Градиентный однолинзовый микрообъектив Советский патент 1992 года по МПК G02B3/00 

J

(21)4840867/10

(22)29.05.90

(46) 30.08.92. Бюл. № 32

(71)Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э.Баумана

(72)В.И.Казаков, Т.С.Ровенская и Г.А.Точкина

(56)Патент CLIA Р 4643535, кл. G 02 В 3/00, 1987.

(54) ГРАДИЕНТНЫЙ ОДНОЛИНЗОВНЙ ШКРО- ОБЪЕКТИБ

(57)Использование: в оптических системах, работающих с источниками монохроматического излучения, имеющих большие углы расходимости и излучающую площадку малого размера. Сущность изобретения заключается в том,

что в объективе выпукло-плоская линза выполнена из материала с распределением показателя преломления п(г)

вида п(г) п0 +

п,г ,

при этом параметры линзы и материала выбраны из соотношений: 0,7.d/Re- 1,7;

1,56 ,0; 0,13 /поП1 fY./A/ S:0,18, где d - осевая толпина линзы: R - радиус КРИВИЗНЕ г выпуклой поверхности линзы; п- - показатель преломления материала на оптической оси линзы; гц - коэффициент; г - радиус, определяющий положение точки внутри линзы относительно оптической оси; f фокусное расстояние линзы; NA - числовая апертура. 6 ил,, 3 табл.

Ё

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может использоваться в оптических системах, работающих с источниками монохроматического излучения, имеющих большие углы расходимости и излучающую площадку малого размера, преимущественно для целей коллимации.

Известен однолинзовый микрообъек- тив, представляющий собой илосковы- пуклую линзу из градиентного материала с радиальным распределением показателя преломления вида

п(г) п0 + п,г2 + пгг + п3ге +

ПИ Г

8

в котором плоская поверхность обра-i

щека к параллельному пучку лучей 4s 4

В данном уравнении п(г) - функцияСЛ

показателя преломления; п0 - показа-00

тель преломления основного материала; &

п4п - постоянные коэфЛн р-гснты поли-if

нома; г - радиус-вектор, определяющийif

положение точки внутри линзы относиiтельно оси градиента. Качество коррек-|Ч

ции известных решений охарактеризова- но в области аберраций третьего порядка. При этом, используя градиентный материал с функцией показателя преломления вида

(1)

п (г) п0 + п, г2

или

n(r) n0 +

+ п„г

IV

дистигастся числовая апертура NA в диапазоне от 0,2 до 0,3, а повышение числовой апертуры до 0,5 обеспечивается путем использования градиентного материала с функцией показателя преломления вида:

п(г)

+ п.г2 + п„гп

п,г

+ п4г2 .

при этом, максимальный диаметр кружка рассеяния, определяемой сферической аберрацией, составляет около 10 мкм. Увеличение числовой апертуры до значения 0,5 связано с необходимостью обеспечения соответствия расчетного и nonv4eHnoro профиля показателя преломления до четвертого коэффициента полинома.

Под числовой апертурой NA здесь и далее понимается отношение половины диаметра осевого пучка к заднему фокусному расстоянию микрообъектива.

Известен также однолиьзовый градиентный микрообъсктив, линза которого в общем случае ограничена двумя сферическими радиусами и изготовлена из градиентного материала с радиальным распределением показателя преломления вида:

п(г) п0 + п, г2 + п2г

Линза обеспечивает NA порядка 0,3... 0,45, что по значению выше в сравнении с решением при одинаковом количестве коэффициентов в функции показателя преломления и одинаковой степени коррекции в области аберраций третьего порядка ,

К его недостаткам следует отнести

-наличие двух сферических поверхностей, что усложняет изготовление градиентной линзы, т к. необходимо совмещение оси градиента с двумя вершинными центрами линзы;

-ограничение числовой апертуры до максимального значения 0,45, что для некоторых типов современных истоников является недостаточными

Известен градиентный однолинзовый микрообъектив, содержащий выпуклопло кую линзу из материала с радиальным распределением показателя преломления.

Недостатком этого объектива является невысокий световой диаметр и числовая апертура, а также сложность технологии его изготовления.

Целью изобретения является повышение числовой апертуры и упрощение

технологии изготовления„

Поставленная цель достигается тем,

что в градиентном однолинзовом мик- рообъективе, содержащем выпукло-плоскую линзу из материала с радиальным распределением показателя преломле-

ния, линза выполнена из материала с распределением показателя преломления п(г) вида:

п(г) п0 + , при этом параметры линзы и материала

5 выбраны из соотношений: d

0,7 Ј5

1,5 п,

ь1,7

6 2,0

0

0,13 5: (n0n,. f , NA) 0,18

5

0

П0

п

г .1

0

5

где d - осевая толщина линзы;

R - радиус кривизны выпуклой поверхности линзы; показатель преломления материала на оптической оси линзы, коэффициент;

радиус, определяющий положение точки внутри линзы относительно оптической оси; f - Локусное расстояние микрообъ-

ектива;

NA - числовая апертура. На фиг. 1 представлена оптическая схема микрообъектива; на фиг. 2 и 3 - 5 вид функции распределения показателя преломления для вариантов 3 и 7; на фиг. 4-6 - графики, сферической аберрации и отступления от условия синусов для вариантов 3, 6 и 8, соответственно.

