Разработка схем и методик расчета центрированных оптических систем, включающих однородные линзы с асферическими поверхностями, дифракционные и градиентные элементы

Преодолеть этот барьер удается благодаря апохроматической коррекции, достигаемой с помощью гибридного корректора, состоящего из ДЛ и плосковыпуклой ОРЛ. Схему и конструктивные параметры такого корректора позволяет получить адаптированная к условиям данной задачи методика, приведенная в 3 главе.

Рис. 15. Оптическая схема апохроматизированной иглообразной части визуального тракта жесткого эндоскопа, включающей двухлинзовый объектив (1), градан-транслятор (2) и гибридный трехлинзовый корректор (3).

Включение в двухлинзовый гибридный корректор третьей линзы (см. рис. 15), выполненной в виде однородного мениска, открывает возможность, не нарушая апохроматизации, дополнительно снизить отрицательное влияние на разрешение системы монохроматических аберраций.

Рис. 16. Кривые хроматических аберраций визуального тракта, включающего трехлинзовый корректор: а) - хроматизм положения, б) - хроматизм увеличения.

На рис. 16 приведены кривые хроматических аберраций данной оптической системы, а на рис. 17 - ее ЧКХ. Фокусное расстояние системы 3,8 мм обеспечивает ее сопряжение при с ПЗС-матрицой формата (4,5 мм). В результате включения третьей линзы разрешение системы в центре поля увеличилось по отношению к разрешению некорректированной системы 3,5 раза, а на краю - в 1,4 раза, достигнув дифракционного предела.

Анализ эффективности коррекции аберраций каждой из рассмотренных систем завершается рекомендациями по выбору разрешающей способности ПЗС-матрицы, соответствующей разрешению корригированной системы.

Рис. 17. Полихроматическая ЧКХ визуального тракта эндоскопа, включающего трехлинзовый корректор: 1 - при 0; 2 и 3 - при 35 для меридиональной и сагиттальной плоскостей, соответственно.

Заключение

В диссертации разработан метод компоновки оптических схем гибридных систем различного функционального назначения, предполагающий использование элементов, обладающих различными дисперсионными свойствами и допускающих раздельное управление аберрациями различных порядков, отличающийся тем, что позволяет получать схемы центрированных оптических систем, предназначенных для работы, как с монохроматическим, так и с немонохроматическим излучением и включающих, наряду с другими элементами, однородные линзы с асферическими поверхностями и дифракционные линзы, структура которых размещена на таких поверхностях. На этой основе разработаны схемы и методики расчета ряда оптических систем с однородными, дифракционными и радиально-градиентными элементами; проведен анализ потенциальных возможностей таких систем.

Получены следующие основные результаты:

1. Методика расчета хода псевдолучей развита и распространена на четные преломляющие асферические поверхности и дифракционные линзы, размещенные на таких поверхностях.

2. Показана возможность одновременного устранения всех монохроматических аберраций третьего и пятого порядков у объективов, состоящих из трех дифракционных линз, разделенных неоднородными средами, а также двух дифракционных линз и склеенной линзы Вуда.

3. Показана возможность многократного снижения уровня дисторсии дифракционно-градиентных объективов за счет взаимной компенсации ее составляющих различных порядков без уменьшения поля высококачественного изображения и разработана методика расчета высокоразрешающих ортоскопических объективов-монохроматов.

4. Разработана методика ахро- и апохроматической коррекции оптических систем с помощью двух- и трехлинзовых рефракционно-дифракционных корректоров. Ее эффективность продемонстрирована на примере ахроматической коррекции микрообъектива CCTV-видеокамеры и апохроматической коррекции фотообъектива и объектива для «тонкого» проекционного телевизора или дисплея (RPTV).

5. Показана возможность коррекции аберраций широких пучков на двух длинах волн у оптической системы, состоящей из дифракционной линзы и однородной рефракционной линзы с аферическими поверхностями.

