Разработка схем и методик расчета центрированных оптических систем, включающих однородные линзы с асферическими поверхностями, дифракционные и градиентные элементы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ЕЖОВ ЕВГЕНИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА СХЕМ И МЕТОДИК РАСЧЕТА ЦЕНТРИРОВАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ОДНОРОДНЫЕ ЛИНЗЫ С АСФЕРИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ, ДИФРАКЦИОННЫЕ И ГРАДИЕНТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Специальность 01 04 05 -Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

003064875

_____)

Пенза, Самара 2007

003064875

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства" (ПГУ АС) и Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С П. Королева" (СГАУ).

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Степанов С.А.

Официальные оппоненты.

доктор физико-математических наук, профессор Захаров В П доктор физико-математических наук, доцент Карпеев С В.

доктор физико-математических наук, заслуженный изобретатель РФ Турухано Б Г.

Ведущая организация.

ФГУП НПО «Государственный институт прикладной оптики»

Защита состоится « $ ъО&А1с%Яь*Ь 2007 г. в ^ часов на заседании диссертационного совета Д212.315.01 при Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королева по адресу. 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

Общая характеристика работы

Актуальность темы Развитие и совершенствование технологий, основанных на использовании оптического излучения, привело к расширению круга решаемых оптикой задач и к существенному повышению требований, предъявляемых к оптическим системам различного назначения На удовлетворение этих требований, нередко сочетающих предельные оптические и эксплуатационные характеристики, направлен поиск новых схемных решений, совершенствование методов проектирования и расширение элементной базы оптики Последнее ориентируется на широкое использование асферических преломляющих и отражающих поверхностей, дифракционных и градиентных элементов

Массовое производство асферических поверхностей стало возможным и экономически целесообразным благодаря появлению современных методов формообразования на основе прецизионной штамповки, а практическая возможность изготовления высокоэффективных дифракционных элементов открылась в последние десятилетия с развитием микроэлектронных и лазерных технологий Что касается градиентной оптики, то сегодня уже свыше пятнадцати фирм, используя технологию ионного и диффузионного обмена, про-мышленно производят и поставляют на рынок заготовки из градиентных материалов, градиентные оптические элементы, а также готовые приборы на основе таких элементов

Вращательно-симметричные градиентные и дифракционные линзы, а также однородные линзы с асферическими поверхностями обладают более широкими, чем у традиционных элементов, возможностями коррекции аберраций, и их включение в центрированную оптическую систему, состоящую из нескольких элементов, открывает дополнительные возможности для ее совершенствования

К началу нового столетия сложились два основных направления разработки оптических систем с дифракционными и градиентными элементами. Одно из этих направлений, у истоков которого стояли М А. Ган, К С Мус-тафин, А В Лукин, М G Morns, D.T. Moore, J В Caldwell и др, предполагает использование существующих и, в частности, классических схемных решений с последующей заменой в них одного или нескольких традиционных оптических элементов дифракционными или градиентными. Другое направление предполагает поиск принципиально новых схемных решений, которые позволили бы в максимальной степени использовать преимущества новой элементной базы Значительный вклад в это направление внесли С Т Бобров, Г И Грейсух, С А Степанов, Р Е. Ильинский, J В Caldwell, I Kitano, D Т Moore и др. В его рамках предложен и исследован ряд оптических систем различного функционального назначения Анализ результатов, достигнутых отечественными и зарубежными специалистами, показывает, что оба эти направления разработки оптических систем с дифракционными и градиентными элементами, будучи, несомненно, результативными далеко не исчерпаны В начальной стадии находится разработка принципов и методик использова-

ния дифракционных и градиентных элементов для совершенствования известных оптических систем Ряд предложенных новых схемных решений весьма узок, да и многие из этих решений требуют дальнейшего исследования и развития

Сегодняшние успехи в области технологии и промышленного производства асферических поверхностей, дифракционных и градиентных элементов позволяют направить поиск, благодаря использованию этой элементной базы, на совершенствование реальных оптических приборов самого различного назначения При этом на первый план выдвигается задача выбора оптимальной исходной схемы, под которой понимают схему, включающую лишь те элементы, свойства и возможности которых необходимы, а количество достаточно для удовлетворения требований, предъявляемых к разрабатываемой системе Эта задача, названная М М Русиновым композицией оптических систем, не решается ни одной из существующих компьютерных программ, предназначенных для расчета и проектирования оптики

Традиционно разработчики оптических систем компонуют исходную схему, опираясь на собственный опыт и используя при этом разработанный Г Г. Слюсаревым и основанный на теории аберраций третьего порядка аппарат основных параметров Р, W и С, или по методу М М Русинова, исходя из аберрационных свойств отдельных элементов Однако наиболее результативным считается подход, при котором исходная схема выбирается из архива известных схемных решений. В созданных в последние годы коммерческих программных продуктах, предназначенных для расчета, исследования, оптимизации и аттестации оптических систем, реализован именно этот подход, опирающийся на библиотеки известных схемных решений К наиболее мощным из этих программных продуктов, в частности, относятся DEMOS (разработчик - ВНЦ «ГОИ им С И Вавилова»), CODE V (Optical Research Associates), ZEMAX Optical design program (Focus Software, Inc ) Они предоставляют возможность, наряду с традиционными, включать в систему новые элементы трех вышеотмеченных типов, но при этом автоматизированная трансформация схемы в части изменения взаимного расположения элементов различных типов и их количества в процессе оптимизации или какой-либо другой операции не предусмотрена.

При разработке объективов-монохроматов, состоящих из дифракционных и градиентных элементов, хорошо зарекомендовал себя метод, предложенный Г И Грейсухом и С А Степановым Метод базируется на решении компенсационных уравнений, обеспечивающих устранение аберраций нескольких порядков малости Аберрационные коэффициенты при этом получают на основе диаграммы рассеяния псевдолучей, ход которых через оптическую систему рассчитывается в приближении заданного порядка малости Есть все основания полагать, что дальнейшее развитие этого метода позволит эффективно использовать его при разработке оптических схем центрированных гибридных систем, предназначенных для работы с немонохроматическим излучением и включающих, наряду с другими элементами, одно-

родные линзы с асферическими поверхностями и дифракционные линзы, структура которых размещена на таких поверхностях

Вышеизложенное определило актуальность и обусловило выбор цели и задач, решаемых в настоящей диссертации

Целью работы является развитие и распространение псевдолучевого метода расчета градиентных и дифракционно-градиентных объективов-монохроматов на центрированные оптические системы с более широкой элементной базой, предназначенные для работы как с монохроматическим, так и с полихроматическим излучением; разработка на этой основе оптических схем и методик определения конструктивных параметров систем различного назначения, а также анализ потенциальных возможностей оптических систем, получаемых в результате их оптимизации.

В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации

- на основе анализа известных методик развить аппарат расчета и исследования оптических систем, включающих однородные рефракционные линзы с асферическими поверхностями, дифракционные и градиентные элементы,

- исследовать и провести сопоставительный анализ дисперсионных свойств элементов различных типов,

- используя развитый аппарат расчета и результаты сопоставительного анализа дисперсионных свойств элементов различных типов распространить метод компоновки схем дифракционно-градиентных объективов-монохроматов на гибридные системы с более широкой элементной базой, предназначенные для работы на одной или нескольких длинах волн, а также с полихроматическим излучением,

- исследовать возможности и определить пути совершенствования дифракционно-градиентных объективов-монохроматов,

- разработать новые схемы и методики расчета гибридных оптических систем для информационных и дисплейных технологий, предназначенных для работы на нескольких длинах волн или с полихроматическим излучением,

- исследовать потенциальные возможности систем различного функционального назначения, полученных в результате оптимизации найденных новых схемных решений

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые

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

2 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

3 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, т е оптического элемента, имеющего внешние плоские преломляющие поверхности и изготовленного из двух неоднородных материалов, разделенных сферической поверхностью склейки

4 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.

5. Разработана методика ахро- и апохроматической коррекции оптических систем с помощью двух- и трехлинзовых рефракционно-дифракционных корректоров.

6 На основе результатов сопоставительного анализа сферохроматизма однородных линз с асферическими поверхностями и дифракционных линз разработаны схемы и методика расчета высокоразрешающих дифракционно-рефракционных объективов оптических систем комбинированных устройств записи и чтения цифровых дисков двух форматов

7 Показано, что введение в визуальный тракт градиентного эндоскопа корректоров аберраций, компонуемых и рассчитываемых по разработанной в диссертации методике, основанной на результатах анализа аберрационных и дисперсионных свойств стержневых градиентных элементов, позволяет при устраненном продольном и поперечном хроматизме существенно снизить уровень остаточных монохроматических аберраций и тем самым значительно повысить полихроматическое разрешение в наблюдаемом изображении

Практическая ценность работы определяется следующими

результатами

- на основе анализа известных методик развит аппарат расчета и исследования оптических систем, включающих однородные рефракционные линзы с асферическими поверхностями, дифракционные и градиентные элементы,

- найденные решения коррекции дисторсии дифракционно-градиентных объективов расширяют возможности таких объективов,

- предложенная методика ахро- и апохроматической коррекции оптических систем с помощью рефракционно-дифракционных корректоров позволяет существенно улучшать характеристики объективов, собранных по классическим схемам, а также разрабатывать новые схемы с полевыми характеристиками, близкими к предельным для выбранного числа элементов,

- разработанная схема пластикового микрообъектива для видеокамер систем наблюдения и предложенный вариант модификации оптических трактов телевизоров и дисплеев с проекцией на просвет демонстрируют возможности повышения за счет использования дифракционных элементов конкурентоспособности этой массово выпускаемой наукоемкой продукции,

- разработанные схемы и методика расчета высокоразрешающих дифракционно-рефракционных объективов оптических систем комбинированных устройств записи и чтения цифровых дисков нескольких форматов открывают возможности совершенствования таких устройств, улучшения их технических характеристик и снижения стоимости,

- предложенные методы коррекции аберраций градиентных эндоскопов указывают пути модернизации выпускаемых приборов и создают основу для разработки приборов нового поколения

На защиту выносятся 1 Разработанный метод компоновки схем гибридных оптических систем различного функционального назначения, включающих однородные линзы со сферическими или асферическими поверхностями, дифракционные и радиально-градиентные элементы 2. Результаты анализа возможностей 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 Методика расчета и конструктивные параметры дифракционно-градиентных объективов, которые благодаря взаимной компенсации составляющих дисторсии различных порядков способны формировать изображение, близкое к ортоскопическому, с дифракционным качеством по большому полю. 4. Методика ахроматической и апохроматической коррекции изображающих оптических систем с помощью корректоров, состоящих из дифракционной и одной или двух склеенных однородных рефракционных линз

5 Результаты исследования возможностей коррекции аберраций широких пучков на двух длинах волн у оптической системы, состоящей из дифракционной линзы и однородной рефракционной линзы с аферическими поверхностями

6 Схемы, методика расчета и конструктивные параметры дифракционно-рефракционной оптической системы чтения/записи цифровых дисков двух форматов

7 Схемы и методика расчета корректоров аберраций жестких градиентных эндоскопов, позволяющих при устраненном продольном и поперечном хроматизме существенно снизить уровень Остаточных монохроматических аберраций и тем самым значительно повысить полихроматическое разрешение в наблюдаемом изображении.

Апробация работы

Основные положения н результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV и VI Международных конференциях «Прикладная оптика» (г Санкт-Петербург, 2000, 2004), 3rd Int Workshop on Commercial Radio Sensors and Communication Techniques (г Линц, Австрия, 2001), IASTED International Conference (г. Новосибирск, 2002); III Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2003» (г Санкт-Петербург, 2003); V и VI Всероссийских научно-технических конференциях «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Пенза, г. Заречный, 2004, 2006), II, III, IV и V Всероссийских научно-технических конференциях «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г Пенза, 2004, 2005, 2006, 2007); Международной конференции «Frontiers m optics 2005/Laser science XXI» (г Таксон, США, 2005), VII Международной конференции «Прикладная оптика - 2006» и конференции «Оптика и образование - 2006», проводившихся в рамках Международного оптического конгресса «Оптика-XXI век» (г Санкт-Петербург, 2006), V Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (г Пенза, 2006), Всероссийском семинаре «Юрий Николаевич Денисюк - основоположник отечественной голографии» (г Санкт-Петербург, 2007), Международной конференции «Математическое моделирование, обратные задачи и приложения» (г Хмельницкий, Украина, 2007), научных семинарах ИСОИ РАН и кафедры Технической кибернетики Самарского государственного аэрокосмического университета.

Исследования, результаты которых представлены в данной диссертационной работе, проводились

- при финансовой поддержке Министерства образования РФ (грант № Т0208 0277 по фундаментальным исследованиям в области технических наук),

- при совместной финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ и американского фонда гражданских исследований и развития для независимых государств бывшего Советского Союза (CRDF) (грант № Y1-P-14-03, в рамках программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (BRHE), направленный на оказание поддержки новому поколению российских ученых),

- в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве с ООО "НТЦ "ВНИИМП-ОПТИМЕД-1" (Москва)

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 54 печатные работы

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы Она изложена на 222 страницах машинописного текста и содержит 70 рисунков и 44 таблиц В списке цитируемой литературы 262 наименований

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся положения, выносимые на защиту, описана структура и приведено краткое содержание диссертации.

Первая глава посвящена методам расчета, компоновке схем и получению исходных конструктивных параметров гибридных оптических систем

Приведено описание используемых в данной работе математических моделей асферических поверхностей, дифракционных элементов и неоднородных сред Обоснован выбор метода гауссовых скобок для параксиального расчета и метода получения аберрационных коэффициентов на основе диаграммы рассеяния псевдолучей, ход которых через оптическую систему рассчитывается в приближении заданного порядка малости. Методика расчета хода псевдолучей развита и распространена на четные преломляющие асферические поверхности наиболее общего вида и дифракционные линзы (ДЛ), размещенные на таких поверхностях

Расчет хода псевдолуча через оптическую систему включает две задачи прослеживание хода псевдолуча через среду, которая в общем случае может быть ограничена двумя асферическими поверхностями, и определение параметров преломленного или дифрагированного псевдолуча

Ход луча описывается в системе координат оптической оси, т.е в декартовой системе, ось OZ которой совпадает с оптической осью Высота и наклон луча определяются с помощью векторов р и е Вектор р имеет составляющие [jc(z), y(z), о], и его модуль р = x2(z) + y2(z) определяет расстояние точки луча от оси OZ Вектор е имеет составляющие (st,e^,0), где et и е^ - направляющие тангенсы луча, связанные с его направляющими косинусами соотношениями вt ~ax/az иеу=ау/а..

