автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка теоретических основ композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТХЪ д ' л п ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ "

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ~ (} л ''^ Шй

На правах рукописи

ЖУРОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА

УДК 535.317

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ КОМПОЗИЦИИ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ

Специальность 05.11.07. - Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре прикладной и компьютерной оптики Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В.А. ЗВЕРЕВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

И.И. ПАХОМОВ

доктор технических наук, профессор М.Н. СОКОЛЬСКИЙ Ведущее предприятие - ВНЦ ГОИ им. С.И.ВАВИЛОВА

Защита диссертации состоится июня 2000 года в //Г ч. 00 мин. на заседании специализированного совета Д 053.26.01 "Оптические и оптико-электронные приборы" при Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническом университете) по адресу: Санкт-Петербург, ул. Саблинская, дом 14, аудитория 2Ь$.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГИТМО(ТУ). Автореферат разослан " "мая 2000 года.

Отзывы и замечания по автореферату направлять по адресу института: 197101, Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д. 14, секретарю специализированного совета Д 053.26.01.

Учёный секретарь

специализированного совета Д 053.26.01 кандидат технических наук, доцент

2 ¿> 3

В.М. КРАСАВЦЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В публикациях, посвященных методам расчёта оптических систем переменного увеличения, в качестве исходной принимается оптическая схема системы в целом, при этом выбор схемы определяется либо предполагаемым методом расчёта, либо предидущим опытом и, как правило, не обсуждается. Публикации, посвященные этому вопросу весьма скромно представлены в печати. Однако, именно выбор оптической схемы нередко предопределяет конечный успех всего процесса проектирования системы. Именно этим определяется актуальность настоящей диссертационной работы, посвященной одному из вопросов решения проблемы проектирования оптических систем переменного увеличения: разработке теории обоснованного выбора принципиальной схемы оптической системы, наилучшим образом решающей поставленную задачу.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ синтеза и композиции оптических систем с переменными оптическими характеристиками, а также исследование влияния остаточной расфокусировки изображения, образованного системой на его качество.

Задачи исследования

1. Исследование свойств базовой однокомпонентной схемы оптической системы переменного увеличения с непрерывной (механической) и дискретной (оптической) компенсацией расфокусировки изображения, а также однокомпонентной системы дискретного изменения увеличения.

2. Преобразование базовой однокомпонентной схемы в базовую двухкомпонентную схему оптической системы переменного увеличения. Исследование свойств двухкомпонентной схемы при непрерывной и дискретной компенсации расфокусировки изображения.

3. Преобразование базовой двухкомпонентной схемы в базовую трёхкомпонентную схему оптической системы переменного увеличения типа «коллектив» и исследование её свойств.

4. Исследование свойств базовой трёхкомпонентной схемы оборачивающей оптической системы переменного увеличения.

5. Исследование влияния остаточной расфокусировки изображения на его качество.

Методы исследования

1. Аналитические методы параксиальной оптики.

2. Методы дифракционной теории образования изображения.

3. Методы оценки качества изображения.

Научная повизна диссертации

1. Разработаны основы теории композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения.

2. Впервые введено понятие базовой принципиальной схемы, что позволило распространить идеи синтеза и композиции на построение принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. Разработана теория структурного преобразования базовых схем.

3. Выполнен анализ взаимосвязи неизменного при предельном смещении одиночного оптического компонента положения дух пар оптически сопряжённых точек с возможным вариантом композиции оптической системы переменного увеличения,

4. Выполнен анализ взаимосвязи перемещений компонентов в двухкомпонентной схеме оптической системы переменного увеличения при непрерывной и дискретной компенсации расфокусировки изображения.

5. Выполнен анализ параметров трёхкомпонентной схемы оптической системы переменного увеличения типа «коллектив», в результате которого обнаружены четыре возможных варианта схемного решения такой системы.

6. Выполнен анализ параметров трёхкомпонентной схемы оборачивающей оптической системы переменного увеличения, в результате которого обнаружены восемь возможных типов схемного решения такой системы.

7. Получен общий вид выражений, определяющих зависимость остаточной величины остаточной расфокусировки изображения от величины смещения крайних компонентов в трёхкомпонентной схеме как оптической системы типа «коллектив», так и оборачивающей оптической системы переменного увеличения.

Основные результаты выносимые иа защиту

1. Понятие базовых принципиальных схем оптических систем переменного увеличения и теория их структурных преобразований (развития).

2. Соотношения, определяющие положение двух пар оптически сопряжённых точек, не меняющих своего положения при предельных смещениях подвижных оптических компонентов в базовой схеме каждого уровня. Выполнен анализ и установлена взаимосвязь положения этих точек с возможными вариантами композиции оптической системы переменного увеличения, основанной на применении однокомпонентной базовой схемы.

3. Выражения, определяющие в общем случае взаимосвязь перемещений компонентов в двухкомпонентной базовой схеме оптической системы переменного увеличения при непрерывной и дискретной компенсации остаточной расфокусировки изображения.

4. Соотношения, определяющие оптические силы компонентов в трёхкомпонентной базовой схеме типа «коллектив», когда, при симметричном положении относительно среднего компонента и при предельных смещениях крайних компонентов положение двух пар оптически сопряжённых точек не изменяется. В результате анализа полученных соотношений обнаружены четыре интервала значений линейного увеличения Уд изображения, образованного первым компонентом системы, в каждом из которых сочетание знаков оптических сил компонентов <р0; <рк и расстояния 1а между осевыми точками предмета и изображения, образованного системой в целом, определяет соответствующий тип схемного решения.