6. Разработаны схемы и методика расчета высокоразрешающих дифракционно-рефракционных оптических систем комбинированных устройств записи и чтения цифровых дисков двух форматов. Эффективность методики продемонстрирована на примере расчета системы комбинированного устройства записи и чтения цифровых дисков CD/DVD форматов.

7. Разработаны методики получения конструктивных параметров корректоров аберраций сверхтонких жестких эндоскопов, визуальный тракт которых состоит из объектива и транслятора, выполненного из градиентного стекла зарубежного или отечественного производства, и предназначенных для работы с окуляром или цветной видеокамерой.

8. Предложены и исследованы схемы корректоров аберраций сверхтонких жестких эндоскопов:

- корректора в виде линзы Вуда, приклеенной к заднему торцу транслятора, позволяющего устранить продольный и поперечный хроматизм для двух крайних длин волн выбранного спектрального диапазона при относительно невысоком уровне монохроматических аберраций;

- двухлинзовых (однородного и однородно-градиентного) корректоров хроматизма и превалирующих монохроматических аберраций тонких пучков, позволяющих выполнить ахроматическую коррекцию визуального тракта эндоскопа и поднять его разрешение до значений, ограниченных вторичным спектром;

- гибридного корректора, состоящего из ДЛ и плосковыпуклой ОРЛ, обеспечивающего апохроматическую коррекцию визуального тракта эндоскопа;

- трехлинзового гибридного корректора, способного, не нарушая апохроматизацию, дополнительно снизить отрицательное влияние на разрешение системы монохроматических аберраций.

9. Показано, что введение в визуальный тракт эндоскопа корректоров аберраций, компонуемых и рассчитываемых по разработанной в диссертации методике, позволяет значительно повысить полихроматическое разрешение в наблюдаемом изображении, приблизив его к дифракционному пределу.

Содержание диссертации отражено в следующих основных публикациях

Монография:

Грейсух, Г. И. Дифракционные оптические элементы в современном оптическом приборостроении [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г. // Техническая оптика: базовое руководство / Шредер Г., Трайберг Х.; дополненный пер. с нем. Р. Ильинского - М.: Техносфера, 2006. - Дополнение 3. - С. 387-406.

Статьи и материалы конференций:

Грейсух, Г. И. Вычислительные аспекты проектирования изображающих оптических систем, включающих градиентные и дифракционные линзы [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Компьютерная оптика. - М.: МЦНТИ, 1997. - Вып. 17. - С. 53-56.

Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности компонента, состоящего из трех склеенных плоскопараллельных пластин [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Оптический Журнал. - 1999. - Т. 66, № 2. - С. 80-83.

Грейсух, Г. И. Тройные склеенные радиально-градиентные объективы [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Оптический Журнал. - 1999. - Т.66, № 10. - С.92-96.

Greisukh, G. I. Design of objectives consisting of cemented radial gradient-index lenses [Текст] / Greisukh G. I., Ezhov E. G. Stepanov S. A. // Proc. SPIE. - 1999. - Vol. 3737, P. 369-375.

Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности склеенных радиально-градиентных объективов [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Тез. докл. международной конф. молодых ученых и специалистов “Оптика-99”. - СПб.: ВНЦ ГОИ, 1999. - С. 142.

Грейсух, Г. И. Композиция и расчет высокоразрешающих оптических систем с градиентными и дифракционными элементами [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Компьютерная оптика. - М.: МЦНТИ, 2000. - Вып. 20. - С. 20-24.

Ежов, Е. Г. Расчет хода псевдолучей через дифракционные структуры, выполненные на сферической поверхности [Текст]/ Е.Г. Ежов, С.А. Степанов // Компьютерная оптика. - М.: МЦНТИ, 2000. - Вып. 20. - С. 25-28.

Грейсух, Г. И. Композиция и расчет объективов-монохроматов на основе градиентных и дифракционных элементов [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Сб. трудов международной конф. «Прикладная оптика 2000». - СПб.: ВНЦ ГОИ, 2000. - Т. 2. - С. 24-27.

Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности объектива, склеенного из четырех градиентных плоскопараллельных пластин [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Оптический Журнал. - 2000. - Т. 67, № 8. - С. 65-68.

Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности гибридного объектива, состоящего из двух дифракционных линз и склеенной линзы Вуда [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Оптический Журнал. - 2000. - Т. 67, № 10. - С. 48-52.

Грейсух, Г. И. Высокоразрешающий дифракционно-градиентный объектив [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Оптический Журнал. - 2001. - Т. 68, № 3. - С. 59-62.

Greisukh, G. I. Aberration properties and performance of a new diffractive-gradient-index high-resolution objective [Текст] / Greisukh G. I., Ezhov E. G., Stepanov S. A. // Applied Optics. - 2001. - Vol.40, № 16. - P. 2730-2735.

Грейсух, Г. И. Расчет хода псевдолучей через оптические системы, включающие дифракционные линзы, структура которых выполнена на асферической поверхности [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Компьютерная оптика. - М.: МЦНТИ, 2001. - Вып. 21. - С. 70-72.

Грейсух, Г. И. Расчет дифракционного фокусирующего элемента антенны автомобильного локатора [Текст]/ Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Минин И.В., Минин О.В., Степанов С.А.// Компьютерная оптика. - М.: МЦНТИ, 2001. - Вып. 21. - С. 73-76.

Грейсух, Г. И. Схемы и расчет дифракционно-линзовых микроволновых антенн [Текст]/ Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Минин И.В., Минин О.В., Степанов С.А. // Сб. трудов 1-ой международной научно-технической конф. «Физика и технические приложения волновых процессов». - Самара: СамГУ, 2001. - Т. 2. - С. 61.

Greisukh, G. I. The schemes and design of automotive radar antenna concluding the diffractive lens [Текст] / Greisukh G. I., Ezhov E. G., Minin I. V., Minin O. V., Stepanov S. A. // Proc. of the 3rd Int. Workshop on Commercial Radio Sensors and Communication Techniques, August 23, 2001, Johannes Kepler University Linz , Austria, P.128-131.

Грейсух, Г. И. Вычисление интегральных характеристик точечного изображения, формируемого высокоразрешающим объективом с дифракционными и градиентными элементами [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Автометрия. - 2002. - Т. 38, № 3. - С. 45-52.

Greisukh, G. I. Computer-aided design for gradient-index and diffractive-gradient-index high-resolution objectives [Текст] / Greisukh G. I., Ezhov E. G., Stepanov S. A. // Proceedings of the IASTED International Conference, ISBN: 0-88986-342-3. - Anaheim, Calgary, Zurich: ACTA Press, 2002. - P. 1-4.

Грейсух, Г. И. Расчет распределения интенсивности и концентрации энергии в дифракционном изображении точечного источника [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Компьютерная оптика. - М.: ИСОИ РАН, МЦНТИ, 2002. - Вып. 24. - С. 43-47.

Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности градиентно-однородных оптических систем дистальной части жесткого эндоскопа [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Труды третьей международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2003». Санкт-Петербург, 20-23 октября 2003. / Под ред. проф. Козлова С. А. СПб: СПбГУ ИТМО, 2003. с. 173.

Грейсух, Г. И. Дифракционные и однородно-линзовые корректоры для коррекции аберраций градиентного эндоскопа [Текст] / Грейсух Г. И., Степанов С.А., Ежов Е. Г. // Компьютерная оптика. М.: МЦНТИ, 2003. Вып. 25. С. 54-58.

Ежов, Е. Г. Коррекция аберраций жесткого градиентного эндоскопа [Текст]/ Е.Г. Ежов, С.А. Степанов, Г.И. Грейсух // Автометрия. - 2004. - Т. 40, № 3. - С. 100-105.