Четная асферическая поверхность наиболее общего вида в системе координат с началом в вершине поверхности описывается уравнением

F(p,z)=z-- ef , ,-I«,p3'=0, (1)

1 + VI - (1 + К)с~р-

где с - кривизна поверхности в ее вершине, к - квадрат эксцентриситета, а, при г = 1,2,3, . - коэффициенты асферической деформации

При распространении луча в однородной среде между к -ой и (к +1 )-ой асферическими поверхностями оптической системы луч на входе в среду задается векторами рк и ек, а на выходе из среды - векторами рк+г и еА.+1 Если гкЫ есть расстояние вдоль оси ОХ от точки входа луча в однородную среду до точки его выхода, то очевидно, что векторы рк, гк и, рк+1, гк+1 связаны между собой уравнениями

Е =8 ' (2>

где йк + гк+1 - гк (3)

Здесь (¡к - расстояние между вершинами к-ой и (¿+1)-ой поверхностей, гк - координата точки пересечения луча с к-ой поверхностью в системе координат, связанной с вершиной этой поверхности, и, аналогично, гк+х -координата точки пересечения луча с {к + 1)-ой поверхностью в системе координат, связанной с вершиной (к +1)-ой поверхности

Векторы рк и е^ представляются в виде сумм слагаемых нечетных порядков малости относительно модулей векторов, определяющих высоту и наклон луча во входном зрачке оптической системы

«*=««+.«+««> + . ]' (4> а расстояние гкк+1 - в виде суммы членов нулевого и четных порядков малости:

_ _7<0) ,_<2) , (4)

Подстановка (4) и (5) в первое из уравнений (2), дает возможность связать составляющие различных порядков малости векторов, определяющих высоту луча на входе и выходе из среды

о(1> = о(1> + г<0) £(1>

Рм = Р* ' + гкМ\е\ ' + 2кМ\е<к

Р*+1 = Р* ^ + 5 + 21}+!е\ ^ + 2кМ\Ъ\ '

(б)

Слагаемые различных порядков малости расстояния гкк+1 имеют вид

+РгмЛ ЫИ]2 + <$1»тУ +4И(2)у<2> + Мки«Ыт + 4<*тм>(2>}

Здесь

■ш.

и<« = 2р»р;

(»„О)

А '

ТУ

= 2гТё

0>„(3) к '

а параметры р,к и Р,(при г = 1,2), относящиеся к к-ой и к + 1-ой поверхностям, вычисляются по общим формулам

(9)

+ Рз = Г 0 + К)с3 + <*2 2. о

Формулы (6)-(9) позволяют рассчитать ход псевдолуча пятого порядка через однородную среду, ограниченную двумя асферическими поверхностями, каждая из которых может представлять собой как поверхность оптического элемента, так и любую другую поверхность, например поверхность предмета или изображения

Расчет хода псевдолуча через преломляющую или дифрагирующую поверхность сводится к тому, чтобы по известным составляющим различных порядков малости векторов р и 8, характеризующих псевдолуч, падающий на поверхность, разделяющую две среды или несущую дифракционную микроструктуру, найти составляющие различных порядков малости вектора е', определяющего направление распространения прошедшего (преломленного или дифрагированного) псевдолуча. Решение этой задачи, основанное на использовании закона Снеллиуса или формулы дифракционной решетки, требует знания, в частности, составляющих различных порядков малости нормали к поверхности

Вектор нормали к поверхности, описываемой уравнением может быть представлен в виде

о =

УР

.дР .ар , дР УР = I— + ]— + к—, дх ду дг

где

4т-

дР

(

.дх) {ду^

Путем преобразования и дифференцирования выражения (1) получено

Ч'йг

где А = -

2(1-1)

VI-(1+К )с2р2 В результате составляющие вектора нормали имеют вид ох = -хАог, оу = -уАот, о, = 1/л/1 + Р2А2

(10) (И)

(12)

(13)

Разложение в ряд выражения 1 - (1 + к)с2р2 ^ и подстановка результата в (1)дает

р(р>2)-г - Р,р2 - Э2Р4 — РзР6 ~ . (15)

где Р, и Р2 вычисляются по формулам (9), а

Р3=^(1 + к)2е5 + а3 (16)

1о

Дифференцирование уравнения (15) приводит к

- —2л:(Э( + 2Э2р2 + ЗР3р4 +. }

дх

~ = + 2р 2р2 + ЗР3р4 (17)

Эу

дг

Далее, используя соотношения (8), заключенный в скобки сомножитель в формулах (17)

Л = р,+2Р2р2+3!}зР4=р1+2р2(«<2» + «№)+Зрз(г/<«)2+ - . О»)

можно представить в виде суммы слагаемых различных порядков малости Л = Л(0) + ЛС2)+Л(4) + (19)

где

л(0)=р„

Л(2> = 2р2и(2\ (20)

Л<4)=2Р211<4)+ЗР,М\

Подстановка переменной Л в (12) дает

Р)г =л/1 + 4ргЛ2 , (21)

откуда

о. = 1 - 2(«<2) + г/(4)|(л(0))2 + 2Л<0)Л(2)]+ б(и<2>)1(л<0))' (22)

Порядковые составляющие ог имеют вид о<0)=1,

от =-2и<2)(л<0>)2, (23)

0<4)=-4и(2)Л<о,Л(Ч -2и(4)(л<0,)г +б(мС2,)3(л(0))4

Из выражений (4), (14) и (19) следует

о, = —2хАо1 = -2(> + х<3) + ХЛ(0) + Л(2> + Л(4) + о^ + о<4) )=

- 2[(х1,)Л(0) + х(,,Л(2) + *(,)Л(4) + х(3)Л(0) + *(3)Л(3> + х<5'Л(0))х (24) х^+о™+о{;))]+

В результате порядковые составляющие ол имеют вид

о« = -2л:(,,Л(0),

о?> =-2(х(!,Лто12)+хтЛ(2)+х(3)Л(0)1 о? =-2(х«Л(0Ч4) + *(!)Л(2>о<2> + + ;t(3>Л<V2, + + х<3)Л(2) + х(5)Л<0)) Аналогичную форму имеют и составляющие о^,

В случае преломления псевдолуча асферической поверхностью, в соответствии с законом Снеллиуса, имеем

а' = уц + хо (26)

Здесь а и а' - направляющие векторы падающего и преломленного лучей, У = и/и', ]

Х = -у(о а)+ф~у2[1-(о а)2],} (2?)

и и и' - показатели преломления сред слева и справа от границы раздела в точке падения луча В скалярном виде выражение (26) имеет вид = \><хх + %ох,'

(28)

= vay +уоу,

а, = V«, + уо.

Для перехода от направляющих косинусов к направляющим тангенсам используется уравнение связи между векторами а и 8

а = аг(Е + к), (29)

где к - единичный вектор вдоль оси Ох, а

(30)

Для того чтобы с помощью (29) и (30) определить составляющие различных порядков малости вектора а', а затем и е', в них необходимо представить в виде сумм слагаемых различных порядков величину % и проекции векторов а, о Выполнив эти разложения и подставив результат в уравнение, связывающее проекции векторов е и а, получим

(31)

е' = е'(" + е'„<3) + е'(5) +

где

.'(3) =,„'(1)^(2) .

г'<3>

l.x ' .а<(3у2> +а<(5,

(32)

Аналогичную форму имеют и составляющие s'y.

Вышеприведенные соотношения являются основой и для расчета хода псевдолуча через структуру ДЛ, размещенную на асферической поверхности В этом случае известные выражения, описывающие дифракцию на структуре, считают записанными в локальной ^-системе координат, с направляющими векторами i, j, к, началом координат в точке падения луча

на асферическую поверхность и осью 02, совпадающей с нормалью о к поверхности в этой точке Переход от этой системы координат к К -системе, имеющей направляющие векторы I, к и связанной с вершиной поверхности, а также разложение по вышеописанной схеме дает суммы составляющих различных порядков малости искомого вектора е', определяющего наклон дифрагированного структурой ДЛ луча

В главе обосновывается выбор ряда функций оценки качества изображения для последующего их использования на различных этапах расчета оптических систем, рассматриваемых в данной диссертации Этот ряд включает наименее ресурсоемкие функции, оценивающие качество изображения точки по параметрам диаграммы рассеяния лучей и предназначенные для использования на этапе разработки исходной схемы и оптимизации, интенсивность Щтреля и относительную энергию в пределах радиуса диска Эйри, используемые при аттестации высокоразрешающих систем, частотно-контрастную характеристику (ЧКХ), используемую на этапе доводки и аттестации изображающих систем с достаточно высоким уровнем остаточных аберраций

Глава завершается изложением развиваемого автором метода компоновки оптических схем и определения конструктивных параметров гибридных центрированных систем, включающих элементы, позволяющие осуществлять селективную коррекцию аберраций различных порядков В соответствии с этим методом, на первом этапе, исходя из требований, предъявляемых к оптической системе, и учитывая коррекционные возможности элементов различных типов, выбирается ее конфигурация, т е общее число элементов, их тип и взаимное расположение Затем составляется система параксиальных и компенсационных уравнений, решение которой призвано обеспечить заданные параксиальные характеристики и устранение выбранных монохроматических аберраций нескольких низших порядков малости. Общее количество конструктивных параметров при выбранной конфигурации может превышать число решаемых уравнений, и тогда значения свободных параметров будут определяться из условия достижения минимально возможного уровня остаточных аберраций высших порядков Поиск набора этих значений включает определение границы начальной зоны поиска, исходя из известных ограничений на значения свободных параметров, выбор шага для каждого из свободных параметров и решение на каждом шаге системы параксиальных и компенсационных уравнений Результатом этого этапа явится база начальных решений

На втором этапе для каждого из решений набранной базы при значениях числовой апертуры и полевого угла, близких к требуемым, и оптимальном положении входного зрачка производится расчет хода реальных лучей и вычисляется лучевая функция оценки качества точечного изображения. Затем выделяются решения, для которых значения оценочной функции превышают пороговый уровень Выделенные решения используются в качестве исходных при последующей лучевой оптимизации В общем

случае, ее осуществляют по положению входного зрачка, коэффициентам радиального градиента всех неоднородных материалов и по коэффициентам асферической деформации эйконалов записи ДЛ и асферических поверхностей При этом оптимизация производится по коэффициентам, влияющим на аберрации, начиная с того порядка малости в аберрационном разложении, который не учитывался при составлении компенсационных уравнений Если же результаты оптимизации неудовлетворительны (не получено ожидаемое значение апертуры или полевого угла, какие-то конструктивные параметры системы не приемлемы, т д), проводится повторное исследование базы начальных решений с изменением условий отбора В результате окажутся найденными конструктивные параметры, соответствующие предельным для выбранной конфигурации оптическим характеристикам В случае если эти характеристики не удовлетворяют условиям решаемой задачи, то следует изменить конфигурацию оптической системы, число ее элементов и/или их взаимное расположение, а затем весь процесс поиска повторить

Отмечается, что вышеописанный метод, базирующийся на знании коррекционных возможностей элементов различных типов и хорошо зарекомендовавший себя при проектировании градиентных и дифракционно-градиентных объективов-монохроматов, требует дальнейшего развития и распространения на оптические системы, работающие с немонохроматическим излучением

Вторая глава посвящена исследованию возможностей и поиску путей коррекции дисторсии высокоразрешающих дифракционно-градиентных объективов-монохроматов (см рис 1).

а) 1

Рис 1 а)-объектив, состоящий из двух плоских ДЛ (1) и склеенной линзы Вуда (2), б) - объектив, состоящий из трех плоских ДЛ (1), разделенных неоднородными средами (3)

Опираясь на метод компоновки оптических схем и определения конструктивных параметров, описанный в главе 1, были найдены и исследованы неизвестные раннее решения, обеспечивающие устранение у таких объективов всех монохроматических аберраций третьего и пятого порядков, включая дисторсию. При этом было показано, что только объектив, состоящий из трех ДЛ, разделенных неоднородными средами, способен при рэлеевском разрешении 5Л=1 мкм обеспечить практически значимый размер углового

поля высококачественного изображения (2ш = 12°) Остаточная относительная дисторсия в этом случае Ьу'тк <0,005%

Существенно увеличить поле зрения как вышеупомянутого объектива, включающего три ДЛ, так и состоящего из двух ДЛ и склеенной линзы Вуда, удалось, заменив строгое устранение составляющих дисторсии третьего и пятого порядков их взаимной компенсацией Методика компенсации основана на установленных автором закономерностях, общих для объективов обоих типов. Дисторсия третьего порядка в таких системах легко может быть вызвана любого знака, и это не сопровождается отрицательными эффектами, которые могли бы повысить уровень остаточных аберраций высших порядков Более того, при противоположных знаках коэффициентов дисторсии третьего и пятого порядков рост модуля коэффициента дисторсии третьего порядка приводит к уменьшению модуля коэффициента пятого порядка Взаимосвязь коэффициентов дисторсии описывается выражением

К 20 ~ ^0 2 0 | 0 , (33)

где и " коэффициенты дисторсии третьего и пятого порядка, соответственно, й^'о" коэффициент дисторсии пятого порядка при РУ010 = 0, к- коэффициент пропорциональности.

Относительная дисторсия, включающая составляющие двух наинизших порядков, имеет вид

5/ = Ау'/ща = Га, а1ё2ш + 2 йщ*о>. (34)

Здесь Ау' -абсолютная дисторсия, а а> - полевой угол в пространстве предметов.

Значение коэффициента снижающего до минимума максималь-

ную величину модуля относительной дисторсии в пределах заданного полевого угла, было найдено исходя из требования равенства относительной дисторсии на краю поля модулю относительной дисторсии в точке экстремума, как это показано на рис 2. В предположении, что искомое значение по модулю много меньше единицы, было получено приближенное выражение

^ я (ЛГ -4ыг +ЬРМ)!2Р, (35)

дающее вполне приемлемое начальное значение для последующей взаимной компенсации с учетом уже влияния составляющих дисторсии высших порядков

Величины, входящие в выражении (35), имеют вид А/=*ОвЧ«. (36)

N = 2+ М, (37)

Р = 0,25-ЙвЧ^, (38)

где югаах - максимальный полевой угол в пространстве предметов Полевой угол, при котором наблюдается экстремум, вычисляется по формуле

= > (39)

а относительная дисторсия на краю поля, с точностью до знака равная дисторсии в экстремуме, определяется выражением

= 0,25^?оК + ЩХ) (40)

Данная методика позволила получить схемные решения и конструктивные параметры орто-скопических объективов обоих типов, способных формировать изображение с дифракционным качеством по большому полю (5Й=1 мкм, 2са = 42°,

¿0,13%)

Т—I-1-1-1

Рис 2 Относительная дисторсия при оптимальном соотношении составляющих третьего и пятого порядков

Третья глава посвящена разработке методик коррекции хроматических аберраций изображающих и фокусирующих оптических систем В ней проанализированы хроматические свойства однородных рефракционных линз (ОРЛ) с асферическими поверхностями и ДЛ

На основе анализа первичного хроматизма разработаны методики использования корректоров, состоящих из ДЛ и одной или двух ОРЛ, для выполнения ахро- и апохроматической коррекций оптических систем. В предположении, что дифракционно-рефракционный корректор бесконечно тонкий, и его оптическая сила Ф на центральной длине волны X спектрального диапазона от Хтт до Хтах имеет фиксированное значение, условие ахрома-

тизации оптической системы, в которую вводится этот корректор, имеет вид

Ф

оь

Фоь+ЕФ^Ф

(41)

(42)

Здесь Фвь и Фк - оптические силы ДЛ и ОРЛ корректора на длине волны X, 1=1 или 2 в зависимости от количества ОРЛ в корректоре; йА - высота апертурного нулевого луча в плоскости корректора, вычисленная на той же длине волны, Хш1х) - вклад в первую хроматическую сумму всех элементов оптической системы за исключением корректора, вычисленный доя длин волн Х.тт и Хтах, ук и - коэффициенты дисперсии материала ОРЛ

и ДЛ

В случае апохроматической коррекции система уравнений (41), (42) дополняется выражением

V™ Гл 1

"и.

