Например, Бобцов

Модульное проектирование зеркально-линзового объектива

УДК 535.317 МОДУЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВОГО ОБЪЕКТИВА

© 2012 г. С. В. Куцевич; Л. Н. Андреев, доктор техн. наук Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
Е-mail: kutzevichsveta@gmail.com
Рассмотрена методика расчета светосильного зеркально-линзового объектива, включающего три оптических модуля. Приведены оптические схемы и результаты аберрационного расчета.
Ключевые слова: объектив, аберрации, компенсатор.

Коды OCIS: 180.0180, 110.0180.

Поступила в редакцию 05.12.2011.

Введение
Сущность модульного принципа проектирования заключается в том, что объектив син­тезируется из оптических модулей (компонентов) с  известными аберрационными свойствами. При расчете светосильного зеркально-линзового объектива принята оптическая схема, включающая три модуля: двухзеркального концентрического объектива, компенсатора кривизны поверхности изображения и компенсатора хроматических аберраций. Зеркальные и зеркально-линзовые объективы по сравнению с линзовыми имеют увеличен-

ный задний фокальный отрезок и широкую область ахроматизации. К  недостаткам таких систем можно отнести значительные технологические трудности изготовления отражающих поверхностей и наличие центрального экранирования [1–5].
Методика расчета
При расчете зеркально-линзового объектива с f′  =100  мм, D/f′  ≈  1:2–1:2,5, 2ω1  =  6°–10° в качестве базовой схемы принимается двухзеркальная концентрическая система (рис.  1а). У  такой системы в случае расположения вход-

n1 = 1 n2 = –1 d

(а)

n3 = 1 Вх. зр.
С1, С2 f′

F′

S′

n1 = 1 n2 = –1

(б) n3 = 1

АД

S′

n1 = 1 n2 = –1

(в) n3 = 1 СТК9 ТФ4АД

(г)

ТФ4 СТК9 (Ф1) (ТК16) n1 = 1

n2 = –1

n3 = 1

АД

S′ S′

Рис. 1. а – двухзеркальный концентрический объектив, б – планмонохромат, в, г – планахромат. “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

19

Таблица 1. Аберрации двухзеркальной концентрической системы. Точка на оси. Рис. 1а.

h, мм

tgs′

Ds′, мм

Dy′, мм

h,

%

S′F′–S′C′, мм

25 0,258 0,009 0,002 25 3/4 0,221 0,005 0,001
25 1/2 0,179 0,002 0,000

0 0 0

0 0 S4 =1 0

25 1/4 0,125 0,000 0,000

0 00

0

0 0

0 0

ного зрачка в центре кривизны, а плоскости предмета на бесконечности, исправлены все аберрации, кроме кривизны поверхности изображения.
Конструктивные элементы системы определяются соотношениями [7, 8]

r1 = 2(1- k)f ¢, r2 = 2f ¢(1- k)/k,
d = r1 -r2 = -2f ¢(1- k)2/k, S¢ = (2- k)f ¢/k, k = r1 r2 ,
JÆ =1/(3-2k),

(1)

где f′ – фокусное расстояние объектива, S′  – задний фокальный отрезок (рабочее расстояние), r1 и r2  – радиусы отражающих поверхностей; d  – расстояние между зеркалами, J∅  – центральное экранирование по диаметру.
С целью коррекции сферической аберрации 3-го порядка величина k  ≈  0,382 [8]. В  табл.  1 и 2 приведены аберрации двухзеркальной концентрической системы, из которых следует,

что все аберрации, кроме кривизны поверхности, исправлены. Величина S4 для концентрических систем равна единице [8].
Для коррекции кривизны поверхности в оптическую схему вводим компенсатор кривизны в виде апланатического мениска с увеличением 1×, у которого обе поверхности апланатические третьего рода. Такой мениск не вносит монохроматические аберрации и может иметь величину S4 противоположного знака, чем у зеркальной части. Конструктивные элементы мениска определяются соотношениями [6]

r1 = S1 (1+ n),
r2 = (n (n +1))(S1 n -d),
d= S1 n +1 n éëê(S4M n (n2 -1)) -1 S1 ûùú,

(2)

где r1 и r2 – радиусы кривизны поверхностей, d  – толщина мениска, n  – показатель преломления, S4M  – сумма Зейделя мениска, которая определяет кривизну поверхности.
Для исправления кривизны необходимо выполнить условие:

S4M = -1 f΢Á .