5. Соотношения, определяющие оптические силы компонентов в трёхкомпонентной базовой схеме оборачивающей оптической системы, при которых при симметричном положении относительно среднего компонента и при предельных смещениях крайних компонентов положение двух пар оптически сопряжённых точек не изменяется. В результате анализа полученных соотношений обнаружены восемь интервалов значений линейного увеличения К0 изображения, образованного первым компонентом системы, в каждом из которых сочетание знаков оптических сил компонентов <р„\ <рк, увеличения У0 и расстояния ¿в между осевыми точками предмета и изображения, образованного системой в делом, определяет соответствующий тип схемного решения.

6. Общий вид выражений, определяющих зависимость величины остаточной расфокусировки 51 изображения от величины смещения крайних компонентов трёхкомпонентной схемы оптической системы типа «коллектив» и оборачивающей оптической системы соответственно.

7. Аналитические соотношения и результаты числового анализа, определяющие требования к точности фокусировки изображения.

Практическая ценность работы

1. Аналитические соотношения, соответствующие структурным преобразованиям базовых схем оптических систем переменного увеличения и описывающие их свойства, определяют теоретическую базу синтеза й композиции принципиальных схем оптических систем с переменными оптическими характеристиками.

2. Полученные результаты анализа свойств базовых схем образуют систему реальных знаний, определяющих возможность обоснованного выбора базовой принципиальной схемы соответствующего уровня при композиции схемы оптической системы переменного увеличения конкретного функционального назначения.

3. Аналитические соотношения, определяющие взаимосвязь параметров базовых принципиальных схем, определяют возможность математического моделирования их функционирования.

4. Полученные аналитические соотношения, определяющие влияние расфокусировки изображения на геометрически и дифракционно ограниченное его качество, а также результаты числового анализа позволяют установить обоснованные требования к параметрам компонентов и к точности перемещения подвижных компонентов в схеме.

5. Идея композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения, реализованная через введение понятия базовой схемы, позволила установить логически увязанную последовательность преобразования базовых схем и изучения их свойств, что определяет возможность при формальной переработке диссертационной работы представить её в виде учебного пособия по соответствующему разделу курса теории расчёта оптических систем.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на симпозиуме «Прикладная оптика - 94» (15-18 ноября 1994 г., Санкт-Петербург), на конференции «Zoom Lenses» (Международный симпозиум «Optical Sience, Engineering and Instrumentation», 11-12 июля 1995 г., Сан-Диего, Калифорния, США), на Международной научно-практической конференции «Оптика, Стекло, Лазер-95 (1-3 ноября 1995 г., Санкт-Петербург), на конференции «Space Telescopes and Instrument II» (Международный симпозиум «Optical Sience, Engineering and Instrumentation», 6-7 августа 1996 г., Денвер, Колорадо, США), на Международных конференциях «Прикладная оптика - 96» (17-20 сентября 1996 г., Санкт-Петербург) и «Прикладная оптика - 98» (16-18 декабря 1998 года, Санкт-Петербург), на XXVIII (31 января-2 февраля 1995 г.) и XXIX (29-30 января 1997 г.) научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ), на научной конференции (1997 г.) и на семинаре «Проблемы современной оптики» (март 1998 г.) в Доме Учёных РАН, Санкт-Петербург.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 56 наименований, изложена на 175 страницах текста, содержит 30 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

В современном оптическом приборостроении находят достаточно широкое применение оптические системы как дискретного (скачкообразного), так и непрерывного (плавного) изменения увеличения. Оптические системы непрерывного изменения увеличения принято называть панкратическими системами или панкратиками. В зависимости от кинематики перемещения компонентов панкратические системы могут иметь непрерывную (механическую) или дискретную (оптическую) компенсацию расфокусировки изображения (смещения плоскости изображения). Развитие технологических возможностей изготовления точных кулачковых механизмов, с одной стороны, а, с другой, - развитие вычислительной техники и программного обеспечения, а, следовательно, и рост эффективности вычислительных процедур способствовали созданию с начала 60-х годов нашего столетия фотографических объективов, а с начала 70-х годов - сложнейших объективов телевизионных съёмочных вещательных камер, обладающих переменным фокусным расстоянием при непрерывной компенсации расфокусировки изображения. Однако, следует заметить, что изготовление точных кулачковых маханизмов и сегодня остаётся весьма трудоёмкой задачей.

В общем случае процесс проектирования панкратических систем можно представить себе состоящим из следующих этапов:

1. Выбор принципиальной оптической схемы. Цель этого этапа -определение числа и относительного расположения компонентов.

2. Габаритный расчёт принципиальной оптической схемы. Цель этого этапа - определение расположения компонентов, их оптических сил и габаритов, а также закона перемещения компонентов.

3. Выбор конструкции разрабатываемой оптической ситемы. Цель этого этапа - выбор количества и вида линз и линзовых компонентов, образующих каждый из компонентов, а также выбор материала линз.

4. Аберрационный расчёт панкратической системы. Цель этого этапа -определение числовых значений конструктивных параметров элементов всех компонентов системы из условия получения трубуемого качества изображения, образованного системой во всём диапазоне изменения увеличения или фоуксного расстояния.

При всей важности последних двух этапов процесса проектирования, первые два весьма ответственны, поскольку от того, насколько, удачно они выполнены, зависит конечный успех решения задачи в целом и, прежде всего:

1. Внешние габариты системы: длина, диаметр и так далее.

2. Сложность механических устройств перемещения компонентов, требования к точности их изготовления.

3. Коррекционные возможности системы, так как от выбора оптических сил и взаимного расположения компонентов зависят их основные

параметры Р и Вг, а, от них - большая или меньшая сложность конструкции компонентов. Этим определяется актуальность исследования проблем схемного проектирования оптических систем с переменными характеристиками.

Глава 1. Краткий исторический очерк развития оптических систем переменного увеличения.

