Способ определения сферической аберрации объективов и линз
METHOD OF DETERMINATION OF SPHERICAL ABERRATION OF OBJECTIVES AND LENSES

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения сферической аберрации объективов и линз, в том числе при разработке и исследовании систем, фокусирующих инфракрасное излучение.
Известен способ измерения аберраций оптических систем (патент РФ №2077809, МПК G01M 11/02, опубликованный 20.04.1997), заключающийся в том, что путем диафрагмирования выделяют из пучков лучей, проходящих через контролируемую оптическую систему, узкие пучки, регистрируют изображение, сформированное узкими пучками лучей, измеряют смещения элементов этого изображения и преобразуют смещения элементов изображения в характеристики аберраций, на контролируемую оптическую систему направляют излучение от протяженного неоднородного объекта, регистрируют также сформированное недиафрагмированными пучками лучей изображение, диафрагмирование пучков лучей производят с помощью экрана с отверстием, устанавливаемого в плоскость, в которой диаметр сечения каждого из пучков лучей, формирующих изображения точек объекта, не превышает ширины зоны изопланатизма, а смещения элементов изображения, сформированного узкими пучками лучей, оценивают относительно этих же элементов в изображении, сформированном недиафрагмированными пучками лучей.
Недостатками этого способа являются низкая точность определения характеристик аберрации, обусловленная необходимостью формирования пучков лучей заданного диаметра, не превышающего ширины зоны изопланатизма, а также техническая сложность использования данного способа для определения характеристик аберраций для объективов и линз, работающих в инфракрасной области спектра.
Известен способ исследования аберраций объективов и линз (заявка РФ №99116918, МПК G03H 1/00, опубликованная 07.10.2001), заключающийся в том, что исследуемый объектив или линзу освещают квазимонохроматическим источником, обладающим малыми угловыми размерами, диафрагмируют объектив или линзу непрозрачным экраном с двумя отверстиями, диаметры которых существенно меньше диаметра объектива или линзы, и анализируют интерферограммы, которые получают в плоскости изображения источника при различных положениях отверстий в экране, анализируемые интерферограммы получают на изображениях, восстановленных двукратно экспонированными голограммами, зарегистрированными в плоскости изображения источника при двух различных положениях отверстий в непрозрачном экране.
Недостатками данного способа являются высокая сложность, обусловленная необходимостью анализа интерферограмм, и невозможность применения данного способа для определения аберраций объективов и линз, работающих в инфракрасной области спектра.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения коэффициентов сферической аберрации (патент РФ №992295712, МПК G01M 11/02, 20.03.2007), заключающийся в том, что исследуемую оптическую систему, содержащую одну или несколько линз и диафрагму, освещают квазимонохроматическим источником, обладающим малыми угловыми размерами и размещенным на заданном расстоянии от оптико-электронного датчика, ориентируют оптико-электронный датчик таким образом, чтобы квазимонохроматический источник занимал центральное положение в кадре, устанавливают радиус диафрагмы в два или более заданных значения, измеряют радиусы кружков рассеяния при различных значениях радиусов диафрагмы и определяют коэффициенты сферической аберрации оптической системы оптико-электронного датчика.
Недостатками данного способа являются невозможность определения сферической аберрации объективов и линз, работающих в инфракрасной области спектра, в связи с ограниченной спектральной чувствительностью оптико-электронного датчика, а также на точность определения коэффициентов сферической аберрации оказывают влияние дифракционные эффекты от диафрагм.
Техническая задача - повышение точности и снижение сложности определения сферической аберрации объективов и линз, в том числе при разработке и исследовании систем, фокусирующих инфракрасное излучение, при этом сохраняя скорость определения сферической аберрации.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что исследуемую оптическую систему освещают широким плоскопараллельным пучком лазерного излучения с известной длиной волны λ, затем сфокусированное излучение пропускают через плоскопараллельную пластинку одноосного нелинейного кристалла, например ниобата лития, установленную в плоскости изображения, при этом излучение в плоскопараллельной пластинке одноосного нелинейного кристалла преобразуется по частоте в более коротковолновое излучение с длиной волны λ/2, после чего это излучение передают на оптико-электронный датчик, который устанавливают в двух или более заданных значениях расстояния от выходной грани плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла, измеряют радиусы полученных кружков рассеяния при различных значениях расстояний между оптико-электронным датчиком и выходной гранью плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла и определяют сферическую аберрацию оптической системы.
Сферическая аберрация является одним из видов монохроматических аберраций и вызывает нарушение гомоцентричности пучков лучей, прошедших через оптическую систему при сохранении их симметрии относительно оптической оси.
Наличие сферической аберрации в системе приводит к тому, что вместо резкого изображения точки в плоскости изображения получается кружок рассеяния.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), где приведена схема, поясняющая процесс определения сферической аберрации объективов и линз. Исследуемая оптическая система (фиг. 1, 1) состоит из одной или нескольких линз.
