Исследование и разработка линзовых объективов, работающих в широкой области спектра

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 400 900 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

.

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 400 900 нм.

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

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