Положив в основу принцип анализа от простого к сложному, развитие оптических систем переменного увеличения рассмотрено в контексте общей истории развития соответствующих аспектов прикладной оптики.

Глава 2. Оптическая система как устройство оптического сопряжения плоскости предмета и изображения.

Структура оптической схемы любого оптического прибора или отдельных его устройств определяется их функциональным назначением. Логика возможной классификации оптических схем по этому принципу не очевидна. Однако, если оптическую схему, какой бы сложной она ни была, заменить однокомпонентной схемой, то появляется возможность классификации схем и анализа их функционального назначения в зависимости от положения оптического компонента относительно плоскости предметов. Положив в основу изложенные соображения, выполнен анализ параметров функционирования однокомпоненшых оптических систем, типовые функции которых.представлены в таблице 1. Показано, что при продольном смещении апланатической оптической системы из номинального положения на величину Дг в изображении точки появляется волновая сферическая аберрация №, равная

и изображений соответственно; а'0 - угол, образованный крайним лучом с оптической осью в пространстве изображений; К0 - линейное увеличение изображения, образованного оптической системой в исходном положении. Для предмета расположенного на бесконечно большом расстоянии от оптической системы, это выражение принимает вид

передней фокальной плоскости оптической системы до фокусируемой плоскости предметов (¡гпЬ) 2 )г| 2 то).

п

где д =— У02; п, п' - показатели преломления сред в простанстве предметов

п

диафрагменное число; г - расстояние от

_Таблица 1.

Л /р>0 р<0

0 Коллектив, компенсатор кривизны поверхности изображения (линза Смита)

0 < Д <1 Преобразователи структуры св Компоненты фронтальной части микрообъектива, лупа етового пучка лучей Компоненты фронтальной части широкоугольного фото1рафического объектива, второй компонент телеобъектива, проекционный окуляр (гомаль) в оптической схеме микроскопа.

Д = 1 Окуляр Микрообъектив с длиной тубуса -оо, объектив коллиматора, объектив прожектора Частное применение

1 < Д < 2 Микрообъектив с длиной тубуса не равной да; проекционный окуляр в схеме микроскопа, коллектор в осветительной системе микроскопа, проекционный объектив и объектив фотоувеличителя, конденсор в проекционных системах и т.п. Частное применение

1<Д<00 Оборачивающая с Репродукционные объективы ;истема Частное применение

£ А < 00 Фотографические и киносъемочные объективы, объективы телевизионных передающих камер, объективы зрительных труб Частное применение

Д = оо Объективы астрономических телескопов Частное применение

Допустимая величина -остаточной расфокусировки изображения определяется назначением оптической системы. В случае геометрически ограниченной оценки качества изображения при продольной расфокусировке равной 51, функция рассеяния точки (ФРТ) представляет собой равномерно освещенный круг диаметром <Г = 181л%а'. При этом требование к допустимой расфокусировке можно определить очевидным

условием 3£доп < Лдоп , где с!'доп - допустимая величина диаметра кружка 2tga'

рассеяния в плоскости изображения. При этом показано, что в рассматриваемом случае с погрешностью не превышающей 2%, величина ¿дол равна

а'доп á —Г—^~у!Т{урасч) . яуглсч

где T(vPAC4) - значение частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) при расчётной пространственной частоте v'PAC4 в плоскости изображения, выбранной в области средних частот в диапазоне 0 ~< у'рлсч -< у'ПРЕД.

При дифракционно-ограниченной оценке качества изображения в

X

предположении, что волновые аберрации малы (W -< —), В. Стил получил

общее выражение, определяющее влияние аберраций на контраст изображения. Пусть все аберрации, кроме расфокусировки изображения отсутствуют. Показано, что при этом при v'Ptr4 = выражение,

полученное В. Стилом, принимает вид

Т(О,5У'ПРЩ )= 0,39100 - 1,83265ÍF¿, где W20 - коэффициент, равный волновой расфокусировке изображения (в длинах волн) на краю зрачка. Положив

T(VPAC4 = °>««у7)> где Т0- ЧКХ изображения,

образовашюго безаберрационной оптической системой, получаем WM =0,20657.

Показано, что число Штрсля Е,„ при расфокусировке изображения, равной SL, определяется выражением

sin2 —áísin2 а' Е - 12Д

—áísin2 а'

К2Х

В соответствии с критерием Марешаля число Штреля должно быть

Я

не менее 0,8. Легко убедиться, что при \W\ = —, число Штреля Бш - 0,81.

Выполненный анализ влияния расфокусировки на качество изображения позволяет сделать вывод о том, что при дифракционно-ограниченной оценке качества изображени допустимая волновая

Л А

расфокусировка должна удовлетворять условию — < ¡(Гда, | < —.

Глава 3. Структура принципиальных схем оптических систем переменного увеличения.

Любую оптическую систему из произвольного числа элементов (линз) при конечном расстоянии между её главными плоскостями и отличной от нуля оптической силе будем считать однокомпонентной, если при всех возможных подвижках она перемещается как единое целое. Пусть линейное увеличение изображения, образованного однокомпонентной системой в исходном положении, равно V = Ун. Показано, что при

