Научная статья на тему 'Пассивная атермализация рефракционно-дифракционных пластмассово-линзовых объективов'

Пассивная атермализация рефракционно-дифракционных пластмассово-линзовых объективов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
219
41
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
атермализация / терморасфокусировка / ахроматизация / дифракционный оптический элемент / рефракционно-дифракционный объектив / athermalization / thermal defocusing / achromatization / diffractive optical element / refractive-diffractive lenst

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Левин Илья Анатольевич, Степанов Сергей Алексеевич

Исследованы возможности пассивной атермализации пластмассово-линзовых систем. В частности, представлены схемные решения двух рефракционно-дифракционных объективов, терморасфокусировка которых устранена оптическим и механическим способами соответственно. Оценена достижимая ширина рабочего спектрального диапазона представленных рефракционно-дифракционных объективов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Левин Илья Анатольевич, Степанов Сергей Алексеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Passive athermalization of refractive-diffractive plastic lenses

Possibilities of passive athermalization of plastic-lens systems are investigated. In particular, circuit designs of two refractive-diffractive lenses are presented, the thermal defocusing of which is eliminated by optical and mechanical methods, respectively. An achievable width of the working spectral range of the refractive-diffractive lenses is estimated.

Текст научной работы на тему «Пассивная атермализация рефракционно-дифракционных пластмассово-линзовых объективов»

ПАССИВНАЯ АТЕРМАЛИЗАЦИЯ РЕФРАКЦИОННО-ДИФРАКЦИОННЫХ ПЛАСТМАССОВО-ЛИНЗОВЫХ ОБЪЕКТИВОВ

И.А. Левин1, С.А. Степанов 2 1 ЗАО НПП «МедИнж», Пенза, Россия, 2 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», Пенза, Россия

Аннотация

Исследованы возможности пассивной атермализации пластмассово-линзовых систем. В частности, представлены схемные решения двух рефракционно-дифракционных объективов, терморасфокусировка которых устранена оптическим и механическим способами соответственно. Оценена достижимая ширина рабочего спектрального диапазона представленных рефракционно-дифракционных объективов.

Ключевые слова: атермализация, терморасфокусировка, ахроматизация, дифракционный оптический элемент, рефракционно-дифракционный объектив.

Цитирование: Левин, И.А. Пассивная атермализация рефракционно-дифракционных пластмассово-линзовых объективов / И.А. Левин, С. А. Степанов // Компьютерная оптика. -2017. - Т. 41, № 5. - С. 694-700. - БСЯ: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-694-700.

Введение

Всё более значимую роль в современном мире играют охранные системы наружного видеонаблюдения. Круг задач, решаемых с их помощью, обширен: от видеофиксации правонарушений на транспортных магистралях до контроля пассажиропотока при обеспечении безопасности на железнодорожных, авто- и аэровокзалах. Условия эксплуатации такого рода систем обуславливают ряд требований, предъявляемых к оптическому тракту - и прежде всего это обеспечение стабильно высокого качества изображения в широком температурном диапазоне и широком спектральном интервале, включающем не только видимый, но и ближний ИК-диапазон.

Немаловажным фактором является и стоимость производства. Стремление к миниатюризации приводит к удорожанию процессов шлифовки и полировки оптических деталей. С другой стороны, применение в качестве материалов оптических полимеров удешевляет изготовление больших серий объективов за счёт технологии прецизионной штамповки [1], а также позволяет воспроизводить сложные асферические формы поверхностей рефракционных линз (РЛ) и при необходимости наносить на них дифракционный микрорельеф. Представленные в ряде работ [2- 4] схемные решения пластмассово-линзовых объективов, включающих дифракционные оптические элементы (ДОЭ), обладают значительными преимуществами над аналогами из оптического стекла в части светосилы и ширины рабочего спектрального диапазона.