где параметры

Г0ь=(^,„-1)/(Яит-Хтах), (44)

= К» " ИХ )/(">■„„ " "и ) (45>

- относительные частные дисперсии ДЛ и материала ОРЛ соответственно, а величина к), как и в уравнении (41), характеризует вклад в первую хроматическую сумму всех элементов оптической системы за исключением корректора, но уже для длин волн Хтт и X

Решение системы уравнений (41)-(43) предваряется выбором местоположения корректора в оптической системе и его оптической силы Ф Если корректор вводится в предварительно рассчитанную систему как дополнительный компонент, то его целесообразно поместить вблизи апертурной диафрагмы, положив Ф = О В случае же замены дифракционно-рефракционным корректором какого-то компонента системы, расположение корректора и его оптическую силу следует выбрать, исходя из того, что установка корректора не должна существенно изменить параксиальные характеристики системы Это, в частности, достигается при условии сохранения угла и высоты падения апертурного нулевого луча на ту поверхность системы, которая расположена непосредственно за корректором.

Анализ системы уравнений (41)-(43) показал, что в простейшем случае, когда рефракционная часть корректора представляет собой одиночную линзу, афокальный корректор (Ф = 0) позволяет произвести апохроматизацию лишь в не представляющем практический интерес случае, когда дисперсия оптической системы очень мала по модулю и аномальна по знаку В противном случае возможна только ахроматизация, при этом оптические силы элементов корректора рассчитываются по формуле

„и

'и " ^ю,"

Фн=-Фщ.= * , (46)

где

и^цЪт.К*. уй2 (47)

В видимом диапазоне, а конкретно в интервале, ограниченном синей Р-и красной С-линиями водорода (Хт,„ = =0,48613 мкм и ^■та = К =0,65626 мкм), когда в качестве центральной длины волны выбирается желтая с1-линия гелия (1 = Х() =0,58756 мкм), коэффициент дисперсии ДЛ «-3,45 Благодаря этому, как следует из формулы (46), афокальный дифракционно-рефракционный корректор позволяет скомпенсировать примерно на порядок больший хроматизм, чем это достижимо с помощью чисто рефракционного склеенного корректора, имеющего те же оптические силы элементов

При постановке задачи апохроматической коррекции оптической системы путем замены одного из ее компонентов, оптическая сила которого Ф * 0, корректором, состоящим из ДЛ и одиночной ОРЛ, параметры коррек-

тора, как следует из системы уравнений (41)-(43), рассчитываются по формулам

vR=vDl^4, (48)

(49)

vdl -vr

Фоь=Ф-Фк. (50)

где

, (51)

WvDL-УИФ

с(*тап >)

W = (52)

К

При такой коррекции коэффициент дисперсии материала ОРЛ уже не является свободным параметром и его значение, полученное в ходе расчета, может оказаться физически нереализуемым Это ограничение преодолевается, если рефракционную часть корректора, используемого для апохромати-зации оптической системы, выполнить из двух линз В этом случае система уравнений (41)-(43), являющаяся линейной по отношению к оптическим силам элементов, легко решается любым из стандартных методов Анализ показал, что при выборе для рефракционной части корректора крона и флинта с максимально возможной разницей значений коэффициентов дисперсии оптические силы ОРЛ имеют противоположные знаки, модули их минимальны и незначительно превышают оптическую силу объектива в целом При этом оптическая сила ДЛ существенно ниже оптической силы объектива в целом и изготовление ДЛ, с этой точки зрения, не вызывает технологических трудностей

Замена компонента предварительно рассчитанного объектива дифракционно-рефракционным корректором может привести к нарушению ранее достигнутой коррекции монохроматических аберраций Восстановить или даже снизить уровень этих аберраций можно, одновременно используя соотношение кривизн преломляющих поверхностей ОРЛ, поправки в закон чередования кольцевых зон ДЛ, а также толщины элементов и воздушных промежутков

Эффективность разработанной методики продемонстрирована на примерах апохроматической коррекции фотообъектива типа «триплет Кука», ахроматической коррекции микрообъектива для видеокамер систем наблюдения (CCTV-систем) и апохроматической коррекции многолинзового объектива для «тонкого» проекционного телевизора или дисплея (RPTV)

Коррекция хроматизма осуществлялась путем замены одного из компонентов объектива на двух - или трехлинзовый дифракционно-рефракционный корректор В результате полихроматическое разрешение, например, фотообъектива (см. рис 3), имеющего фокусное расстояние

/'=240 мм, при контрасте 0,2 на оси повысилось с 13 мм"1 до 72 мм"1, а на краю поля - с 13 мм"1 до 16,5 мм"1 Кривые лучевых аберраций и волновой сферической аберрации исходного объектива и его модификации при относительном отверстии 1 6 представлены на рис 4 - 6 (а) и (б), соответственно

А

17

Рис 3 Принципиальная оптическая схема фотообъектива с дифракционно-рефракционным корректором 1,3,5- ОРЛ, 2 -апертурная диафрагма, 4 - ДЛ

Рис. 4 Продольный хроматизм исходного (а) и модифицированного (б)

объективов

Рис 5 Астигматизм и кривизна поля Рис 6 Волновая сферическая

исходного (а) и модифицированного аберрация исходного (а) и

(б) объективов 1 - при А. = ЯР, 2 - модифицированного (б) объективов

при Х = Хй;3- при Х = ХС,(_- -.-при Х = ХР,----при

сагиттальная и___— тангенциаль- ^ = -------- при X = А.с

ная составляющие)

У микрообъектива для ССТУ-систем (рис 7) все три ОРЛ с асферическими поверхностями (на одну из которых нанесена структура ДЛ)

Рис 7 Принципиальная оптическая схема микоообъектива

выполнены из одного и того же пластика - ПММА При этом уровень вторичного спектра и монохроматических аберраций столь низок, что полихроматическое разрешение объектива по всему угловому полю 2со = 60° при контрасте 0,5 составляет 98 мм"1, а при контрасте 0,78 не опускается ниже 50 мм"! Фокусное расстояние этого объектива /' =3,71 мм, а относительное отверстие 1 2,4

Замена склеенного дублета проекционного объектива оптического тракта RPTV на трехлинзовый дифракционно-рефракционный корректор (рис 8) позволила не только апохроматизировать объектив, но и уменьшить поперечный хроматизм при одновременном снижении уровня остаточных монохроматических аберраций, что, в конечном счете, привело к удвоению полихроматического разрешения (заявка на патент № 2006118187, Российская Федерация)

Рис. 8. Типичная схема оптического тракта RPTV и предложенный вариант модификации проекционного объектива 1 - DMD-чип, 2 -осветитель, 3 - светоделитель, 4 -однородно-линзовая часть проекционного объектива, 5 - асферическое зеркало проекционного объектива; 6 - просветный экран, 7 -заменяемый компонент, 8 - дифракционно-рефракционный корректор 1

Заключительная часть главы посвящена коррекции сферохроматизма оптической системы комбинированного устройства записи и чтения цифровых дисков двух форматов Задача усложнена тем, что объектив устройства должен иметь значительную апертуру, а при переходе с формата на формат скачкообразно изменяется не только рабочая длина волны, но и толщина плоскопараллельного слоя над информационной поверхностью диска Кроме того, необходимо, чтобы система объектив - диск была свободна от всех аберраций, ограничивающих качество фокусировки не только на оси, но и вблизи нее И, наконец, желательно, чтобы на обеих длинах волн объектив работал с бесконечно удаленной предметной точкой

Поиск минимальной конфигурации, позволяющей удовлетворить все вышеперечисленные требования, выполненный в соответствии с методом компоновки исходных схем и определения конструктивных параметров оптических систем, изложенным в главе 1 и развитым в данной главе, привел к

дублету, в котором ОРЛ с двумя асферическими поверхностями размещена между ДЛ и диском (см. рис. 9). В процессе поиска, ориентированного на CD и DVD форматы, шесть коэффициентов асферических добавок кольцевой микроструктуры ДЛ и поверхностей ОРЛ использовались для устранения путем решения соответствующих компенсационных уравнений, аберраций широких пучков.

Рис, 9. CD/DVD система объектив - цифровой диск: 1 - ДЛ; 2 - однородная ОРЛ с двумя асферическими поверхностями; 3 - CD диск; 4 - DVD диск

При этом сферическая аберрация третьего и пятого порядков устранялась на обеих длинах волк (^,=0,78 м км для CD форматам ?ь3=0,65мкм для DVD формата), а кома третьего и круговая кома пятого порядков для длины волны DVD формата, требующего наибольшую числовую апертуру системы. В результате одна из полученных схем, при фокусных расстояниях //, =2,33 мм, /1г = 2,3356 мм и минимальном воздушном промежутке между ОРЛ и подложкой диска 0,5 мм, обеспечивает на длине волны \ при числовой апертуре А' = 0,5 i, а также на длине волны Х2 при аперту ре А' = 0,65 дифракционно-ограниченную фокусировку в пределах углового поля 2ш = 1,4°. Максимальный световой диаметр линз объектива Da =3,03 мм. Волновая аберрация в пределах выходного зрачка на краю поля и распределение инген сие. ноет и в сфокусированном пятне а режиме DVD приведены на рис. 10.

Рис. 10. Распределение волновой аберрации в плоскости выходного зрачка (а) и распределение интенсивности в дифракционном изображении точки (б)

относительные: координаты в плоскости зрачка

КООРДИНАТЫ В ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ (НЕМ)

Максимальное значение волновой аберрации на краю зрачка составляет 0,07Я. Интенсивность Штреля в изображении /s=0,98, а относительная энергия в пределах радиуса диска Эйри £(5„)= 0,833

Перенос у объектива, представленного на рис 9, дифракционной структуры с плоскопараллельной подложки на переднюю асферическую поверхность OPJI позволил упростить конструкцию и снизить массу объектива, не ухудшая качество фокусировки

В связи с тем, что ДЛ объектива системы чтения/записи работает на двух существенно отличающихся длинах волн, глава завершается анализом зависимости дифракционной эффективности рельефно-фазовой микроструктуры, имеющей ступенчатый профиль штриха, от длины волны Показано, что в пределах спектрального диапазона, ограниченного рабочими длинами волн CD и DVD форматов, снижение дифракционной эффективности, обусловленное переходом с расчетной длины волны на рабочие, практически не зависит от числа ступеней, если их больше пяти и в любом случае не превышает 3%

Четвертая и пятая главы посвящены поиску путей и разработке методов совершенствования уже достаточно широко используемых оптических систем, включающих стержневые градиентные элементы сверхтонких жестких эндоскопов с визуальным трактом, состоящим из объектива и градиентного транслятора.

В четвертой главе анализируются базовые схемы визуального тракта, состоящего из градиентного или однородно-линзового объектива и градиентного транслятора, формирующего действительное изображение вблизи своего заднего торца Это изображение является предметом для окуляра

Исходя из того, что эндоскоп предназначен для работы с полихроматическим излучением, даны рекомендации по подбору материалов градан-объектива и градан-транслятора Для характеристики дисперсионных свойств радиально-градиентных материалов вводится эффективный коэффициент дисперсии.

у=---(53)

у,-(1-1/Й0)У0

Здесь у0 =(я0 — 1)/Ди0 и =щ/Ап1 - коэффициенты дисперсии для базового показателя преломления и0 и первого коэффициента радиального градиента щ, соответственно, и, = п,{х) и Апг - пг (Хта )-п, (Ятах ); X, Лтт и Х.тах - как и ранее центральная, минимальная и максимальная длины волн заданного спектрального диапазона Хроматизм положения визуального тракта удается снизить, выбрав материал транслятора с максимально возможным по модулю эффективным коэффициентом дисперсии, а материал градан-объектива, длина которого существенно меньше длины транслятора, - со значением V противоположным по знаку и минимально возможным по модулю Значения эффективного коэффициента дисперсии, серийно выпус-

каемых неоднородных материалов, подходящих по апертуре для изготовления трансляторов, лежат в диапазоне -190 < v < -180, а соответствующие значения V материалов объективов - в диапазоне 18 < V < 22 Учитывая, что длины градиентных объектива и транслятора отличаются почти на два порядка, даже рациональный подбор градиентных материалов не позволяет снизить хроматизм, ограничивающий разрешение системы, до приемлемого уровня Например, базовая система с фокусным расстоянием /' = -1,017 мм, состоящая из градан-объектива (стекло БЬ\У-1 0) и градан-транслятора (стекло АЯБ20) с диаметром Вт = 1,5 мм, обеспечивающим числовую апертуру в пространстве изображений А' = 0,073, имеет разрешение на краю поля (угловое поле в пространстве предметов 2со = 60°, линейное поле в пространстве изображений 2у'& 1,1 мм), не превышающее 64 мм"1, при контрасте Г =0,2 Ахроматизацию вышерассмотренной базовой оптической системы можно выполнить путем введения в нее дополнительного корректора, устанавливаемого вблизи заднего торца градан-транслятора Эффективность корректора будет максимальна при работе в параллельном ходе лучей, для чего длина транслятора должна быть изменена на величину, равную четверти периода параксиальной траектории луча В рассматриваемом случае, когда изображение формируется вблизи заднего торца транслятора, в качестве корректора достаточно использовать одну плосковыпуклую ОРЛ, приклеенную к заднему торцу транслятора Конструктивные параметры плосковыпуклой ОРЛ, дисперсия ее стекла и варьируемая в пределах нескольких миллиметров составляющая общей длины транслятора могут быть получены путем решения системы уравнений, обеспечивающих требуемое фокусное расстояние иглообразной части визуального тракта эндоскопа, устранение хроматизма положения и увеличения. Поясним, что незначительное в процентном отношении изменение длины транслятора существенно влияет на хроматизм увеличения благодаря изменению положений плоскости изображения и выходного зрачка Недостатком плосковыпуклого корректора является то, что при малом радиусе его преломляющей поверхности существенно возрастают остаточные монохроматические аберрации и, прежде всего, аберрации тонких пучков, значительно снижающие разрешение системы Уменьшить эти аберрации при устраненном продольном и поперечном хроматизме для двух крайних длин волн выбранного спектрального диапазона удается, как показано в данной главе, заменой ОРЛ на радиально-градиентную линзу Вуда

Дальнейшая минимизация аберраций тонких пучков без нарушения коррекции хроматизма возможна путем введения в систему дополнительной ОРЛ. В главе изложена методика получения исходных схем и конструктивных параметров двухлинзовых (однородного и однородно-градиентного) корректоров хроматизма и превалирующих монохроматических аберраций (см рис 11). В соответствии с ней конструктивные параметры дополнительной ОРЛ и толщину воздушного промежутка между ней и элементом, приклеенным к торцу транслятора, в первом приближении, можно получить, по-

требовав, чтобы ее поверхности вносили небольшой астигматизм нужного знака, а их вклад в сумму Петцваля соответствовал вкладу отрицательной ОРЛ

I 2 ,

"У ..

