ЛИНЗА С КОРРЕКЦИЕЙ АБЕРРАЦИЙ Российский патент 2001 года по МПК G02B3/04 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к области проектирования оптических систем, может быть использовано в оптико-механической промышленности при изготовлении однокомпонентных объективов для фокусировки лазерного излучения в пятно малых размеров, а также силовых безаберрационных линз сложных объективов.

Размер сфокусированного пятна светового излучения при действии оптической системы определяется, в частности, состоянием ее аберрационной коррекции. С увеличением светосилы фокусирующих систем растут аберрации, которые приводят к сильному увеличению пятна фокусировки, в первую очередь, за счет сферической аберрации. Для исправления сферической аберрации используются оптические системы, состоящие из нескольких линз со специально подобранными радиусами и показателями преломления. Известны, например, устройства с двумя поверхностями склеек, позволяющими поднять относительное отверстие до 1:3, 1:2 при хорошей коррекции сферической аберрации (см. М.М. Русинов "Композиция оптических систем", Л.: "Машиностроение", 1989, с. 190). Такие устройства имеют сложное конструктивное исполнение, ухудшающее их весогабаритные характеристики.

Для решения ряда задач, например ввода лазерного излучения в волокно, желательно иметь систему с минимальным количеством компонентов. С этой точки зрения оптимальным является одноэлементный объектив. Применение асферических поверхностей позволяет существенно уменьшать сферическую аберрацию, повышая при этом относительное отверстие оптических систем, снижать их массу, габариты и т.д. (см., например, ЕПВ (EP) заявка N 0252614, МКИ G 02 B 3/04, опубл. 1988). Проблема создания однокомпонентных фокусирующих систем решается по-разному: используют градиентные линзы, дифракционные оптические элементы, линзы с внешними параболической или гиперболической поверхностями, асферические составные линзы (см. заявка США N 742068, МКП G 02 B 11/00, G 02 B 7/02, опубл. 1991), а также однолинзовые объективы с градиентным показателем преломления (см. , например, патент США N 4770596, МКИ G 02 B 3/14, G 02 B 15/00, опубл. 1988, патент Японии N 4076085, МПК G 02 B 9/00, G 02 B 9/02, G 02 B 13/00, опубл. 1992).

Известна линза для оптической коррекции с наружной волнообразной поверхностью (см. патент США N 4099848, МКИ G 02 B 3/04, G 03 B 41/00, опубл. 1978, "Линза для оптической коррекции"), которая имеет аксиально симметричную форму и плавно изогнутую поверхность, минимальную толщину в центральном участке и максимальную толщину в радиальном промежуточном участке между центром и периферией. Эта линза, по существу, является коррекционным элементом, обладающим некоторой светосилой, поэтому не позволяет получать большие относительные отверстия. Поскольку линза выполнена из одного материала, то хроматические аберрации в ней всегда будут присутствовать.

Известно устройство однокомпонентного объектива - линзы с двумя асферическими поверхностями (см. патент США N 731451, МКИ G 02 B 13/18, опубл. 1992) "Линза для проигрывания оптических дисков", обеспечивающее достижение относительного отверстия 1: 0,6 при пониженных значениях сферической аберрации и комы. Такой конструкции присущи недостатки оптических одноэлементных систем, включающие невозможность одновременного получения хорошей коррекции хроматических и полевых аберраций, кроме того, для создания большого относительного отверстия такое устройство имеет значительную толщину по оси.

Таким образом, в настоящее время существуют различные устройства однокомпонентных объективов, в которых компенсируется сферическая аберрация при большом относительном отверстии, однако проблема коррекции хроматических и полевых аберраций в таких системах, а также уменьшения их толщины на оси, не решена.

