Градиентный однолинзовый микрообъектив

Градиентный однолинзовый микрообъектив

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОЬЮ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и (г) = n() + >)r + Ilier

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ. СССР (21) 4840867/10 (22) 29.05.90 (46) 30,08.92. Бюл. Р 32 (71) Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники ИГТУ им. H.Э.Баумана (72) В.И.Казаков, Т.С.Ровенская и Г.A.Òo÷êèíà (56) Патент CLIA 1 " 4643535, кл. С 02 В 3/00, 1987. (54) ГРАДИВНТНИЙ ОДНОХП)НЗОВИИ ИИКРООБЪЕКТИВ (57) Исгользование: в оптических системах, работающих с источниками монохроматического излучения, имеющих большие углы расходимости и излучающую площадку малого размера. Сущность изобретения заключается в том, 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 коллимаиии.

Известен однолинзовый микрообъектив, представляющий собой илосковы пукпую линзу из градиентного материала с радиальным распределением показателя преломления вида п(г) = по+ n r + nor + n r +

„„Я „„)758622 А1 щ) С 02 В 3/00 что в . объективе . выпукло-плоская линза выполнена из материала с распределением показателя преломления n(r) вида n(r) = n + п r, при этом параметры линзы и материала выбраны из соотношений: 0,7 (d/К с 1,7;

1 5 и п 620; 0,13 /и и, f ),1у/> (2 О, 18, где d — осевая точгп на линзы:

R — радиус кривизны выпуклой поверхности линзы; n — показатель преломления материала на оптической оси линзы; п — коэффициент; r — радиус, определяющий положение гочки внутри линзы относительно оптической оси;

f — Аокусное расстояние линзы; NA—

I числовая апертура. 6 ил,, 3 табл. в котором плоская повермюсть обра- 1 цена к параллельному пучку лучей.

В данном уравнении п(г) — функция показателя преломления: и„— показа- ОО тель преломления пс новного материала с с

n

1758622 п(г) = п + n(r + и г(+ n r

Ъ достигается 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:

Целью изобретения является повыпение .числовой апертуры и упрощение технологии изготовления.

Поставленная цель достигается тем, что в градиентном однолинзовом микрообъективе, содержащем вьп1укло-плоскую линзу из материала с радиальным распределением показателя преломления, линза вы1(олнена из материала с распределением показателя преломления

n(r) вида: п(г) = и „+ и(г"., при этом параметры линзы и материала выбраны из соотношений:

0,7 — 1,7

15 где Π— осевая то пцина линзы;

R — радиус KpHBH3Hbl выпукло11 верхпости линзы; п — показатель преломпения матео риала на оптической оси линзы, n(— к оэффици ен т, г — радиус, онределяюций положение точки внутри линз((относительно оптической оси; (f — фокусное расстоя(п(е м((крообьектива;

NA — числовая апертура.

На фиг. 1 представлена оптическая схема микрообъектива; на фиг. 2 и 3 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:

К вЂ” выпуклый радиус плосковыпуклой линзы;

D - диаметр осевогп сколлимированного пучка лучей;

d — осевая толщина линзы;

f — фокусное расстояние мпкрообьектива; г — радиус-вектор, определяющий полп;".ение точки внутри линзы оптической п(г) = no + n(г + п2г

Линза обеспечивает NA порядка 0,3...

0,45, что IIo значению вьине н сравнении с решением при одинаковом коли- 35 честве коэффициентов в функции показателя преломления и одинаковой степени коррекции в области аберраций третьего порядка, К его недостаткам следует отнести: 40 — наличие двух сферических пбверхностей, что усложняет изготовление градиентной линзы, т,.к. необходимо совмещение оси градиента с двумя вершинными центрами линзы; 45 ограничение числовой апертуры до максимального значения 0,45, что для некоторьlх типов современных источников является недостаточным.

Известен градиентный однолинзовый 50 микрообъектив, содержащий выпуклоплоскую линзу из материала с радиапьным распределением показателя преломления.

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

n(r)=n+nr +иr+nr+

4. а (2 3 10 п при этом, максимальный диаметр кружка рассеяния, определяемой сферическп(1 аберрацией, составляет около

10 мкм. Увеличение числовой апертуры до значения 0,5 связано с необходимостью обеспечения соответствия расчетного и полученного профиля показателя преломления до четвертого коэффициента полинома. 20

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

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

1,5а п„ 2,0

0,13 (п„п, ° f Г(А) 0,18 лин зы, совмеценн ой с ос ью градиента;

dn — разность между значением показателя преломления в точке

СПЕЛЫ И ЗНаЧЕНИЕМ 1(пКаэатЕля преломления основного материала.