Рис 11 Оптические схемы иглообразной части визуального тракта жесткого эндоскопа, включающие однородно-линзовый (а) или гибридный (б) корректор аберраций. 1 - градан-объектив, 2 - градан-транслятор, 3 - однородно-линзовый корректор, 4 - гибридный корректор

В этом случае дополнительная ОРЛ приобретает форму мениска, небольшая положительная оптическая сила которого обеспечивается за счет его толщины Доводка системы в целом осуществляется оптимизацией Показано, что корректоры, рассчитанные по этой методике, действительно позволяют полностью устранить для двух длин волн продольный и поперечный хроматизм при существенном снижении уровня остаточных монохроматических аберраций визуального тракта эндоскопа и обеспечить ощутимый рост его полихроматического разрешения В качестве примера ниже приведены характеристики визуального тракта эндоскопа с гибридным двухлин-зовым корректором, градиентная часть которого выполнена из стекла 8Ь8-2 0 (см. рис. 116). По модулю все коэффициенты аберраций тонких пучков третьего и пятого порядков, а также сумма Петцваля этой системы меньше соответствующих коэффициентов базовой системы, а разрешение превышает базовое более чем в 1,6 раза, достигая на краю поля 106 мм"1. На рис. 12 и 13 приведены кривые остаточных монохроматических и хроматических аберраций оптической системы с гибридным корректором

<о,

а> 30 6) ч 30

i\ \v \

15 \ . ¡5

.z Z,r мм 5y' %

0,6563 о 6222 о 5s82 0,5542 0,5202 0,4861

б)

Al"' мкм

-0 50 о 0 25 -20 о 10

Рис. 12 Кривые монохроматических аберраций а) - астигматизм и кривизна поля, б) - дисторсия

-40 о 160 -2 5 0

Рис 13 Кривые хроматических аберраций а) - хроматизм положения, б) - хроматизм увеличения

Ее монохроматические аберрации вычислялись на центральной длине волны , а хроматические - в спектральном диапазоне, ограниченном Р- и С-линиями На рис 14 представлена полихроматическая ЧКХ этой системы.

т

Рис 14 ЧКХ визуального тракта с гибридным корректором 1 - при со =0,2 и 3 - при ш=30° для меридиональной и сагиттальной плоскостей, соответственно

Наряду с зарубежными градиентными материалами, для изготовления трансляторов визуальных грактов жестких эндоскопов в нашей стране используются отечественные градиентные стержни, производимые на протяжении ряда лет компанией ЗАО «ГРИНЕКСТ» (г Санкт-Петербург). В частности, ООО "НТЦ "ВНИИМП-ОПТИМЕД-1" (Москва) серийно выпускает сверхтонкие жесткие эндоскопы, комплектуемые объективами, выполненными из однородных микролинз, и градан-трансляторами ЗАО «ГРИНЕКСТ»

В силу несоизмеримости хроматизма объектива и транслятора суммарный продольный хроматизм такой гибридной системы значительно превышает хроматизм рассмотренной выше базовой схемы с градиентным объективом Исследования показали, что и в этом случае использование корректора аберраций, включающего плосковыпуклую ОРЛ и мениск и рассчитанного по вышеописанной методике, позволяет полностью устранить хроматизм положения и увеличения и снизить уровень превалирующих аберраций тонких пучков В частности, разрешение визуального тракта со световым диаметром £>г = 1,5 мм и углом поля зрения в пространстве предметов 2ю = 70° увеличилось с 47 мм"1 (как на оси, так и на краю поля зрения) у базовой схемы до 170 мм"1 на оси и 90 мм"1 на краю поля у схемы с двухлинзовым корректором

В пятой главе рассмотрены вопросы сопряжения визуального тракта эндоскопа, состоящего из объектива и градиентного транслятора с цветной видеокамерой. Установлено, что при масштабе изображения, формируемого таким визуальным трактом, соответствующем размеру ПЗС-матрицы, оста-

точные хроматические и монохроматические аберрации не позволяют использовать разрешение современных матриц в полном объеме С помощью же корректирующей одиночной плосковыпуклой ОРЛ, приклеиваемой к заднему торцу транслятора, в зависимости от марки его градиентного стекла можно выполнить полную или частичную ахроматическую коррекцию, однако в любом случае она приводит лишь к незначительному увеличению разрешения В то же время корректоры, состоящие из двух ОРЛ и рассчитываемые по методике, изложенной в 4 главе, позволяют параллельно с ахро-матизацией снизить уровень аберраций тонких пучков, подняв разрешение до значений, ограниченных вторичным спектром.

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

«ОЙЕёН

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

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 2ш = 70° с ПЗС-матрицой формата 1/3" (2/ »4,5 мм) В результате включения третьей линзы разрешение системы в центре поля увеличилось по отношению к разрешению некорректированной системы в 3,5 раза, а на краю - в 1,4 раза, достигнув дифракционного предела

Анализ эффективности коррекции аберраций каждой из рассмотренных систем завершается рекомен-

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

дациями по выбору разрешающей способности ПЗС-матрицы, соответствующей разрешению корригированной системы

Рис 17 Полихроматическая ЧКХ визуального тракта эндоскопа, включающего трехлинзовый корректор 1 - при ш=0, 2 и 3 - при со =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 мнопмфатного 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

1 Грейсух, Г. И. Дифракционные оптические элементы в современном оптическом приборостроении [Текст] / Г И Грейсух, Е Г Ежов // Техническая оптика базовое руководство / Г Шредер, X Трайберг, дополненный пер с нем Р Ильинского — М Техносфера, 2006 - Дополнение 3 - С 387406

Статьи и материалы конференций-

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

3. Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности компонента, состоящего из трех склеенных плоскопараллельных пластин [Текст] / Г И Грейсух, Е Г Ежов, С А Степанов//Оптический журнал - 1999 - Т 66, № 2 -С 8083

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

5 Greisukh, G. I. Design of objectives consisting of cemented radial gradient-mdex lenses [Текст] / G I Greisukh, E G Ezbov, S A Stepanov // Proc SPIE. -

1999 - Vol 3737, P 369-375

6 Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности склеенных радиально-градиентных объективов [Текст] / Г И Грейсух, Е Г Ежов, С А Степанов // Международная конф молодых ученых и специалистов "Оптика-99" тез докл.-СПб ВНЦГОИ, 1999 -С 142

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

2000 - Вып 20 - С 20-24.

8 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

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

10 Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности объектива, склеенного из четырех градиентных плоскопараллельных пластин [Текст] / Г.И Грейсух, Е Г. Ежов, С А Степанов // Оптический журнал - 2000 - Т. 67, № 8 - С 6568

11 Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности гибридного объектива, состоящего из двух дифракционных линз и склеенной линзы Вуда [Текст] /

Г И Грейсух, Е Г Ежов, С А Степанов // Оптический журнал - 2000 - Т. 67, № 10 - С 48-52

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

13 Greisukh, G. I. Aberration properties and performance of a new diffractive-gradient-mdex high-resolution objective [Текст] / GI Greisukh, EG Ezhov, SA Stepanov // Applied Optics -2001 - Vol 40, № 16 -P 2730-2735

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

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

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

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

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

19 Greisukh, G. I. Computer-aided design for gradient-index and diffractive-gradient-mdex high-resolution objectives [Текст] / GI Greisukh, E G Ezhov, S.A Stepanov // Proceedings of the IASTED International Conference, ISBN 088986-342-3 - Anaheim, Calgary, Zurich ACTA Press, 2002 -P 1-4

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

21 Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности градиентно-однородных оптических систем дистальной части жесткого эндоскопа [Текст] / Г И Грейсух, Е Г Ежов, С А. Степанов // Труды третьей международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2003» Санкт-Петербург, 20-23 октября 2003 / Под ред проф. Козлова С. А СПб СПбГУ ИТМО, 2003 с 173

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

23. 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.

24 Ежов, Е. Г. Сопряжение дистальной части сверхтонкого жесткого градиентного эндоскопа с цветной ГТЗС-камерой [Текст]/ Е Г. Ежов, Г И Грейсух, С А Степанов // II Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» сб статей - Пенза Приволжский дом знаний, 2004 -С 91-95

25 Ежов, Е. Г Оценка качества тракта, состоящего из оптической системы и ПЗС-камеры [Текст]/ Ежов Е.Г // II Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» сб статей - Пенза 2004 - С 94-97

26 Ежов, Е. Г. Сверхтонкие досмотровые эндоскопы на основе градиентных оптических элементов [Текст]/ Е Г Ежов, Г И Грейсух, С А Степанов // V-я Всероссийская научно-практическая конф «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» сб статей -Пенза ИИЦ ПГУ, 2004. - С 203-205

27 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, № Ю -С 92-96

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

29. Ежов, Е. Г. Компенсация дисторсии дифракционно-градиентных объективов высокого разрешения [Текст]/ Е Г Ежов // VI международная конференция "Прикладная оптика - 2004" сб трудов - СПб 2004 - Т 3, С 220-224.

30 Greisukh, G. I. Reduction of the distortion of the difJractive-gradient-mdex high-resolution objectives [Текст] / GI Greisukh, E G Ezhov, S A Stepanov 11 Applied Optics -2005 - Vol 44, Issue 4 -P 512-518

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

32 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

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

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

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

36 Ежов, E. Г. Согласование разрешающей способности оптической системы и ПЗС-матрицы [Текст] / ЕГ Ежов // IV Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» сб статей - Пенза. ИИЦ ПГУ, 2006 -С 64-67

37 Ежов, Е. Г. Коррекция хроматизма объективов видеокамер систем наблюдения [Текст] /Е Г. Ежов, С А Степанов, Грейсух Г И //IV Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» сб статей - Пенза' ИИЦ ПГУ, 2006 - С 168-172

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

39. Ежов, E. Г. Расчет рефракционно-дифракционных объективов комбинированных устройств чтения/записи оптических дисков нескольких форматов [Текст] / Е Г Ежов // VII Международная конференция «Прикладная оптика - 2006»' труды. - СПб 2006 -Т 3, С 269-273

40 Ежов, Е. Г, Рельефно-фазовые дифракционные элементы для комбинированных устройств чтения/записи оптических дисков нескольких форматов [Текст] / Е Г. Ежов // VII Международная конференция «Прикладная оптика -2006» труды - СПб 2006 -Т 3, С 274-276

41. Ежов, Е. Г. Сопоставительный анализ коррекционных возможностей оптических элементов различных типов [Текст] /Е Г Ежов, С А Степанов , Грейсух Г И // Международный оптический конгресс «Оптика-XXI век»- сб трудов. СПб. СПбГУ ИТМО, 2006 - С 77

42 Грейсух, Г. И. Методические аспекты описания свойств оптических элементов различных типов [Текст] / Г И Грейсух, С.А Степанов, Е Г. Ежов // Международный оптический конгресс «Оптика-XXI век» сб трудов. СПб. СПбГУ ИТМО, 2006 - С 77-78

43 Ежов, Е. Г. Современные методы и средства проектирования гибридных оптических систем [Текст] / ЕГ Ежов // V Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» сб статей - Пенза ПГСХА, 2006-С 98-100

44. Ежов, Е. Г. Устройства чтения/записи оптических дисков нескольких форматов проблемы и пути решения [Текст]/ Ежов Е Г // V Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» сб статей - Пенза ПГСХА, 2006 - С 100-103 45 Ежов, Е. Г. Апохроматизация жесткого градиентного эндоскопа [Текст]/Е Г Ежов, С.А Степанов//Автометрия -2007 -Т 43, № 1 - С. 9197

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

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

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

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

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

51 Ежов, Е. Г. Проектирование гибридных оптических систем [Текст]/ Е Г Ежов // Международная конференция «Математическое моделирование, обратные задачи и приложения» сб. трудов - Хмельницкий- ХНУ, 2007 - С. 208-215.

52 Ежов, Е. Г. Телевизоры с проекцией на просвет современное состояние и перспективы [Текст]/ Е Г Ежов, Г И Грейсух, С А Степанов // V Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» сб статей - Пенза 2007 -С 110-113

53 Ежов, Е. Г. Применение дифракционных оптических элементов в информационных технологиях [Текст]/ Е Г Ежов // V Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов»-сб статей - Пенза 2007 - С 113-116

54 Ежов, Е. Г. Дифракционные оптические элементы для проекционных дисплеев [Текст]/ Е Г Ежов, Г И Грейсух, С А Степанов // Компьютерная оптика - М. ИСОИ РАН, МЦНТИ, 2007 - Вып 31 - С 22-26

Ежов Евгений Григорьевич РАЗРАБОТКА СХЕМ И МЕТОДИК РАСЧЕТА ЦЕНТРИРОВАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ОДНОРОДНЫЕ ЛИНЗЫ С АСФЕРИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ, ДИФРАКЦИОННЫЕ И ГРАДИЕНТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Специальность 01 04 05 - Оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Подписано к печати U 07 07 г Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать на ризографе Уч -изд л 2,0 Тираж 100 экз Заказ 123 Издательство ПГУАС Отпечатано в полиграфическом центре ПГУАС 440028, Пенза, Титова, 28 Email postmaster@pgasa penza com ru

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Методы расчета, компоновка схем и получение исходных конструктивных параметров гибридных оптических систем.

1.1. Методы параксиального и аберрационного расчета.

1.1.1. Описание оптических элементов различных типов.

1.1.2. Параксиальный расчет.

1.1.3. Расчет монохроматических аберраций.

1.2. Расчет хода псевдолучей через оптические системы с асферическими поверхностями.

1.2.1. Псевдолучи в однородной среде, ограниченной асферическими поверхностями.

1.2.2. Прохождение псевдолуча через преломляющую или дифрагирующую асферическую поверхность.

1.3. Функции расчетной оценки качества оптической системы.

1.4. Компоновка схемы и получение исходных конструктивных параметров системы.

Выводы.

Глава 2. Расчет и оценка потенциальных возможностей ортоскопических дифракционно-градиентных объективов.

2.1. Гибридные объективы полностью свободные от всех монохроматических аберраций третьего и пятого порядков.

2.2. Высокоразрешающие дифракционно-градиентные объективы со скомпенсированной дисторсией.

Выводы.

Глава 3. Коррекция хроматизма изображающих и фокусирующих оптических систем.

3.1. Сравнительный анализ хроматизма дифракционных и однородных рефракционных линз.

3.2. Хроматический дифракционно-рефракционный корректор.

3.3. Апохроматическая коррекция фотообъектива типа триплет.

3.4. Массовый микрообъектив с дифракционно-рефракционным корректором для CCTV-систем.

3.5. Дифракционно-рефракционный корректор в оптическом тракте RPTV.

3.6. Компоновка и расчет оптических систем комбинированных устройств записи и чтения цифровых дисков нескольких форматов.

Выводы.

Глава 4. Компоновка и расчет оптической системы иглообразной части визуального тракта сверхтонкого жесткого эндоскопа сопрягаемой с окуляром.

4.1. Функциональная схема сверхтонкого жесткого эндоскопа и основные требования к его визуальному тракту.

4.2. Анализ базовой схемы визуального тракта.

4.3. Выбор элементной базы, компоновка и расчет корректора аберраций.

4.4. Компоновка и расчет визуального тракта, выполненного на отечественной элементной базе.

Выводы.

Глава 5. Компоновка и расчет оптической системы иглообразной части визуального тракта сверхтонкого жесткого эндоскопа сопрягаемой с

ПЗС-камерой.

