Градиентная линза

Градиентная линза

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 анаберрационное 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А") (19) (11) (51) 4 С 02 В 6 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (54) ГРАДИЕНТНАЯ ЛИНЗА

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 3996650/24-10

<22) 23.12.85 (46) 15.09 87 ° Вюл. У. 34 (72) В.И.Тарханов (53) 535.813 (088,8) (56) Русинов М.М. Несферические поверхности в оптике. Yi.. Недра, 1973, с. 16-18 °

Патент США У 3729253, кл . 350/175 GN, опублик. 1973. (57) 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 P гомоцентрический пучок лучей преобразуется в линзе 1 в параллельный оптической оси пучок, распространяющийся в направлении градиента. Линза

1 строит бесконечно удаленное анаберрационное иэображение точки P

Поверхность может быть выполнена сферической, конической или параболической. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1337861

y(Z) = R — (Z — R) Производная у (Z) 25

R-Z

R — а

n(Z) и R = -а (по — 1)

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

Цель изобретения — повышение качества изображения путем устранения сферической аберрации на оси для бесконечно удаленной точки при использовании различных типов поверхностей °

В предлагаемой линзе гомоцентрический пучок лучей, выходящих иэ осевой точки после преломления на выпуклой поверхности вращения,превращается в параллельный пучок и внутри неоднородной среды, образующей материал линзы, идет параллельно оптической оси в направлении градиента.

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

Е

L (Z — а) + у (Z) = n(Z) dZ — а, где а — переднии отрезок, можно получить условие на закон распределения показателя преломления и вдоль оси Z у (Z) ° y (Z) + (7. — а)

n(Z)

На фиг. 1 изображена плосковыпуклая градиентная линза со сферической выпуклой поверхностью, на фиг. 2 градиентная линза с поверхностью в виде усеченного конуса.

Изображенная на фиг. 1 градиентная линза 1 имеет первую выпуклую сферическую поверхность 2 с кривизной g< и вторую плоскую поверхность 3, ограничивающие линзу. Материал линзы имеет неоднородный показатель преломления с осевым градиен— том.Линза строит бесконечно удаленное анаберрационное изображение расположенной на оси точки P..

Изображенная на фиг. 2 градиентная линза 1 имеет первую поверхность 2 (коническую) и вторую плос— кую поверхность 3. Материал линзы также имеет неоднородный показатель 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 приклееным к плоской части конуса.Лин10 эа строит бесконечно удаленное анаберрационное изображение расположенной на оси точки L, при этом в построении иэображения участвует часть конуса на участке AZ = 7р — Ек, на котором создан необходимый перепад показателя преломления.

Рассмотрим некоторые типы образующих функций y(Z) и соответствующих им поверхностей.

20 Поверхность — сферическая радиуса

R. Образующая имеет вид

Распределение показателя преломле ния

35 где п„= п(0) .

Рассмотрим численные оценки.При п,? = 1,491 полиметилметакрилат типа TIBIA íà D-линии с iL =589,3 нм и R = 20 мм

R 20

-а по — 1 1,491 — 1

40, 73 мм

Распределение имеет вид

ЬО 73

U Т?.1,4Ь z + 1ЕББ,Н

При Z = 2,02 мм, п = 1,391 вели50 чина перепада lj и = О, 1, что практически достижимо для длины порядка

10 мм, при этом высота у = Я, 75 мм.

Поверхность — параболическая с радиусом кривизны при вершине К

1 и образующей вида

22

y(Z) = Vb- 4_#_, где b — константа.

1337861

Производная

1, I

2К Ь ° V2 пения

Z + R - а

n(Z) При 2 = 0

При 2 = 0

n(0) = = 1

Распределение показателя преломR o п(0) = - = и, -а и R, = — а (п — 1).

Рассмотрим численные оценки.При

n o = 1,491, b = 0,025 мм и Rq=

20 мм:

Rа 20

-а п,-11,491-1

= 40,73 мм

Распределение имеет вид

Z + 60 73 п(Z)

z+, +

При Z = 4 05 мм; у = 12,8 мм;

n = 1,391, а величина перепада

gn = 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 образующей у(Z) = Ь2.

