Например, Бобцов

Взаимосвязь аберраций широкого пучка лучей

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ЭЛЕМЕНТОВ

УДК 535.317.6 ВЗАИМОСВЯЗЬ АБЕРРАЦИЙ ШИРОКОГО ПУЧКА ЛУЧЕЙ

© 2012 г. Е. В. Ермолаева, канд. техн. наук; В. А. Зверев, доктор техн. наук; И. Н. Тимощук, канд. техн. наук
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
E-mail: tim_ir@rambler.ru

Представлен вывод соотношений, определяющих величину и характер изменения меридиональной и сагиттальной комы изображения в зависимости от величины и характера изменения сферической аберрации и отступления от условия синусов в  любой зоне светового пучка лучей, формирующего изображения. В основу вывода положены свойства световой трубки и геометрические соотношения, определяющие ход лучей в оптической системе.

Ключевые слова: оптическая система, световой луч, сферическая аберрация, кома, меридиональная плоскость, сагиттальная плоскость, входной зрачок, выходной зрачок.

Коды OCIS: 200.0200, 220.0220.

Поступила в редакцию 13.10.2011.

К числу монохроматических аберраций широкого пучка лучей относятся сферическая аберрация и кома. Сферической аберрацией называется нарушение гомоцентричности пучка лучей, прошедшего через оптическую систему, без нарушения симметрии его строения. Нарушение симметрии строения выходящего из оптической системы широкого пучка лучей, излучаемого внеосевой точкой предмета и приводящее к нарушению осевой симметрии пятна рассеяния в изображении точки, опре­ деляет аберрацию, называемую комой.
Элементарный световой поток, излучаемый элементарной площадкой dS в пределах телесного угла dW элементарного светового пучка, определяется выражением [1]

d2Φ = pLdScossdW,

(1)

где L – яркость излучения, s  – угол между осью телесного угла dW и оптической осью системы. Аналогичные величины в пространстве изображений обозначим теми же символами, но со штрихом. При этом

d2Φ¢= td2Φ = tpL¢dS¢coss¢dW¢.

(2)

Среды, разделяемые поверхностями оптической системы, будем считать абсолютно ­прозрачными, т.  е. будем считать, что коэф­ фициент пропускания оптической системы t  =  1. Приравняв правые части выражений (1) и (2), при L/n2 = L′/n′2 получаем

n2dScossdW = n¢2dS¢coss¢dW¢.

(3)

Полученная формула называется теоремой или инвариантом Штраубеля.
Пусть dS = pdltdls, dS′ = pdlt′dls′, dW = pdstdss, dW′  =  pdst′dss′, где dlt, dls, dlt′, dls′  - элементарные отрезки предмета и изображения в меридиональной и в сагиттальной плоскостях; dst, dss, dst′, dss′  - элементарные углы, образованные лучами с осью телесного угла в меридиональной и в сагиттальной плоскостях в пространстве предметов и изображений. Раскрыв соответствующие величины, входящие в выражение (3), получаем

n2dlt cosst dstdlsdss = n¢2dlt¢ cosst¢dst¢dls¢dss¢ . (4)
Отсюда следуют выражения, определяющие инварианты Лагранжа–Гельмгольца для плоского пучка лучей в виде:

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

5

–– обобщенный инвариант в меридиональной плоскости

ndltcosstdst = n¢dlt¢cosst¢dst¢, –– в сагиттальной плоскости

(5)

ndlsdss = n¢dls¢dss¢ .

(6)

При этом поперечное увеличение изображения, образованного лучами в меридиональной плоскости, равно

Vt =

dlt¢ dlt

=

n cos st dst n ¢cos st¢ dst¢

=

nn¢dd((ssiinnsstt¢)),

(7)

а поперечное увеличение изображения, образованного лучами в сагиттальной плоскости, равно

Vs

=

dls¢ dls

=

ndss n¢dss¢

.

(8)

Следовательно, в реальной оптической си-

стеме лучи, исходящие из одной и той же внеосевой точки предмета, пересекают плоскость изображения в различных точках, при этом осевая симметрия пятна рассеяния в изображении точки нарушается.

Для анализа структуры широкого пучка

л­ учей при малом поле (малой величине предме-

та) обратимся к рис.  1. На этом рисунке лучи AN1 и AN2 лежат в меридиональной плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. По-

вернув меридиональную плоскость на малый угол dy, получаем новое положение лучей AN1

и AN2, образующее с исходным сагиттальные плоскости. При этом угол между лучами в сагиттальной плоскости равен

-dss = -APtgstdy

cos st AP

= -sinstdy.