К основным недостаткам данных гибридных пластмассово-линзовых объективов следует отнести высокие значения коэффициента линейного расширения (5х10-5 С-1< акх <10х10-5 С-1) и температурного коэффициента показателя преломления (-15х10-5 С-1< < Ра < -8Х10-5 С-1) используемых оптических материалов [5]. Другие проблемы, связанные с ДОЭ, такие как достижение высокой дифракционной эффективности, минимизация спектральной и угловой селек-тивностей, решаются при переходе к двух- и трёхслойным рельефно-фазовым микроструктурам [6-8].

Значительные изменения конструктивных параметров и показателей преломления с изменением температуры не позволяют рассматривать схемные решения гибридных пластмассово-линзовых объективов в качестве оптических трактов камер наружного видеонаблюдения без мер по их атермализации, т. е. решения задачи сохранения основных характеристик объектива (фокусного расстояния, заднего фокального отрезка, сферической и полевых аберраций и т.д.) при колебаниях температуры [1]. Здесь сразу же заметим, что поскольку с изменением температуры качество изображения ухудшается преимущественно из-за смещения плоскости фокусировки, то под атермализацией, как правило, подразумевают устранение терморасфокусировки (т.е. сохранение заднего фокального отрезка) объектива в заданном температурном диапазоне.

1. Оптическая атермализация рефракционно-дифракционного объектива-монохромата

Применение известных способов оптической атермализации, предполагающих подбор материалов линз системы с целью устранения терморасфокусировки [9], в случае пластмассово-линзовых объективов существенно затруднён ввиду ограниченного выбора оптических полимерных материалов. С другой стороны, в работах [10, 11] показана возможность атермализации оптических систем с применением в схеме ДОЭ на примере рефракционно-дифракцион-ного синглета-фокусатора, выполненного из акрила. Данный способ атермализации предполагает в качестве силового компонента принять ДОЭ, а в качестве коррекционного - РЛ, что, как показано в [12], вносит существенные сложности в исправление хроматических аберраций.

При синтезе оптической схемы значения основных параметров рассчитываемого объектива примем равными представленным в [4]: заднее фокусное расстояние /а' = 3,71 мм на длине волны = 0,58756 мкм (жёлтая ё-линия гелия); диафрагменное число 2,4; угловое поле зрения 2ш = 60°. Такой выбор позволит в

дальнейшем провести корректные сравнения оптических характеристик двух систем.

В качестве базовой воспользуемся схемой атерма-лизованного рефракционно-дифракционного сингле-та, выполненного из акрила [10], сферическая аберрация в котором устранена за счёт асферизации одной из поверхностей РЛ. Для коррекции полевых аберраций введём в схему асферическую положительную РЛ из поликарбоната, расстояние между компонентами выберем из условия телецентричности хода главных лучей в пространстве изображений, что позволит минимизировать неоднородность освещённости в плоскости многоэлементного фотоприёмника [13].

Условие атермализации такой двухкомпонентной системы (см. рис. 1) можно представить в следующем виде:

C'z)

up' -

=1 +

Л F >

Dt.

где

1 _ d (tz)f(tz) ' (t2) _ 1 d fhyb

Ф

(t2)

(1)

(2)

- задний фокальный отрезок (здесь и далее верхний индекс в скобках соответствует температуре окружающей среды, при которой определяется та или иная величина); ашоит - коэффициент линейного расширения материала корпусных деталей; А/ = (^ - /1) - диапазон рабочих температур;

а ('2) = а^ (1+ а„А) (3)

- зависимость расстояния между главными плоскостями двухкомпонентной схемы (см. рис. 1) от диапазона рабочих температур А/;

f (t2 ) _f (t2 ) + f (t2 ) Thyb Vdoe^ YR

(4)

rhyb т DOE YRL1

- оптическая сила бесконечно тонкого рефракционно-дифракционного компонента;

ф (t2 ) _f (t2 ) + f (t2 ) _ d (t2)f (t2 ) f (t2 ) ^ Thyb ^TRL2 d rhybTRL2

- оптическая сила объектива в целом;

fL1 _fRL) (1+Vt, xAt)

(5)

(6)

- зависимость оптической силы РЛ от диапазона рабочих температур А/ [14];

Vi _ тгт ~_a„

nRLl) _1

(7)

- термооптическая постоянная; п- показатель

преломления материала РЛ; авь и р*,х - коэффициент линейного расширения и температурный коэффициент показателя преломления материала РЛ соответственно;

f (t2) _-YDOE

f Й) т DOE

(1+a RL1At)

(8)

- зависимость оптической силы ДОЭ от диапазона рабочих температур At [12].