Наиболее близкой к заявляемой линзе по совокупности признаков является аксиально симметричная линза из двух стекол с внутренней коррекционной поверхностью, рассчитанной из условия получения безаберрационного пятна фокусировки параллельного пучка излучения, изготовленная по способу (RU 2037851 C1, 19.06.1995), принятая за прототип. Однако в такой конструкции линзы при увеличении светосилы значительно увеличивается ее толщина по оси. Максимально достижимое относительное отверстие в ней может быть 1:1,5 из-за явления полного внутреннего отражения на наружной сферической поверхности линзы (поскольку для увеличения относительного отверстия требуется уменьшение радиусов кривизны), при этом растет как толщина силовой части линзы, так и глубина рельефа коррекционной поверхности. Кроме того, линза имеет большие полевые аберрации, большую сферохроматическую аберрацию.

Поэтому для оптики актуальным является создание новых конструкций и устройств светосильных оптических систем, имеющих минимальное число компонентов и при этом имеющих высокую коррекцию полевых и хроматических аберраций.

Технический результат изобретения - увеличение относительного отверстия линзы, высокая коррекция сферической, хроматической аберраций и малая толщина линзы по оси.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в линзе с коррекцией аберраций, имеющей аксиально симметричную форму и коррекционную поверхность, причем коррекционная поверхность является внутренней границей соединения двух стекол с разными показателями преломления и рассчитана из условия получения безаберрационного пятна фокусировки параллельного пучка излучения, коррекционная поверхность выполнена волнообразной, а стекла имеют разные коэффициенты дисперсии.

Выполнение коррекционной поверхности волнообразной, рассчитанной из условия получения безаберрационного пятна фокусировки параллельного пучка излучения, при условии разных коэффициентов дисперсии и показателей преломления стекол, составляющих линзу, обеспечивает высокую коррекцию сферической и хроматической аберраций. Использование волнообразной коррекционно-силовой поверхности позволяет повысить также относительное отверстие линзы и уменьшить ее толщину по оси.

На фиг. 1 представлена оптическая схема линзы, где 1 - первое стекло, 2 - граница соединения стекол, 3 - второе стекло, h_i, r_i - координаты коррекционной поверхности, tk - толщина первого стекла на оси, tlo - толщина второго стекла на оси, rl_i - высота падения i-луча на выходную поверхность линзы, Ω_i - величина угла между преломленным на поверхности линзы i-м лучом и осью, R - радиус кривизны линзы.

На фиг. 2 приведены профили волнообразных коррекционно-силовых поверхностей для фокусировки излучения в разные точки на оси, находящихся от вершины линзы на расстоянии S_k = So+(F'-So)K, где коэффициент K изменяется от 0 до 1 с шагом 0,1 для кривых 0...10, F' - точка параксиального фокуса линзы с радиусом кривизны R без коррекционной поверхности, So - точка пересечения с осью лучей, прошедших через край этой же линзы.

На фиг. 3 приведены сравнительные данные величин хроматических аберраций для трех видов поверхностей (1 - K=1, 2 - K=0,48, 3 - K=0) и для нескольких длин волн: а - 405, б - 706,5 и 0 - 546 нм.

Профили коррекционных поверхностей h(r) для получения безаберрационного пучка лучей, формируемого осесимметричной линзой из двух стекол с показателями преломления n и (n + Δ n) и внутренней границей соединения этих стекол рассчитаны при использовании законов геометрической оптики, в частности принципа Ферма. Параллельный пучок лучей, падая на входную поверхность линзы, а затем на коррекционно-силовую граничную поверхность двух стекол, фокусируется в заданной точке на оси S_k. Точка S_k выбирается между точкой параксиального фокуса F' некорригированной линзы из стекла с показателем преломления n и точкой So пересечения с осью лучей, прошедших через край этой же линзы из стекла с показателем преломления n без коррекционной поверхности. Как известно, из-за наличия сферической аберрации в некорригированной линзе крайние лучи пересекут оптическую ось в точке, расположенной ближе к вершине линзы, а осевые лучи пересекут оптическую ось в точке параксиального фокуса, т.е. на более удаленном от вершины линзы расстоянии. Для того чтобы получить безаберрационную фокусировку излучения в точку, расположенную между этими двумя крайними точками пересечения оси широким пучком лучей, прошедшего через светосильную линзу без коррекционной поверхности, вводится волнообразная коррекционная поверхность. Стигматичное изображение получается при условии равенства оптических путей всех i-х лучей до точки фокусировки:

где k - номер среды, через которую проходит луч, t_k - толщина среды, n_k - ее показатель преломления, индекс "o" - соответствует осевому лучу, индекс "i" - любому внеосевому лучу.

