ОДНОЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ С ГРАДИЕНТНЫМ СЛОЕМ Российский патент 1996 года по МПК G02B9/02 G02B13/18 G02B3/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может найти применение в оптических системах, действующих с источником монохроматического излучения, например в качестве коллиматора, работающего с полупроводниковым лазером, а также в качестве объектива для устройств оптической записи и считывания информации.

Известны однолинзовые объективы из однородного материала с одной или с двумя асферическими поверхностями (АП). Эти объективы состоят из одиночной однородной линзы с одной АП [1] и с двумя [2]
Уравнение асферики записывается в виде

где р 1 е²; E F, G, H коэффициенты.

Наиболее высокий порядок имеет уравнение, описывающее поверхность в однолинзовой конструкции с одной АП. Так, объектив с одной асферической поверхностью обеспечивает числовую апертуру 0,47 при 14-м порядке уравнения АП, а при двух асферических поверхностях апертура 0,47 при 6-м порядке уравнения АП.

Трудность конструкторских решений асферической линзы с уравнением высокого порядка связана со сложностью формообразования АП высокого порядка на линзах и возможностью ее точного контроля, особенно в линзах малого диаметра, и, как следствие, с чувствительностью такого асферического объектива к погрешностям изготовления.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является объектив [3] выполненный в виде одиночной линзы с градиентным слоем, имеющим осевое распределение показателя преломления n(Z) с функцией вида:
n(Z) n₀ + n₁Z + n₂Z² + + n_кZ^к, (1)
где n₀ показатель преломления в вершине градиентного слоя;
n₁, n_к постоянные коэффициенты;
Z расстояние вдоль оси градиентного слоя относительно его вершин.

Градиентный слой с наружной стороны ограничен сферической поверхностью, а поверхность раздела, в случае изготовления градиентного слоя методом ионной диффузии, представляет собой плоскость. Функция распределения показателя преломления описывается уравнением (1) первого и второго порядков.

Однако в прототипе значение толщины градиентного слоя определяется стрелкой поверхности, со стороны которой он нанесен, и она изменяется от значения d_G 0,15 мм (см. прототип, табл. 2, вар. N 4) до d_G 1,6 мм (см. прототип, табл. 8, вар. N 13). При этом объектив обеспечивает числовую апертуру А 0,1 0,45. Время получения градиентного слоя с осевым распределением показателя преломления существенно зависит от его толщины. Увеличение d_G приводит также к росту значения перепада показателя преломления Δn, определяемого разностью между значениями показателей преломления по краю и в вершине градиентного слоя.

Задачей заявляемого технического решения является создание однолинзового объектива с градиентным слоем, имеющим минимальную толщину, и повышенной возможностью коррекции аббераций при большом значении числовой апертуры.

Поставленная задача достигается тем, что однолинзовый объектив с градиентным слоем выполнен в виде одиночной линзы, ограниченной сферическими или плоскими поверхностями, у которой со стороны одной из них нанесен градиентный слой, имеющий осевое распределение показателя преломления с функцией вида
n(Z) n₀ + n₁Z + n₂Z² + + n_кZ^к.

Согласно изобретению, градиентный слой наносится на сферическую или плоскую поверхность однородной части линзы, а внешняя поверхность градиентного слоя асферика с уравнением вида:
cx² + by² + a₁Z + a₂Z² + + a_кZ^к 0, (2)
где n₀ показатель преломления в вершине градиентного слоя; n₁, n_к постоянные коэффициенты; х, y расстояния от оптической оси в сагиттальном и меридиональном сечениях соответственно; с, b, a₁, a_к коэффициенты асферики, при этом сферическая поверхность раздела градиентного и однородного слоев может являться ближайшей сферой для внешней асферической поверхности, ограничивающей градиентный слой. Показатель преломления однородного слоя линзы n_од. может иметь то же значение, что и показатель преломления в вершине градиентного слоя n₀, совпадающей с вершиной асферической поверхности, или может отличаться от него.