смещении системы на расстояние Д = Ь=-—, расстояние между

Уц

плоскостями предмета и изображений остаётся неизменным, при этом

линейное увеличение изображения становится равным V = Ук = —. Это

Ун

свойство однокомпонентной системы определяет возможность применения её для дискретного изменения линейного увеличения изображения. При непрерывном изменении величины д линейное увеличение изображения будет изменяться плавно (непрерывно), при этом непрерывно будет изменяться и расстояние между плоскостями предмета и изображений. Показано, что это свойство однокомпонентной оптической системы позволяет построить целый ряд вариантов композиции принципиальной схемы оптической системы переменного фокусного расстояния, при этом во всех построенных схемах однокомпонентная схема переменного увеличения, по сути дела выполняет роль базовой схемы. Показана возможность развития однокомпонентной базовой схемы путём добавления второго неподвижного компонента. При определённом соотношении оптических сил компонентов смещение подвижного компонента приводит к одинаковому по величине и направлению смещению плоскости изображения, что позволяет строить композиции оптических систем переменного увеличения при дискретной компенсации расфокусировки изображения. Полагая оба компонента подвижными, определяем дальнейшее развитие базовой схемы, поскольку при этом появляется возможность изменения линейного увеличения изображения при неизменном расстоянии между плоскостями предмета и изображений. Пусть оптические силы обеих компонентов одинаковы и пусть линейное увеличение изображения, образованного компонентами в их исходном положении, равно Ун = Iх. При этом между компонентами образуется промежуточное изображение, симметрично расположенное относительно компонентов. При совмещении промежуточного изображения с третьим оптическим компонентом положение изображения, образованного полученной трёхкомпонентной системой, будет совпадать с положением изображения, образованного исходной двухкомпонентной системой. Показано, что при определённой величине оптической силы третьего компонента расстояние между плоскостями предмета и изображений остаётся неизменным при одинаковых предельных смещениях крайних компонентов. Полученная базовая трёхкомпонентная принципиальная схема переменного увеличения типа «коллектив» позволяет строить схемы соответствующих оптических систем с дискретной компенсацией расфокусировки изображения. Пусть линейное увеличение изображения, образованного формально той же трёхкомпонентной оптической системой при исходном положении компонентов, равно У--\х. Показано, что в этом случае при определённом соотношении оптических сил компонентов расстояние между плоскостями предмета и изображений остаётся

неизменным при одинаковых предельных смещениях краиних компонентов, то есть в этом случае трёхкомпонентная схема является базовой схемой оборачивающей оптической системы переменного увеличения. Вполне очевидно, что для обоснованной композиции оптических систем с переменными параметрами необходимо изучение свойств базовых схем в их развитии.

Глава 4. Однокомпонентная оптическая система переменного увеличения

Линейное увеличение изображения, образованного однокомпонентной оптической системой, определяется формулой

V = 1+ 1

ат, ~1)

2/'

при этом расстояние от передней главной плоскости оптической системы до осевой точки предмета равно

г

2

Из этих формул следует, что при одном и том же расстоянии I между оптически сопряжёнными точками существует две пары таких точек, расстояние между которыми а равно а = $т - ¡И1 = ^(а1ИН. - 1)(с111И. - Ь + 4/'). При 1 = 0; (¡нн. * 0 имеем

2 /'

то есть в рассматриваемом случае однокомпонентная оптическая система может найти применение в качестве сменной для дискретного изменения увеличения изображения. Показано, что для телескопической системы из

двух тонких компонентов .у,, = р а ДОЯ телескопической линзы

пГ-Ы _ и-К, с? '"-1Г»-1и"1-К12 п'

где К, = р, при этом =оо, а, следовательно, и я = со. Телецентрический

ход главных лучей в пространстве предметов и изображений определяет возможность применения таких систем в качестве сменных в прямом и обратном ходе лучей для дискретного изменения увеличения с кратностью т = V,'2 = Г2. При продольном смещении компонента на величину Д

расстояние £ становится равным I = лин. - ~ А ^ . Показано, что при

+ Д

д = Ъ, где Ъ - некоторая положительная величина, из соблюдения условия 1а(о)~ ф) следует =-^2-6+ где линейные величины

представлены в масштабе фокусного расстояния оптической системы, / = 1,2. Наличие двух знаков перед квадратным корнем свидетельствует о

том, что при одном значении величины Ъ существуют два значения величины , а, следовательно, существуют две пары оптически сопряжённых точек, которые не меняют своего положения при дискретном смещении однокомпонентной системы на величину Ь, при этом

А +2-(-1)'л/4 + 62. В общем случае, совмещая изображение бесконечно удалённого объекта, образованного некоторой дополнительной системой <р0, с плоскостью предмета однокомпонентной оптической системы переменного увеличения, получаем принципиальную схему вариообъектива. В свою очередь, вариообъектив может быть преобразован в сочетание объектива <ра, фокусное расстояние, которого — величина постоянная, с трёхкомпонентной телескопической системой, видимое увеличение Г которой изменяется в результате продольной подвижки однокомпонентной системы переменного увеличения. В принципиальной схеме трёхкомпонентной телескопической системы переменного увеличения оптическая сила хотя бы одного из трёх компонентов должна быть положительной. Показано, что возможны не менее десяти вариантов схемных решений трёхкомпонентной телескопической системы. Показано, что применение дробей Чебышева позволяет успешно решать задачу определения параметров как однокомпонентной, так и двухкомпонентной оптической системы переменного увеличения при дискретной компенсации расфокусировки образованного ею изображения. Рассмотрено применение полученных выражений для анализа параметров принципиальной схемы двухкомпонентной оптической системы переменного увеличения при условии, что первый компонент неподвижен, а второй компонент и плоскость предметов одновременно смещаются в одном и том же направлении на одно и то же расстояние.

Глава 5. Сложные оптические системы переменного увеличения.

Выполнен анализ параметров двухкомпонентной оптической системы в общем случае расположения системы относительно плоскостей предмета и изображения. Показано, что в случае двухкомпонентной телескопической системы расстояние между осевыми точками предмета и изображения определяется выражением 1_Г2 ( Г-1 Г2 I' 'Г + 1 Г-1

При 1 = 0: = /гр—^ • Дчина телеобъектива, равная расстоянию от первого компонента до задней фокальной плоскости, принимает минимальное

значение при расстоянии между компонентами ¡1 = -^—, а длина обратного

1<Р\

телеобъектива принимает минимальное значение при с1 = // + 2 /2'. Показано, что при расстоянии между осевыми точками предмета и изображения, равном ¿расстояние от первого компонента до осевой

точки предмета определяется выражением А±В

«I =-

2 <р

, где Л = (2 - В = р^ + (рь\ч>^гаг + (р1 - 4).

