной системе поверхностей, нарушается не только качество изображения^ но- и> наблюдается поперечный^ сдвиг и наклон изображения, а также происходит поперечное- и, угловое смещение относительно оптической оси.хода осевого луча, что приводит фактически к дополнительной децентрировке предыдущей' и- последующей частей единой оптической системы. В результате приходим к выводу, что, не имея полной картины нарушения, начальной коррекции аберраций по 1 всему полю изображения, не имея представления о величине поперечного сдвига и наклона плоскости изображения, невозможно судить об эффективности поперечного смещения элемента-компенсатора. Решение этих задач не имеет должного отражения в известных нам отечественных и зарубежных публикациях. Целью настоящей работы является; исследование влияния децентрировки элементов оптической системы на положение и качество образованного изображения. Изложенные соображения позволяют сделать вывод о том, что выбранная тема настоящей работы достаточно актуальна.

В процессе выполнения исследований по теме диссертации были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ влияния децентрировки элементов оптической системы на положение образованного изображения.

2. Анализ влияния погрешностей базирования и углов в плоскости главного сечения зеркально-призменных систем на погрешность направления оптической оси системы.

3. Анализ влияния декомпланарности нормалей к поверхностям зеркально-призменных систем на погрешность направления оптической оси системы.

4. Анализ аберрационной функции изображения, образованного оптической системой нецентрированных поверхностей.

В процессе выполнения исследований по теме диссертации были получены следующие результаты:

- получены соотношения, позволяющие оценить наклон* изображения при децентрировке поверхностей оптической системы;

- получено выражение закона преломления в матричной форме, на основе которого выполнен вывод инварианта декомпланарности нормалей к поверхностям зеркально-призменных систем;

- получен общий вид выражений, определяющих аберрационную функцию изображения, образованного системой нецентрированных оптических поверхностей, и выполнен их анализ; в результате анализа показано, что отдельные составляющие полученных выражений определяют обобщённую сферическую аберрацию, кому, астигматизм, кривизну поверхности изображения и его дисторсию третьего порядка, а также аберрацию, образованную световым пучком лучей, закрученным на угол тг/2;

- получены выражения, определяющие аберрационную функцию изображения, образованного системой оптических поверхностей, обладающих плоскостью симметрии, и выполнен их анализ;

- получены выражения, определяющие аберрационную функцию изображения, образованного центрированной оптической системой при децентрировке отдельного компонента системы, и выполнен их анализ; показано, что в этом случае поперечная аберрация в изображении внеосевой точки содержит неизвестную ранее составляющую в виде круга, формируемую пучком лучей, закрученным на угол, равный п/2, т.е. луч, проходящий через точку входного зрачка, расположенную в меридиональной плоскости, образует сагиттальную составляющую аберрации, а луч, расположенный в сагиттальной плоскости, образует меридиональную составляющую аберрации; показано, что при этом направления скручивания пучков лучей в изображении точек, расположенных по разные стороны от плоскости децентрировки, противоположны друг другу;

- определено условие интегрируемости полного дифференциала волновой аберрации, приведена последовательность определения функции волновой аберрации при известных функциях меридиональной и сагиттальной составляющих поперечной аберрации.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Определение децентрировки поверхностей и компонентов оптической системы и анализ её влияния на положение изображения.

2. Определение влияния погрешности базирования зеркально-призменных систем и погрешностей углов в плоскости главного сечения на отклонение оптической оси от номинального направления.

3. Закон преломления в матричной форме и вывод инварианта декомпланарности нормалей к поверхностям зеркально-призменных систем на его основе. Примеры применения инварианта декомпланарности.

4. Аберрационная функция изображения, образованного системой нецентрированных оптических поверхностей и результаты её анализа.

5. Аберрационная функция изображения, образованного центрированной оптической системой при децентрировке её отдельных поверхностей и компонентов, и её анализ.

6. Неизвестная ранее составляющая поперечной аберрации в виде круга, формируемая при децентрировке отдельного компонента системы пучком лучей, закрученным на угол, равный л/2, при этом направления скручивания пучков лучей в изображении точек, расположенных по разные стороны от плоскости децентрировки, противоположны друг другу.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Рытова, Елена Сергеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Получены соотношения, позволяющие оценить наклон изображения при децентрировке поверхностей оптической системы.

2. Получено выражение закона преломления в матричной форме, на основе которого выполнен вывод инварианта декомпланарности нормалей к поверхностям зеркально-призменных систем.