Ежов, Е. Г. Сопряжение дистальной части сверхтонкого жесткого градиентного эндоскопа с цветной ПЗС-камерой [Текст]/ Ежов Е.Г., Грейсух Г.И., Степанов С.А. // Сб. статей II Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» - Пенза: Приволжский дом знаний, 2004. - С. 91-95.

Ежов, Е. Г. Оценка качества тракта, состоящего из оптической системы и ПЗС-камеры [Текст]/ Ежов Е.Г. // Сб. статей II-й Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов». Пенза: 2004. - С. 94-97.

Ежов, Е. Г. Сверхтонкие досмотровые эндоскопы на основе градиентных оптических элементов [Текст]/ Е.Г. Ежов, Г.И. Грейсух, С.А. Степанов // Материалы V-й Всероссийской научно-практической конф. «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов». - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2004. - С. 203-205.

Ежов, Е. Г. Коррекция дисторсии гибридного объектива, состоящего из двух дифракционных линз и склеенной линзы Вуда [Текст]/ Е.Г. Ежов // Оптический Журнал. - 2004. - Т. 71, № 10. -С. 92-96.

Грейсух, Г. И. Коррекция аберраций градиентной иглообразной части жесткого эндоскопа, сопрягаемой с ПЗС-камерой [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А.// Сб. трудов VI международной конференции "Прикладная оптика -2004". СПб.: 2004. - Т. 3. С. 88-91.

Ежов, Е. Г. Компенсация дисторсии дифракционно-градиентных объективов высокого разрешения [Текст]/ Е.Г. Ежов // Труды Оптического общества имени Д. С. Рождественского. VI Междунар. Конф. «Прикладная оптика 2004», С-Петербург: 2004. - Т. 3, С. 220224.

Greisukh, G. I. Reduction of the distortion of the diffractive-gradient-index high-resolution objectives [Текст] / Greisukh G. I., Ezhov E. G., Stepanov S. A. // Applied Optics. - 2005. - Vol. 44, Issue 4. - P. 512-518.

Грейсух, Г. И. Коррекция аберраций оптической системы иглообразного жесткого градиентного эндоскопа [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А. // Автометрия. - 2005. - Т. 41, № 2. - С. 115-123.

Ежов, Е. Г. Расчет комбинированных оптических головок для чтения и записи цифровых дисков нескольких форматов [Текст]/ Е.Г. Ежов, Г.И. Грейсух, С.А. Степанов // Компьютерная оптика. - М.: ИСОИ РАН, МЦНТИ, 2005. - Вып. 27. - С. 29-31.

Грейсух, Г. И. Сравнительный анализ хроматизма дифракционных и рефракционных линз [Текст] / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С.А., // Компьютерная оптика. М.: МЦНТИ, 2005. Вып. 28. С. 60-65.

Грейсух, Г. И. Оптика на рубеже веков [Текст] / Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Степанов С.А. // Региональное строительство и архитектура. - 2006. - № 1. - С. 120-127.

Greisukh, G. I. Diffractive-refractive hybrid corrector for achro- and apochromatic corrections of optical systems [Текст] / Greisukh G.I., Ezhov E.G., Stepanov S.A. // Applied Optics. - 2006. - Vol. 45, № 24. - P. 6137-6141.

Ежов, Е. Г. Согласование разрешающей способности оптической системы и ПЗС-матрицы [Текст] / Ежов Е.Г. // Сб. статей IV-й Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов». Пенза: 2006. - С. 64-67.

Ежов, Е. Г. Коррекция хроматизма объективов видеокамер систем наблюдения [Текст] / Ежов Е.Г., Степанов С.А., Грейсух Г.И. // Материалы VI-й Всероссийской научно-практической конф. «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов». - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2006. - С. 168-172.

Ezhov, E. G. Design of combined pick-up optical heads [Текст]/ Ezhov E.G. // Applied Optics. - 2006. - Vol. 45, № 31. - P. 8040-8043.