В свою очередь, величина с1 - ¿(у) определяется выражением 2

<рх+9,т 1 (\-у)2

4 К

Выполнен анализ величин, входящих в эти выражения. Пусть смещение первого компонента А„=0; Л13=Л1К, где Л1Х - величина полного (конечного) смещения, а смещение второго компонента Д21 =0; д23 = Д2К. При линейном законе перемещения компонентов справедливо равенство Д 2 = ЛА,. Показано, что расфокусировка изображения, образованного двухкомпонентной системой переменного увеличения, при линейном законе перемещения компонентов определяется выражением

где

<5 = ^-; 05*51 ¿>2=^-; А„ Д„

Iо /;л'. Л» '

'о <РиК=<Р1+<Р2-<Р1<Р2С1о'> при Д = 0 .

Показано, что вариант схемы двухкомпонентной оптической системы, когда оптические силы компонентов ^ = <рг , может получить развитие при Ь = с1ии.. Поместив третий компонент в плоскости промежуточного изображения, образованного первым компонентом, подбором оптической силы <рк третьего компонента можно устранить расфокусировку изображения при одинаковом предельном смещении крайних компонентов. Сочетание знаков параметров <ра, <рк, 1р и Ьп в каждом из интервалов значений линейного увеличения У0 изображения, образованного первым компонентом, определяет тип схемного решения трёхкомпонентной панкратической системы типа «коллектив». Интервалы изменения параметров <р0, <рх, <р н 10 для каждого типа принципиальной схемы представлены в таблице 2.

Таблица 2.

ТИП У0 9о 9. 9 ¿0

I 0 <к0< 1 0<<р0<1 ~00 < 9 к < 0 0 <£> < 0.5 -00 <10 <0

II 0 <У„< оо - 00 < рд <0 3.17 <фк <оо -со<^> <0 0<1о <2

III —0.5 <К0< 1 \<<р0 <1.5 0 < ¡р„ < 00 -1.5<^<0 6 < 10 < 00

IV - оо <Г0< -0.5 1.5 <р0 <оо -00<<рк <-0.95 -оо </р<-1.5 2 < 10 < 6

Возникающая расфокусировка изображения определяется выражением

2(1-Г0К(д2о~Д2К

Й, = «ГП

1 + V02 (1 - Д20)+ 2К0(1 - А](1 - К0д)+ 2(1 - К0)К03 (д2 - Д2 )£'

Формулы л011 = —; =-—-^-определяет положение двух

пар оптически сопряжённых осевых точек, расстояние между которыми не изменяется при смещении крайних компонентов системы на предельную величину Д = А0. Показано, что полученную трёхкомпонентную схему формально можно применить в качестве исходной схемы оборачивающей оптической системы переменного увеличения при линейном увеличении изображения, образованного средним компонентом <рк, равном Ук = -Iх. Сочетания знаков параметров $>„, <рк и £0 в соответствующих интервалах значений величины У0 определяет восемь возможных типов схемного решения трёхкомпонентной оборачивающей системы. Для определения возникающей расфокусировки изображения получено выражение вида

а = и (1-V )д2 {1 + у0-у02)?>-у0%1-(1-г<,№_

(1 - и,у0,)- 2(1 - уа )[к02?0, (1+г0, )д - Гм д2 + (1+у0 )д3 ] •

Выражение 7Ш где ^д')^+4(1-2Г02

1 1 + У 0 — V 0

определяет положение двух пар оптически сопряжённых осевых точек, расстояние между которыми не изменяется при смещении крайних компонентов системы на предельную величину Д = Д0.

Заключение

Разработка научных основ композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения предполагает изучение структурных преобразований принципиальных базовых схем, изучение функциональных и габаритных схем каждого уровня, а также требований к точности функционирования оптических систем переменного увеличения.

Результаты, полученные в процессе исследований, выполненных в диссертационной работе для решения поставленной задачи, позволяют сделать следующие выводы:

1. Введено понятие базовой принципиальной схемы оптической системы переменного увеличения, что позволило распространить идеи синтеза и композиции оптических систем на системы с переменными характеристиками.

2. В результате анализа определена и исследована последовательность развития базовой схемы оптической системы переменного увеличения.

3. Получены соотношения, определющие свойства базовой схемы каждого уровня, выполнен числовой анализ их свойств.

4. Установлена и определенена вариантность схемного решения принципиальной базовой схемы оптической системы переменного увеличения каждого уровня.

5. Показано, что в общем случае существует две пары оптически сопряжённых точек, которые не меняют своего положения при

предельных смещениях подвижных компонентов в базовой схеме каждого уровня.

6. Получены выражения, определяющие величину остаточной расфокусировки изображения дискретной (оптической) её компенсации.

7. Используя известные критерии оценки качества изображения, выполнен анализ допустимой величины остаточной расфокусировки изображения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Зверев В.А., Нечаева С.А. (Журова). Параметрический синтез трехком-нентных панкратических систем. // Тезисы симпозиума "Прикладная оптика - 94".

2. Нечаева С.А. (Журова). Параметрический анализ простых систем переменного увеличения.//Тезисы XXVIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО(ТУ), 1995.

3. Irina L. Anitropova-Livshits, Victor A. Zverev, Svetlana A. Nechaeva (Zhurova). Analitic derivation of zoom motion in lenses with one to three moving groups subgect to dimensioal boundary conditions. // SPIE Proceedings, Vol. 2539, pp.200-207,1995.

