Разработка и исследование объективов с телецентрическим ходом лучей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Волков, Дмитрий Юрьевич

• Волков, Дмитрий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волков, Дмитрий Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ ОТХ, ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

2 ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТИВЫ С НЕКОМПЕНСИРОВАННОЙ ДИСТОРСИЕЙ.

2.2 ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭНДОСКОПОВ.

2.2.1 ОСОБЕННОСТИ ОБЪЕКТИВОВ ЭНДОСКОПОВ.

2.3 СИНТЕЗ ШИРОКОУГОЛЬНЫХ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВОВ ГРУППЫ 1.

2.3.1 БАЗОВАЯ СХЕМА ОЭ.

2.3.3 ОБЪЕКТИВЫ ЭНДОСКОПОВ ГРУППЫ 1.

ВЫВОДЫ.

3 СПОСОБЫ ИСПРАВЛЕНИЯ ДИСТОРСИИ В ШИРОКОУГОЛЬНЫХ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВАХ.

3.1 УСЛОВИЕ СИНУСОВ ДЛЯ ГЛАВНЫХ ЛУЧЕЙ.

3.1 ЭФФЕКТ АБЕРРАЦИОННОЙ ТЕЛЕЦЕНТРИЧНОСТИ.

ДИСТОРСИЯ АБЕРРАЦИОННО-ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

3.2 ДИСТОРСИЯ ШТО ПРИ НАБЛЮДЕНИИ

НЕПЛОСКИХ ОБЪЕКТОВ.

4 АБЕРРАЦИОННО-ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИЕ ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ОБЪЕКТИВЫ.

4.1 ОБЪЕКТИВ ИЗ СФЕРИЧЕСКИХ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

4.2 ОБЪЕКТИВЫ С АСФЕРИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ:.

4.3 ОБЪЕКТИВЫ С ГРАДИЕНТНЫМИ КОМПЕНСАТОРАМИ

ДИСТОРСИИ.

ВЫВОДЫ.

5. ПРОЕКЦИОННЫЕ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТИВЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

5.1 ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование объективов с телецентрическим ходом лучей»

Направление развития практически любых отраслей промышленности в значительной мере определяется требованиями рынка. Огромное многообразие наукоемкой продукции, выпускаемой сегодня в России и за рубежом, непосредственно определяется непрерывно растущими запросами ее потребителей. В оптическом приборостроении данный процесс проявляется в постоянном увеличении номенклатуры выпускаемых изделий, расширении сферы их применения, в ускорении смены поколений производимых приборов и неуклонном ужесточении требований к их качеству. Формирование и развитие рынка высокотехнологичной продукции происходит при тссном взаимодействии потребителей и производителей. В настоящее время нередким бывает явление, когда предложение значительно опережает спрос, и когда разработчики решают задачи, которые возможный потребитель перед ними еще не ставил. Это явление имеет вполне очевидное обоснование: уровень развития техники сегодня столь высок, что зачастую только специалист может более или менее свободно ориентироваться в ее возможностях, определяя, таким образом, наиболее перспективные направления деятельности. В этих условиях важным фактором успеха для фирмы, специализирующейся в производстве приборов любого типа и назначения (не только оптических), становиться ее способность заглянуть в будущее своего сектора рынка, как можно раньше показать покупателю новые возможности последних технических достижений и опередить в этом потенциальных конкурентов. Такая ситуация сегодня характерна практически для любого вида техники, будь то средства связи, компьютеры со всеми комплектующими, периферией и программным обеспечением, бытовые приборы, автомобили и т. д. Не являются здесь исключением и оптические приборы, превратившиеся за последнее десятилетие в сложные комплексы, где в единой взаимосвязи функционируют оптические, механические и электронные системы. Еще совсем недавно, например, большинство выпускаемых в мире фотоаппаратов не имело в своей конструкции электрических (тем более, электронных) узлов, а сейчас даже самые дешевые «мыльницы» не обходятся без встроенной фотовспышки, устройства от «красного глаза», механизмов автоперемотки и автоподачи фотопленки. Традиционными стали объективы с неременным фокусным расстоянием, системы автофокусировки, встроенные автоматические экспонометры, различные системы жидкокристаллической индикации и т. п. Наконец, широко распространилась цифровая фото и видеотехника с ее электронными системами регистрации изображения и последующей компьютерной обработкой.