При этом, использованы следующие обозначения:

5

0

R П d f г

dn выпуклый радиус плосковыпук- лой линзы;

диаметр осевого сколлимиро- ванного пучка лучей; осевая толщина линзы; фокусное оасстояние микрообъ- ектива;

радиус-вектор, определяющий поло, епне точки внутри линзы относительно оптической оси линзы, совмещенной с осью градиента;

разность между значением показателя преломления в точке спелы и значением показателя преломления основного материала „

51758622

Микрообъектив (фиг. 1), состоящий

из градиентной шюсковыпуклой линзы с функцией распределения показателя преломления вида

п(г)

пл + п, г2

о Ч

предназначен для работы с источниками монохроматического излучения, имеющими большие углы расходимости и излучающую площадку малого размера преимущественно, в качестве коллиматора, либо в качестве изображающего устройства при малом угловом поле и обеспечивает максимальную числовую апертуру 0,65, Максимально достижимая числовая апертура для данного набора коррекционных параметров, определяется в зависимости от -выбора п0 и в диапазоне п0 от 1,45 до 2,0 изменяется от 0,3 до 0,65.

В табл. 1-3 использованы следующи обозначения:

R - радиус линзы; толщина линзы;

показатель преломления на оси линзы;

заднее фокусное расстояние микрообъектива; числовая апертура; разность между значениями показателя преломления на краю линзы и показателем преломления на оси градиента

d - n f NAdN

dN

su|dy l

|ds|m, HU Кома

ля углового поля 200 А град. В nen( Л/2 - п0;

коэффициенты аберраций третьего порядка сферической аберрации и комы, соответственно;

- максимальное значение взятой по модулю сферической аберрации, в мкм;

I

максимальное, по модулю, отступление от условия синусов и изопланазии, соответственно;

максимальное значение комы

Г0 В вариантах

коэффициент условия связи; половина светового диаметра линзы, 1, 3, 4, 6, 7, 8 величина rQ превышает зафиксированное в известном решении максимальное значение г0 1,5 мм.

o

5

0

Достижение такой ноли клк повышение числовой апертуры одногремеино с упрощением технологии изготовления микрообъектива наглядно иллюстрируется в табл. 3, в которой приведены характеристики варианта известного микрообъектива, (столбец 3) и варианта микрообъектива по изобретению (N.4, табл. 1 и 2).

Градиентный однолинзовый микрообъ - ектив, содержащий выпукло-плоскую линзу, из материала с радиальным распределением показателя преломления, отличающийся теп, что, с целью повышения числовой апертуры я упрощения технологии изготовления, линза выполнена из материала с распределением показателя преломления п(г) вида г п(г)

п,

n(ri

при этом параметры линзы и материалл выбраны из соотнолений

5

S

R

0,7

1,5 Ј n 0,135:

Ј 1,7

o 20

/n0n,f NA/

0,18

где

d R

-осевая толщина линзы}

-радиус кривизны выпуклой поверхности линзы;

nQ - показатель преломления материала на оптической оси линзы;

п1 - коэффициент;

г - радиус, определяющий положение точки внутри линзы относительно оптической оси;

f - фокусное расстояние линзы;

NA - числовая апертура.

Формула изобретения

Градиентный олнолинзовый микрообъ- ектив, содержащий выпуклоплоскую линзу из материала с радиальным распределением покзателя преломления, о т- личающийся тем, что, с целью повышения числовой апертуры и упрощения технологии изготовления, линза выполнена из материала с распределением показателя преломления n (г) вида

п(г)

п0 + п/г

55

при этом параметры линзы и материала выбраны из соотношений

0,7. -1,7;

1,5 n0 Ј2,0;

0,13 /nen,(f1)NA/ 0,18, где d - осевая толпшна линзы;

R - радиус кривизны выпуклой

поверхности линзы; п0 - показатель преломления материала на оптической оси линзы;

Конструктивные параметры вариантов микрообъективов

Результаты аберрационного расчета микрообъективов

Вариант микро объектива

Прототип /3/ ,Предлагаемый

- коэффициент;

- радиус, определяющий положение точки внутри линзы относительно оптической оси;

- фокусное расстояние микрообъектива;

- числовая апертура

Таблица 1

Таблица 2

Т а б

w/

0.03

О.СЈ

QO/

т-Л

Фиг 4

&Ц 10

-з

Фиг. S

о.оз

о о г

dS -10

-3

alS tf

-Ј

s

У °

-J

Фиг. 6

Составитель В.Архипов Редактор И.Сегляник Техред МЛ1оргентал Корректор А. Ворович

Заказ 3000

Тираж

ВНИИПИ Гос.уларс гпсмшого комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Моекиа, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производсгьошк -иидательский комбинат Патент, г.Ужгород,, ул. Гагарина,101

№ с

-5

Подписное