Выполнение этого условия обеспечивает коррекционная поверхность, являющаяся границей соединения двух стекол с показателями преломления первого стекла n (показатель преломления исходной некорригированной линзы) и (n + Δ n) (показатель преломления второго стекла, обеспечивающего требуемую глубину рельефа волнообразной поверхности). Окончательное выражение для определения профиля коррекционно-силовой поверхности для плоско-выпуклой линзы в случае, если плоский фронт светового излучения падает на плоскую поверхность линзы, имеет вид:

r_i = rl_i+ [h_i+ (tlo-dt_i)]tgΩ_i , (3)

где h_i, r_i - координаты коррекционной поверхности ( h_i = z_i, x_i и y_i - координаты поверхности в декартовой системе координат), tk - толщина первого стекла на оси, tlo - толщина второго стекла на оси, dt_i - стрелка прогиба сферической поверхности линзы для высоты rl_i падения i-луча, Ω_i- величина угла между преломленным на поверхности линзы лучом и осью, dt_i и Ω_i рассчитываются по известным формулам геометрической оптики и здесь не приводятся (см. фиг. 1).

На фиг. 2 приведено семейство профилей коррекционных поверхностей h(r) для получения фокусировки излучения в геометрическую точку на оси, находящуюся от вершины линзы на расстоянии S_k = So+(F'-So)K. Профили имеют волнообразный характер и различную амплитуду волны, т.е. различную оптическую силу для точек фокусировки, отстоящих от оси на различное расстояние, при этом увеличение светосилы достигается за счет оптической силы коррекционной поверхности. Графики приведены для линзы из стекла К8 с радиусом кривизны 25,82 мм, толщиной 5,56 мм. Для расчета коррекционной поверхности использовалось второе стекло с показателем преломления (n_e + Δ n_e) = 1,5183+0,2623.

Из этих же графиков следует, что существует минимальная глубина рельефа коррекционной поверхности, она соответствует K = 0,4...0,6. Это позволяет выбирать оптимальные по характеристикам профили коррекционной поверхности.

Таким образом, используя в линзе различные профили волнообразной поверхности, можно осуществлять безаберрационную фокусировку излучения в различные точки на оси. Расчеты показали, что при заданном относительном отверстии, изменяя коэффициент K (т.е. глубину рельефа волнообразной поверхности), радиус кривизны линзы, подбирая пары составляющих стекол по коэффициентам дисперсии, можно достигать высокой коррекции хроматической аберрации. Как видно из графиков, приведенных на фиг. 3, величина хроматических аберраций зависит от вида коррекционной поверхности, и для волнообразной поверхности с минимальной глубиной рельефа (K = 0,4 - 0,6) они минимальны для широкого спектрального диапазона. Расчеты также показали, что для выбранных стекол существует оптимальный радиус кривизны линзы, при котором толщина линзы с внутренней волнообразной коррекционной поверхностью минимальна при заданном относительном отверстии.

Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь таких результатов, к тому же вообще неизвестно применение для коррекции сферической и хроматической аберраций коррекционных волнообразных внутренних поверхностей ни в каких оптических системах ни в нашей стране, ни за рубежом.

Разработанная конструкция линзы имеет еще одно свойство: оказывается возможным получать пятна фокусировки, близкие к дифракционному на длине волны, отличающейся от расчетной, не изменяя профиля коррекционной поверхности, а лишь корректируя радиус кривизны выпуклой поверхности линзы. Так, например, рассчитанная нами линза с волнообразной коррекционной поверхностью имела радиус кривизны 15,346 мм для работы в видимой области спектра (полная коррекция аберрации осуществлялась для длины волны 0,546 мкм). Фокусное расстояние такой линзы было 25,85 мм. Изменение радиуса кривизны линзы на 15,136 мм позволило получить пятно фокусировки, близкое к дифракционному, на длине волны 1,06 мкм. Фокусное расстояние при этом стало 25,55 мм, т.е. светосила линзы практически не изменилась.

