СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕКТИВА Российский патент 1997 года по МПК G02B9/00 G02B17/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для создания объективов, в частности на основе металлооптических элементов, работающих в различных температурных режимах.

Созданию объектива предшествуют габаритный и аберрационный расчеты. Если первый предполагает определение взаимного расположения оптических элементов рассматриваемой оптической системы объектива, то второй определение величин отступления от хода лучей, рассчитанного для идеальной оптической системы. Обычно аберрационные расчеты проводятся для каждого элемента самостоятельно, т.е. определяются требования к его оптической поверхности - допуски для обеспечения необходимого качества изображения. Вместе с тем важен именно суммарный эффект влияния полных ошибок изготовления оптических поверхностей элементов на систему в целом.

Известен способ создания оптических систем [1] компенсация астигматизма в которых осуществляется либо в одном сечении светового пучка с помощью цилиндрических линз, либо в двух сечения: меридианальном и сагиттальном с помощью тороидальных вогнутых зеркал с различным радиусом кривизны в этих сечениях. Существенным недостатком такого способа компенсации астигматизма является ее избирательность для чрезвычайно узкого спектрального диапазона длин волн излучения. Кроме того, этот способ связан с введением в систему дополнительных элементов, что негативно сказывается на общих характеристиках системы, усложняя ее.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления оптической системы [2] с компенсацией астигматизма без введения дополнительных элементов в систему. Устранение астигматизма достигается использованием асферических элементов. Этот способ приемлем для создания простейшей оптической системы, состоящей из нескольких, например, двух элементов.

Рассмотренный способ не раскрывает компенсационные возможности оптических элементов, составляющих систему, свободную от астигматизма. Эта задача особенно важна, т. к. ее решение позволило бы создавать объективы из элементов со свойственными им астигматическими ошибками изготовления, снизить допуски на их изготовление и тем самым удешевить стоимость самого объектива. В условиях работы оптической системы при температуре, отличной от комнатной, полная ошибка изготовления отражающей поверхности элемента остается неизменной. Возникает астигматизм, связанный с различием значений термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) в разных направлениях оптической поверхности элемента из анизотропного материала. Величина этой астигматической ошибки отражающей поверхности элемента изменяется с изменением температуры и имеет значительно большие значения, чем величина астигматической ошибки изготовления элемента при комнатной температуре. Подобные ситуации характерны при изготовлении металлооптических элементов оптических систем, когда при обработке зеркал из металла или их охлаждении наблюдается ярко выраженный астигматизм. Поэтому оптическая система, рассчитанная, изготовленная и отъюстированная при комнатной температуре при изменении температурных условий ее эксплуатации может оказаться неработоспособной.

Целью изобретения является создание объектива для широкого температурного интервала и уменьшение стоимости объектива за счет снижения требований к параметрам исходных оптических элементов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания объектива, заключающийся в том, что проводят габаритный и аберрационный расчеты объектива, из готовых оптических элементов отбирают элементы по габаритным и оптическим характеристикам, измеряют в заданном температурном интервале величину их астигматизма и комплектуют объектив; для комплектации объектива, состоящего из n элементов, где n=2,3,4, отбирают такие, сумма векторов астигматизма элементов которых для всей системы равна нулю, определяют величины углов относительно направления главных осей астигматизма элементов, а сборку объектива осуществляют при комнатной температуре, разворачивая элементы на найденные углы из этого условия.

Заявляемый способ иллюстрируется фиг. 1, где приведены варианты создания объектива, свободного от астигматизма и состоящего из трех оптических элементов (позиция I) и четырех элементов (позиция II).

На фиг. 1 позиция I традиционным символом А обозначена величина астигматизма, А₁, A₂, A₃ величины астигматизма первого, второго и третьего элементов соответственно. В соответствии с этим угол 2γ - это угол между направлениями главных осей астигматизма первого и второго элементов. Угол 2α второго и третьего элементов; угол 2β третьего и первого элементов.

На фиг. 1 позиция II, А₁, A₂, A₃ и А₄ - значения величин астигматизма первого, второго, третьего и четвертого, соответственно, элементов. Угол 2γ это угол между направлениями главных осей астигматизма первого и второго элементов; угол 2α между направлениями у второго и третьего элемента; 2σ третьего и четвертого элемента; 2β - четвертого и первого элемента.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Первоначально проводят габаритный и первый аберрационный расчеты объектива, определяют вытекающие для реализации этого расчета требования к оптической поверхности каждого элемента, ее форме и геометрическим размерам. С учетом обоих расчетов изготавливают элементы системы. Проводят измерения полных ошибок изготовления элементов с выделением величины астигматизма и расположения главной оси астигматизма относительно ориентационной метки элемента. Измерения осуществляются в том интервале температур, в котором должен работать объектив. Отбор оптических элементов для комплектации объектива проводят по соответствию требований к каждому элементу, определенным габаритным и аберрационным расчетами с учетом специальных требований по астигматизму, чтобы сумма векторов астигматизма всех n элементов, составляющих объектив, была равна нулю (n=2,3,4.). Это условие легко реализуется и тем проще, чем из большего количества элементов состоит объектив. Практически дело сводится к определению угла разворота главной оси астигматизма каждого элемента относительно главной оси другого элемента и т.д. для каждого следующего из n элементов оптической системы. При этом сумма внутренних углов многоугольника, число сторон которого соответствует количеству элементов, равна 180^o(n-2).