3. Получен общий вид выражений, определяющих аберрационную функцию изображения, образованного системой" нецентрированных оптических поверхностей, и выполнен их анализ; в результате анализа показано, что отдельные составляющие полученных выражений определяют обобщённую сферическую аберрацию, кому, астигматизм, кривизну поверхности изображения и его дисторсиЮ' третьего порядка, а также аберрацию, образованную световым пучком лучей, закрученным на угол тт/2:

4. Получены выражения, определяющие аберрационную функцию' изображения, образованного системой оптических поверхностей, обладающих плоскостью симметрии, и выполнен их анализ:

5. Получены выражения, определяющие аберрационную функцию изображения, образованного центрированной оптической системой при-децентрировке отдельного компонента системы, и выполнен их анализ; показано, что в этом случае поперечная аберрация в изображении внеосевой точки содержит неизвестную ранее составляющую в виде круга, формируемую пучком лучей, закрученным на угол, равный 71/2, т.е. каждый луч, проходящий через точку входного зрачка, расположенную в меридиональной плоскости, образует сагиттальную составляющую аберрации; а луч, расположенный в сагиттальной' плоскости, образует меридиональную составляющую аберрации; показано, что при этом направления скручивания пучков лучей в изображении точек, расположенных по разные стороны от плоскости децентрировки, противоположны друг другу.

6. Определено условие интегрируемости полного дифференциала волновой аберрации, приведена последовательность определения функции волновой аберрации при известных функциях меридиональной и сагиттальной составляющих поперечной аберрации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рытова, Елена Сергеевна, 2011 год

1. Борн М; Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. — М. : Недра, 1970. 856 с.

2. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. М. : ГИТТЛ, 1982. - 608 с.

3. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. Теория, основы проектирования, оптич. характеристики. Учеб. пособие для киновузов. — 2-е изд. М; : Искусство, 1978. - 543 с.

4. Вычислительная оптика.: Влияние децентрировки на аберрации / А.П. Грамматин. под общ.ред. М.М. Русинова. — Л. : Машиностроение, Ленингр. Отд-е, 1984.-431 с;

5. ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. Введ. 1977-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1982. - 35 с.

6. ГОСТ 7427-76. Геометрическая оптика. Термины, определениям и буквенных обозначения. Введ. 1977-07-01. - М. : Изд-во. стандартов; 1988.- 17 с.

7. Грамматин А.П. Аберрации второго порядка, асферической поверхности вращения / А.П. Грамматин, С.М. Марчук // ОМП. 1990. -№6.-С. 40-41.

8. Грамматин А.П. Асферические оптические поверхности. //ОМП. — 1990.-№2.-С. 36,58,70.

9. Грамматин А.П. Зеркальный репродукционный«, объектив «Авангар» / А.П. Грамматин, Э.А. Лустберг // Оптико-механическая» промышленность. — 1975. -№6. — С. 35-38;

10. Грамматин А.П: Монохроматические, аберрации второго порядка в центрированных системах / А.П; Грамматин, С.М. Марчук // Изв.вузов. Приборостроение. 1989: - №9. - С. 80-85.

11. Грамматин А.П. Свойства геометрических аберраций второго порядка. // Оптический журнал. 1994. - №8. - С. 34-38.

12. Грамматин А.П. Свойства зеркального объектива «Авангард» // Оптический журнал. 1996. - №4. - С. 40-45.

13. Грамматин А.П. Свойства элементарных астигматических пучков лучей при децентрировке оптических систем. // Оптика и Спектроскопия. 1995. - Т. 79, №5. - С. 875-879.

14. Губель H.H. Аберрации децентрированных систем. JL Машиностроение, 1975.-272 с.

15. Зверев В.А. Аберрационная структура пятна рассеяния в изображении точки при децентрировке элементов оптической системы / В.А. Зверев, И.Н. Тимощук // Оптический журнал. 2009. - Т. 76,№1. — С. 31-36.

16. Зверев В.А. Влияние децентрировки поверхностей вращения на положение плоскости изображения / В.А. Зверев, Е.С. Рытова, И.Н. Тимощук // Оптический журнал. 2010. - Т. 77, № 6. - С. 8-13.

17. Зверев В.А. Влияние децешрировки поверхностей вращения на положение плоскости изображения / В.А. Зверев, Е.С. Рытова, И.Н. Тимощук // Оптический журнал. 2010. - Т. 77, № 6. - С. 8-13.

18. Зверев В.А. Основы геометрической оптики. // СПб. : СПбГУ ИТМО, 2002.-218 с.19.* Зверев В:А. Основы оптотехники / В.А. Зверев, Т.В. Точилина. Учебное пособие. СПб : СПбРУ ИТМО. - 2005. - 293 с.