Что касается собственно оптических систем (в дальнейшем - ОС), то и здесь нельзя не заметить того значительного влияния, которое оказывает на процесс их развития общий технический прогресс и конъюнктура рынка. Отдельные группы ОС получают большее или меньшее распространение в традиционных областях их применения, другие постепенно уступают свое место принципиально новым техническим устройствам, некоторые могут быть использованы по новому назначению.

Среди огромного многообразия существующих в наше время ОС, объективы с телецентрическим ходом главных лучей (далее - ОТХ) занимают видное место как по ширине сферы их применения, так и по объемам выпуска и продаж. Требование обеспечить телецентричность пучков лучей со стороны предмета или изображения часто предъявляется ко многим типам ОС по самым разнообразным причинам. При расчёте таких объективов разработчик сталкивается с необходимостью решения целого ряда специфических задач [5, 6] (обеспечение жёстко заданных габаритных размеров, специфические требования к ходу лучей, ортоскопичность, дифракционное качество изображения и др.). При этом, ввиду отсутствия конкретных методов и подходов к проектированию подобных систем, расчёт каждого нового объектива оборачивается необходимостью решения независимой самостоятельной задачи. По этой причине, среди имеющихся в настоящее время оптических схем ОТХ наблюдается неупорядоченное разнообразие и отсутствие стандартных элементов, а выработка требований к их техническим характеристикам и параметрам качества изображения часто осуществляется в процессе расчета конкретного образца.

Вследствие указанных причин представляется достаточно актуальным и полезным с практической точки зрения разработать применительно к системам ОТХ соответствующие подходы по выработке технических требований, расчёту и оценке качества их изображения, подобно тем, которые уже существуют и успешно применяются в отношении такого рода систем, как микро- , фото- , гидросъёмочные объективы и др. Решение данной задачи позволит упростить и ускорить процесс создания ОТХ и родственных им систем.

Поскольку объективы большинства существующих типов могут по тем или иным причинам быть телецентрическими, возникает необходимость ограничить область исследования только теми из них, в которых данный признак или находится в противоречии с прочими требованиями, или входит в число наиболее важных критериев качества данной ОС. Поэтому в дальнейшем, основное внимание будет уделятся следующим типам ОТХ: 1. Широкоугольные телецентрические объективы (далее - ШТО). Эти объективы вызывают наибольший интерес в виду значительных противоречий между требованиями к конструкции и качеству изображения с одной стороны и возможностями схемных решений с другой. В этом отношении данный вид ОТХ представляет собой крайний случай сочетания ряда проблем, решения которых взаимно исключают друг друга. Наиболее характерными представителями семейства ШТО являются объективы эндоскопов, а потому исследование именно их оптических схем составляет основу практической части настоящей работы.

Для удобства, в дальнейшем системы ШТО нестрого подразделяются на две основные группы по степени исправленности дисторсии в зависимости от углового поля (рис. 1). Объективы, кривая дисторсии которых расположена в окрестностях линии, идущей от |40±10|% при 2со=120° до |15±5|% при 2(О=70° входят в группу 1 [7, 34, 37, 46, 49, 50, 55, 72, 74, 79]. Такие объективы можно считать системами с неисправленной дисторсией. К

А2со

1 2

X 120°

N Х

X ч О О . х N о 4 о v --95°

N \ \

X \ D ^ V N \ х ч х \ о 4 о \ — 70° ч N х

D, % ^ ч Xs N О \

4 * ,

-1-1-1-1-1-^ 1 ^ '

60 30 о

X ОТХ группы 1 о ОТХ группы 2 п ОТХ переходной группы (3)

Рис. 1 группе 2 принадлежат объективы, кривая дисторсии которых расположена в окрестностях линии, идущей от |15±5|% при 2со=120° до |5±5|% при 2со=70° (системы с умеренной дисторсией) [8, 9, 50, 53, 59, 73]. Небольшая часть известных ШТО может быть отнесена к системам переходной группы 3 [56];

2. Высокоточные ортоскопические проекционные объективы [19,20, 21, 22, 35, 36]. Данные ОТХ используются в измерительных проекционных системах [16], а также в устройствах фотолитографии [69, 77]. Условия применения таких приборов требуют минимизации нарушения геометрического подобия изображения предмету при весьма высоком качестве изображения. Возникающие при этом некоторые проблемы и способы их решения представлены в третьей главе на примере объективов серии ОП - 4 [10, И], производства ОАО «ЛОМО».