4. Victor A. Zverev, Irina I. Pozhinskaja, Kirill Sobolev, Svetlana Zhurova. Synthesis of optical system from reflective surfases. // SPIE Proceedings, Vol. 2807, 1996.

5. Anna Gavriljuk, Svetlana Zhurova, Victor Zverev. Sinthesis of catadioptric telescope with the aberration corrector in couverging beam of light. // SPIE Proceedings, Vol. 2807, 1996.

6. Гаврилюк A.B., Журова C.A., Зверев B.A., Соболев К.Ю. Анализ аберрационных свойств простых зеркальных и зеркально-линзовых систем. // Тезисы международной конференции «Прикладная оптика - 96».

7. Журова С.А. Анализ свойств простых панкратических систем. // Тезисы XXIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ) 1997.

8. Журова С.А., Зверев В.А. Однокомпонентная оптическая система переменного увеличения.//Оптический журнал. - 1998.Том 65,10, с.26-32.

9. Журова С.А. Двухкомпонентная система переменного увеличения при линейном законе перемещения компонентов. // Тезисы международной конференции «Прикладная оптика - 98».

10. Журова С.А., Зверев В.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. // Оптический журнал. -1999. Том 66, №10, с.68-86.

11. Зверев В.А., Карпова Г.В., Журова CA. Вариант компоновки оптической системы зрительной трубы переменного увеличения. // Тезисы юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 100-летию университета СПбГИТМО (ТУ) 2000.

Введение.

Глава 1. Краткий исторический очерк развития оптических систем переменного увеличения.

Глава 2. Оптическая система как устройство оптического сопряжения плоскости предмета и изображения.

2.1. Расположение оптической системы относительно плоскости предмета и её функциональное назначение.

2.2. Влияние продольных смещений безаберрационной оптической системы на качество изображения.

2.3. Допустимая величина расфокусировки изображения.

Глава 3. Структура принципиальных схем оптических систем переменного увеличения.V.'.

Глава 4. Однокомпонентные оптические системы переменного увеличения.

4.1. Однокомпонентная оптическая система дискретного изменения увеличения.

4.1.1. Общий случай применения {Ьф 0).

4.1.2. Частный случай применения (¿ = 0).

4.2. Однокомпонентная оптическая система непрерывного изменения линейного увеличения.

4.2.1. Оптическая система с непрерывной компенсацией расфокусировки изображения.

4.2.2. Оптическая система с дискретной компенсацией расфокусировки изображения.

4.2.3. Применение дробей Чебышева для расчёта параметров схем оптических систем переменного увеличения с дискретной компенсацией расфокусировки изображения.

4.2.3.1.Однокомпонентная оптическая система переменного увеличения.

4.2.3.2. Однокомпонентная оптическая система переменного увеличения в сочетании с неподвижным компонентом.

Глава 5. Сложные оптические системы переменного увеличения.

5.1. Оптические системы с непрерывной (механической) компенсацией расфокусировки изображения.

5.1.1. Плоскости предмета и изображения расположены на бесконечно большом расстоянии от первого <рх и второго (р2 компонентов системы.

5.1.2. Плоскость предмета расположена на бесконечно большом расстоянии от оптической системы из двух тонких компонентов (рх и ^2.

5.1.3. Плоскость изображения расположена на бесконечно большом расстоянии от оптической системы из двух тонких компонентов фх\ <р2.

5.1.4. Плоскость предмета и его изображение, образованное двухкомпонентной оптической системой, расположены на конечном расстоянии от первого и второго компонентов соответственно.

5.2. Оптические системы с дискретной (оптической) компенсацией расфокусировки изображения.

5.2.1. Трехкомпонентная система переменного увеличения типа «коллектив».

5.2.2.Трехкомпонентная оборачивающая система переменного увеличения.

В современном оптическом приборостроении находят достаточно широкое применение оптические системы как дискретного (скачкообразного), так и непрерывного (плавного) изменения увеличения. Оптические системы непрерывного изменения увеличения принято называть панкратическими системами или панкратиками [1].

Идея создания фотообъектива с переменным фокусным расстоянием появилась в конце XIX века. Однако, на пути её осуществления не удавалось достичь заметного успеха, поскольку принятая за основу принципиальная схема двухкомпонентного телеобъектива обладала потенциальной возможностью получения удовлетворительного качества изображения лишь при одном положении компонентов. Тем не менее, очевидные преимущества панкратических систем определили продолжение поиска приемлемых принципиальных оптических схем, позволяющих успешно решить поставленную задачу.

Когда с несомненностью выяснились преимущества зрительных труб с плавно меняющимся увеличением при наблюдении за быстродвижущимися объектами, Дюнуайэ показал [4], что двухкомпонентная принципиальная схема панкратической системы с постоянным расстоянием между плоскостями предмета и изображения при надлежащем выборе оптических сил компонентов может обеспечить значительные перепады увеличений, доходящие в параксиальной области (без учёта условий коррекции аберраций) до бесконечности. Видимо, это свойство двухкомпонентной схемы определило применение её в оптических системах современных фотографических и киносъёмочных объективов а также объективов телевизионных съёмочных камер.