DOE MS/ RLl

do->0

ARL2

Amount

Amount

У/Ч

Рис. 1. Схематическое представление двухкомпонентной системы. AS - апертурная диафрагма;

DOE - ДОЭ; RL1, RL2 - первая и вторая РЛ

Система из уравнений (1) и (5) определяет устранение терморасфокусировки для случая. представленного на рис. 1. Однако, обладая четырьмя неизвестными, она является неопределённой, поэтому для однозначного решения введём ещё два уравнения. Во-первых, это ранее озвученное условие телецентричности хода главных лучей в пространстве изображений, которое при совмещении входного зрачка с главной плоскостью первого компонента запишется в виде:

TRL2

В качестве последнего уравнения примем условие устранения кривизны поля изображения системы из тонких линз [14]:

f(tl) f(tl) т RL1 1 YRL 2

_ 0.

(10)

Следует отметить, что сумма Петцваля для ДОЭ равна нулю [15].

Задавая в качестве материалов РЛ полиметилме-такрилат (с« = 67,95х10-6 °С-1 и ра = -117х10"6 °С-1) и поликарбонат (с«, = 67х10-6 °С-1 и ра=-108,5х10"6 °С-1), а материала корпусных деталей, например, алюминий (атоип/=23х10-6 °С-1) и ограничивая диапазон атерма-лизации значением / от минус 30 до 40 °С, из уравнений (1)-(10) можно определить оптические силы ДОЭ и РЛ системы.

На рис. 2 представлена оптическая схема полученного атермализованного рефракционно-дифракци-онного объектива-монохромата, оптимизированного под значения основных параметров, обозначенных ранее. Объектив-монохромат состоит из двух РЛ, первая из которых представляет собой отрицательный мениск, обращённый выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесена микроструктура ДОЭ. Вторая РЛ является двояковыпуклой. Соотношения оптических сил отдельных компонентов и объектива-монохромата в целом следующие: фоои/Ф = 1,185; фян/Ф = -0,730; фдц/Ф = 0,965.

Для сравнения на рис. 3 представлена оптическая схема объектива-апохромата из [4], а в табл. 1 - значения оптических характеристик для двух систем.

Как видно из рис. 3, объектив-апохромат содержит пять РЛ, первая из которых является двояковыпуклой линзой. Вторая рефракционная линза представляет собой отрицательный мениск, обращённый

выпуклой поверхностью к предмету, на которую нанесена микроструктура ДОЭ. Третья линза является двояковыпуклой, обращённой большей выпуклостью к предмету. Наконец, четвёртая и пятая рефракционные линзы представляют собой асферические положительные мениски, обращённые выпуклостями к предмету. Вторая рефракционная линза объектива-апохромата выполнена из поликарбоната, все осталь-

рефракционно-дифракционного объектива-монохромата

£>С Ж' Е у у • „У У> у 1 У У V У У У У У : а а

у 'у [¿Г У, ; У, КГ* ^ « \ « ^ >5; А « ^ \ Я : У У У ? * У У '' * У У /

Рис. 3. Оптическая схема объектива-апохромата

Табл. 1. Оптические характеристики пластмассово-линзовых объективов

Характеристика Объектив-апохромат [4] Объектив-монохромат

Рабочий спектральный диапазон, мкм 0,4-0,9 -

Рабочий температурный диапазон, °С - от -30 до 40

Разрешение при контрасте не менее 0,5 в рабочем спектральном диапазоне для края поля зрения [г = 20 °С], мм-1 120 -