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Волков, Дмитрий Юрьевич

выводы

1. Наибольшее после дисторсии влияние на точность ортоскопической оптической системы оказывают кома и хроматизм увеличения, приводящие к асимметрии широких наклонных пучков лучей. Эти аберрации сдвигают максимум освещенности в пятне рассеяния точки относительно главного луча на величину, сравнимую с остаточной линейной дисторсией оптической системы, так что суммарная погрешность измерения прибора может выйти за рамки допустимых значений.

2. Несмотря на то, что в среднем величина выходной апертуры в системах ПТО относительно невелика, вклад несимметричных аберраций высших порядков в нарастание погрешности измерения может превысить вклад от аберраций III порядка. Следовательно, при проектировании систем ПТО коррекция аберраций, нарушающих симметрию внеосевых пучков, должна осуществляться по крайне мере в области III - VII порядков.

3. В волновой мере величина смещения максимума освещенности в изображении точки определяется как дифференциал уравнения среднеквадратической ошибки волнового фронта по коэффициенту волновой аберрации \¥ц, характеризующего поперечное смещение волнового фронта.

4. Практика показывает, что даже при небольшом значении величины среднеквадратической ошибки волновой аберрации смещение максимума интенсивности в дифракционном пятне рассеяния ПТО может выйти за пределы допуска. Однозначной зависимости между величинами Ayi и ^Vcкв в такого рода системах не наблюдается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены условия и способ синтеза стигматической фронтальной части ОЭ.

2. Выделены такие широкоугольные ОС, у которых параллельность главных лучей оптической оси в пространстве изображений обеспечивается не законами параксиальной оптики, а аберрациями в зрачках. Предложено такие системы называть аберрационно-телецентрическими.

3. Обнаружено, что известная формула Вандерслеба, определяющая зависимость дисторсии от зрачковых аберраций неприменима в отношении аберрационно-телецентрических ОС, т. к. при значительном отступлении от условия синусов данное выражение дает бесконечность вида const/0. Предложена выражение дисторсии в системах ШТО.

4. Показано, что в аберрационно-телецентрической ОС дисторсия может быть представлена как функция комы главных лучей, что подтверждается прямой аналогией ее записи с формулами Конради.

5. Использование эффекта аберрационной телецентричности позволило разработать широкоугольные телецентрические ОС с приемлемым уровнем распределения освещенности при значительном уменьшении дисторсии и без существенного снижения качества изображения.

6. Показано, что разработка оптической системы телецентрического ОЭ с уменьшенной дисторсией на основе только сферических поверхностей возможна, но практически бесполезна. Предложено использовать в качестве компенсаторов дисторсии в системах ОЭ градиентные линзы (ГКД).

7. Обнаружено, что хотя в среднем величина выходной апертуры в системах ПТО относительно невелика, вклад несимметричных аберраций высших порядков в погрешность измерения может превысить вклад от аберраций III порядка. Следовательно, при проектировании систем ПТО коррекция аберраций, нарушающих симметрию внеосевых пучков, должна осуществляться но крайне мере в области III - VII порядков.

8. Результаты проведенных исследований позволили разработать новые объективы для перспективных приборов, внедряемых в производство на ОАО «ЛОМО». В их числе семейство объективов для гастродуоденоскопа ГДБ-ВО-Г-32, объектив бронхоскопа ББ-ВО-Г-4, объектив колоноскопа КБ-ВО-Г-22, серия ПТО ОП-4 (7 моделей). На оптические схемы всех объективов получены патенты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Волков, Дмитрий Юрьевич, 2004 год

1. Андреев Л. Н., Ягонен А. И. Расчет объектива для наблюдения внутреннихполостей. ОМП, 1973, №6, стр. 28.

2. Бегунов Б. Н. Заказнов Н. П., Теория оптических систем. М.,1. Машиностроение, 1973.

3. Бездидько С. Н. Некоторые подходы к анализу свойств прототиповоптических систем и выбору начального решения. V Международная конференция «Прикладная оптика». Сборник трудов. Т.З, с. 3. СПб 2002.

4. Вайндберг В. Б., Саттаров Д. К. Оптика световодов. Л. Машиностроение.1969.

5. Волков Д. Ю. Объективы эндоскопов нового поколения. V Международнаяконференция «Прикладная оптика». Сборник трудов. Т.З. С-Пб 2002.

6. Волков Д. Ю. Влияние аберрации комы III и V порядков проекционныхортоскопических объективов на погрешность измерительных систем. Современные технологии. Сборник научных статей. С-Пб. ИТМО (ТУ). 2002.