Аналогично находим dss¢ = sinst¢dy. Полученные соотношения позволяют выра-
жение (8) представить в виде

Vs

=

nsin st n ¢ sin st¢

.

(9)

Отсюда следует, что величина A′sBs′t  =  –dls′t изображения предмета AB  =  dl, образованно-

го лучами, лежащими в сагиттальных плоско-

стях, симметричных относительно плоскости

рисунка, т. е. при st2 = −st1 = st, одна и та же, а само изображение расположено в плоскости

рисунка. При этом

dls¢t = Vsdl.

(10)

В том случае, когда в изображении осевой

точки присутствует сферическая аберрация,

координата y′0st точка пересечения луча P′Bs′t с  плоскостью изображения Гаусса, т.  е. коор-

дината точки B′0st на рис.  1, определяется из соотношения сторон подобных треугольников

P′А′0B′0st и P′А′sBs′t:

y0¢ st dls¢t

=

s0¢

s0¢ - z¢p - z¢p + Ds¢

.

Полагая

величину

Ds¢ s0¢ - z¢p

 1, получаем

y0′

B Bх. зр.
–s A

j N1

Bых. зр.

P w′ O

P′ s′

N2 zp′
s0′

A0′ t2 As′ A0′
A0′ t1

Bs′t ­–Ds′

B0′ st A0′ гл

z′

Рис. 1. Структура широкого пучка лучей, формирующего изображение предмета малой величины.

6 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

y0¢ st

=

ççæçèç1-

Ds¢ s0¢ - z¢p

÷÷ö÷÷÷ødls¢t

.

(11)

Координату y0гл точки пересечения главного луча с плоскостью изображения Гаусса находим из выражения (7) при st → 0 и st′ → 0

y0¢ ãë

=

ndst n¢dst¢

dl

=

V0dl

=

dl0¢

(12)

где V0 – поперечное увеличение изображения в плоскости Гаусса.

Разность величин, определяемых выраже-

ниями (11) и (12), равную dg′0кs, принято называть сагиттальной комой или ошибкой желоба

[2]. Используя выражения (10), (11) и (12), по-

лучаем

dg0¢ ês

=

êêéëêççæççè1-

Ds¢ s0¢ - z¢p

÷÷ø÷÷ö÷Vs

-

V0

úûúùú

dl.

(13)

При Ds′ ≡ 0 величина dg0¢ês = (Vs - V0 )dl. Ус-
ловие

Vs

-

V0

=

nsin st n ¢ sin st¢

- V0

=

0

определяет условие синусов Аббе. Определим отступление от условия синусов отношением (Vs – V0)/V0 = −ds. При этом

Vs = (1+ ds )V0.

(14)

Это равенство позволяет придать выражению (13), определяющему величину сагитталь-

ной комы, вид выражения, полученного Конради [3]

dg0¢ês

=

êëêéêds

+

(1

+

ds

)

Ds¢ z¢p - s0¢

ûúùúú

dl0¢

.

(15)

Для анализа структуры широкого пучка

световых лучей в меридиональной плоско-

сти, образующего изображение внеосевой точ-

ки предмета, обратимся к рис.  2, где точка A′t представляет собой изображение осевой точки

А, образованное оптической системой j беско-

нечно узким меридиональным пучком лучей,

исходящим из точки А под углом -st; отрезок At′Bt′  =  –dlt′ представляет собой изображение малого предмета dl бесконечно узкими мериди-

ональными пучками лучей, при этом величи-

на dlt′ определяется формулой (7). Определим в плоскости, перпендикулярной оптической

оси и содержащей отрезок A′tBt′, координаты точки пересечения с этой плоскостью главно-

го луча, проходящего через центр выходного

зрачка Р′ и образующего угол w′ с оптической

осью, и двух точек Вt′, для которых величина изображения определяется при двух значе-

ниях угла s′ = s1′ = –s2′ . Обозначим эти коорди-

наты через yг′л, yt′1 и yt′2. Величину dgк′t, определя-

емую

равенством

dgê¢ t

=

yt¢1

+ 2

yt¢2

-

yã¢ë ,

приня-

то называть меридиональной комой в изо-

бражении точки малого предмета dl в плоско-

сти предмета, образованном бесконечно узки-

–ds B
–s A

–y0′

j y′

At′ dst

P′ Bt′

A′

O

z′

­–y′0гл

zp′ s0′

–­ Ds′ –­ d(Ds′)

Рис. 2. Структура широкого пучка световых лучей в меридиональной плоскости, формирующего изображение внеосевой точки предмета.