5.1. Компоновка и коррекция аберраций визуального тракта.

5.2. Компоновка и расчет визуального тракта на базе транслятора LAG150.

5.3. Апохроматизация визуального тракта.

Выводы.

Диссертация посвящена разработке метода компоновки схем оптических систем, состоящих из элементов, обладающих различными дисперсионными свойствами и допускающих раздельное управление аберрациями различных порядков; разработке на этой основе оптических схем систем различного функционального назначения и методик получения их конструктивных параметров, а также анализу потенциальных возможностей таких систем.

Развитие и совершенствование технологий, основанных на использовании оптического излучения, привело к расширению круга решаемых оптикой задач, к существенному повышению требований, предъявляемых к оптическим системам различного назначения. На удовлетворение этих требований, нередко сочетающих предельные оптические и эксплуатационные характеристики, направлен поиск новых схемных решений, совершенствование методов проектирования и расширение элементной базы оптики. Последнее ориентируется на широкое использование асферических преломляющих и отражающих поверхностей, дифракционных и градиентных элементов.

Асферическая поверхность как элемент оптической системы представляет собой гладкую вращательно-симметричную поверхность раздела двух сред. По сравнению со сферической поверхностью она имеет дополнительные коррекционные параметры. Благодаря им, в частности, одиночная однородная рефракционная линза (OPJI), имеющая как минимум одну асферическую поверхность, может быть свободна во всех порядках аберрационного разложения от сферической аберрации и формировать при значительной апертуре в нешироком спектральном диапазоне изображение точечного источника, близкое к дифракционно-ограниченному. Задача же получения стигматического изображения плоского протяженного предмета, а тем более в широком спектральном диапазоне, с помощью одиночной OPJI, имеющей даже две асферические поверхности, из-за аберраций решена быть не может. В тоже время введение асферических поверхностей в оптическую систему, состоящую из нескольких элементов, открывает дополнительные возможности для ее совершенствования. Широкое использование асферических поверхностей стало возможным и экономически целесообразным благодаря появлению современных методов формообразования на основе прецизионной штамповки [112, 120, 185,207,234, 261].

Дифракционными оптическими элементами (ДОЭ) в отечественной и зарубежной литературе называют оптические элементы, осуществляющие преобразование фронта падающей волны в результате дифракции света на микроструктуре элемента, выполненной на поверхности заданной формы. ДОЭ классифицируются по типу дифракционной структуры, по форме поверхности, на которой она выполнена, и, наконец, по виду осуществляемого преобразования фронта волны. Дифракционная структура может работать на пропускание или отражение, пространственно модулируя амплитуду или фазу падающей на нее волны. В общем случае в результате дифракции падающая волна расщепляется на несколько волн (дифракционных порядков), распространяющихся в различных направлениях и отличающихся как по интенсивности, так и по форме волнового фронта. Количество дифракционных порядков и соотношение интенсивностей в них зависит от типа дифракционной структуры. Дифракционная эффективность г\т (под которой понимается отношение интенсивности света, дифрагировавшего в т- й порядок 1 т, к интенсивности падающего света /0) в первом рабочем порядке амплитудной синусоидальной структуры составляет 6,25%. Эффективность в первом порядке амплитудной бинарной структуры не превышает 10,1%, а фазовой бинарной структуры достигает 40,5% [99, 257]. В 1957 г. Г. Г. Слюсарев предложил структуру с пилообразным фазовым профилем зон [126] и показал принципиальную возможность создания дифракционных элементов с эффективностью на одной длине волны близкой к 100%. Однако практическая возможность изготовления таких элементов открылась лишь в последние десятилетия с развитием микроэлектронных и лазерных технологий [98, 101, 102, 118, 119, 128, 143, 201, 206, 229, 36*, 262*]. ДОЭ с кольцеобразной структурой, подобной структуре зонной пластинки Френеля, называются дифракционными линзами (ДЛ). Внося определенные поправки в закон чередования кольцевых зон микроструктуры ДЛ, можно также как и в случае асферической преломляющей поверхности управлять сферической аберрацией. Благодаря этому одиночная ДЛ, также как и ОРЛ с асферическими поверхностями, может быть свободна от сферической аберрации во всех порядках аберрационного разложения и формировать (правда, уже только в монохроматическом излучении) идеальное изображение точечного источника. Возможность технологически не сложного управления сферической аберрацией и выгодные массогабаритные соотношения позволяют с помощью одиночной ДЛ решать различные задачи преобразования волновых фронтов, как в оптическом, так и в микроволновом диапазоне (см., например [56*, 57*]). Однако построить стигматическое действительное изображение плоского протяженного предмета с помощью одиночной ДЛ из-за полевых аберраций невозможно. При этом следует отметить, что благодаря плоскостности ДЛ ее аберрационное разложение сходится быстрее, чем разложение ОРЛ, имеющей ту же оптическую силу. Кроме того, условие Петцваля, выполнение которого обеспечивает в приближении третьего порядка малости равенство меридиональной и сагиттальной кривизн поля изображения, у ДЛ выполняется автоматически, независимо от кривизны поверхности, на которой размещена ее микроструктура [17, 179]. В составе оптической системы ДЛ могут использоваться как силовые или как коррекционные элементы. В последнем случае их оптическая сила невелика, но благодаря дисперсионным свойствам и асферизации фронта дифрагированной волны такие элементы могут быть использованы как эффективные корректоры хроматических и монохроматических аберраций [17, 23, 232].

Воздействие на форму и на направление распространения волнового фронта призмами, зеркалами, ОРЛ и ДЛ основано на преобразовании волн бесконечно тонкими элементами, такими как преломляющая или отражающая поверхность и дифракционная микроструктура. Иная картина наблюдается при распространении волны в неоднородной среде, показатель преломления которой является функцией координат. Благодаря изменению фазовой скорости распространения волны от точки к точке этой среды происходит непрерывное преобразование формы волнового фронта, а соответствующие лучи плавно искривляются. Если все лучи светового пучка искривляются одинаковым образом, то действие такой неоднородной среды аналогично действию призмы. Если же периферийные лучи пучка искривляются в большей степени, чем приосевые, то такая среда обладает определенными фокусирующими свойствами. В результате плоскопараллельная пластина, выполненная из неоднородного материала, может быть эквивалентной по функциональным возможностям традиционной призме или однородной линзе, либо совмещать функции обоих этих элементов, или даже играть более сложную роль. Из неоднородного материала можно изготовить и линзу со сферическими поверхностями. В этом случае за счет дополнительных степеней свободы открываются более широкие возможности коррекции аберраций [27, 179, 222]. В тоже время коррекционные возможности одиночных неоднородных элементов далеко небезграничны. Например, синглет со сферическими поверхностями, выполненный из материала, показатель преломления которого изменяется вдоль оптической оси, может формировать стигматическое изображение только осевого точечного источника [4, 243]. Одиночная линза, ограниченная сферическими поверхностями и имеющая сфероконцентрическое распределение показателя преломления, впервые исследованное в 1854 г. Дж. Максвеллом [18, 228], может быть свободна во всех порядках аберрационного разложения лишь от сферической аберрации и, следовательно, формировать идеальное изображение лишь точечного источника [179]. Одиночный шарообразный элемент со сфероконцентрическим распределением показателя, известный как линза Лунебурга [18, 209], идеально фокусирует на свою собственную поверхность любой падающий на него пучок параллельных лучей. Благодаря всенаправленности такой элемент нашел широкое применение в антеннах микроволнового диапазона [8, 157, 215, 138]. К сожалению, стигматическое изображение бесконечно удаленного плоского предмета строится линзой

Лунебурга на сфере, и к тому же в оптическом диапазоне ее реализация весьма проблематична.

Процесс поиска новых оптических элементов со сфероконцентрическим распределением показателя преломления, у истоков которого стояли Д. Максвелл и Р. Лунебург, продолжается до настоящего времени и один из последних результатов в этой области линза, идеально фокусирующая лучи параллельные оптической оси, предложенная Р. Е. Ильинским. Она выполнена в виде мениска и не имеет асферических поверхностей [196].

Для формирования плоского изображения протяженного объекта наибольший интерес представляют элементы с радиальным, т.е. симметричным относительно оптической оси, распределением показателя преломления. Простейшим из них является линза Вуда, представляющая собой плоскопараллельную пластину с радиальным распределением показателя преломления, который непрерывно убывает от оси к периферии [22]. Закон распределения показателя преломления, при котором лучи, входящие в линзу Вуда параллельно оптической оси, идеально фокусируются на ее задней поверхности, был найден А. Л. Микаэляном [106]. Сочетание радиального градиента показателя со сферическими преломляющими поверхностями существенно расширяет возможности коррекции полевых аберраций [27, 50], но и оно не превращает такую линзу в идеальный элемент, способный формировать безаберрационное изображение плоского протяженного объекта.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что оптические свойства одиночных линз, изготовленных из материалов со сфероконцентрическим и радиальным градиентом показателя преломления, в определенном плане близки. Однако введение градиентных элементов с радиальным или осевым распределениями показателя преломления в осесимметричную оптическую систему не приводит (в отличие от элементов со сфероконцентрическим распределением) к нарушению ее симметрии. Это обстоятельство, а также более простая технология изготовления элементов с радиальным и осевым градиентом обусловливает их преимущественное использование в фокусирующих и, особенно, в изображающих оптических системах.

Технология изготовления градиентных оптических материалов интенсивно разрабатывается уже на протяжении нескольких десятилетий. В результате создан ряд методов получения градиента показателя преломления как в традиционном оптическом материале - стекле, так и в полимерах. В основе этих методов, как правило, лежит ионный или диффузионный обмен [9, 90, 161]. Сегодня свыше пятнадцати фирм уже промышленно производят и поставляют на рынок заготовки из градиентных материалов, градиентные оптические элементы, а также готовые приборы на основе таких элементов [171, 173, 183, 184, 188, 225, 226].

Можно выделить несколько типов оптических узлов и приборов, использование градиентных элементов в которых, позволило существенно улучшить их характеристики по сравнению с теми, что могли бы быть достигнуты на традиционной элементной базе. К ним, в частности, относятся узлы сопряжения оптических волокон, узлы формирования пучков полупроводниковых лазеров, градиентно-стержневые матрицы телекоммуникационных и фотокопировальных устройств или сканеров и, наконец, оптические тракты жестких сверхтонких эндоскопов медицинского и технического назначения.

Узлы сопряжения оптических волокон, осуществляющие ввод/вывод излучения из одно- или многомодового волокна собираются на основе элементов, представляющих собой радиально-градиентные стержни диаметром до 2 мм. Узлы, предназначенные для преобразования во вращательно-симметричные астигматические пучки полупроводниковых лазеров, включают как радиально-градиентные стержни, так и градиентные стержни эквивалентные по своим фокусирующим свойствам цилиндрическим линзам [184]. Числовые апертуры таких элементов могут достигать 0,5-0,7. Радиально-градиентные стержневые матрицы для формирования изображения, оптических переключателей и датчиков имеют шаг, равный примерно диаметру стержня и составляющий порядка 0,25 мм. Числовая апертура может достигать 0,5 [184, 237]. В настоящее время промышленно могут быть произведены стеклянные радиально-градиентные линзы диаметром до 8-9 мм [182, 197] и аксиально-градиентные линзы диаметром до 80 мм [136]. Перепад показателя преломления в обоих случаях составляет не более 0,1.

Несомненно, впечатляющими являются успехи, достигнутые благодаря использованию градиентных элементов в оптических системах сверхтонких жестких эндоскопов [62, 184, 188, 200]. Иглообразная рабочая часть этих приборов вводится в исследуемое пространство через малые (диаметром порядка 2-4 мм) отверстия, и они незаменимы при решении различных задач, стоящих в таких областях как медицинская и техническая диагностика, системы безопасности и мониторинга.

Основными технологическими препятствиями на пути к еще более широкому использованию радиально-градиентных оптических элементов в оптическом приборостроении являются малые диаметры производимых сегодня элементов и ограниченные возможности управления законом распределения показателя преломления. Поэтому большинство исследований в области технологии получения радиально-градиентных сред направлено на преодоление этих ограничений [136, 252].

Обобщая результаты краткого обзора свойств и возможностей одиночных ОРЛ с асферическими поверхностями, ДЛ и градиентных линз (ГЛ), нетрудно видеть, что каждый из этих элементов при работе с монохроматическим или квазимонохроматическим излучением может играть роль высококачественного фокусирующего объектива. В тоже время тот факт, что с помощью одиночного элемента невозможно достичь идеальной фокусировки полихроматического излучения, равно как и невозможно сформировать стигматическое действительное изображение плоского протяженного предмета, вынуждает для получения требуемого качества идти по пути построения сложной системы из нескольких элементов. Решение этой задачи, как и в случае построения систем из традиционных оптических элементов требует, во-первых, наличия развитых методов лучевого, параксиального и аберрационного расчета, а во-вторых, глубоких и всесторонних представлений об аберрационных свойствах используемых элементов.

В связи с этим в последние десятилетия усилиями отечественных и зарубежных специалистов созданы методики расчета хода лучей через ДЛ, структура которых размещена на плоских, сферических или асферических поверхностях вращения (см., в частности, [17, 23, 255]). Предложен ряд методов расчета хода луча через неоднородную среду [105, 149-151, 189, 212, 213, 218, 220, 223, 224, 245, 247, 249, 250, 256]. Разработаны методы параксиального расчета гибридных оптических систем, включающих элементы различных типов [172, 179, 195, 243], расчета их первичного хроматизма [227, 235, 236, 241, 242] и монохроматических аберраций различных порядков [15, 17, 23, 26, 91, 92, 165, 179, 186, 210, 221, 244]. Проведены исследования аберрационных свойств OPJI с асферическими поверхностями, дифракционных и градиентных элементов [179, 214, 221, 222].

Как отмечалось в работе [75*], к началу нового столетия сложились два основных направления разработки оптических систем с дифракционными и градиентными элементами. Одно из них предполагает использование существующих и, в частности, классических схемных решений с последующей заменой в них одного или нескольких традиционных оптических элементов дифракционными или градиентными. В рамках этого направления предложены схемы гибридных систем различного функционального назначения, чьи улучшенные оптические характеристики достигаются благодаря сочетанию дифракционных и традиционных элементов. Это схемы объективов и окуляров для видимого и ИК-диапазонов [23, 10, 155, 168, 194, 198], схемы микроскопов [159] и телескопов [211, 238], интерферометров [248], датчиков излучения [239] и т.д.

Показано, что замена традиционных элементов градиентными, имеющими как радиальное, так и осевое распределение показателя преломления, приводит к улучшению оптических характеристик [142, 145, 152, 153, 208, 219, 233, 253].

Степень же улучшения характеристик в результате замены, зависит от выбора исходной схемы и заменяемых элементов. Причем выбор этот, как следует из цитируемых работ, основывается, в основном, на опыте и интуиции авторов.