Разрешение при контрасте не менее 0,5 в рабочем температурном диапазоне для края поля зрения [Ха=0,58756°мкм], мм-1 - 180

Модуль дисторсии по полю зрения, % <1 <2

Угол падения главных лучей на фотоприёмник, ° <21 <4

Объектив-апохромат хорошо скоррегирован в широком спектральном диапазоне, что подтверждается соответствующим значением полихроматической частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), однако температурный диапазон работы существенно ограничен (от 14 до 28 °С, критическим ухудшением качества изображения примем разрешение 90 мм-1 для края поля зрения при контрасте 0,5). Рассчитанный же объектив-монохромат, напротив, обладает превосходной коррекцией термоаберраций, при этом из-за значительного хроматизма, вносимого силовым ДОЭ, рабочий спектральный диапазон не превышает ДХ < 4 нм. Совокупный продольный хроматизм рефракционной части объектива, благодаря выбору в качестве материалов крон-флинтовой пары оптических пластмасс, незначителен ввиду взаимной компенсации хроматических сумм РЛ.

Известно, что при исправлении хроматических аберраций рефракционно-дифракционных систем в роли силового компонента выступает РЛ, а коррекци-онного - ДОЭ [16], в случае же атермализации -наоборот. При этом в ряде работ (см. например, [1719]) показана возможность ахроматизации фокусирующих оптических систем, скомпонованных на основе силовых ДОЭ. Однако, в частности, в [17] приведены ограничения на рабочий спектральный диапазон таких систем в зависимости от диафрагменного числа. Так, для схемного решения дифракционного дублета-ахромата без промежуточного изображения (рис. 4) с диафрагменным числом 2,4 дифракционно-ограниченное качество фокусировки достигается в спектральном интервале не более ДХ = 0,022 мкм при среднем значении длины волны X = 0,58756 мкм. Данный факт ограничивает возможности применения изложенных в [17-19] методик хроматической коррекции случаями оптических систем, работающих с узкоспектральным излучением.

БОЕ1 ИОЕ2

2. Механическая атермализация рефракционно-дифракционного объектива-апохромата

Второй способ пассивной атермализации - механический, предполагает подбор материалов корпусных деталей с целью устранения терморасфокусировки [9]. Специфика термокомпенсации пластмассово-линзовых систем обусловлена отрицательными значениями термооптических постоянных используемых полимерных материалов, существенно превышающими по модулю (практически на порядок) величины термооптических постоянных стёкол. При этом для большинства стек-лянно-линзовых оптических систем коррекция термо-

расфокусировки вообще не требуется ввиду незначительности изменения заднего фокального отрезка в довольно широком температурном диапазоне.

Условие пассивной механической атермализации можно представить в следующем виде:

4-4=(^ + ^)(1+а„,2А/)-

(11)

-(¿со + ¿(о )(1+ а„лАг),

где Ь1, Ь2, Ь3, Ь4, - линейные размеры корпусных деталей (см. рис. 5).

Рис. 5. Схематическое представление конструкции термокомпенсатора

Моделирование, проведённое в программе оптического проектирования 2ЕМЛХ [20], для объектива-апохромата, представленного в [4], показало изменение заднего фокального отрезка на величину +0,063 мм в температурном диапазоне Аг от минус 30 до 40°С. Выбирая в качестве материалов термокомпенсатора поликарбонат (атомия = 67Х10-6 °С-1) и СЯ-39 [9] (йтаим2 = 138^10-6 °С-1), удаётся устранить терморасфокусировку и сохранить компактность продольного габарита системы Ь0 ~ 6,4 мм, если использовать многослойную конструкцию, например, показанную на рис. 5. При этом для компенсации разницы изменений диаметральных размеров промежуточных оправ необходимо изготовить их с продольными пазами (параллельно оптической оси), как показано, например, в [21], что позволит избежать дополнительных механических напряжений.

Если же значения габаритов системы не критичны, то представляется возможным упростить конструкцию термокомпенсатора, исключив промежуточные слои Ь2 и Ьз. В этом случае величина продольного габарита возрастает до ¿0=12,8 мм.