Производная

y (z) = ь

Распределение показателя преломпения (Ь () ч (к — ) +ьх

Очевидно,что практически зто неприемлемо. Найдем ((Ъ +1) Z — aj

1im n(Z) = im Е

I — Ч(2:а) + b" 7.,1

=АЛЬТ +Г

Видно, чтс мот нс> подобрать величину Ь такую ч го» (7) нри Z боль5

55 ших, чем некоторое значение 7„, будет принимать реально погтижимые значеиия. Так, при и = 111 5 = 1, 118 получим,что n () = 1,5. При этом на расстоянии Z = О, 79 ° (-al получается,что п(2т ) = 1,391, а при

Z = 4,05 ° (-a(n(zz) = 1,491. Поэтому, в данном случае, изображение должна создавать часть поверхности конуса на отрезке Ь Z = Zz — Z( для которого реально можно создать перепад показателя преломления 4 п, а часть поверхности до Z не должна участвовать в создании изображения и ее необходимо, например, закрыть непрозрачным экраном. Численно,при

-а = 3,06 мм 42 = 10 мм иап = О,1.

Таким образом, проведенное рассмотрение покаэывает,что для конкретных видов образующих функций у(2) существуют осевые распределения показателя преломления n(Z), приводящие к образованию анаберрационной системы для точки на оси в виде плосковыпуклой линзы. Составив комбинацию иэ двух таких анаберрационных систем, образующих двояковыпуклую линзу, мож— но получить анаберрационную систему для точки на оси на конечном расстоянии.

Требуемое осевое распределение показателя преломления может быть создано одним иэ известных методов.

Например, для полимеров может быть приложен метод управляемой полимеризации в процесс диффузии. Сначала на первом этапе процесса полимериэации 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, использую— щий решение обратной задачи, для готовой таблетки с известным распределением п(Е) аналитическим или чис— ленным интегрированием находят вид образующей функции v(Z1. Затем поверхность таблетки пс1»тфя ют и полируют до получения рагс» а»ного про37861

y(Z), пр еломл ения

R — а

n(Z)

R — а + а

1. Градиентная линза, ограниченная первой и второй прелокпяющими поверхностями вращения с кривизной при вершинах у, и р соответственно, выполненная иэ материала, имеющего осевой градиент показателя преломления, отличающаяся тем,что,с целью повышения качества передачи иэображения путем устранения сферической аберрации на оси для бесконечно удаленной точки при использовании различных типов поверхностей, вторая -поверхность выполнена плоской с кривизной Я = О, а показатель преломления материала линзы

n(Z) связан с формой образующей кривой первой поверхности y(Z) соотношением где b — константа, и образующей вида

Z+R -а

n(Z) n(Z) I где а — передний отрезок;

Z — координата вдоль оптической оси линзы; у (Z)- первая производная от у(Е).

2. Линза по и. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем,что первая поверхност выбрана сферической с радиусом криви ны R = 1/ р, и образующей вида а при 2 = Z иэ условия э45

1 и(г,) c Vb филя поверхности. В результате получают градиентную линзу, строяшую анаберрационное иэображение точки в бесконечности.

Предлагаемая линза создает анаберрационное иэображение 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.

Фор мула из обретения показатель выбран из условия

R где а =

1 — и о

n — показатель преломления маФ териала у вершины первой поверхности линзы.

3. Линза по п. 1, о т л и ч а— ю щ а я с я тем,что первая поверхность выполнена параболической с радиусом кривизны при вершине

1 1

2b показатель преломления n(Z) выбран из условия

R гда а=

1-п, 30

n — показатель преломления материала у вершины первой поверхности линзы.

4. Линза по п. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем,что первая поверхность выполнена усеченной конической с образующей вида y(Z) = bZ,где b константа, малое основание конуса с координатой Z Bûïîëíåíî непрозрачным, показатель преломления при

40 Z ) Е„ выбран иэ условия Ь" +1} г — а

ПŠ— аР +b Z

Составитель И.Александров

Редактор Н. Киштулинец Техред В. Кадар Корректор А. Обручар

Заказ 4129/46 Тираж 521

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r Ужгород, ул. Про ектная, 4