7. Волков Д. Ю., Совз И. Е., Сокольский М. Н., Варламова Л. Л. Объективэндоскопа. Пат. пол. мод. РФ №29772 от 27.05.2003.

8. Волков Д. Ю., Совз И. Е. Широкоугольный объектив эндоскопа. Патент РФ2197007 от 27.07.2001.

9. Волков Д. Ю., Сокольский М. Н., Совз И. Е., Варламова Л. Л.

10. Широкоугольный объектив эндоскопа. Пат. пол. мод. РФ №24001 от 20.07.2002.

11. Ю.Волков Д. Ю., Совз И. Е., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Телецентрический проекционный объектив. Авт. свид. РФ №25798 от 20.10.2002.

12. Волков Д. Ю., Совз И. Е., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Телецентрический проекционный объектив. Авт. свид. РФ №25799 от 20.10.2002.

13. Волосов Д. С. Фотографическая оптика. М. Искусство. 1971.

14. Вычислительная оптика. Справочник под ред. М. М. Русинова. JI. Машиностроение. 1984.

15. М.Грамматин А. П., Иванова И. М. Объектив. Авт. свид. РФ №822126. 11.06.1979.

16. Грамматин А. П., Яковлева Е. Е. Объектив телецентрический для ультрафиолетовой области спектра. Авт. свид. РФ №871122. 25.01.1980.

17. Даниленко В. И., Скворцов Ю. С., Совз И. Е., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Проекционная система. Авт. свид. РФ №18204. 05.06.2001

18. П.Денисюк Ю.Н. Авт. свид. СССР №603938. 1978 №15.

19. Зверев В. А., Шагал А. М. Трехкомпонентный объектив с телецентрическим ходом лучей. ОМП, 1976, №9, стр. 12.22.3верев В. А., Шагал А. М. Трехкомпонентный объектив с телецентрическим ходом лучей и удлиненным задним отрезком. ОМП, 1972, №12, стр. 24.

20. Иванова Т. А., Кирилловский В. К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. J1. Машиностроение. 1984.

21. Куликовская Н. И., Королева А. В., Филонов А. С., Венециан Р. А., Благородов А. М. Авт. свид. СССР №670916. 1979.

22. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. М. Мир, 1964.

23. Панов В. А., Андреев Jl. Н. Оптика микроскопов. Л. Машиностроение. 1976.

24. Проектирование оптических систем. Под редакцией Р. Шеннона, Дж. Вайанта. М. Мир. 1983.

25. Родионов С. А., Шехонин А. А. Влияние аберраций осветительных систем на равномерность освещенности. ОМП, 1990, №1, стр. 32.

26. Русинов М. М. и др. Авт. свид. СССР №693328. 1979.

27. Русинов М. М. и др. Авт. свид. СССР №1138781 А. 1985.

28. Русинов М. М. Техническая оптика. JI. Машиностроение. 1979.

29. Русинов М. М. Композиция оптических систем. J1. Машиностроение. 1989.

30. Русинов М. М. Несферические поверхности в оптике. М. Недра. 1992.

31. Русинов М. М., Иванов П. Д., Песина Т. И., Э. М. Лившиц, Д. М. Румянцев. Широкоугольный телецентрический объектив. Авт. свид. СССР №1048444.21.05.1982.

32. Русинов М. М., Иванов П. Д., Песина Т. И. Проекционный телецентрический объектив. Авт. свид. СССР №1107089. 17.05.1983.

33. Русинов М. М., Иванов П. Д., Песина Т. И. Телецентрический объектив с увеличенным задним отрезком. Авт. свид. СССР № 1112331. 11.04.1983.

34. Русинов М. М., Иванов П. Д., Песина Т. И. Широкоугольный телецентрический объектив. Авт. свид. СССР №1115004. 24.02.1983.

35. Рывкин А. А., Рыбкин А. 3., Хренов Л. С. Справочник по математике. М. Высшая школа. 1975.

36. Сокольский М. Н. Допуски и качество оптического изображения. Л. Машиностроение, 1989.

37. Слюсарев Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л. Машиностроение. 1969.

38. Слюсарев Г. Г. Расчет оптических систем. Л. Машиностроение 1975.

39. Тарабукин В. В. Оптические системы с исправленной дисторсией на основесверхширокоугольных дисторзирующих объективов. ОМП. 1977. №1. стр.23

40. Тудоровский А. И. Теория оптических приборов. М. Издательство АН СССР. 1948 .

41. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. Л. Машиностроение. 1966.