Другое направление предполагает поиск принципиально новых схемных решений, которые позволили бы в максимальной степени использовать преимущества новой элементной базы. В рамках этого направления разработаны принципы построения и методики расчета объективов, состоящих из двух и трех ДЛ [1- 7, 14, 16, 17, 47, 179], схемы систем с ДЛ, рассчитанных на лазерное излучение (включая информационные системы и головки для записи/считывания оптических дисков) [144, 192, 204, 258]. Предложены методики расчета и опубликованы результаты исследования градиентных фотообъективов [141, 154, 196], окуляров [166] и апланатических систем для устройств записи и считывания информации с оптических дисков [202]. Разработаны принципы построения и методики расчета объективов-монохроматов, состоящих из силовой радиально-градиентной линзы и дифракционного или однородного рефракционного корректора аберраций [30, 179]. Предложена методика проектирования и опубликованы результаты исследования дублета, включающего радиально-градиентную и дифракционную линзы, а так же симметричного триплета, компонуемого из двух дублетов указанного типа [34, 179]. Исследованы аберрационные свойства и коррекционные возможности склеенной линзы Вуда, т.е. оптического элемента, имеющего внешние плоские преломляющие поверхности и изготовленного из двух неоднородных материалов, разделенных сферической поверхностью склейки [130, 131]. Показана возможность создания телескопической градиентной линзы с видимым увеличением, отличным от единицы, и исправленной сферической аберрацией [97]. Разработаны схемы технических и медицинских эндоскопов, построенных на основе градиентной оптики [62, 96, 184]. Предложена схема и исследованы возможности коррекции аберраций третьего и пятого порядков склеенного радиально-градиентного триплета [28, 54, 176]. Проведены исследования возможностей упрощения конструкции объектива очков ночного видения. Показано, что одновременное использование в одной схеме двух асферических поверхностей, дифракционного и радиально-градиентного элементов, позволило заменить восемь однородных линз тремя элементами без ухудшения оптических характеристик [198].

Анализ опубликованных работ показывает, что оба рассмотренных выше направления разработки оптических систем с дифракционными и градиентными элементами, будучи, несомненно, результативными далеко не исчерпаны. В начальной стадии находится разработка принципов и методик использования дифракционных и градиентных элементов для совершенствования известных оптических систем. Ряд предложенных новых схемных решений весьма узок, да и многие из этих решений требуют дальнейшего исследования и развития.

Сегодняшние успехи в области технологии и промышленное производство асферических поверхностей, дифракционных и градиентных элементов позволяют направить поиск на совершенствование благодаря использованию этой элементной базы реальных оптических приборов самого различного назначения. При этом на первый план выдвигается задача выбора оптимальной исходной схемы, под которой понимают схему, включающую лишь те элементы, свойства и возможности которых необходимы, а количество достаточно для удовлетворения требований, предъявляемых к разрабатываемой системе [123]. Эта задача, названная М. М. Русиновым композицией оптических систем, не решается ни одной из существующих компьютерных программ, предназначенных для расчета и проектирования оптики.

Традиционно разработчики оптических систем компонуют исходную схему, опираясь на собственный опыт и используя при этом разработанный Г. Г. Слюсаревым и основанный на теории аберраций третьего порядка [125, 127] аппарат основных параметров Р, W и С, или исходя из аберрационных свойств отдельных элементов [123]. Однако наиболее результативным считается подход, при котором исходная схема выбирается из архива известных схемных решений [11]. В созданных в последние годы коммерческих программных продуктах, предназначенных для расчета, исследования, оптимизации и аттестации оптических систем, реализован именно этот подход, опирающийся на библиотеки известных схемных решений. К наиболее мощным из этих программных продуктов, в частности, относятся DEMOS (разработчик - ВНЦ «ГОИ им. С. И. Вавилова») [260], CODE V (Optical Research Associates) [231], ZEMAX Optical design program (Focus Software, Inc.) [259]. Они предоставляют возможность, наряду с традиционными, включать в систему новые элементы трех вышеотмеченных типов, но при этом автоматизированная трансформация схемы в части изменения взаимного расположения элементов различных типов и их количества в процессе оптимизации или какой-либо другой операции не предусмотрена. Здесь же заметим, что программный пакет ZEMAX Optical design program использовался для анализа сопоставимости результатов, оптимизации и аттестации ряда оптических систем, разработанных в рамках настоящей диссертации.

При разработке же новых схемных решений объективов-монохроматов с дифракционными и градиентными элементами хорошо зарекомендовал себя метод, базирующийся на знании коррекционных возможностей элементов различных типов и на решении компенсационных уравнений, обеспечивающих устранение аберраций нескольких порядков малости [50, 179]. Аберрационные коэффициенты при этом получают на основе диаграммы рассеяния псевдолучей, ход которых через оптическую систему рассчитывается в приближении заданного порядка малости [139]. Есть все основания полагать, что дальнейшее развитие этого метода позволит эффективно использовать его при разработке оптических схем центрированных гибридных систем, предназначенных для работы с немонохроматическим излучением и включающих, наряду с другими элементами, однородные линзы с асферическими поверхностями и дифракционные линзы, структура которых размещена на таких поверхностях.

Вышеперечисленное и обусловило выбор цели и задач, решаемых в настоящей диссертации.

Целью работы является развитие и распространение псевдолучевого метода расчета градиентных и дифракционно-градиентных объективов-монохроматов на центрированные оптические системы с более широкой элементной базой, предназначенные для работы как с монохроматическим, так и с полихроматическим излучением; разработка на этой основе оптических схем и методик определения конструктивных параметров систем различного назначения, а также анализ потенциальных возможностей оптических систем, получаемых в результате их оптимизации.

В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:

- на основе анализа известных методик развить аппарат расчета и исследования оптических систем, включающих однородные рефракционные линзы с асферическими поверхностями, дифракционные и градиентные элементы;

- исследовать и провести сопоставительный анализ дисперсионных свойств элементов различных типов;

- используя развитый аппарат расчета и результаты сопоставительного анализа дисперсионных свойств элементов различных типов распространить метод компоновки схем дифракционно-градиентных объективов-монохроматов на гибридные системы с более широкой элементной базой, предназначенные для работы на одной или нескольких длинах волн, а также с полихроматическим излучением;

- исследовать возможности и определить пути совершенствования дифракционно-градиентных объективов-монохроматов;

- разработать новые схемы и методики расчета гибридных оптических систем для информационных и дисплейных технологий, предназначенных для работы на нескольких длинах волн или с полихроматическим излучением;

- исследовать потенциальные возможности систем различного функционального назначения, полученных в результате оптимизации найденных новых схемных решений.

Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти Глав и Заключения.

Выводы

Контраст на разрешаемых частотах в изображении, формируемом оптической системой на ПЗС-матрице, не должен опускаться ниже 0,2; а матрицу следует выбирать из условия, чтобы пространственная частота следования ее элементов не менее чем в 4 раза превышала максимальную разрешаемую частоту в пространственном спектре изображения.

Уровень хроматических и монохроматических аберраций сверхтонкого жесткого эндоскопа, визуальный тракт которого, состоящий из объектива и градиентного транслятора, формирует действительное изображение в масштабе, соответствующем размеру ПЗС-матрицы, не позволяет использовать разрешение современных матриц в полном объеме.

Разработанные принципы компоновки схем и методики расчета позволяют получать конструктивные параметры корректоров аберраций для визуальных трактов таких эндоскопов. Эти одно-, двух- или трехлинзовые корректоры, снижая уровень аберраций, сохраняют масштаб формируемого изображения.

Корректор, выполненный в виде плосковыпуклой ОРЛ, приклеенной к заднему торцу транслятора, изготовленного из стекла ARS-20 обеспечивает ахроматизацию оптической системы и повышает ее разрешение в 1,5 раза по сравнению с базовой схемой. В то же время такой корректор не может обеспечить ахроматизацию, если транслятор системы изготовлен из отечественного стекла LAG 150.

Двухлинзовый корректор, состоящий из плосковыпуклой ОРЛ (приклеенной к заднему торцу транслятора, изготовленного из стекла ARS-20) и положительного толстого мениска, обеспечивает ахроматизацию оптической системы, снижение уровня аберраций тонких пучков и повышает ее разрешение в отсутствии виньетирования в 2 раза по сравнению с базовой схемой.

Двухлинзовый корректор, состоящий из плосковыпуклой ОРЛ (приклеенной к заднему торцу транслятора, изготовленного из стекла LAG 150) и двояковогнутой ОРЛ, выполняется из стекла с максимально большим коэффициентом дисперсии, обеспечивает ахроматизацию оптической системы, снижение уровня аберраций тонких пучков и повышает ее разрешение практически до дифракционного предела.

Двухлинзовый гибридный корректор, состоящий из ДЛ и плосковыпуклой ОРЛ, устанавливаемый вблизи заднего торца транслятора, обеспечивает апохроматизацию оптической системы, в результате чего ее разрешение на оси возрастает в 3 раза, а на краю поля в 1,4 раза, достигнув дифракционного предела, ограниченного виньетированием.

Включение в гибридный корректор, состоящий из ДЛ и плосковыпуклой ОРЛ третьей линзы, выполненной в виде однородного мениска, позволяет, не

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.

1. А. с. 1045203 СССР. Монохроматический объектив Текст. / С. Т. Бобров. Опубл. 1983, Бюл. № 36.

2. А. с. 1053055 СССР. Монохроматический объектив Текст. / С. Т. Бобров, Г. И. Грейсух. Опубл. 1983, Бюл. № 41.

3. А. с. 1103180 СССР. Монохроматический объектив Текст. / Г. И. Грейсух, В. Г. Шитов. Опубл. 1984, Бюл. № 26.

4. А. с. 1337861 СССР / В. И. Тарханов, G02 В 6/00.

5. А. с. 892399 СССР. Монохроматический объектив для проекционной фотолитографии Текст. / С. Т. Бобров, Б. П. Котлецов, Ю. Г. Туркевич. -Опубл. 1981, Бюл. №47.

6. А. с. 913318 СССР. Монохроматический объектив Текст. / С. Т. Бобров, Ю. Г. Туркевич. Опубл. 1982, Бюл. № 10.

7. А. с. 995053 СССР. Монохроматический объектив десятикратного увеличения Текст. / Г. И. Грейсух, В. Г. Шитов. Опубл. 1983, Бюл. № 5.

8. Айзенберг, Г. 3. Антенны УКВ, ч.1, 2 Текст. / Г.З. Айзенберг, В. Г. Ямпольский, О. Н. Терешин. М.: Связь, 1977.

9. Архипова, Л. Н. Проблемы градиентной оптики Текст. / Л. Н. Архипова, Т. О. Карапетян, Д. К. Таганцев // Изв. вузов. Приборостроение, 1996. №56. С. 31-61.

10. Бездидько, С. Н. Некоторые методы определения предельно возможного качества оптических систем различной сложности, используя базы данных оптических систем Текст. / С. Н. Бездидько // VI Международная

11. Ежов, С. А. Степанов // Международная конф. «Прикладная оптика 2000»: сб. трудов. СПб.: ВНЦГОИ, 2000. - Т. 2.

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

13. Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности компонента, состоящего из трех склеенных плоскопараллельных пластин Текст. / Г. И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С. А. Степанов // Оптический Журнал. 1999. - Т. 66, № 2. - С. 8083.

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

15. Грейсух, Г. И. Коррекционные возможности склеенных радиально-градиентных объективов Текст. / Г. И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С. А. Степанов // Международная конф. молодых ученых и специалистов "Оптика-99": тез. докл. СПб.: ВНЦГОИ, 1999. - С. 142.

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

17. Грейсух, Г. И. Коррекция монохроматических аберраций третьего порядка дифракционного двухлинзового объектива Текст. / Г. И. Грейсух //Опт. и спектр. 1980. - Т.49, вып.6. - С. 1212-1215.

18. Грейсух, Г. И. Методические аспекты описания свойств оптических элементов различных типов Текст. / Г. И. Грейсух, С. А. Степанов, Е. Г. Ежов // Международный оптический конгресс «Оптика XXI век»: сб. трудов. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006-С. 77-78.

19. Грейсух, Г. И. Оптика градиентных и дифракционных элементов Текст. / Г. И. Грейсух, И. М. Ефименко, С. А. Степанов. М.: Радио и связь, 1990. -136 с.

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

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

22. Грейсух, Г. И. Трехлинзовый склеенный радиально-градиентный объектив-монохромат Текст. / Г. И. Грейсух, С. А. Степанов // Оптический Журнал. 1998. - Т. 65, № 2. - С. 67-69.

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

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

25. Греков, А. А. Хроматические параксиальные аберрации неоднородных оптических систем с цилиндрическим распределением показателя преломления Текст. / А. А. Греков, Н. М. Дроздов // Оптико-механическая промышленность. 1989. № 7. С. 26-28.

26. Гудмен, Дж. Введение в Фурье-оптику: Пер. с англ. Текст. / Дж. Гудмен. -М.: Мир, 1970.-364 с.

27. Дамьяновски, В. CCTY Библия охранного телевидения. Пер. с англ. Текст. / В. Дамьяновски. М.: ООО "ИСС", 2002. - 352 с.

28. Довнар, Д. В. Критерии качества изображения и влияние шумов // Оптико-механическая промышленность Текст. / Д. В. Довнар // 1991. № 11. - С. 29-37.

29. Ежов, Е. Г. Проектирование гибридных оптических систем Текст./ Е.Г. Ежов // Международная конференция «Математическое моделирование, обратные задачи и приложения»: сб. трудов. Хмельницкий: ХНУ, 2007 -С. 208-215.

30. Ежов, Е. Г. Проектирование оптических систем с дифракционными элементами на асферических поверхностях Текст./ Е.Г. Ежов // Компьютерная оптика. М.: ИСОИ РАН, МЦНТИ, 2006. - Вып. 30. - С. 915.

31. Ежов, Е. Г. Расчет и моделирование высокоразрешающих градиентных и дифракционно-градиентных объективов Текст.: Дис. . канд. физ.- мат. наук / Е. Г. Ежов. Самара, 2001. - 140 с.

32. 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.

33. Ежов, Е. Г. Расчет хода псевдолучей через дифракционные структуры, выполненные на сферической поверхности Текст./ Е.Г. Ежов, С.А.

34. Степанов // Компьютерная оптика. М.: МЦНТИ, 2000. - Вып. 20. - С. 2528.

35. Ежов, Е. Г. Рельефно-фазовые дифракционные элементы для комбинированных устройств чтения/записи оптических дисков нескольких форматов Текст. / Е.Г. Ежов // VII Международная конференция «Прикладная оптика 2006»: труды. - СПб.: 2006. - Т. 3, С. 274-276.

36. Ежов, Е. Г. Сопоставительный анализ коррекционных возможностей оптических элементов различных типов Текст. / Е.Г. Ежов, С. А. Степанов, Г. И. Грейсух // Международный оптический конгресса «Оптика XXI век»: сб. трудов. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006 - С. 77.

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

38. Заявка 2006118187 Российская Федерация. Projection optical system for rear projection display Текст. / Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Степанов С. А., Братищев А.В.; заявл. 29.05.2006 г.

39. Зверев, В. А. Распределение освещенности в зрачках оптической системы и изображении осевой точки Текст./ В. А. Зверев // 1986. № 4. - С. 15-17.

40. Ильин, В. Г. Физические основы градиентной оптики Текст. / В.Г. Ильин, Г. О. Карапетян, В. И. Косяков, А. Ш. Тухватулин. Ленинград.: ЛИИ, 1990.-59 с.