На рис. 1б приведена оптическая схема объектива с исправленной кривизной поверхности, в табл.  3 и 4  – его аберрации. Из анализа таблиц следует, что все монохроматические аберрации исправлены удовлетворительно, за исключением хроматических аберраций, которые вносит апланатический мениск.
Для коррекции хроматических аберраций возможно введение “хроматической” поверхности в апланатическом мениске (рис.  1в)

Таблица 2. Аберрации двухзеркальной концентрической системы. Точка вне оси. Рис. 1а.

w1, °

y′, мм

sp, мм

sp′′, мм

zC′ , мм

zM′ , мм zM′ –zC′ , мм Dy′/y′, %

–5° –3°32′
0

8,75 6,19
0

123,6 123,6 123,6

–100 –100 –100

–0,380 –0,190
0

–0,380 –0,190
0

0 0 0

0 0 0

yF′ ′–yC′ ′, мм
0 0 0

Таблица 3. Аберрации объектива с исправленной кривизной изображения. Точка на оси. Рис. 1б.

h, мм

tgs′

Ds′, мм

Dy′, мм

h, %

SF′ ′–SC′ ′, мм

25

0,258

0,009

0,002

–0,02

–1,94

25 3/4

0,222

0,005

0,001

–0,01

–1,92

25 1/2

0,180

0,002

0,000

–0,01

–1,90

25 1/4

0,126

0,001

0,000

–0,00

–1,88

0 0 0 0 0 –1,86

S4 = 0

20 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

Таблица 4. Аберрации объектива с исправленной кривизной изображения. Точка вне оси. Рис. 1б

w1, °

y′, мм

sp, мм

sp′ ′, мм

zC′ , мм

zM′ , мм z′M–zC′ , мм Dy′/y′, % yF′ ′–yC′ ′, мм

–5° –3°32′
0

8,75 6,19
0

151,9 151,9 151,9

–53,67 –53,67 –53,67

–0,001 0,000
0

0,002 0,001
0

0,003 0,001
0

0,390 0,195
0

0,157 0,110
0

Таблица 5. Аберрации объектива, хроматизм которого исправлен введением хроматической поверхности. Точка на оси. Рис. 1в

h, мм

tgs′

Ds′, мм

Dy′, мм

h, %

SF′ ′–SC′ ′, мм

25 25 3/4

0,257 0,220

0,005 0,000

0,001 0,000

–0,02 –0,01

0,05 0,02

S4 = 0

25 1/2

0,178

–0,003

–0,001

–0,01

0

25 1/4

0,125

–0,006

–0,001

–0,00

–0,02

0 0 –0,007 0 0 –0,04

Таблица 6. Аберрации объектива, хроматизм которого исправлен введением хроматической поверхности. Точка вне оси. Рис. 1в

w1, °

Dy′, мм

sp, мм

sp′ ′, мм

zC′ , мм

zM′ , мм zM′ –zC′ , мм Dy′/y′, % yF′ ′–yC′ ′, мм

–5°

8,82

151,8

–53,67

–0,007

–0,004

0,003

0,389

0,067

–3°32′

6,22

151,8

–53,67

–0,007

–0,006

0,001

0,195

0,047

0

0

151,8

–53,67

–0,007

–0,007

0

0

0

Таблица 7. Аберрации объектива, хроматизм которого исправлен путем введения “гиперхроматической линзы” . Точка вне оси. Рис. 1г

h, мм

tgs′

Ds′, мм

Dy′, мм

h, %

SF′ ′–S′C′, мм

25 25 3/4 25 1/2 25 1/4
0

0,258 0,222 0,180 0,126
0

0,004 –0,001 –0,003 –0,006 –0,007

0,001 –0,000 –0,001 –0,001
0

–0,03 –0,02 –0,01 –0,01
0

0,01 0,00 0,00 0,00 –0,01

S4 = 0

Таблица 8. Аберрации объектива, хроматизм которого исправлен путем введения “гиперхроматической линзы” . Точка на оси. Рис. 1г

w1, °

y′, мм

sp, мм

s′p′, мм

zC′ , мм

zM′ , мм zM′ –zC′ , мм Dy′/y′, % yF′ ′–yC′ ′, мм

–5°

8,76

385,6

–54,31

–0,003

0,009

0,012

0,374

–0,560

–3°32′

6,18

385,6

–54,31

–0,005

–0,001

0,004

0,188

–0,361

0

0

385,6

–54,31

–0,007

–0,007

0

0

0

или введение в оптическую схему объектива “гиперхроматической” линзы, расположенной в параллельном ходе лучей перед объективом (рис.  1г). Путем интерполяции величины радиуса “хроматической” поверхности добиваемся необходимой коррекции хроматической аберрации, которая определяется по формуле

dS¢ = f ¢2 (dn1 -dn2) rõð ,
где dn1 и dn2 – средняя дисперсия стекол. В качестве “хроматической” пары сте-
кол наибольшее распространение получили: ТК16–Ф1 или СТК9–ТФ4. В табл. 5, 6 и 7, 8 приведены аберрации объектива для первого и второго случая соответственно.