Ежов, Е. Г. Расчет рефракционно-дифракционных объективов комбинированных устройств чтения/записи оптических дисков нескольких форматов [Текст] / Е.Г. Ежов // Труды VII Международной конференции «Прикладная оптика - 2006», С-Петербург: 2006. - Т. 3, С. 269-273.

Ежов, Е. Г. Рельефно-фазовые дифракционные элементы для комбинированных устройств чтения/записи оптических дисков нескольких форматов [Текст] / Е.Г. Ежов // Труды VII Международной конференции «Прикладная оптика - 2006», С-Петербург: 2006. - Т. 3, С. 274276.

Ежов, Е. Г. Сопоставительный анализ коррекционных возможностей оптических элементов различных типов [Текст] / Ежов Е.Г., Степанов С.А., Грейсух Г.И. // Сб. трудов Международного оптического конгресса «Оптика-XXI век». СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006 - С. 77.

Грейсух, Г. И. Методические аспекты описания свойств оптических элементов различных типов [Текст] / Грейсух Г.И., Степанов С.А., Ежов Е.Г. // Сб. трудов Международного оптического конгресса «Оптика-XXI век». СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006-С. 77-78.

Ежов, Е. Г. Современные методы и средства проектирования гибридных оптических систем [Текст] / Ежов Е.Г. // Сб. статей V Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения». Пенза: ПГСХА, 2006 - С. 98-100.

Ежов, Е. Г. Устройства чтения/записи оптических дисков нескольких форматов: проблемы и пути решения [Текст]/ Ежов Е.Г. // Сб. статей V Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения». Пенза: ПГСХА, 2006 - С. 100-103.

Ежов, Е. Г. Апохроматизация жесткого градиентного эндоскопа [Текст]/ Ежов Е.Г., Степанов С.А. // Автометрия. - 2007. - Т. 43, № 1 - С. 91-97.

Ежов, Е. Г. Высококачественный массовый микрообъектив для CCTV-систем [Текст]/ Ежов Е.Г. // Современные технологии безопасности. - 2006. - № 3, 4. - С. 12-15.

Ежов, Е. Г. Проектирование оптических систем с дифракционными элементами на асферических поверхностях [Текст]/ Ежов Е.Г. // Компьютерная оптика. - М.: ИСОИ РАН, МЦНТИ, 2006. - Вып. 30. - С. 9-15.

Ежов, Е. Г. Телевизоры и мониторы с обратной проекцией: проблемы и пути решения [Текст]/ Ежов Е.Г. // Современные технологии безопасности. - 2007. - № 1. - С. 15-16.

Грейсух, Г.И. Дифракционная оптика от рождения до наших дней [Текст]/ Грейсух Г.И., Ежов Е.Г. // Сб. трудов Всероссийского семинара «Юрий Николаевич Денисюк - основоположник отечественной голографии». СПб.: ФТИ им. А. Ф. Иоффе, 2007 - С. 54-57.

Ежов, Е. Г. Дифракционные оптические элементы в информационных и дисплейных технологиях [Текст]/ Ежов Е.Г. // Сб. трудов Всероссийского семинара «Юрий Николаевич Денисюк - основоположник отечественной голографии». СПб.: ФТИ им. А. Ф. Иоффе, 2007 - С. 189-192.

Ежов, Е. Г. Проектирование гибридных оптических систем [Текст]/ Ежов Е.Г. // Сб. трудов Международной конференции «Математическое моделирование, обратные задачи и приложения». Хмельницкий: ХНУ, 2007 - С. 208-215.

Ежов, Е. Г. Телевизоры с проекцией на просвет: современное состояние и перспективы [Текст]/ Ежов Е.Г., Грейсух Г.И., Степанов С.А. // Сб. статей V-й Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов». Пенза: 2007. - С. 110-113.

Ежов, Е. Г. Применение дифракционных оптических элементов в информационных технологиях [Текст]/ Ежов Е.Г. // Сб. статей V-й Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов». Пенза: 2007. - С. 113-116.

Размещено на Allbest.ru