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

7

ми м­ еридиональными пучками лучей. В  соответствии с рис.  2 координата y′t точки Bt′ равна

yt¢ = A¢At¢ sinst¢ + dlt¢.

(16)

Из того же рисунка находим, что отрезок

A

¢At¢

=

-

d(Ds¢)
dst¢

sinst¢

.

(17)

Учитывая выражение (7), при dlt′  =  Vtdlt ­выражение (16) можно представить в виде

yt¢

=

-

d(Ds¢)
dst¢

sin2st¢

+

n cos st dst n ¢ cos st¢ dst¢

dlt .

(18)

Заметим, что выражение

d(Ds¢)
dst¢

sin2st¢

пред-

ставляет собой нечетную функцию относитель-

но угла st′ и при изменении знака угла изменяется знак функции при том же ее абсолют-

ном значении. Применив выражение (18), по-

лучаем

yt¢1 + yt¢2 2

=

n cos st dst n ¢cos st¢ dst¢

dlt .

(19)

Координата y0′ гл  =  dl′0 точки пересечения главного луча с гауссовой плоскостью изображе-

ния определяется выражением (12). При этом

к­ оордината y′гл точки пересечения главного луча с рассматриваемой плоскостью, как сле-

дует из рис. 2, равна

yã¢ë = dl0¢ + A0¢ At¢0w¢,

(20)

где w′ - половина углового поля изображения, равная

w

¢

=

dl0¢ z¢p - s0¢

.

(21)

В соответствии с тем же рисунком

A0¢ At¢0 = A0¢ A¢+ A¢At¢0 = -Ds¢+ A¢At¢ cosst¢.

Учитывая выражение (17), получаем A0′ A′t0  = = –q, где

q

=

Ds¢

+

d(Ds¢)
dst¢

sin

st¢

cos

st¢

.

(22)

Подставив полученное выражение в формулу

(20), находим, что

yã¢ë = dl0¢ -qw¢.

(23)

Соотношения (19), (22) и (23) позволяют опре-

делить величину меридиональной комы в рас-

сматриваемой плоскости выражением вида

dgê¢ t

=

n cos st dst n ¢ cos st¢ dst¢

dlt

-

dl0¢

+

qw¢

или

dgê¢ t

=

nd(sinst )
n¢d(sinst¢ )

dlt

-

dl0¢

+

qw¢.

(24)

Для последующего преобразования полученно-

го выражения обратимся к соотношениям (9)

и (14), из которых следует, что

nsinst = (1+ ds )V0n¢sinst¢.

Дифференцируя это выражение, получаем

nd sin st n ¢d sin st¢

= (1+ ds )V0

+ V0sinst¢

dds
d(sin st¢

).

Подставив это выражение в формулу (24), представим ее в виде:

dgê¢ t

=

(1

+

ds

)dl0¢

+

d

dds
(sinst¢

)

sinst¢dl0¢

-

dl0¢

+

qw

¢

или

dgê¢ t

=

d(dssinst¢ ) d(sinst¢ )

dl0¢

+

qw¢.

(25)

Определим величину меридиональной комы dg0′ кt в гауссовой плоскости изображения, для чего найдем координаты y′0t точек пересечения с этой плоскостью крайних лучей наклонного пучка, проходящих через точки Bt′1 и Bt′2. Из геометрии хода лучей следует, что

y0¢t = yt¢ + Dtgst¢,

где D  − продольное смещение рассматриваемой плоскости относительно гауссовой плоскости

изображения. Очевидно, что крайние лучи

­наклонного пучка лучей, формирующего изображение внеосевой точки, образуют разные

по величине и по знаку углы как с оптической

осью, так и с главным лучом пучка. Учиты-

вая это, величину комы в гауссовой плоскости

­изображения определим выражением

dg0¢ êt

=

y0¢t1 + y0¢t2 2

- y0¢ãë

=

=

y0¢ t1

+ 2

y0¢ t2

- yã¢ë

+ æççèç tgst¢1

+ 2

tgst¢2

- w ¢ö÷ø÷÷÷ D,

которое можно представить в виде

dg0¢ êt

=

dgê¢ t

+ çæçèç tgst¢1

+ 2

tgst¢2

- w ¢øö÷÷÷÷ D.