41. Ильинский, Р. Е. Аберрации второго и третьего порядков градиентной среды Текст./ Р. Е. Ильинский // Оптика и спектроскопия. 1999. - Т. 86, вып. 6. - С. 1033-1036.

42. Ильинский, Р. Е. Аберрации второго порядка градиентной среды: методы расчета Текст./ Р. Е. Ильинский, Т. С. Ровенская // Компьютерная оптика.- М.: МЦНТИ, 1996. Вып. 16. - С. 62-65.

43. Ильинский, Р. Е. Качество оптического изображения Текст./ Р. Е. Ильинский // ФОТО Курьер. 2003 - № 19-20. С.4-15

44. Ильинский, Р. Е. Концентрация энергии в пятне рассеяния точки на квадратной площадке Текст./ Р. Е. Ильинский // Оптика и спектроскопия .2003 Т. 94, № 2. - С. 318-322.

45. Ильинский, Р. Е. Оценка качества изображения Текст./ Р. Е. Ильинский, А. Г. Шеклеин // Фотография. 1993 - № 11-12.-С. 37-38.

46. Ильинский, Р. Е. Расчет апертурных и полевых характеристик жесткого градиентного эндоскопа методом «эквивалентной гиперболической бленды» Текст./ Р. Е. Ильинский // Оптический Журнал. 2000. - Т. 67, № 2. - С. 101-103.

47. Ильинский, Р. Е. Телескопическая градиентная линза Текст./ Р. Е. Ильинский // Оптический Журнал. 2000. - Т. 67, № 6. - С. 93-98.

48. Кирьянов, В. П. Киноформы. Оптическая система для синтеза элементов Текст./ В. П. Кирьянов, В. П. Коронкевич, В. И. Наливайко, и др. // Препринт. Новосибирск, 1979. - 38 с. - (ИаиЭ СО АН СССР; № 99).

49. Кольер, Р. Оптическая голография Текст. / Р. Кольер, К. Беркхарт, J1. Лин. М.: Мир, 1973. - 686 с.

50. Королев, А. И. Анализ и оптимизация информационных характеристик оптико-электронных систем наблюдения Текст. / А. Н. Королев, С. Л. Морозов, И. Н. Сивяков // Оптический Журнал. 1995. - Т. 62, № 5. - С. 5458.

51. Корольков, В. П. Киноформы: технологии, новые элементы и оптические системы Текст. / В. П. Корольков, В. П. Коронкевич, И. А. Михальцева и др. // Автометрия. 1989. - № 3.- С. 95 - 102, № 4. С . 47-64.

52. Коронкевич, В. П. Киноформные оптические элементы с кольцевым импульсным откликом. Препринт Текст. / В. П. Коронкевич, И. Г. Пальчикова, А. Г. Полещук и др. Новосибирск, 1985. - 20 с. - (ИаиЭ СО АН СССР; № 265).

53. Кулагин, С. В. Проектирование фото- и киноприборов Текст. / С. В. Кулагин. М., Машиностроение", 1976

54. Марешаль, А. Структура оптического изображения Текст. / А. Марешаль, М. Франсон. М.: Мир, 1964. - 295 с.

55. Микаэлян, A. JI. Оптические методы в информатике. Запись, обработка и передача информации Текст. / А. Л. Микаэлян. М.: Наука, 1990.-232с.

56. Микаэлян, A. JI. Применение слоистой среды для фокусировки волн Текст. / А. Л. Микаэлян // Доклады Академии Наук СССР. 1951. -T.L.XXXI, № 4. - С. 569-571.

57. Папулис, А. Теория систем и преобразований в оптике. Пер. с англ. Текст. / А. Папулис. М.: Мир, 1971. 495 с.

58. Пат. RU2244330 Российская Федерация. Объектив Текст. / Г. В. Бармичева, М. А. Ган Опубл. 2005, Бюл. № 1.

59. Пат. RU2258247 Российская Федерация. Объектив Текст. / Г. В. Бармичева, М. А. Ган Опубл. 2005, Бюл. № 22.

60. Пат. SU11511905A СССР. Телеобъектив-апохромат Текст. / Д. С. Волосов, М. А. Ган, И. И. Богатырева Опубл. 1985, Бюл. № 15.

61. Пат. US2005152033 США. Display device and display method Текст. / H. J. Kang, H. J. Moon; заявитель и патентообладатель LG Electronics Inc; опубл. 14.07.2005

62. Пат. US5120343 США. Apparatus for producing optical glass element Текст. / H. Monji, K. Kuribayashi; заявитель и патентообладатель Matsushita Electric Ind Co LTD, Sumita Optical Glass ; опубл. 09.06.1992

63. Пат. US6719430 США. Precision optical system for display panel Текст. / С. Т. Cotton, J. Т. Veligdan; опубл. 27.11.2003

64. Пат. US6805447 США. Rear projection display device and projecting method used for the same Текст. / Т. Takeuchi; заявитель и патентообладатель NEC Viewtechnology Ltd; опубл. 18.04.2002

65. Пат. US6853493 США. Folded, telecentric projection lenses for use with pixelized panels Текст. /М. H. Kreitzer; опубл. 08.07.2004

66. Пат. W02005045518 США. Rear projection screen, and rear projection system using the screen Текст. / S. Mezouari, A. T. O'neil; заявитель и патентообладатель Microsharp Corp Ltd, Mezouari Samir; опубл. 19.05.2005

67. Пат. W02005057916 США. Display device and display method Текст. / H.-J. Kang, H.-J. Moon; заявитель и патентообладатель LG Electronics Inc; опубл. 23.06.2005

68. Полещук, А. Г. Изготовление рельефно-фазовых структур с непрерывным и многоуровневым профилем для дифракционной оптики Текст. / А. Г. Полещук // Автометрия. 1992. - № 1.- С .66 -79.

69. Полещук, А. Г. Изготовление элементов дифракционной оптики с помощью полутоновой и растровой технологий Текст. / А. Г. Полещук // Автометрия. 1991. - № 3. - С. 66 -76.

70. Потелов, В. В, Асферизация высокоточных оптических элементов методом вакуумного напыления Текст. / В. В. Потелов, Б. Н. Сенник // Оптический Журнал. 2004. - Т. 71, № 12. - С. 14-19.

71. Родионов, С. А. Об изопланатизме в произвольных оптических системах Текст. / С. А. Родионов // Опт. и спектр. 1979. - Т. 46, вып. 3. - С. 566573.

72. Русинов, М. М. Вычислительная оптика. Справочник Текст. / М. М. Русинов, А. П. Грамматин, П. Д. Иванов и др. // Под ред. М. М. Русинова. -Л.: Машиностроение, 1984. 423 с.

73. Русинов, М. М. Композиция оптических систем Текст. / М. М. Русинов. -Л.: Машиностроение, 1989.- 383 с.

74. Сивяков, И. Н. Расчет разрешения оптико-электронных систем Текст. / И. Н. Сивяков // Оптический Журнал. 1998. - Т. 65, № 2. - С. 60-63.

75. Слюсарев, Г. Г. Методы расчета оптических систем Текст. / Г. Г. Слюсарев. Л.: Машиностроение, 1969. - 672 с.

76. Слюсарев, Г. Г. Оптические системы с фазовыми слоями Текст. / Г. Г. Слюсарев // ДАН СССР.- 1957. Т. 113, № 4. С. 780-782.

77. Слюсарев, Г. Г. Расчет оптических систем. Текст. / Г. Г. Слюсарев. JL: Машиностроение, 1975. 639 с.

78. Сокольский, М. Н. Допуски и качество оптического изображения Текст. / М. Н. Сокольский. JL: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1989. 221 с.

79. Степанов, С. А. Аберрационные свойства и коррекционные возможности склеенной линзы Вуда Текст. / С. А. Степанов, Г. И. Грейсух //Опт. и спектр. 1999. - Т. 86, № 3.- С. 522-527.

80. Степанов, С. А. Расчет и анализ оптических систем, включающих дифракционные и градиентные элементы Текст.: Дис. . док. физ.-мат. наук / С. А. Степанов. Самара, 1998 .- 268 с.

81. Уэзерелл, У. Оценка качества изображения. Проектирование оптических систем Текст. / У. Уэзерелл. Под ред. Р. Шеннона, Дж. Вайанта. М.: Мир, 1983. С.178-332.

82. Френель, О. Избранные труды по оптике: Пер. с англ. Текст. / О. Френель. М.: ГИТТЛ, 1955.

83. Чуриловский, В. Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка Текст. / В. Н. Чуриловский. Л.: Машиностроение, 1968. - 312 с.

84. A novel method for fabricating ultra low-cost radial gradient-index glass rods for optic communication networks Электронный ресурс. Режим доступа: http ://www.mdatechnology.net/techsearch.asp?articleid=615#listing

85. Air Force Research Laboratory Technology Horizons Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.afrlhorizons.com

86. Andersen, Т. В. Automatic computation of optical aberration coefficients Текст. / Т. В. Andersen // Applied Optics. 1980. - Vol. 19, № 22. - P. 38003816.

87. ANSI PH3.63-1974. Method for determining the photographic resolving power of photographic lenses Текст. / Amer. Nat. Stand. 1974.

88. Atkinson, L. G. Design of gradient-index photographic objective Текст. / L. G. Atkinson, S. Houde-Walter, D. T. Moore, D. P. Ryan, J. M. Stagaman // Applied Optics. 1982. - Vol. 21, № 6. - P. 993-998.

89. Atkinson, L. G. Gradient-index wide-angle photographic objective design Текст. / L. G. Atkinson, J. D. Downie, D. T. Moore, J. M. Stagaman, L. L. Voci // Applied Optics. 1984. - Vol. 23, № 11. - P. 1735-1741.

90. Baber, S. C. Application of high resolution laser writers to computer generated holograms and binary diffractive optics Текст. / S. C. Baber // Proceedings SPIE. 1989.- Vol. 1052. - P. 66-76.

91. Blatner, P. Diffrative optics for compact space communication terminal Текст. / P. Blatner, H. P. Herzig, K. J. Weible etc.// Jour, of Modern Optics. 1996. -Vol. 43, №7.-P. 1473-1484.

92. Blough, C. G. Effect of axial and radial gradients on Cooke triplets Текст. / С. G. Blough, J. P. Bowen, N. Haun, D. S. Kidred, et al. //Applied Optics. 1990. -Vol. 29, № 28. - P. 4008-4015.

93. Blu-Ray disc general format specification 1 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.blu-raydisc.com/assets/downloadablefile/general bluraydiscformat-1283 4.pdf

94. Blu-Ray disc general format specification 2 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.blu-raydisc.com/assets/downloadablefile/general bluraydiscformat-12835.pdf

95. Blu-Ray disc physical format specification Электронный ресурс. Режим доступа: http://vAvw.blu-raydisc.com/assets/downloadablefile/1 abdre physicalformatspecifications-12837.pdf

96. Bociort, Г. New ray-tracing method for radial gradient-index lenses Текст. / F. Bociort, J. Kross // Proceedings SPIE. 1993. - Vol. 1780. -P. 216-225.

97. Brown, S. J. S. Geometrical optics of tapered gradient-index rods Текст. / S. J. S. Brown // Applied Optics. 1980. - Vol.19, № 7. - P. 1056-1060.

98. Buchdahl, H. A. Rays in gradient-index media: separable systems Текст. / H. A. Buchdahl // Journal of Optical Society of America. 1973. - Vol. 63, № 1. -P. 46-49.

99. Caldwell, J. В Design of gradient-index lens systems for disc format cameras Текст. / J. B. Caldwell, D. T. Moore // Applied Optics. 1986. - Vol. 25, № 18. -P. 3351-3355.

100. Caldwell, J. B. Gradient-index binocular objective design Текст. / J. B. Caldwell, L. R. Gardner, S. N. Houde-Walter, M. T. Houk, et al. // Applied Optics. 1986. - Vol. 25, № 19. - P. 3345-3350.

101. Caldwell, J. B. Optical design with Wood lenses Текст. / J. B. Caldwell // Proceedings SPIE. 1990. - Vol. 1354. - P. 593-599.

102. Canon, Inc site Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.canon.com/do-info/

103. Chen, С. В. Visible band testbed projector with a replicated diffractive optical element Текст. / Chen C. Bill, Ronald G. Hegg, W. Todd Johnson, etc.// Applied Optics. 1999. - Vol. 38, № 34. - P. 7105-7111.

104. Cornbleet, S. Microwave Optics Текст. / S. Cornbleet. London: Academic Press, 1976.

105. Digital micromirror device Электронный ресурс. Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/DigitalMicromirrorDevice

106. Dobson, S. L. Diffractive lenses for chromatic confocal imaging Текст. / S. L. Dobson, S. Pang-chen, F. Yeshayahu И Applied Optics. 1997. - Vol. 36, № 20. - P. 4744-4748.

107. Dudley, D. Emerging digital micromirror device (DMD) applications Электронный ресурс. / D. Dudley, W. Duncan, J. Slaughter. Режим доступа: http://www.marubun.co.jp/semicon/tidlp/pdf/ dmdapplicationnote01 .pdf

108. Dueck, R. H. Optical Design with Inhomogeneous Glass: The Future is Here Текст. / R. H. Dueck, J. L. Vaughn, В. V. Hunter // Proc. SPIE 3130, 1997.

109. DVD-forum news letters and bulletins Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.dvdforum.org/sc-letter-voting-27-28.htm

110. DVD-forum news releases Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.dvdforum.org/press-press.htm

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

112. Fantone, S. D. Fifth-order aberration theory of gradient-index optics Текст. / S. D. Fantone // Journal of Optical Society of America. 1983. - Vol. 73, № 9. -P. 1149-1161.

113. Forer, J. D. Gradient-index eyepiece design Текст. / J. D. Forer, S. Houde-Walter, J. J. Miceli, D. T. Moore, et al. // Applied Optics. 1983. - Vol. 22, № 3. -p. 407-412.

114. Futhey, J. A. Diffracttive bifocal intraocular lens Текст. / John A. Futhey // Proceedings SPIE. 1989.- Vol. 1052. - P. 142-149.

115. Gaii, M. A. High-speed apo-lens with kinoform element Текст. / M. Gan, I. Potyemin, A. Perveev // Proceedings SPIE. 1991.- Vol. 1574. - P. 243-249.

116. Gan, M. A. Kinoforms long focal objectives for astronomy. Adaptive optics and optical structures Текст. / M. A. Gan // Proc. of the Meeting, European Congress on Optics. 1990. P. 330-338.

117. Gan, M. A. Optical systems with holographic and kinoform elements Текст. / M. A. Gan //Proc. SPIE. 1989. V. 1136. P. 150.

118. Global Spec engineering search & industrial supplier catalogs Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.globalspec.com

119. Gomez-Reino, С. Imaging and transforming transmission through a media with nonrotation-symmetric gradient index Текст. / С. Gomez-Reino, E. Larrea // Applied Optics 1983. - Vol. 22, № 3. - P. 387-390.

120. GRADIUM Glass Data Book and Materials Safety Data Sheet Электронный ресурс. / Albuquerque: LightPath Technologies, 1999. Режим доступа: http://www.light.net

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

122. Greisukh, G. I. Design of cemented radial gradient-index triplet Текст. / G. I. Greisukh, S. A. Stepanov // Applied Optics. 1998. -Vol. 37, № 13,- P. 26872690.