Сферическая аберрация подразделяется на поперечную у, равную радиусу кружка рассеяния, и продольную g, которые связаны между собой уравнением:
/
где σ - угол, образованный лучом MS, идущим от края выходного зрачка исследуемой оптической системы, и оптической осью ОО.
i
i
Определение сферической аберрации оптических систем в инфракрасной области спектра световых волн затруднено тем, что в плоскости изображения кружок рассеяния невидим для человеческого глаза и накладывает дополнительные условия к использованию оптико-электронного датчика по его спектральной чувствительности. Поэтому в плоскости изображения лазерного пучка размещают плоскопараллельную пластинку одноосного нелинейного кристалла, например из ниобата лития (фиг. 1, 3), в котором излучение (фиг. 1, 2) преобразуется по частоте в более коротковолновое излучение с длиной волны λ/2. При этом на заданном расстоянии от выходной грани плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла (фиг. 1, 3) размещают оптико-электронный датчик (фиг. 1, 4), измеряют радиус r (i=1, 2) кружка рассеяния преобразованного по частоте излучения при заданных значениях расстояния L (i=1, 2) от выходной грани плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла (фиг. 1, 3) до оптико-электронного датчика.
Для определения сферической аберрации составляют систему уравнений:
/
/
(из подобия треугольников ABC и АВС),
(из треугольника ABC),
(закон преломления на границе раздела сред воздух - плоскопараллельная пластинка), (2)
(закон преломления на границе раздела сред плоскопараллельная пластинка - воздух),
(из треугольника DAE),
,
*
1
2
а
где у - радиус кружка рассеяния на выходе излучения с длиной волны λ/2 из плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла, n - показатель преломления одноосного нелинейного кристалла, из которого изготовлена плоскопараллельная пластинка, для лазерного излучения обыкновенной поляризации с длиной волны λ, n - показатель преломления одноосного нелинейного кристалла, из которого изготовлена плоскопараллельная пластинка, для лазерного излучения обыкновенной поляризации с длиной волны λ/2,  - толщина плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла.
Из системы уравнений (2) получаем:
а
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
Для определения величины продольной g и поперечной у сферических аберраций исследуемую оптическую систему освещают широким плоскопараллельным пучком лазерного излучения с известной длиной волны λ, в плоскости изображения устанавливают плоскопараллельную пластинку одноосного нелинейного кристалла толщиной  с известными значениями показателей преломления n и n, устанавливают оптико-электронный датчик на заданном расстоянии L от выходной грани плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла, измеряют радиус r кружка рассеяния преобразованного по частоте излучения в плоскости оптико-электронного датчика, устанавливают оптико-электронный датчик от выходной грани плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла на заданном расстоянии L и измеряют радиус r кружка рассеяния преобразованного по частоте излучения в плоскости оптико-электронного датчика, подставляют полученные значения r, r, L, L в (3), (4) и определяют g и у, после чего делают вывод о соответствии параметров объектива или линзы техническим требованиям и возможности его использования в той или иной оптической системе.
Изобретение может быть использовано для контроля качества изображения широкого класса оптических систем как при их изготовлении, так и при их эксплуатации и соответствует критерию «промышленная применимость».
i
i
Преимуществом изобретения является то, что в отличие от традиционных подходов, требующих для определения сферической аберрации подбора спектральной чувствительности оптико-электронного датчика, знания геометрических (уравнений поверхностей линз или в простейшем случае радиусов кривизны) и оптических (показателей преломления материала линз и др.) параметров объективов и линз, которые в ряде случаев могут быть неизвестны, изобретение позволяет определять величину сферической аберрации объективов и линз, зная только геометрические и оптические параметры (толщина плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла, показатели преломления одноосного нелинейного кристалла, из которого изготовлена плоскопараллельная пластинка) плоскопараллельной пластики одноосного нелинейного кристалла, радиус r кружка рассеяния преобразованного по частоте излучения и расстояние L от выходной грани плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла до оптико-электронного датчика.
Плоскопараллельная пластинка одноосного нелинейного кристалла может изготавливаться не только из кристалла ниобата лития, но и из других одноосных кристаллов, часть из которых приведена в таблице 1. Выбор материала плоскопараллельной пластинки зависит от длины волны лазерного излучения λ, которым освещается исследуемая оптическая система. В плоскопараллельной пластинке одноосного нелинейного кристалла излучение преобразуется по частоте в более коротковолновое излучение с длиной волны λ/2, которое регистрируют оптико-электронным датчиком.
i
i
1i
2i
Точность определения продольной g и поперечной у сферических аберраций повышается путем определения значений g, y и их усреднения при различных значениях расстояния L, L (i - количество пар измерений) от выходной грани плоскопараллельной пластинки одноосного нелинейного кристалла до оптико-электронного датчика.
Таким образом, изобретение позволяет повысить точность, снизить сложность определения сферической аберрации объективов и линз, в том числе в инфракрасной области спектра, при этом сохраняя скорость определения сферической аберрации.