Градиентная линза Советский патент 1987 года по МПК G02B6/00 

1Г

Изобретение относится к градиентной оптике и может быть использовано для создания анаберрационных оптических систем различного назначе ния, например конденсоров, объективов для интерферометров, микроскопов, коллиматоров и т.д.

Цель изобретения - повьшение качества изображения путем устранения сферической аберрации на оси для бесконечно удаленной точки при использовании различных типов поверхностей.

В предлагаемой линзе гомоцентрический пучок лучей, вькодящих из осевой точки после преломления на вьтуклой поверхности вращения,превращается в параллельный пучок и внутри неоднородной среды, образующе материал линзы, идет параллельно оптической оси в направлении градиента .

Пусть образующая функции y(Z) преломляющей поверхности вращения выходит- из начала координат. Тогда,исходя из принципа Ферма о постоянстве длины оптического пути

.. г30

Г(г - а) + y(Z) Jn(Z)dZ-a,n(Z)

Распред ления

где а - передний отрезок, можно получить условие на закон распределения показателя преломления п вдоль оси Z I

n(Z) --

(Z) . y(Z) + (7- - a)

(Z - aji + y (Z)

Ha фиг. 1 изображена плосковьЕпук- лая градиентная линза со сферической выпуклой поверхностью, на фиг. 2 - градиентная линза с поверхностью в виде усеченного конуса.

Изображенная на фиг. 1 г радиент- ная линза 1 имеет первую выпуклую сферическую поверхность 2 с кривизной /, и вторую плоскую поверхность 3, ограничивающие линзу.Материал линзы имеет неоднородный показатель преломления с осевым градиентом.Линза строит бесконечно удаленное анаберрационное изображение расположенной на оси точки Р.

Изображенная на фиг. 2 градиентная линза 1 имеет первую поверхность 2 (коническую) и вторую плоскую поверхность 3. Материал линзы также имеет неоднородный показатель

1

преломления с осевым градиентом. Линза строит бесконечно удаленное анаберрационное изображение расположенной на оси точки L, причем плоская часть усеченного конуса закрыта непрозрачным экраном 4, сделанным например, из тонкого картона и при- клееным к плоской части конуса.Линза строит бесконечно удаленное анаберрационное изображение расположенной на оси точки L, при этом в построении изображения участвует часть конуса на участке AZ 7,р - Z, на котором создан необходимый перепад показателя преломления.

Рассмотрим некоторые типы образующих функций y(Z) и соответствую- щих им поверхностей.

Поверхность - сферическая радиуса R. Образующая имеет вид

y(Z)

R - (Z - R)

25

Производная

(Z)

R - Z

J (Z - R)

n(Z)

Распределение показателя ления

R - а

I2(R - а) Z + а

и R -а (п о - 1),

где Пф п(0).

Рассмотрим численные оценки.При По 1,491 полиметилметакрилат типа ПММА на D-линии с А 589,3 нм и R 20 мм

-а

R

20

По - 1

1,491 - 1

40,73 мм

Распределение имеет вид

n(Z)

60,73

121,46 Z +1658,93

При Z 2,02 мм, п 1,391 величина перепада Uп 0,1, что практически достижимо для длины порядка 10 мм, при этом высота у 8,75 мм.

Поверхность - параболическая с радиусом кривизны при вершине Rg

22 y(Z)

и образующей - 7вида

где b - константа.

Производная

у 2-гг.VZ-

Распределение показателя преломления

Z RO -а

n(Z)

-a)i

О

R о- а

-а

По

и RO -а (п„ - 1).

Рассмотрим численные оценки.При ПС 1,491, b 0,025 20 мм:

-I

и RO

R,

20

- 1

1,491 - 1

40,73 мм

Распределение имеет вид

n(Z)

Z + 60.73

r(Z + 40,737 + 40 Z

При Z 4,05 мм; у 12,8 мм; п 1,391, а величина перепада п 0,1. Отсюда видно,что использование асферической (параболической) поверхности позволяет обойтись меньшим градиентом показателя преломления и при этом достичь большей числовой апертуры.

Представляет интерес для рассмотрения коническая поверхность с обра- зующер y(Z) bZ. Производная у (Z) b

Распределение показателя преломления

-а

Очевидно,что практически это неприемлемо. Найдем

J

1im п(Z) 1im i

-;- (b +1) Z - а b

1

Z о- Y /U-a) + Z,

VF

+ 1

Ви/1но,чт(1 можно подобрать величи- ну Ь такую,ч го n(Z) при Z боль

5

5

0

5

0

5

0

5

ших, чем некоторое значение 7 , Пу- дет принимать реально постижимые пнл- чения. Так, при о 1,25 1,118 получим,что п (°°} 1,5. При этом на расстоянии Z| 0,79 /-а/ получается,что nCZf) 1,391, а при Zj 4,05 - l-aJ n(Zi) 1,491. Поэтому, в данном случае, изображение должна создавать часть поверхности конуса на отрезке Д Z Z2 - Z/, для которого реально можно создать перепад показателя преломления Дп, а часть поверхности до ZY не должна участвовать в создании изображения и ее необходимо, например, закрыть непрозрачным экраном.Численно,при -а 3,06 мм Д7 10ммиД.п 0,1.