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

124. Greisukh, G. I. Diffractive-refractive hybrid corrector for achro- and apochromatic corrections of optical systems Текст. / G. I. Greisukh, E. G. Ezhov, S. A. Stepanov // Applied Optics. 2006. - Vol. 45, № 24. - P. 61376141.

125. Greisukh, G. I. Optics of diffractive and gradient-index elements and systems Текст. / G. I. Greisukh, S. T. Bobrov, S. A. Stepanov // Bellingham: SPIE Press, 1997. -414 p.

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

127. GRIN lenses Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.opticsnotes.com/sciopticsfaq/grin.htm

128. GRIN lenses for imaging and telecommunications Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.grinext.spb.ru

129. GRINTECH GmbH gradient index optics technology Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.grintech.de

130. G-S plastic optics Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.gsoptics.com/

131. Gupta, A. Theory of fifth-order aberration of graded-index media Текст. / A. Gupta, K. Thyagarjan, I. C. Goyal, A. K. Ghatak // Journal of Optical Society of America. 1976. - Vol. 66, № 12. - P. 1320-1325.

132. Harrigan, M. E. Some first-order properties of radial gradient lenses. Compared to homogeneous lenses Текст. / M. E. Harrigan // Applied Optics. 1984. -Vol. 23, № 16. - P. 2702-2705.

133. Hawkeye borescopes and borescope accessories by gradient lens corporation Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.gradientlens.com/

134. Hewak, D. W. Numerical ray tracing for gradient-index media Текст. / D. W. Hewak, J. W. Y. Lit// Can. J. Phys. 1985. - Vol. 63. - P. 234-239.

135. Heynacher, E. Uber die Bedeutung der Kontrastwiedergabe Photographischer Objektive Текст. / E. Heynacher // Kino-Technic.- 1961. Vol. 18, № 5.- P. 159-164.

136. High-definition television Электронный ресурс. Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/HDTV

137. Hitoshi, О. Application of a diffractive lens element to a lithographic projection lens Текст. / Ohashi Hitoshi, Kuba Keiichi, Okamura Toshiro, etc. // Proceedings SPIE. 1995. - Vol. 2577. - P. 130-136

138. Houde-Walter, S. Lens designers: gradient-index optics are in your future Текст. / S. Houde-Walter // Laser Focus World. 1989. - № 4. - P. 151-160.

139. Ilinsky, R. Gradient-index meniscus lens free of spherical aberration Текст. / R. Ilinsky // J.Opt. A: Pure Appl. Opt. 2000. - Vol. 2 - P. 449-45.

140. INM Leibniz-Institut fuer Neue Materialien GmbH Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.inm-gmbh.de

141. Jennifer, L. R. Design of three-element night-vision goggle objectives Текст. / L. Rouke Jennifer, Mary Kate Crawford, David J. Fischer, etc.// Applied Optics. 1998. - Vol. 37, № 4. - P. 622-626.

142. Kapron, F. P. Geometrical optics of parabolic index-gradient cylindrical lenses Текст. / F. P. Kapron // Journal of Optical Society of America. 1970. - Vol. 60,№ 11.-P. 1433-1437.

143. Karl Storz endoscopes Электронный ресурс. Режим доступа: http ://www.karl storz. de

144. Kathman, A. Efficiency considerations for diffractive optical elements Текст. / A. Kathman, D. Hochmuth, D. Brown // Proceedings SPIE. 1995,- Vol. 2577. -P. 114-122.

145. Kitano, I. Current status of aplanatic gradient-index lens systems Текст. / I. Kitano // Applied Optics. 1990. - Vol. 29, № 28. - P. 3992-3997.

146. Kodate, К. Fabrication of high numerical aperture zone plates using deep ultraviolet lithography Текст. / К. Kodate, H. Takenaka, T. Kamiya // Applied Optics. 1984. - Vol. 23, № 3. - P. 504-507.

147. Koichi, M. Hybrid achromatic objective lens for optical data storage Текст. / Koichi Maruyama, Makoto Iwaki, Syun'itirou Wakamiya, Ryota Ogawa. A. // Proceedings SPIE. 1995.- Vol. 2577. - P. 123-129

148. Koike, Y. Gradient-index contact lens Текст. / Y. Koike, A. Asakawa, S. P. Wu, E. Nihei // Applied Optics. 1995. - Vol. 34, № 22. - P. 4669-4673.

149. Koronkevitch, V. P. Kinoforms: technologies, new elements, and optical systems Текст. / V. P. Koronkevitch, V. P. Korolkov, A. G. Poleshchuk et al. // Preprint N 421. Novosibirsk: IAE, S.B. USSR Ac. Sci., 1989,- 54 p.

150. Lee, С. C. Making aspherical mirrors by thin-film deposition Текст. / С. С. Lee, D. S. Wan, С. C. Jaing, C. W. Chu // Applied Optics. 1993. - Vol.32, № 17.-P. 5535-5538

151. Leiner, D. S. Correction of chromatic aberrations in GRIN endoscopes Текст. / D. S. Leiner, R. Prescott // Applied Optics. 1983. Vol. 22, № 3. P. 383-386.

152. Luneburg, R. K. Mathematical theory of Optics Текст. / R. K. Luneburg-Brown Univ., Providence, R.I., 1944. 213 p.

153. Magiera, L. Seventh-order aberrations of gradient-index media with axial symmetry Текст. / L. Magiera // Journal of Optical Society of America. 1995. -Vol. 12, №4.-P. 794-800.

154. Mait, Joseph N. Design of a diffracttive variable-magnification telescope Текст. / Joseph N. Mait, Michael J. Hope // Proceedings SPIE. 1994.- Vol. 2152.-P. 14-21.

155. Marchand, E. W. Gradient-index optics Текст. / E. W. Marchand // New York: Academic, 1978.- 123 p.

156. Marchand, E. W. Ray tracing in gradient-index media Текст. / E. W. Marchand // Journal of Optical Society of America. 1970. - Vol.60, N° 1. - P. 17.

157. Marchand, E. W. Third-order aberrations of the photographic Wood lens Текст. / E. W. Marchand // Journal of Optical Society of America. 1976. -Vol. 66,№ 12.-P. 1326-1330.

158. Microwave antennas Электронный ресурс. Режим доступа: http://old.astronews.prao.psn.ruynews/July01/0307nl.html

159. Missig, Michael D. Diffractive optics applied to eyepiece design Текст. / Michael D. Missig, Michael G. Morris // Applied Optics. 1995. - Vol. 34, № 14.-P. 2452-2461.

160. Monk, D. W. The digital micromirror device for projection display Текст. / D. W. Monk, R. O. Gale // Microelectronic Engineering. 1995. V. 27, № 1-4. P. 489-493.

161. Montagnino, L. Ray tracing in inhomogeneous media Текст. / L. Montagnino // Journal of Optical Society of America. 1968. - Vol.58, № 11. - P. 1667-1668.

162. Moore, D. T. Catadioptric systems with a gradient-index corrector plate Текст. / D. T. Moore // J. Opt. Soc. Am. 1977. - Vol. 67, № 9. - P. 1143-1146.

163. Moore, D. T. Ray tracing in gradient-index media Текст. / D. T. Moore // Journal of Optical Society of America.- 1975. Vol. 65, № 4. P. 451-455.

164. Moore, D. T. Third-order aberrations of inhomogeneous lenses with cylindrical index distributions Текст. / D. T. Moore, P. J. Sands // Journal of Optical Society of America. 1971. - Vol. 61, № 9. - P. 1195-1201.

165. Moore, D.T. Radial gradient-index lenses with zero Petzval aberration Текст. / D.T. Moore, R.T. Salvage // Applied Optics. 1980. - Vol. 19, № 7. - P. 10811086.

166. Moore, D.T. Ray tracing in anamorphic gradient-index media Текст. / D.T. Moore, J.M. Stagaman // Applied Optics. 1982. - Vol. 21, № 6. - P. 999-1003.

167. Morgan, S. P. General solution of the Luneburg lens problem Текст. / S. P. Morgan//Journal of Applied Physics. 1958. Vol.29, № 11. - P. 1358-1368.

168. Nippon Sheet Glass Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.nsg.co.jp

169. Nippon Sheet Glass, in Selfoc Product Guide Nippon Текст. / Sheet Glass Europe N.V./S.A., Temse, 2001

170. Nishizawa, K. Chromatic aberration of the selfoc lens as an imaging system Текст. / К. Nishizawa// Applied Optics 1980. - Vol. 19, № 7. - P. 1052-1055.

171. Niven, W. D. The Scientific Papers of James Clerk Maxwell Текст. / W. D. Niven. New York: Dover, 1965.- P. 76-78.

172. Ogata, S. Electron-beam writing system and its application to large and high-density diffractive optic elements Текст. / S. Ogata, M. Tada, M. Yoneda // Applied Optics. 1994. - Vol. 33, № 10. - P. 2032-2036.

173. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.lambdares.com/products/oslo/index.phtml

174. Optical Research Associates Optical Design Software, Illumination Design Software, Optical Engineering Services Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.opticalres.com/

175. О'Shea, D. С. Diffractive Optics: Design, Fabrication, and Test Текст. / D. С. О'Shea, Т. J. Suleski, A. D. Kathman, D. W. Prather. Bellingham: SPIE Press, 2003. - 260 p.

176. Pfisterer, R. N. Design of a 35-mm photographic objective using axial GRIN materials Текст. / R. N. Pfisterer // Proceedings SPIE. 1993. - Vol. 2000. - P. 359-563.

177. Philips Research Technologies Photo replication Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.research.philips.com/technologies/lightdevmicrosys/polmat/photo rep.html

178. Rama Krishna, K. S. Chromatic aberrations of radial gradient-index lenses. 1. Theory. Текст. / К. S. Rama Krishna, A. Sharma // Applied Optics. 1996. -Vol. 35, №7.-P. 1032-1036.

179. Rama Krishna, K. S. Chromatic aberrations of radial gradient-index lenses. 2. Selfoc lenses. Текст. / К. S. Rama Krishna, A. Sharma // Applied Optics. -1996. Vol. 35, № 7. - P. 1037-1040.

180. Ray, S. F. Applied Photographic Optics Текст. / S. F. Ray. Oxford: Focal Press, 2002.

181. Roderic Hyde, A. Eyeglass. 1. Very large aperture diffractive telescope Текст. // A. Roderic Hyde / Applied Optics. 1999. - Vol. 38, № 19. - P. 4198-4212.

182. Rossi, M. Diffractive optical elements for passive infrared detectors Текст. / M. Rossi, Th. Ammer, M. T. Gale, etc. II Proc. of Diffractive Optics and Micro-Optics. 2000. - Vol. 41, - P. 288-290.

183. Rouke, J. L. Design of three-element night-vision goggle objectives Текст. / J. L. Rouke, M. K. Crawford, D. J. Fischer, C. J. Harkrider, et al. // Applied Optics. 1998. - Vol. 37, № 4. - P. 622-626

184. Ryan-Howard, D. P. Model for the chromatic properties of gradient-index glass Текст. / D. P. Ryan-Howard, D. T. Moore // Applied Optics. 1985. - Vol. 24, №24. - P. 127-137.

185. Sands, P. J. Inhomogeneous lenses, II. Chromatic paraxial aberrations Текст. / P. J. Sands // Journal of Optical Society of America. 1971. - Vol. 61, № 6. - P. 777-783.

186. Sands, P. J. Inhomogeneous lenses, III. Paraxial optics Текст. / P. J. Sands // Journal of Optical Society of America. 1971. - Vol. 61, № 7. - P. 879-885.

187. Sands, P. J. Third-order aberrations of inhomogeneous lenses Текст. / P. J. Sands // Journal of Optical Society of America. 1970. - Vol. 60, № 11. - P. 1436-1443.

188. Sharma, A. Tracing rays through graded-index media: a new method Текст. / A. Sharma, D. V. Kumar, A. K. Ghatak К Applied Optics. 1982. - Vol. 21, № 6. - P. 984-987.

189. Simpson, Michael J. Diffractive multifocal intraocular lens image quality Текст. / Michael J. Simpson // Applied Optics. 1992. - Vol. 31, № 19. - P. 3621-3626.

190. Southwell, W. H. Ray tracing in gradient-index media Текст. / W. H. Southwell // Journal of Optical Society of America. 1983. - Vol. 72, № 7. - P. 908-911.

191. Stevens, R. F. Zone-plate interferometers Текст. / R. F. Stevens // Jour, of Modern Optics. 1988. - Vol. 35, № 1. - P. 75-79.

192. Streifer, W. Analytic solution of ray equation in cylindrically inhomogeneous guiding media. 1. Meridional rays Текст. / W. Streifer, К. B. Paxton // Applied Optics. 1971. - Vol.10, № 3. - P. 769.

193. Streifer, W. Analytic solution of ray equation in cylindrically inhomogeneous guiding media. 2. Skew rays Текст. / W. Streifer, К. B. Paxton // Applied Optics, 1971. Vol.10, № 5. - P. 1164-1171.

194. Tanaka, Y. Tech. Dig. ISOM2003 Текст. / Y. Tanaka, Y. Komma, Y. Shimizul, etc // Nara, Th-G-04. 2003. P. 222.

195. Trost, H.-J. Using drop-on-demand technology for manufacturing GRIN lenses Текст. / H.-J. Trost, J. Ayers, T. Chen, W. R. Cox, etc. // Proceedings of 2001 Ann. Mtg. ASPE. 2001. - P. 533-536.

196. Tsuchida, H. Design of zoom lens systems that use gradient-index material Текст. / H. Tsuchida, N. Aoki, K. Hyakumura, K. Yamamoto // Applied Optics. 1992. - Vol. 31, № 13. - P. 2279-2283.

197. Wayne, K. Optical design comparison of 60o eyepieces: one with a diffractive surface and one with aspherics Текст. / Knapp Wayne, Gary В lough, Kumar Khajurivala, etc. // Applied Optics. 1997. - Vol. 36, № 20. - P. 4756-4760.

198. Welford W.T. A vector raytracing equation for hologram lenses of arbitrary shape Текст. / W.T. Welford // Optics Communications. 1975. - Vol.14, № 3. -P. 322-323.

199. Whitehead, L.A. Simplified ray tracing in cylindrical systems Текст. / L.A. Whitehead // Applied Optics. 1982. - Vol.21, № 19. - P. 3536-3358.

200. Wood, R. W. Phase-reversal zone-plates and diffraction-telescopes Текст. / R. W. Wood // Philos. Mag. 1898. - Vol. 45. - P. 511-522.

201. Yasuo, K. Compact optical head using a holographic optical element for CD players Текст. / Kimura Yasuo, Sugama Seizen, Ono Yuzo // Applied Optics. -1988. Vol. 27, № 4. - P. 668-671.22:

202. ZEMAX: software for optical system design Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.focus-software.com

203. Zhdanov, D. Design of optical systems with HOE by DEMOS program Текст. / D. Zhdanov, S. Bezdidko, M. Gan, Y. Novoselskiy, etc. // Proceedings SPIE. -1991. Yol. 1574. - P. 254-260.

204. Zwiers, R. J. M. Aspherical lenses produced by a fast high-precision replication process using UV-curable coatings Текст. / R. J. M. Zwiers, G. С. M. Dortant // Applied Optics. -1985. Vol.24, № 21. - P. 4483-4486

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