(26)

Уместно вспомнить замечание Г.Г. Слюсарева о том, что “…при определении комы пучка любого отверстия должны быть приняты пред­ осторожности, совершенно излишние при вы-

8 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

воде комы третьего порядка. В частности, необходимо точно условиться о выборе двух крайних лучей, по которым определяется кома” [4].
Если крайние лучи внеосевого пучка образуют с главным лучом углы ±w′, то с оптической осью один луч образует угол st′1  =  w′  +  w′,  другой луч – угол st′2 = w′ - w′, где w′ - полевой угол в пространстве изображений. При этом
sinst¢1 = sinw¢cosw¢+ cosw¢sinw¢ è sinst¢2 = sinw¢cosw¢- cosw¢sinw¢.
Следуя [4], “…рассмотрим два луча, выбранные таким образом, что синусы углов, образуемых этими лучами с осью, отличаются от синуса угла, образуемого с осью главным лучом, на одинаковые величины”, т. е. рассмотрим два луча, образующих с оптической осью такие углы st′1 и st′2, при которых

Подставив при этом выражения (21), (22) и (25)

в выражение (28), преобразуем его к виду, по-

лученному в работе [4]

dg0¢ êt

=

d(dssinst¢ ) d(sinst¢ )

+

+ êéêêë

Ds¢ cos3st¢

+

d(Ds¢) d(sin s¢)

tgst¢

úúúûù

dl0¢ z¢p - s0¢

или

dg0¢ êt

=

dl0¢

d
d(sinst¢

)çèçæççdssinst¢

+

Ds¢ z¢p - s0¢

tgst¢

÷øö÷÷÷÷.

(29)

В области умеренных значений числовых апертур в пространстве изображений (например, до sinst′  ≤  0,25) можно считать, что tgst′  ≈  sins′t. При этом формула (29) принимает вид

sinst¢1 -sinw¢= sinw¢-sinst¢2 = sinw¢ или, учитывая малость углов w′,

sinst¢1 -w¢= w¢-sinst¢2 = sinw¢.

Тогда

sin sin

st¢1 st¢2

= =

s-insiwn¢w+¢ +w¢w, ¢.üïýïïþï

(27)

С точностью до членов, содержащих угол w′

в первой степени, имеем

tgst¢1

=

tgw¢

+

w¢ cos3 w¢

è

tgst¢2

=

-tgw¢

+

w¢ cos3 w¢

.

Подставив эти соотношения в формулу (26),

получаем

dg0¢ êt

=

dgê¢ t

+ èçççæç

1 cos3w¢

-1÷÷÷ø÷÷öDw¢.

(28)

Учитывая, что sinw′ = sinst′1 – w′ = w′ – sinst′2, можно показать, что с точностью до величины w′ первого порядка малости

w¢ cos3w¢

=

w¢ cos3st¢1

=

w¢ cos3st¢2

=

w¢ cos3st¢

.

dg0¢ êt

=

dl0¢

d
d(sin

st¢

)

ëêêêésinst¢

ççèççæds

+

Ds¢ z¢p - s0¢

÷÷ø÷÷÷öúûúúù

.

(30)

Полагая величины ds и

Ds¢ z¢p - s0¢

малыми, фор-

мулу (15) можно представить в виде

dg0¢ ês

=

ççççæèds

+

Ds¢ z¢p - s0¢

÷÷÷÷÷øödl0¢

.

(31)

Это выражение позволяет формулу (30) запи-­

сать в виде

dg0¢ êt

=

d
d(sin

st¢

) (dg0¢ êssin

st¢

)dl0¢

.

(32)

Если величины ds и Ds′ определяются функциями вида:

ds = asin2st¢ è Ds¢= bsin2st¢,

то формула (30) принимает вид формулы Ште-

бле–Лихоцкого

dg0¢ êt

=

3çççèçæds

+

Ds¢ z¢p - s0¢

÷÷÷÷÷øödl0¢

.

(33)

Сопоставив выражения (31) и (33), получаем, что в этом случае dg0¢êt = 3dg0¢ês.

* * * * *

ЛИТЕРАТУРА
1. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем. М.: Искусство, 1960. 526 с. 2. Берек М.О. Основы практической оптики. М.–Л.: ГТТИ, 1933. 129 с. 3. Слюсарев Г.Г. Геометрическая оптика. М.–Л.: АН СССР, 1946. 332 с. 4. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969. 672 с.
“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

9