В зависимости от кинематики перемещения компонентов панкратические системы могут иметь непрерывную (механическую) или дискретную (оптическую) компенсацию расфокусировки изображения (смещения плоскости изображения). Непрерывная компенсация расфокусировки изображения предполагает применение в конструкции панкратической системы высокоточного кулачкового механизма для перемещения компонентов, изготовление которого и сегодня остаётся весьма трудоёмким делом. Естественно предположить, что именно поэтому первые панкратические системы, появившиеся в 30-х годах XX столетия, имели дискретную компенсацию расфокусировки изображения. Первые фотографические объективы с переменным фокусным расстоянием имели дискретную компенсацию расфокусировки изображения. Для примера можно назвать объектив «Зуммар», разработанный Ф.Бэком в1947 году, объектив «Фойхтлендер - Зуммар», разработанный в 1959 году фирмой «Фойхтлендер» (Германия), объектив «Ауто - Никкор - Зумм», разработанный примерно в то же время японской фирмой «Ниппон - Когаку К.К.», японский объектив «Астронар - Зум» и другие.

Развитие технологических возможностей изготовления точных кулачковых механизмов, с одной стороны, а, с другой - развитие вычислительных возможностей благодаря применению электронно-вычислительной техники способствовало появлению фотообъективов переменного фокусного расстояния с непрерывной компенсацией расфокусировки изображения. Так, например, в 1963 году японская фирма «Олимпус» разработала объектив «Зуйко - Ауто - Зум», состоящий из трёхкомпонентной афокальной насадки и собственно объектива, при этом изменение фокусного расстояния осуществлялось перемещением второго компонента, а компенсация расфокусировки изображения - возвратно-поступательным перемещением третьего компонента по нелинейному закону. Возможность получения произвольного переменного масштаба изображения, что позволяет вписывать сюжет при его съёмке наилучшим образом, особенно важна при фотографировании на цветной обратимой плёнке, где изменения компоновки кадра при печати невозможно, а также некоторые другие преимущества обеспечили быстрое проникновение панкратической оптики в фотоаппаратуру [2]. Об этом свидетельствует тот факт, что уже на 1-ое января 1972 года зарубежные фирмы предлагали 109 различных моделей панкратических объективов для малоформатных фотокамер с диапазоном изменения фокусных расстояний от 30 до 4000мм и перепадом увеличений в подавляющем большинстве случаев от 1,8 до 3 [з].

В общем случае процесс проектирования панкратических систем можно представить себе состоящим из следующих этапов: 1. Выбор принципиальной оптической схемы.

Цель этого этапа - определение числа и относительного расположения компонентов.

2. Габаритный расчёт принципиальной оптической схемы.

Цель этого этапа - определение расположения компонентов, их оптических сил и габаритов, а также закона перемещения компонентов.

3. Выбор конструкции разрабатываемой оптической системы.

Цель этого этапа - выбор количества и вида линз и линзовых элементов, образующих каждый из компонентов, а также выбор материала линз.

4. Аберрационный расчёт панкратической системы.

Цель этого этапа - определение числовых значений конструктивных параметров элементов всех компонентов системы исходя из условия получения требуемого качества изображения, образованного системой во всём диапазоне изменения увеличения или фокусного расстояния.

При всей важности последних двух этапов процесса проектирования, первые два весьма ответственны, поскольку от того, насколько удачно они выполнены, зависит конечный успех решения задачи в целом и, прежде всего:

1. Внешние габариты системы: длина, диаметр и так далее.

2. Сложность механических устройств перемещения компонентов, требования к точности их изготовления.

3. Коррекционные возможности системы, так как от выбора оптических сил и взаимного расположения компонентов зависят их основные параметры Р \л ¡V, а от них - большая или меньшая сложность конструкции компонентов [4].

Этим определяется актуальность исследования проблем схемного проектирования оптических систем с переменными характеристиками.

Развитие теории расчёта оптических систем переменного увеличения как в случае самой общей постановки задачи, так и при решении частных задач нашло отражение в многочисленных публикациях как в зарубежной так и в отечественной печати. Большинство работ посвящено методам расчёта в параксиальной области параметров панкратических систем с наиболее простыми кинематическими схемами, имеющих линейную взаимосвязь перемещений подвижных компонентов, то есть систем с дискретной компенсацией расфокусировки изображения. Среди зарубежных публикаций особого внимания заслуживают работы Л. Бергштейна [б,7,8,9]. В этих работах задача расчёта сформулирована как математическая. В результате расчёт оптической системы сводится к решению системы нелинейных уравнений, показатель степени которых возрастает с увеличением числа компонентов в системе. Поэтому уже для пятикомпонентной системы строгое решение задачи даже с помощью электронно-вычислительной техники представляет большие трудности [10,11,12].

Первые исследования в области теории и расчёта трёхкомпонентных фотографических объективов с переменным фокусным расстоянием были выполнены Д.С.Волосовым в ГОИ ещё в предвоенные годы. Дальнейшее развитие теория и практика проектирования оптических систем с переменными характеристиками получили в трудах его сотрудников: М.С.Стефанского, М.Г.Шпякина, Н.А.Градобоевой и других. Работу [13], на наш взгляд, можно считать основополагающей, поскольку именно в ней сформулирован принципиальный подход к разработке метода расчёта фотографических объективов с переменным фокусным расстоянием и показано его применение, именно этот подход получил развитие в последующих работах. Суть изложенного подхода состоит в следующем.

Вполне очевидно, что любой панкратический объектив можно преобразовать (реально или мысленно) в систему, представляющую собой сочетание афокальной насадки переменного увеличения с собственно объективом. Кроме того, предполагается, что взаимосвязь перемещений подвижных компонентов в насадке определяется линейными уравнениями. При этом для выбранной принципиальной схемы четырёхкомпонентной афокальной насадки при предельных положениях подвижных компонентов и некотором среднем их положении появляется возможность при условии строгой афокальности насадки установить взаимосвязь параметров схемы в виде системы уравнений. Разность между числом параметров и числом уравнений определяет число независимых переменных. Изменяя переменные в пределах выбранного диапазона и решая систему уравнений, получим параметры некоторого семейства афокальных насадок, из которых выбираем ту, которая наилучшим образом отвечает требованиям решаемой задачи.