175862

Ийкрообъектив (фиг. 1), состоящий из градиентной плосковыпуклой линзы с функцией распределения показателя пр ел омл ения вида

n(r) = и, + n

В табл. 1-3 использованы следующие обозначения:

R — радиус линзьц

d - толщина линзы1

n - показатель преломления на оси 25 линзы

f — заднее фокусное расстояние

I микрообъектива, NA — числовая апертура;

dN — разность между значениями 30 показателя преломления на краю линзы и показателем преломления на оси градиента

0,7с - с1,7

d где d

R и о и

35

NA40

Градиентный однолинзовый микрообь4 ективу содержащий выпуклоплоскую лин зу из материала с радиальным распределением покзателя преломления, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения числовой апертуры

5g и упрощения технологии изготовления, линза выполнена из материала с распределением показателя преломления

n (r) вида

n(r) = n + n/r, 55 нри этом параметры линзы и материала выбраны из соотношений

0,7 с - с 1 7 °

d к с1И = Л/2 — no

S> S — коэффициенты аберраций третьего порядка сферической аберрации и комы, соответственно;

td l — максимальное значение

1 взятой по модулю сферической абе а и в мкм; 18 „, рр ци у

Су максимальное, по модулю, отступление от условия синусов и изопланазии, соответственно, Кома — максимальное значение комы для углового поля

2Я= 4 град.

В. = п п ЕЪА - коэффициент условия связи; гg — половина светового диаметра линзы, В вариантах 1, 3, 4, 6, 7, 8 величина г превышает зафиксированное в известйом решении максимальное значение ro = 1,5 мм.

2 6

Достизсение такой цслп как повышение числовой апертуры однс г..ремен о с упрощением технологии изготовления микрообъектива наглядно иллюстрируется в табл, 3, в которой приведены характеристики варианта известного микрообъектива, (столбец 3) и вариан— та микрообъектива по изобретению (N.4, табл. 1 и 2).

Градиентный одн6линзовый микрообьектив, содержащий выпукло-плоскую линзу, из материала с радиальным распределением показателя преломления, отличающийся тем, что, с целью повышения числовой апертуры и упрощения технологии изготовления, линза выполнена из материала с распределением показателя преломления n(r) нида:

n(r) =п, +и г при этом параметры линзы и материалл выбраны из соотнолений

1,5 с по 2э0

0,13 /п„п, f NA/ 0,18 осевая толщина линзы; радиус кривизны выпуклой поверхности линзы, показатель преломления материала на оптической оси линзы коэффициент; радиус, определяющий положение точки внутри линзы относительно оптической оси; фокусное расстояние линзы; числовая апертура, Формула изобретения

1758622

Таблица 1

Конструктивные параметры вариантов микрообъективов

1 ь

i

9 « п1 ф го у п/и мм мм R мм мм

0,70 -0,0029 3,5 0,0636

1,44 -0,0038 3,0 0,035

1 53 -0,0119 2,2 0,044

1,50 -0,0096 2,0 0,039

4,20 1,50

8,66 1,55

6,1 1,70

5,98 1,60

9,55

7,24

3,87.

4,43

6,0

6,0

4,0

4,0

Таблица 2

Результаты аберрационного расчета микрообъективов

Б . )dy l tdSt „„ I k,„кома, 1

aI мкм (г

-0,071 0,022 3,00

-0,038 0 000 1,50

-0,031 -0,010 1,30

-0,038 0,005 1,40

1 0,40

2 0,45

3 0,56

4 0,51

-О, 160

-О, 142

-О, 151

-О, 154

0,021 0,120

0,004 0,010

0,003 0,043

0,003 0,18

5,4

0,4

0,1

0,1

Табли ца 3

Вариант микрообъектива

NA 8 /f . 18) „ о мм мкм мкм

11рототип /3/ 0,56 1,6 3,42 0,45 0,6 0,003 0,041 1,44

Предлагаемый 1,50 16 443 051 06 0003 0039 20

1,5< n + 2,0;

0,13 /и пЯ) NA/ 0,18, где d - осевая толщина линзьц

R — радиус кривизны выпуклой 5 поверхности линзы;

n — показатель преломления мао териала на оптической оси линзы; и 1 — коэФЛициент °

r — радиусу определявции положение точки внутри линзы отноI сительно оптической оси

У

f — фокусное расстояние микрообъектива1

NA — числовая апертура.

1758622

P. 3 фи2. 3

340

1758622 g 3

Составитель В.Архипов

Редактор И,Сегляник Техред И.,Иоргентал Корректор А.Ворович

Заказ 3000

Тираж

Подписное

ВНК1ПИ Гос. уларствеииого комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производствсвис.-и здательский комбинат "Патент", r.Óæãoðîä, ул. Гагарина,101