Перечисленные выше существенные признаки позволяют повысить возможность коррекции аберраций однолинзового объектива с градиентным слоем за счет возможности уменьшения толщины градиентного слоя до значения, определяемого отступлением асферической поверхности от сферы, на которую наносится этот слой. В данном изобретении достигается положительное сочетание свойств асферики и градиентной среды, что позволяет при меньших порядках уравнений (1, 2) добиться повышения числовой апертуры объектива.

На фиг. 1 изображена оптическая схема однолинзового объектива с градиентным слоем, на фиг. 2 график поперечной сферической аберрации Δy′, на фиг. 3 график отступления от условия синусов δf′.

Однолинзовый объектив с градиентным слоем (фиг. 1) состоит из градиентного слоя 1 с осевой толщиной d_G), который наносится на одну из поверхностей однородной линзы 2 с осевой толщиной (d_од). Однородная линза 2 однолинзового объектива ограничена двумя поверхностями, которые могут быть либо сферическими с радиусами кривизны (r₂, r₃), либо плоскими. Внешняя поверхность градиентного слоя имеет асферический профиль (АП) с радиусом при вершине (r₁).

Объектив работает следующим образом: световой поток от предмета, расположенного в бесконечности, попадает на его первую поверхность и строит изображение в задней фокальной плоскости (F') на расстоянии S'_F' от его второй поверхности. Апертурная диафрагма (АД) диаметром (D_AD) совпадает с первой поверхностью объектива.

Достижимый эффект и сущность изобретения иллюстрируются примером, приведенным ниже.

В случае когда АП получается напылением на сферу и при этом дополнительно создается осевой градиент показателя преломления, конструктивные параметры линзы запишутся в виде:
r₁ 3,58^*
r₂ 3,54
r₃ 8
d_G 0,01
d_од 2,2
n₁ 1
n₂ 1,658 0,016
n₃ 1,658
n₄ 1
*) радиус при вершине имеет коэффициенты аберраций третьего порядка, приведенные в табл. 1.

В таблице А, Н, В, Y углы и высоты первого и второго вспомогательных лучей соответственно; Р, W поверхностные составляющие однородной линзы с приведенными в примере конструктивными параметрами: S_I, S_V - коэффициенты аберраций третьего порядка, которые записаны в соответствии с вкладом в них влияний, оказываемых АП и градиентной средой по поверхностным составляющим и переносом в градиентной среде.

Графики поперечной сферической аберрации Δy′ и отступления от условия δf′ синусов при А' 0,47 и f' 5,44 мм приведены на фиг. 2 и 3. Максимальное значение Δy′ 0,9 мкм, δf′ -0,01 мм, а кома при величине изображения 2y' 0,38 мм имеет значение 0,8 мкм. При этом максимальная толщина градиентного слоя на диаметре линзы 4,6 мм составляет 0,06 мм.

Следует учитывать, что максимальное изменение показателя преломления в градиентном слое (Δn) в данном случае будет определяться для величины Z, равной стрелке сферической поверхности по световому диаметру. Для приведенного примера Z 0,83 мм на диаметре линзы 4,6 мм, а Δn 0,014.

Выбор соответствующего показателя преломления в вершине градиентного слоя n₀, совпадающей с вершиной АП, приводит к существенному влиянию на коррекцию сферической аберрации. Это видно из примеров, в которых показатель преломления n₀ изменяется на величину 0,058, вид уравнения АП не изменяется, а сферическая аберрация корректируется на минимум коэффициентом n₁. Так, если n₀ 1,60, то конструктивные параметры объектива запишутся в виде:
r₁ 3,58^*)
r₂ 3,54
r₃ ∞
d_G 0,01
D_од 2,2
n₁ 1
n₂ 1,600 + 0,065
n₃ 1,658
n₄ 1
*) радиус при вершине АП вида х² + y² 7,16Z + 0,418Z² 0.

Этот объектив имеет коэффициенты абеppаций третьего порядка S_I -0,081; S_II -0,073. Значение сферической аберрации за счет изменения коэффициента n₁ не удается уменьшить менее чем до значения 2,9 мкм, δf′ -0,02 мм, а кома имеет значение 1,8 мкм (2y' 0,38 мм) при А' 0,47 и f' 5,44 мм.