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

21

Заключение
В рассчитанном зеркально-линзовом объективе достигнута высокая коррекция монохроматических аберраций: сферической аберрации, комы, астигматизма, дисторсии и кривизны поверхности изображения. С целью лучшей коррекции сферохроматической аберрации следует дополнительно ввести “хроматические” поверхности либо в компенсатор кривизны поверхности (рис.  1в), либо в компенсатор хроматической аберрации (гиперхроматическую линзу) (рис. 1г).
Для коррекции вторичного спектра в указанных элементах следует использовать “хроматическо-апохроматические” пары стекол, у  которых показатели преломления, а также относительные частные дисперсии близки, а

коэффициенты средней дисперсии различны, например ОФ1-ОК1; ЛК1-ОК4 и др.
На рис.  2 приведена оптическая схема объектива с использованием “хроматическоапохроматической” пары стекол ТК14-ОФ3 и его частотно-контрастная характеристика, а в табл. 9 и 10 – его аберрации.
В табл. 1, 3, 5, 7, 9 приведены аберрации точки на оси, в табл. 2, 4, 6, 8, 10  – аберрации вне оси. В  табл.  1–10 использованы обозначения: h  – координата на входном зрачке; s′  – угол апертурного луча с оптической осью; Ds′ и Dy′  – продольная и поперечная сферические аберрации соответственно; h  – отступление от изопланазии; SF′ ′–SC′ ′  – хроматизм положения абсолютный; 2w1  – угловое поле в пространстве предметов; y′  – величина изображения; sp и sp′′  – положение входного и  вы-

ТК14 ТК14 ОФ3

(а)

нерабочая область

∅19

апертурный луч главный луч виньетирующий луч

∅40

АД F′

Коэффициент передачи контраста

(б)
1
0,8
0,6 3, 4
0,4
1
0,2
2
0 200 400 600 800 1000 Пространственная частота, лин/мм

Рис. 2. Ход лучей в объективе (а) и его частотно-контрастные характеристики (б) для точки на оси при 0,546 мкм (1), 0,480 мкм (2), 0,644 мкм (3), безаберрационная зависимость (4).

Таблица 9. Аберрации объектива, в котором использована “хроматическо-апохроматическая” пара стекол. Точка на оси. Рис. 2а

h, мм

tgs′

Ds′, мм

Dy′, мм

h, %

SF′ ′–SC′ ′, мм

W, дл. волн le lF′ lC′

20

0,205

0,004

0,001

–0,02

–0,002

–0,01

0,38

0,38

20 3/4

0,176

0,001

0

–0,01

–0,001

–0,03

0,27

0,26

20 1/2

0,143

0

0

–0,01

0

–0,04

0,18

0,15

20 1/4

0,101

–0,002

0

–0,01

0,001

–0,02

0,09

0,07

0 0 –0,003 0 0 0,002 0 0 0

Таблица 10. Аберрации объектива, в котором использована “хроматическо-апохроматическая” пара стекол. Точка вне оси. Рис. 2а

w1, ° –3°

y′, мм 5,24

sp, мм 416,8

s′p′, мм –44,64

zC′ , мм –0,001

zM′ , мм 0,005

zM′ –zC′ , мм Dy′/y′, % yF′ ′–yC′ ′, мм

0,006

0,22

–0,15 S4 = 0

–2°07′

3,69

416,8

–44,64 –0,002

0,001

0,003

0,11

–0,10

0

0

416,8

–44,64 –0,001 –0,003

0

0

0

22 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

ходного зрачка соответственно; zc′ и zм′   – положение фокусов бесконечно тонких пучков лучей в сагиттальной и меридиональной плоскостях от плоскости Гаусса соответствен-

но; Dy′/y′  – увеличения

адбиссотлоюртсниыя;й;yF′ ′S––4yC′ ′ ––

хроматизм 4-я сумма

Зейделя, определяющая кривизну поверх-

ности.

* * * * *

ЛИТЕРАТУРА
1. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989. 379 с.
2. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М.–Л.: Машиностроение, 1966. 565 c.
3. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989. 255 с.
4. Панов В.А., Андреев Л.Н. Оптика микроскопа. Л.: Машиностроение, 1976. 432 с.
5. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Кн.1 и 2. М.: Машиностроение, 1965–1966. Кн. 1. 357 с., кн. 2. 428 с.
6. Андреев Л.Н. Прикладная теория аберраций. СПб.: ИТМО, 2002. 218 с.
7. Андреев Л.Н., Голодкова Н.О. Зеркально-линзовый светосильный объектив с плоским полем // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50. № 3. С. 59–61.
8. Андреев Л.Н., Комарова Ю.А. Коррекция сферической аберрации в двухзеркальной концентрической оптической системе // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 1. С. 71–74.

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

23