Предложенная линза была реализована при создании однокомпонентных объективов для ввода лазерного излучения в волокно. Была изготовлена партия линз, рассчитанных на работу в широком спектральном диапазоне (видимая и ближняя ИК-область). Внешние поверхности линз изготавливались по традиционной технологии. Внутренняя волнообразная поверхность изготавливалась методом спекания и горячего формообразования, разработанного на предприятии НИИКИ ОЭП.

Линза с радиусом кривизны R = 15,136 мм предназначалась для ввода в волокно лазерного излучения длиной волны 1,06 мкм и 1,34 мкм. Профиль коррекционной поверхности был рассчитан по формулам (2)-(4) для рабочей длины волны 1,06 мкм и точки фокусировки, расположенной между точкой параксиального фокуса и точкой фокусировки крайних лучей (K = 0,48) некорригированной линзы. Пятно фокусировки на длине волны 1,06 мкм изготовленной линзы составляло 5 мкм, на длине волны 1,34 мкм - около 20 мкм, на длине волны 0,63 мкм измеренное пятно было близко к расчетному - несколько мкм. Таким образом, линза имела малые хроматические аберрации в широком спектральном диапазоне.

Линза с радиусом кривизны 15,346 мм и с профилем коррекционной поверхности таким же, как в предыдущем случае, была испытана в мощной лазерной установке при вводе излучения с длиной волны 1,06 мкм в световод диаметром 100 мкм. В режиме генерации серии импульсов с модулированной добротностью средняя мощность излучения была 4,5 Вт, импульсная мощность ~ 250 кВт. Из-за малой толщины и высокой коррекции сферической аберрации линза позволяла вводить излучение с малыми потерями, кроме того, линза оказалась удобной в использовании, не была критична к угловым разъюстировкам. Изготовленные линзы имели апертурный угол 0,27 при световом диаметре 14 мм, толщину по оси 3 мм.

Прототип не позволяет достичь такого результата.

Из вышесказанного следует, что изобретение имеет преимущества перед прототипом. Предложенная линза, в отличие от прототипа, позволяет получать большие относительные отверстия, при хорошей компенсации сферической и хроматической аберраций и малой толщине на оптической оси. Именно из-за наличия волнообразной поверхности становится возможным увеличить светосилу линзы, уменьшить ее толщину на оси, используя при этом наиболее подходящие по разнице показателей преломления стекла. Также наличие волнообразной поверхности в совокупности с использованием стекол с различными коэффициентами дисперсии позволяет управлять величиной и знаком хроматических аберраций линзы.

Заявляемая линза имеет широкие возможности для организации серийного производства, не требует особых материалов, легко позволяет перейти на автоматизированные линии изготовления.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что применение такой линзы в оптическом производстве перспективно в экономическом и научном плане.

Линза имеет аксиально симметричную форму и коррекционную поверхность. Коррекционная поверхность является внутренней границей соединения двух стекол с разными показателями преломления и рассчитана из условия получения безаберрационного пятна фокусировки параллельного пучка излучения. Коррекционная поверхность выполнена волнообразной, а стекла имеют разные коэффициенты дисперсии. Обеспечивается увеличение относительного отверстия линзы, высокая коррекция сферической и хроматической аберраций и малая толщина линзы по оси. 3 ил.

Линза с коррекцией аберраций, имеющая аксиально симметричную форму и коррекционную поверхность, причем коррекционная поверхность является внутренней границей соединения двух стекол с разными показателями преломления и рассчитана из условия получения безаберрационного пятна фокусировки параллельного пучка излучения, отличающаяся тем, что коррекционная поверхность выполнена волнообразной, а стекла имеют разные коэффициенты дисперсии.