Например, Бобцов

АБЕРРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОТРАЖАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА

66 Л. Н. Андреев, Ю. А. Комарова
УДК 535.317

Л. Н. АНДРЕЕВ, Ю. А. КОМАРОВА
АБЕРРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОТРАЖАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА

Рассмотрены коррекционные возможности в области Зейделя отражающих поверхностей второго порядка: параболы, гиперболы и эллипса. На основе выражений для коэффициентов аберраций третьего порядка сформулирована теорема об аберрационных свойствах этих поверхностей.

Ключевые слова: асферические отражающие поверхности, аберрации третьего порядка, аберрационные свойства.

Уравнения кривых второго порядка имеют вид [1, 2]

y2 = 2r0 z − (1 − e2 )z2 ,

(1)

где r0 — радиус в вершине кривой, е — эксцентриситет кривой второго порядка. Для окружности е2=0, для параболы е2 =1, для эллипса 0< е2 1: см.

рисунок, где приведены схемы соответствующих асферических отражающих поверхностей.

а) б) y

y

e2 = 1 n = –n′ = 1

0 1

y

в) n = –n′ = 1

F2 O2

F1 z O O1

–s s′
На основе фокальных свойств кривых второго порядка [3] установлено, что оба фокуса являются сопряженными. Поэтому при расположении точки предмета в одном из фокусов отражающих поверхностей изображение находится в другом, и при этом гомоцентричность пучков лучей не нарушается, т.е. сферическая аберрация отсутствует [4—9].
Рассмотрим коэффициенты (SI—SV) аберраций третьего порядка отражающих поверхностей второго порядка.
Коэффициенты аберраций третьего порядка, выраженные через параметры Р, W, π [1], определяются следующим образом:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3

Аберрационные свойства отражающих поверхностей второго порядка

67

SI = h(P + ∆P); SII = H (P + ∆P) − IW ;

⎫ ⎪ ⎪

SIII

=

H2 h

(P

+

∆P) − 2I

H h

W



I 2Φ;

⎪ ⎪ ⎪

SIV SV

=

π

=



∆n−1 r0

=

Φ;

=

H3 h2

(P

+

∆P)



3I

H2 h2

W



2I 2

H h

⎬ ⎪ ⎪ ⎪ Φ,⎪⎪⎭

(2)

где h и H — высота пересечения соответственно 1-го и 2-го параксиальных лучей с асфериче-

ской поверхностью; n = −n′ = 1; при этом

P

=

⎛ ⎝⎜

∆a ∆n−1

⎞2 ⎟⎠

∆a

1 n

;

W

=

∆a ∆n−1

∆a

1 n

;

Φ

=

α′ − h

α

,

∆P

=

−e2

∆an3 ∆n2

.

Для параболоида (см. рисунок, а) при P = −0, 25; W = 0,50; ∆P = 0, 25 и α1 = 0; α′ = 1;

h1 = f ′ = 1; β1 = 1, I = −1 уравнения (2) принимают следующий вид:

SI = 0; SII = W = 0,5;

⎫ ⎪ ⎪

SIII = −H −1 = −sp −1;

⎪ ⎬

SIV = 1;



SV

=

3 2

H2

+

2H

=

3 2

s

2 p

+



2s

p

,⎪ ⎭

(3)

где sp — приведенное положение входного зрачка относительно вершины поверхности.

Для эллиптической и гиперболической отражающих поверхностей (см. рисунок, б, в)

уравнения (2) при

α1

= −β×; h1 = sα = −sβ× ; H

= sp; I

= n1α1l = −(sp



s)

1 1

− +

e e

имеют вид

SI

=

s

(1 − (1 +

e) e)

⎡ ⎢− ⎢⎣

2e2 (1 + e)3

+

2e2 (1 + e)3

⎤ ⎥ ⎦⎥

=

⎫ 0;⎪


SII

=



2(sp − s)(1 − (1+ e)3

e)e ;

⎪ ⎪ ⎪ ⎪

SIII

=

4(sp − s)spe s(1 + e)2

+

2(sp − s)2 (1 − s(1 + e)2

e) ;⎬⎪⎪ ⎪

SIV SV

=

π

=



∆n−1 r0

=

Φ;

=



6e(s p (1 −

− s)s2 e2 )s2

p

+

4(sp − s)2 sp s2 (1 + e2 )

,

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎭

(4)

где s и sp — расстояние от предмета и входного зрачка до вершины поверхности. Для эллипсоида и гиперболоида

s

=

1

r0 −

e

или

s′

=

1

r0 +

e

.

(5)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3

68 Л. Н. Андреев, Ю. А. Комарова

Анализ выражений (2)—(5) и фокальных свойств кривых второго порядка позволяет

вывести следующую теорему.

Теорема. Отражающие поверхности второго порядка (параболоидальная, эллипсои-

дальная и гиперболоидальная) характеризуются следующими свойствами:

1) при расположении предмета в одном из фокусов сферическая аберрация исправлена

(SI=0), при этом гомоцентричность пучка лучей не нарушается; 2) при выполнении п. 1 кома третьего порядка не зависит от положения входного

зрачка (sp); 3) при выполнении п. 1. астигматизм третьего порядка зависит от положения входного

зрачка (sp): при расположении предмета и входного зрачка в сопряженных фокусах F1 и F2 соответственно он исправлен;

4) при выполнении п. 1 дисторсия третьего порядка зависит от положения входного

зрачка: при

sp=



sp

=

2r0 2+e

исправлена;

5) кривизна поверхности изображения не зависит от положения входного зрачка (sp) и

эксцентриситета (е), так как SIV = Φ = 2 r0 .

В заключение следует отметить, что приведенные результаты исследования коррекци-

онных свойств отражающих асферических поверхностей второго порядка в области Зейде-

ля могут быть полезны при проектировании зеркальных и зеркально-линзовых оптических

систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Слюсарев Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989. 379 с.

2. Русинов М. М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989. 383 с.

3. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Гостехтеориздат, 1956. 608 с.

4. Русинов М. М. Несферические поверхности в оптике. М: Недра, 1965. 195с.

5. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. М. — Л.: Машиностроение, 1966. 564 с.

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

7. Зверев В. А. Основы геометрической оптики. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2002. 218 с.

8. Зверев В. А., Точилина Т. В. Оптотехника проектирования оптических приборов. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. 457 с.

9. Андреев Л. Н. Прикладная теория аберраций. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2002. 96 с.

Лев Николаевич Андреев Юлия Александровна Комарова

Сведения об авторах — д-р. техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра прикладной и компьютерной оптики — студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра прикладной и компьютерной оптики

Рекомендована кафедрой прикладной и компьютерной оптики

Поступила в редакцию 19.03.08 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3