В табл. 2 представлены оптические характеристики атермализованного пластмассово-линзового объ-

ектива-апохромата, оптимизированного с целью минимизации термооптических аберраций системы.

Как видно из табл. 2, расширение рабочего температурного диапазона практически не повлияло на значение полихроматической ЧКХ объектива-апохромата.

Табл. 2. Оптические характеристики атермализованного пластмассово-линзового объектива-апохромата

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Характеристика Объектив-апохромат

Рабочий спектральный диапазон, мкм 0,4-0,9

Рабочий температурный диапазон, °С от минус 30 до 40

Разрешение при контрасте не менее 0,5 в рабочем спектральном диапазоне для края поля зрения [г=20°С], мм-1 120

Разрешение при контрасте не менее 0,5 в рабочем температурном диапазоне для края поля зрения [Ъ=0,58756°мкм], мм-1 118

Модуль дисторсии по полю зрения, % <1

Угол падения главных лучей на фотоприёмник, ° <21

Заключение

Рассмотренный способ пассивной оптической атермализации показал, что устранение терморасфокусировки объектива, все рефракционные линзы которого выполнены из оптических полимерных материалов, возможно лишь благодаря включению в схему объектива ДОЭ. При этом требуется, чтобы оптическая сила ДОЭ существенно превышала оптическую силу рефракционной части объектива. Это, в свою очередь, приводит к значительному хроматизму, снижение которого до приемлемого уровня может быть осуществлено только в весьма ограниченном спектральном диапазоне.

Эффективность оптической атермализации пластмассово-линзового объектива с помощью ДОЭ продемонстрирована на примере объектива-монохромата с задним фокусным расстоянием fd = 3,71 мм, диафрагменным числом 2,4 и угловым полем зрения 2ш = 60°. В спектральном диапазоне излучения, не превышающем 4 нм, он формирует изображение с разрешением до 90 мм-1 при контрасте не менее 0,5 в интервале рабочих температур от минус 30 до 40°С.

В отсутствие оптически сильного ДОЭ в схеме пластмассово-линзового объектива с фиксированными межлинзовыми воздушными промежутками, с ростом температуры окружающей среды существенно увеличивается задний фокальный отрезок объектива. Минимизировать рост заднего фокального отрезка, а следовательно, и расширить рабочий температурный диапазон с сохранением компактности продольного габарита системы и дифракционно-ограниченного качества изображения в заданном спектральном диа-

пазоне позволяет пассивная механическая атермали-зация, достигаемая с помощью многослойного термокомпенсатора.

Предложенный в настоящей статье атермализо-ванный пластмассово-линзовый объектив-апохромат с четырёхслойным термокомпенсатором при значениях заднего фокусного расстояния fd = 3,71 мм, диа-фрагменного числа 2,4, углового поля зрения 2ш = 60°, в рабочем температурном диапазоне от минус 30 до 40 °С формирует изображение с разрешением 118 мм-1 при контрасте не менее 0,5 в спектральном диапазоне

0.4.- 0,9 мкм.

Литература

1. Schaub, M. Molded optics design and manufacture / M. Schaub, J. Schwiegerling, E.C. Fest, A. Symmons, R.H. Shepard. - Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011. - 260 p. - ISBN: 978-1-4398-3256-1.

2. Greisukh, G.I. Design of achromatic and apochromatic plastic microobjectives / G.I. Greisukh, E.G. Ezhov, I.A. Levin, S.A. Stepanov // Applied Optics. - 2010. - Vol. 49, Issue 23. - P. 4379-4384. - DOI: 10.1364/A0.49.004379.

3. Грейсух, Г.И. Расчёт пластмассово-линзовых микрообъективов суперахроматов / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, И.А. Левин, С.А. Степанов // Компьютерная оптика. -2011. - Т. 35, № 4. - С. 473-479.