Таким образом, проведенное рассмотрение показывает,что для конкретных видов образующих функций y(Z) существуют осевые распределения показателя преломления n(Z), приводящие к образованию анаберрационной системы для точки на оси в виде плосковыпуклой линзы. Составив комбинацию из двух таких анаберрационных систем, образующих двояковыпуклую линзу, можно получить анаберрационную систему для точки на оси на конечном расстоянии .

Требуемое осевое распределение показателя преломления может быть создано одним из известных методов. Например, для полимеров может быть приложен метод управляемой полимеризации в процесс диффузии. Сначала на первом этапе процесса полимеризации изготовляется гель-матрица в виде таблетки. Затем таблетка необходимой толщины помещается в стеклянную трубку такого же диаметра, в которую с одной стороны заливают второй компонент полирующейся смеси. Вся система термостатируется и может помещаться в одно из плеч интерферометра типа Маха-Цендера. За изменением показателя преломления можно наблюдать визуально по изменению интерференционной картины.

Возможен также рассмотренный выше вариант изготовления, использующий решение обратной задачи, для готовой таблетки с известным распределением n(Z) аналитическим или численным интегрированием находят вид образующей функции y(Z). Затем поверхность таблетки uuind-.-mr и полируют до получения рассчитанного профиля поверхности.в результате получают градиентную линзу, строяшую анаберрационное изображение точки в бесконечности.

Предлагаемая линза создает ана- Оеррационное изображение точки на оси в бесконечности;может иметь выпуклую поверхность любого типа; при условии создания значительного по величине перепада показателя преломления может обеспечить большую числовую апертуру.

Ф мула изобретения

1. Градиентная линза, ограниченная первой и второй преломляющими поверхностями вращения с кривизной при вершинах /, и Д соответственно, выполненнаяиз материала,имеющего осевой градиент показателя преломления, отличающаяся тем,что,с целью повышения качества передачи изображения путем устранения сферической аберрации на оси для бесконечно удаленной точки при использовании различных типов поверхностей, вторая поверхность выполнена плоской с кривизной Pi О, а показатель преломления материала линзы n(Z) связан с формой образующей кривой первой прверхности y(Z) соотношением

n(Z)

у (Z).y(Z) + (Z - а)

VCZ - а)

y4Z)

где

а - передний отрезок;

Z - координата вдоль оптической

оси линзы;

у (Z)-первая производная от y(Z). 2. Линза по п. 1, отличающаяся тем,что первая поверхность выбрана сферической с радиусом кривиз ны R 1 // и образующей вида

-, Z - R)- , показатель пыбран из условия R - а

J2 (R - а) Z + а

где

а

п.

R

1 - По

- показатель преломления мачг

териала у вершины первой поверхности линзы. 3. Линза по п. 1,отличающая с я тем,что первая поверхность выполнена параболической с радиусом кривизны при вершине

1 1 f 2b

RO

где b - константа, и образующей вида

И ГГ

y(z)

показатель преломления n(Z) выбран из условия

n(Z)

Z + RO М (Z - аР + Z/b

где а

п,

1 - По

- показатель преломления материала у вершины первой поверхности линзы. 4. Линза по п. 1, отличающаяся тем,что первая поверхность вьшолнена усеченной конической с образующей вида y(Z) bZ,гдe b - константа,малое основание конуса с координатой Z вьтолнено непрозрачным, показатель преломления при Z Z выбран из условия

Ь + 1) Z - а

n(Z)

а при Z

VTZ - а)- + Z)f из условия

1 nCZ,) V b + 1

Составитель Н.Александров Редактор Н.Киштулинец Техред В.КадарКорректор А.Обручар

Заказ 4129/46

книнпм г Подписное

ЬНИИНИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, улГпроёктная, 4

фие.2

Изобретение может быть использовано для создания анаберрационных оптических систем и позволяет повысить качество передачи изображения путем устранения сферической аберрации на оси для бесконечно удаленной точки при использовании различных типов поверхностей. Градиентная линза 1 ограничена криволинейной 2 и плоской 3 поверхностями.Показатель преломления материала линзы связан определенным соотношением с формой образующей криволинейной поверхности 2. Выходящий из осевой точки Р гомоцентрический пучок лучей преобразуется в линзе 1 в параллельный оптической оси пучок, распространяющийся в направлении градиента.Линза 1 строит бесконечно удаленное ана- беррационное изображение точки Р. Поверхность может быть вьшолнена сферической, конической или параболической. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. (О (Л СО 00 00 а: gjusi