19. Зверев. В.А. Погрешности изготовления и установки отражательных призм / В.А. Зверев, E.G. Рытова // Оптический журнал. 2011. - Т. 78, №3;-С. 14-20:

20. Зверев В.А. Следствия из закона синусов* Аббе //Оптика и спектроскопия. 1999: - Т. 86, №4. - С. 689-693.

21. Зверев В.А. Специальные разделы прикладной математики для оптотехников. / В.А. Зверев, Т.В. Точилина / Уч. Пособие. СПб: СПбГУ ИТМО; 2005. - 235 с.

22. Зверев В.А. Функция волновой аберрации и ее определение / В.А. Зверев. Е.С. Рытова, И.Н. Тимощук // Оптика и спектроскопия. — 2011. -Т. 110, №-6. С. 998-1001.

23. Иванова Т.А. Проектирование и контроль оптики микроскопов / Т.А. Иванова, В.К. Кирилловский. JI. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние; 1984.-231 с.

24. Игнатовский B.C. Элементарные основы теории оптических приборов. Гос.техн. - теор.изд. Ленинград-Москва, 1933. - 184 с.

25. Крынин А.И. Статистическая оценка погрешности центрировки линз / А.И. Крынин, 0:С. Голубев // ОМП. 1975. -№11.- С. 45-47.

26. О'Нэйл Э. Введение в статистическую оптику. Пер. с англ. под ред. П:Ф: Паршина. М. : Мир. - 1966. - 254 с.

27. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л. : Машиностроение. -1982.-237 с.

28. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. J1. : Машиностроение. -1968.-292 с.

29. Проектирование оптических систем;: Оценка качества изображения / Уэзерелл У. Пер. с англ. под ред. Р. Шеннона, Дж. Вайанта. М. : Мир. - 1983.-432 с, ил.

30. Проектирование оптических систем : Сборка и центрировка объективов / Хопкинс Р. / Пер. с англ. под ред. Р.Шеннона. М. : Мир. - 1983. -432 с.32; РТМ 3-1653-84. Детали оптические. Расчеты допусков-центрирования

31. Русинов М;М. Композиция оптических систем. — Jli : Машиностроение, 1989.-384 с.

32. Русинов М.М. Обі аберрациях второго порядка в центрированных оптических систем // Изв.вузов. Приборостроение. 1987. — №5. — С. 64-68.

33. Русинов М.М. Юстировка оптических приборов: М. : Недра, 1969: -328 с.36: Слюсареві!1 iE. Ееометрическая* оптика.// Mi JI., Изд-во АН СССР. -1946.-332 с.

34. Слюсарев F.F. Методы расчёта оптических систем. Л. :

35. Машиностроение. 1969. - 672 с. 38; Соколова:Н.С. О допусках на децентрировку линз объективов// ОМП.-1973.-№7;-С. 53-55. 391 Сокольский МІНІ Допуски, и качество; оптического- изображения.1- Л; : Машиностроение, 1989;- 220 с.

36. Справочник . Вычислительная оптика, под общ. ред. М.М. Русинова. — Л; ¡ Машиностроение, Ленингр. отд-ние, . 1984;- 431 с.

37. Степин Ю.А. Децентрировка. Определение и методы измерения / Ю;А. Степин, Е.А. Васильев // ОМП. 1974.-№ 9. - С. 46.

38. Степин Ю.А. Наиболее рациональное обозначение допуска на децентрировку й особенности его контроля1 / Ю.А. Степин, Е.А. Васильев // ОМП. 1974. - №10; - С. 61:

39. Теория оптических систем / Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшиш М. : Машиностроение, 1981. - 430 с.

40. Тудоровский А.И. Теория оптических приборов. Т.1. Изд. 2-е. -М. Л. : АН СССР, 1948.-661 с.

41. Хваловский В.Н. Исследование аберраций второго порядка в оптических системах с одной плоскостью симметрии / В.Н.

42. Хваловский, С.В. Трубко // Изд. Вузов. Приборостроение. 1976. — Т. 19,№6.-С. 101-106, С. 114-118.

43. Чуриловский В.Н. Инвариант пирамидальности. Расчет допусков на пирамидальность призм // ОМП. 1932. — №11. — С. 7-11.

44. Пат. 5170284 США В 17/06 В 17/00 В 23/06 В 23/02 В 005/10. Wide field of view focal three-mirror anastigmat / Cook; Lacy G.; Hughes Aircraft Company. № 745674; Заявлено 16.08.1991; 0публ.08.12.1992. - 6 с.

45. Пат. 4733955 США В 17/06 В 17/00 В 017/06 В 023/06. Reflective optical triplet having a real entrance pupil / Cook; Lacy G.; Hughes Aircraft Company. № 851325; Заявлено 14.04.1986; 0публ.29.03.1988. - 7 с.