Пример конкретного выполнения.

Если оптическая система объектив состоит из двух элементов, для которых характерна выраженная величина астигматизма, то очевидно, что для обеспечения условия равенства суммы векторов астигматизма элементов системы нулю необходимо и достаточно равенства величин астигматизма главного и вторичного зеркал и соответствующего разворота одного из них относительно другого таким образом, чтобы угол между главными осями астигматизма этих элементов (зеркал) составлял 90^o. В этом случае угол между векторами астигматизма двух элементов равен нулю. Не всегда возможно достижение точного равенства значений астигматизма у двух элементов, но, тем не менее, разворот зеркал на 90^o приводит к существенному улучшению качества изображения объектива.

В случае объектива с тремя элементами возможностей компенсации астигматизма в системе за счет использования самих элементов системы значительно больше. Собственно здесь величины астигматизма каждого элемента могут значительно отличаться друг от друга. Равенство нулю векторов астигматизма трех элементов в сумме, составляющих объектив, сведется к построению треугольника, стороны которого соответствуют величинам астигматизма каждого элемента, а углы треугольника между сторонами двойным углам разворота главной оси астигматизма одного элемента относительно главной оси астигматизма другого элемента (позиция I, фиг. 1).

Для объектива, состоящего из четырех элементов, соотношение между значениями астигматизма каждого элемента, обеспечивающего условие равенства нулю суммы векторов астигматизма четырех элементов, значительно менее критично. Но во всех случаях использования компенсационных возможностей собственно самих элементов системы по астигматизму суммарный угол разворота всех элементов системы должен быть равен , где n количество элементов системы или, согласно позициям фиг. 1 сторон рассматриваемых многоугольников.

На фиг. 1 приведены примеры определения углов разворота оптических элементов системы с 3 и 4 элементами по измеренным значениям величин их астигматизма. При определении значений углов применены известные формулы теорем синусов и косинусов для треугольников. В случае рассмотрения четырехугольника или в общем виде n-угольника (для системы, состоящей из 4 или n элементов) рассматриваемый многоугольник геометрически разбивается на необходимое количество треугольников, для определения углов которых используются эти же теоремы. Следует заметить, что вместо решения систем уравнений, число которых значительно увеличивается с числом системы, можно использовать возможности определения углов при геометрических построениях треугольников и многоугольников. В последнем случае для простоты расчетов целесообразно задать произвольно угол разворота первого элемента относительно второго.

В таким образом осуществляемой коррекции астигматизма при использовании самих элементов не имеет значения, за счет какого механизма или процесса возникает астигматизм: вызвано ли это несовершенством изготовления оптических деталей или это связано с изменением термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) при изменении температурного режима работы элемента, изготовленного из анизотропного материала. В любом случае предлагаемый способ оказывается эффективным.

На фиг. 1 в позициях I и II приведены значения астигматизма трех и четырех элементов систем, изготовленных из алюминиевого сплава 1201, при их охлаждении до температуры около 140 К. Появление астигматизма у этих элементов вызвано различием в значениях ТКЛР в направлениях по оптической поверхности элемента, изменяющихся с изменением температуры элемента. Поэтому с изменением температурного режима работы металлооптических элементов значения астигматизма каждого соответственно изменяются с изменением различия в ТКЛР, а следовательно, и изменяются углы разворота главных осей астигматизма элементов относительно друг друга, обеспечивающих эффект компенсации астигматизма всей оптической системы в целом.

Таким образом, новая последовательность операций и условий их проведения благодаря получению новых зависимостей, связывающих значения астигматизма каждого элемента с общим астигматизмом всей оптической системы в целом (сумма векторов астигматизма элементов всей системы равна нулю), позволяет создавать многоэлементные системы, свободные от астигматизма. Вместе с этим предлагаемый способ создания объектива позволяет расширить возможности использования объективов в различных температурных условиях, в том числе криогенных, использовать различные материалы, для элементов снизить допуски по астигматизму на изготовление оптических поверхностей элементов. Это, в свою очередь, обеспечит снижение стоимости объектива за счет значительного уменьшения количества отбраковываемых деталей по астигматизму. Все это имеет принципиальное значение для рентабельности работы по созданию оптических систем отечественного приборостроения.

Использование: разработка и изготовление оптических систем - объективов для заданного температурного интервала, свободных от астигматизма. Сущность изобретения: для комплектации объектива, состоящего из n элементов, где n= 2,3,4..., отбирают такие, что сумма векторов астигматизма элементов для всей системы равна нулю, определяют величины углов относительно направления главных осей астигматизма элементов, сборку объектива осуществляют при комнатной температуре, разворачивая элементы на найденные углы из этого условия. 1 ил.

Способ изготовления объектива, при котором производят габаритный и аберрационный расчеты, из готовых оптических элементов отбирают элементы по габаритным и оптическим характеристикам, измеряют в заданном температурном интервале величину их астигматизма и производят сборку объектива, отличающийся тем, что для комплектации объектива, состоящего из n ≥ 2 оптических элементов, отбирают такие, что сумма векторов астигматизма элементов для всей системы равна нулю, определяют величины углов между направлениями главных осей астигматизма элементов и разворачивают элементы друг относительно друга на найденные соответствующие углы, при этом сборку объектива осуществляют при комнатной температуре.