Если n₀ 1,716, то конструктивные параметры объектива запишутся в виде:
r₁ 3,58^*)
r₂ 3,54
r₃ 8
d_G 0,01
d_од 2,2
n₁ 1
n₂ 1,716-0,033
n₃ 1,658
n₄ 1
*) радиус при вершине АП вида х² + y² 7,16Z + 0,418Z² 0.

Этот объектив имеет коэффициенты аберраций третьего порядка S_I 0,136; S_II -0,073. Значение сферической аберрации за счет изменения коэффициента n₁ не удается уменьшить менее чем до значения 4,4 мкм, δf′ 0,02 мм, а кома имеет значение 0,8 мкм (2y' 0,38 мм) при А' 0,47 и f' 5,44 мм.

Сравнение этих параметров показывает, что при изменении меняется даже знак коэффициента n₁, что связано с влиянием на сферическую аберрацию составляющих высокого порядка. Это влияние можно устранить, изменив порядок уравнений АП (2) или функции распределения показателя преломления (1).

Эффективность решения поставленной задачи может быть определена из сравнения рассчитанного и известного объективов с аналогичным качеством изображения. Так, в приведенном примере при выпукло-плоской форме линзы, втором порядке уравнения АП (2), линейной функции распределения показателя преломления (1) и максимальной толщине градиентного слоя 0,06 мм на диаметре линзы 4,6 мм достигается числовая апертура А' 0,47 (f' 5,43 мм). В примере N 4 [3] при двояковыпуклой форме линзы, толщине градиентного слоя на диаметре линзы 2,4 мм равной 0,1 мм и линейной функции распределения показателя преломления (1) А' 0,1 (f' 12 мм). В примере N 8 [3] при выпукло-плоской форме линзы, толщине градиентного слоя на диаметре линзы 4,76 мм равной 0,5 мм и линейной функции распределения показателя преломления (1) А' 0,14 (f' 17 мм). В примере N 13 [3] при менискообразной форме линзы, толщине градиентного слоя на диаметре линзы 4,76 мм равной 1,6 мм и линейной функции распределения показателя преломления (1) А' 0,45 (f' 10 мм).

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает повышение апертуры объектива при минимальной толщине градиентного слоя, имеющего осевое распределение показателя преломления n(Z).

Использование: в оптических системах, действующих с источником монохроматического излучения, например, в качестве коллиматора, работающего с полупроводниковым лазером, или в качестве объектива для устройства оптической записи и считывания информации. Сущность изобретения: объектив выполнен в виде одиночной линзы, в которой на ее однородную часть, ограниченную сферическими или плоскими поверхностями, методом поверхностного послойного осаждения наносится градиентный слой, имеющий осевое распределение показателя преломления n(Z) с функцией типа: n(Z) = n₀ + n₁Z + n₂Z² + ... + n_кZ^к, (1). При этом формируется внешняя асферическая поверхность с уравнением вида: cx² + by² + a₁Z + a₂Z² + ... + a_кZ^к = 0 (2), которая ограничивает градиентный слой с внешней стороны. 2 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Однолинзовый объектив с градиентным слоем, выполненный в виде одиночной линзы, ограниченной сферическими или плоскими поверхностями, у которой со стороны одной из них нанесен градиентный слой, имеющий осевое распределение показателя преломления n(z) с функцией вида
n(z)=n₀+n₁(z)+n₂z²+.+n_kz^k,
отличающийся тем, что внешняя поверхность градиентного слоя выполнена асферической с уравнением вида
cx²+by²+a₁z+a₂z²+.+akz^k=0,
где n₀ показатель преломления в вершине градиентного слоя;
n₁,n_k постоянные коэффициенты;
z расстояние вдоль оси градиентного слоя относительно вершины;
x, y расстояния от оптической оси в сагиттальном и меридиональном сечениях соответственно;
c, b, a₁,a_k коэффициенты асферики. 2. Объектив по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления однородного слоя линзы равен показателю преломления в вершине градиентного слоя, совпадающей с вершиной асферической поверхности. 3. Объектив по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления однородного слоя линзы не равен показателю преломления в вершине градиентного слоя, совпадающей с вершиной асферической поверхности.