4. Пат. RU 2464600 Российская Федерация G02B 9/60, G02B 13/14, G02B 5/32. Пластмассово-линзовый объектив апохромат / Грейсух Г.И., Степанов С.А., Ежов Е.Г., Захаров О.А., Левин И.А.; заявитель и правообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства" (ПГУАС); № 2010148974/28, заявл. 30.11.2010, опубл. 20.10.2012. Бюл. № 29. - 8 с.: ил.

5. Baumer, S. Handbook of plastic optics / S. Baumer. -Weinheim: Wiley-VCH, 2005. - 189 p. - ISBN: 978-35274-0424-7.

6. Грейсух, Г.И. Эффективность рельефно-фазовых дифракционных элементов при малом числе зон Френеля / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, А.В. Калашников, И.А. Левин, С.А. Степанов // Оптика и спектроскопия. - 2012. -Т. 113, № 4. - С. 468-473.

7. Zhao, Y.H. The investigation of triple-layer diffraction optical element with wide field of view and high diffraction efficiency / Y.H. Zhao, C.J. Fan, C.F. Ying, S.H. Liu // Optics Communications. - 2013. - Vol. 295. - P. 104-107. -DOI: 10.1016/j.optcom.2013.01.009.

8. Грейсух, Г.И. Cпектральная и угловая зависимость эффективности дифракционных линз с двухрельефной и двухслойной микроструктурой / Г.И. Грейсух,

B.А. Данилов, Е.Г. Ежов, С.А. Степанов, Б.А. Усиевич // Оптический журнал. - 2015. - Т. 82, № 5. - С. 56-61.

9. Jamieson, T.H. Athermalization of optical instruments from the optomechanical viewpoint / T.H. Jamieson // Proceedings of SPIE. - 1992. - Vol. 10265. - P. 131-159. -DOI: 10.1117/12.61105.

10. Londono, C. Athermalization of a single-component lens with diffractive optics / C. Londono, W.T. Plummer, P.P. Clark // Applied Optics. - 1993. - Vol. 32, Issue 13. -P. 2295-2302. - DOI: 10.1364/AO.32.002295

11. Behrmann, G.P. Influence of temperature on diffractive lens performance / G.P. Behrmann, J.P. Bowen // Applied Optics. - 1993. - Vol. 32, Issue 14. - P. 2483-2489. - DOI: 10.1364/AO.32.002483.

12. Левин, И.А. Термооптические аберрации радиально-симметричных дифракционных оптических элементов / И.А. Левин // Компьютерная оптика. - 2016. - Т. 40, № 1. - С. 51-56.

13. Бронштейн, И.Г. Выбор оптической схемы и расчёт малогабаритных объективов для мобильных телефонов / И.Г. Бронштейн, В.А. Зверев, И.Л. Лившиц, Y.-G. Kim, T.-Y. Kim, Ph.-H. Jung // Оптический журнал. - 2009. -Т. 76, № 5. - С. 25-31.

14. Техническая оптика: учебное пособие для вузов / М.М. Русинов. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. - 488 с.

15. Greisukh, G.I. Optics of diffractive and gradient-index elements and systems / G.I. Greisukh, S.T. Bobrov, S.A. Stepanov. - Bellingham: SPIE Press, 1997. - 414 p. -ISBN: 978-0-8194-2451-8.

16. Оптика дифракционных элементов и систем /

C.Т. Бобров, Г.И. Грейсух, Ю.Г. Туркевич. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. - 223 с.

17. Farn, M.W. Diffractive doublets corrected at two wavelengths / M.W. Farn, J.W. Goodman // Journal of the Optical Society of America A. - 1991. - Vol. 8, Issue 6. -P. 860-867. - DOI: 10.1364/JOSAA.8.000860.

18. Грейсух, Г.И. Анализ возможностей ахроматизации оптических систем, состоящих из дифракционных элементов / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов // Компьютерная оптика. - 2010. - Т. 34, № 2. - C. 187-193.

19. Карпеев, С.В. Расчёт и анализ трёхволнового дифракционного фокусирующего дублета / С.В. Карпеев, А.В. Устинов, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. -2016. - Т. 40, № 2. - С. 173-178. - DOI: 10.18287/24126179-2016-40-2-173-178.