42. Abe Tctsua. Telccentrical projection lens system with front stop diaphragm. JP 2828254 B2 2184810 A. 11.01.1989.

43. Adashi Riyuusuke. Objective lens for an electronic endoscope. JP 2767106 B2 1217410 A. 26.02.1988.

44. Berci G., ed., Endoscopy, Prentice-Hall, New York 1976.

45. Cobb Joshua M., Laplante Mark J., Long David C., Topolovec Franz. Telecentric or achromatic f-0 scanning lens ant its application. USP 5404247. 02.08.93.

46. Eberhard Dietzsch. Telecentric relay systems having distortion and their application in endoscopes. SPIE, Vol. 2774 (pp. 276-282).

47. Hasegawa Naoki. Endoscope lens system. JP 349508 B2. 26.06.1990.

48. Horton, Richard F. Objective lens system for endoscope. ОЭ. USP 5555131. 10.09.1996.52.1tarashi Tsumotu. Endoscope lens. JP 2804267 B2 1279219 A. 02.05.1988. 53.1tarashi Tsumotu. Endoscope lens. JP, 2920670 B2. 07.19.1999.

49. Kamiyama Keidzi, Wakimoto Jensi. Stereoscopic projection lens. JP 2860221 B2. 24.02.1999.

50. Kota Akira. Endoscope lens system. JP 2876252 B2. 17.10.1990.

51. Lei, Fang. Endoscope lens, and an endoscope equipped with such a lens. USP application 20020027723, March 7, 2002.

52. L. L. Johnson, Diagnostic and Surgical Arthroscopy, C.V. Mosby, St. Louis 1981.

53. Luster, Spencer D. Miyano, Hitoshi, Yamamoto, Chikara. Objective lens for endoscope. USP 5936778. 04.10.1999

54. Masaru Shiraiwa. Objective lens system for endoscope. USP 5208702.0504.1993.

55. Meissncr W. Linsesystem geringer Verzeichnung mit telezentrischem Strahlengang, insbesonderc fDr MeBprojektoren. DP 1912808. 24.02.1977.

56. Minefuji Nobutaka. Telecentric projection lens. JP 2717552 B2 2040607 A. 30.07.1988.

57. Miyano Masari, Yamamoto Tikara. Objective lens for endoscope. JP 3051035 B2.1810.1994.

58. Miyano Takashi, Matsumura Takeshi. Objective lens for endoscopes. JP 2709611 B2 2090118 A. 28.09.1988.

59. Miyano, Hitoshi. Objective lens for endoscopes. USP 5691853. 25.11.1997.

60. Sekiya, Takaomi, Takahashi; Kazuyuki, Eguchi; Masaru. USP 5828498. 27.10.1998.

61. Schneider, Gudrun. Telezentrisches Objectiv. Deitzsch, Eberhard, 0-6900, DE. 22.07.1993.

62. Tachihara, Satoru, Koeda, Takashi. Optical system for an endoscope. USP 5781350. 14.07.1998

63. Takahasi Susumu. Image translating optical system. JP 3055785 B2. 23.08.1989.

64. Takayama Tosiiti, Haseyama Susumu. Optical system for an endoscope lens. JP 2899980 B2. 02.02.1990.

65. Tanaka Takctsu. Optical system for endoscopes. USP 5005957 11.01.1997.

66. Tiba Masahiro. Industry endoscope optical system surveing of the pipe inside surfaces. JP 90101726. 19.04.1990.

67. Wakimoto Zenji, Hayashi Naohisa, Image forming telecentric optical system, JP 2814471.22.10.98

68. Warren J. Smith. Modern lens design. A Resource Manual. Genesee Optics Software Inc. Rochester, New York. 1992.

69. Watanabe, Fumio, Telecentric projection lens system, USP 5905596. 05.19.1999

70. Wayne Knapp, Gary Blough, Kumar Khajurivala, Robert Michaels, Berge Tatian and Brian Volk. Optical design comparison of 60° eyepieces: one with a diffractive surface and one with aspherics. Appl. Opt., 1997, vol. 36, N 20, p. 4756-4760.

71. Tsumotu, Igarashi. Rigid endoscope optical system. USP 5936783 A. 18.10.1996.

72. Yamamoto, Chikara, Ogawa, Ryota. Endoscope lens. USP 5515208. 05.07.1996.

73. Yamamoto, Chikara. Objective lens for an endoscope. USP 6353504. 03.05.2002.82.www.leineroptics.com83.www.opdev.com84.www.mpronline.com