20. Zemax [Электронный ресурс]. - URL: http://zemax.com/ (дата обращения 17.07.2017).

21. Медведев, А.В. Атермализация объективов прицельно-наблюдательных комплексов как средство обеспечения жизнедеятельности объектов БТВТ / А.В. Медведев, А.В. Гринкевич, С.Н. Князева // Фотоника. - 2016. -№ 2(56). - С. 94-109.

Сведения об авторах

Левин Илья Анатольевич, 1987 года рождения. В 2009 году окончил Пензенский государственный университет по специальности 01.07.01 «Физика». Кандидат физико-математических наук (2013 год), работает специалистом по сертификации в отделе системы менеджмента качества ЗАО НПП «МедИнж». И.А. Левин - специалист в области расчёта оптических систем. В списке научных работ И.А. Левина 22 публикации. E-mail: i.a.levin@mail.ru .

Степанов Сергей Алексеевич, 1951 года рождения. В 1974 году окончил Куйбышевский государственный университет (ныне Самарский университет) по специальности «Физика». Доктор физико-математических наук (1999 г.), профессор (2001 г.), работает профессором кафедры физики и химии Пензенского государственного

университета архитектуры и строительства. Является членом Европейского оптического общества (EOS) и Российского оптического общества им. Д.С. Рождественского. С.А. Степанов - специалист в области расчета оптических систем, дифракционной и градиентной оптики. В списке научных работ С.А. Степанова более 120 статей, 2 монографии, 5 авторских свидетельств. E-mail: asut@pguas.ru .

ГРНТИ: 29.31.01.

Поступила в редакцию 25 июля 2017 г. Окончательный вариант - 17 сентября 2017 г.

PASSIVE ATHERMALIZATION OF REFRACTIVE-DIFFRACTIVE PLASTIC LENSES

I.A. Levin1, S.A. Stepanov 2

1 JSC "MedIng", Penza, Russia,

2Penza State University of Architecture and Construction, Penza, Russia

Abstract

Possibilities of passive athermalization of plastic-lens systems are investigated. In particular, circuit designs of two refractive-diffractive lenses are presented, the thermal defocusing of which is eliminated by optical and mechanical methods, respectively. An achievable width of the working spectral range of the refractive-diffractive lenses is estimated.

Keywords: athermalization, thermal defocusing, achromatization, diffractive optical element, refractive-diffractive lens.

Citation: Levin IA, Stepanov SA. Passive athermalization of refractive-diffractive plastic lenses. Computer Optics 2017; 41(5): 694-700. DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-694-700.

References

[1] Schaub M, Schwiegerling J, Fest EC, Symmons A, She-pard RH. Molded Optics Design and Manufacture. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group; 2011. ISBN: 978-1-4398-3256-1.

[2] Greisukh GI, Ezhov EG, Levin IA, Stepanov SA. Design of achromatic and apochromatic plastic micro-objectives. Appl Opt 2010; 49(23): 4379-4384. DOI: 10.1364/A0.49.004379.

[3] Greisukh GI, Ezhov EG, Levin IA, Stepanov SA. Design of plastic-lens micro-objectives superachromats [In Russian]. Computer Optics 2011; 35(4): 473-479.

[4] Greisukh GI, Stepanov SA, Ezhov EG, Zakharov OA, Levin IA. Plastic apochromatic lens [In Russian]. Pat RF of Invent N2464600 of October 20, 2012, Russian Bull of Inventions N29, 2012.

[5] Baumer S. Handbook of plastic optics. Weinheim: Wiley-VCH; 2005. ISBN: 978-3-5274-0424-7.

[6] Greisukh GI, Ezhov EG, Kalashnikov AV, Levin IA, Stepanov SA. The efficiency of relief-phase diffractive elements at a small number of Fresnel zones. Optics and Spectroscopy 2012; 113(4): 425-430. DOI: 10.1134/S0030400X12100037.

[7] Zhao YH, Fan CJ, Ying CF, Liu SH. The investigation of triple-layer diffraction optical element with wide field of view and high diffraction efficiency. Opt Commun 2013; 295: 104-107. DOI: 10.1016/j.optcom.2013.01.009.

[8] Greisukh GI, Danilov VA, Ezhov EG, Stepanov SA, Usievich BA. Spectral and angular dependences of the efficiency of relief-phase diffractive lenses with two- and three-layer microstructures. Optics and Spectroscopy 2015; 118(6): 964-970. DOI: 10.1134/S0030400X15060090.

[9] Jamieson TH. Athermalization of optical instruments from the optomechanical viewpoint. Proc SPIE 1992; 10265: 131-159. DOI: 10.1117/12.61105.

[10] Londono C, Plummer WT, Clark PP. Athermalization of a single-component lens with diffractive optics. Appl

Opt 1993; 32(13): 2295-2302. DOI: 10.1364/AO.32.002295.

[11] Behrmann GP, Bowen JP. Influence of temperature on diffractive lens performance. Appl Opt 1993; 32(14): 24832489. DOI: 10.1364/AO.32.002483.

[12] Levin IA. Thermo-optical aberrations of radially symmetric diffractive optical elements [In Russian]. Computer Optics 2016; 40(1): 51-56. DOI: 10.18287/2412-6179-201640-1-51-56.

[13] Bronshten IG, Zverev VA, Livshits IL, Kim Y-G, Kim T-Y, Jung Ph-H. Choosing an optical setup and designing compact objectives for mobile telephones. J Opt Technol 2009; 76(5): 268-273. DOI: 10.1364/JOT.76.000268.

[14] Rusinov MM. Technical optics: Study guide for university [In Russian]. Leningrad: "Mashinostroenie" Publisher; 1979.

[15] Greisukh GI, Bobrov ST, Stepanov SA. Optics of diffractive and gradient-index elements and systems. Bellingham: SPIE Press; 1997. ISBN: 978-0-8194-2451-8.

[16] Bobrov ST, Greisukh GI, Turkevich YuG. Optics of diffractive elements and systems [In Russian]. Leningrad: "Mashinostroenie" Publisher; 1986.

[17] Farn MW, Goodman JW. Diffractive doublets corrected at two wavelengths. J Opt Soc Am A 1991; 8(6): 860-867. DOI: 10.1364/JOSAA.8.000860.

[18] Greiysukh GI, Ezhov EG, Kazin SV, Stepanov SA. Optical systems with diffractive elements: ways of the chromatism correction [In Russian]. Computer Optics 2010; 34(2): 187-193.

[19] Karpeev SV, Ustinov AV, Khonina SN. Design and analysis of a three-wave diffraction focusing doublet [In Russian]. Computer Optics 2016; 40(2): 173-178. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-2-173-178.

[20] Zemax. Source: (http://zemax.com/).

[21] Medvedev AV, Grinkevich AV, Knyazeva SN. Objective athermalization of sighting and observation systems as an instrument to ensure functioning of armor and tank weapons [In Russian]. Photonics 2016; 2(56): 94-109.

Authors' information

Il'ya Anatolievich Levin (b. 1987) graduated (2009) from the Penza State University, majoring in Physics. He is Ph.D certification specialist at JSC "MedEng". His current research interests include design of optical systems. He is co-author of 22 scientific publications.

Sergei Alekseevich Stepanov (b. 1951) graduated (1974) from Kuibyshev State University (presently, Samara National Reseach University), majoring in Physics. He received his Doctor in Physics & Maths (1999) degrees from Samara National Reseach University, professor (2001). He is professor in the Physics and Chemistry department of Penza State University of Architecture and Construction. He is a EOS and D. S. Rozhdestvensky Optical Society member. His current research interests include design of optical system, diffractive and gradient-index optics. He is co-author of more 120 scientific papers, 2 monographs, and 5 inventions.

Received July 25, 2017. The final version - September 17, 2017.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.