В работе [и] показано, что четырёхкомпонентная афокальная насадка при определённых условиях может быть получена в результате сложения двух трёхкомпонентных насадок. Названный автором «метод сложения» позволил существенно усовершенствовать методику расчёта, изложенную в работе [13]. В результате исследований, аналогичных изложенным в публикации М.С.Стефанского, Н.А.Градобоева разработала семейство малогабаритных широкоугольных панкратических объективов «Янтарь» [5,15,1 б]. Метод сложения получил дальнейшее развитие в трудах М.Г. Шпякина, посвященных проблемам проектирования многокомпонентных объективов большой кратности изменения фокусного расстояния. Применив метод сложения к построению системы из двух афокальных четырёхкомпонентных насадок, он разработал методику определения в параксиальной области параметров многокомпонентных объективов переменного фокусного расстояния с линейными зависимостями между перемещениями компонентов [10,11].

Работы в области расчёта оптических систем переменного увеличения, выполненные в МВТУ им.Н.Э.Баумана (Бегунов Б.Н., Пахомов И.И., Поспехов В.Г.,Савоскин В.И., Шикуть A.B. и другие), достаточно широко представлены в печати и, в частности, в трудах МВТУ. Как показал профессор Пахомов И.И. в монографии [з], для панкратической системы общего вида, то есть для системы, состоящей из произвольного числа компонентов, которые вместе с плоскостью предмета перемещаются по линейному закону, смещение плоскости изображения 5L определяется выражением: где индекс п означает число компонентов рассматриваемой системы переменного увеличения, г - переменный параметр, пропорциональный перемещению компонентов, при этом г, - коэффициенты полиномов 11^}, соответственно. Там же показано, что параметры оптической системы переменного увеличения определяются через коэффициенты Выбрав значения коэффициентов а^"} полинома £/(/), находим его экстремальное значение. Зная тах^^, при заданном максимально допустимом смещении <5£шах = тах|<5£| плоскости изображения, обусловленном постоянством передаточных отношений между перемещениями компонентов, определяем значения полинома V = ) из условия:

V{t) ¿¿(»у

При этом значения коэффициентов ö|n) определяются уравнениями: l - M)V = 2¿Ь<л) (k - нечётное); к=1 = (¿-чётное), к=0 где М - перепад увеличений изображения, образованного рассматриваемой системой. По мнению И.И.Пахомова [з], предложенный им метод расчёта применим для систем, которые включают в себя как частный случай те системы, которые рассматривались Бэком, Берштейном, Стефанским, Шпякиным и другими.

Важнейшей частью современных передающих камер цветного телевидения являются оптические головки, представляющие собой собранные в единое целое сложнейшие оптико-механические комплексы, состоящие из панкратического объектива, призменного цветоделительного блока, встроенного или подключаемого диапроектора, систем подсветки, комплекта светофильтров и системы автоматического управления, имеющей свои особенности [17]. Кратность изменения фокусного расстояния объективов телевизионных камер достигает 66 при относительном отверстии 1:1,1 -1:1,2 и угловых полях до 90°-100° [18]. В современных объективах дополнительное увеличение кратности изменения фокусного расстояния достигается тем, что последний компонент объектива (корректор) выполняется в виде двух компонентов разделённых большим воздушным промежутком, в который вводится дополнительная система с постоянным увеличением, равным 1,5х -3х, называемая экстендером [17]. Для уменьшения габаритов объективов с большой кратностью т изменения фокусного расстояния фирма «Шнайдер» применила модульное построение схемы объектива в виде последовательности двух систем переменного увеличения с кратностями тх и т2 при т=т^т2, принятое сейчас и другими фирмами [17]. Так, например, объектив ОЦТ35х13М с 35-кратным изменением фокусного расстояния (/шт =13лш), разработанный в ГОИ (Р.М.Карлсбрун) и серийно выпускавшийся в ЛОМО, содержит две панкратики (l7x, 2х), работающие последовательно [18]. При разработке оптических схем телевизионных объективов достаточно широко применяются двухкомпонентные системы переменного увеличения с нелинейной взаимосвязью перемещения компонентов. Результаты исследования свойств таких панкратик нашли отражение в работах [19,20,21] Е.С.Полтыревой и И.П.Поляковой.

Заметим, что в работах, посвященных методам расчёта оптических систем переменного увеличения, в качестве исходной принимается оптическая схема системы в целом, при этом выбор схемы определяется либо предполагаемым методом расчёта, либо предыдущим опытом и, как правило, не обсуждается. Публикации, посвящённые этому вопросу, весьма скромно представлены в печати. Однако, как уже отмечалось, именно выбор оптической схемы нередко предопределяет конечный успех всего процесса проектирования системы. Уместно привести слова профессора Волосова Д.С. по этому вопросу: «Область применения систем переменного увеличения определяется тем, насколько удачно будет решён ряд вопросов, касающихся не только коррекции аберраций, но и простоты оптической и механической конструкции и компактности габаритов системы» [22]. Именно этим определяется актуальность настоящей диссертационной работы, посвященной одному из вопросов решения проблемы проектирования оптических систем переменного увеличения: разработке теории обоснованного выбора принципиальной схемы оптической системы, наилучшим образом решающей поставленную задачу, разработке теоретических основ синтеза и композиции оптических систем с переменными оптическими характеристиками, а также исследованию влияния остаточной расфокусировки изображения, образованного системой на его качество.

Идеи синтеза как метода построения рациональной конструкции оптической системы путём последовательного усложнения исходного базового элемента в результате добавления к нему коррекционных элементов, предложенные профессором Русиновым М.М. и положенные им в основу создания светосильных широкоугольных объективов, оказались весьма плодотворными для разработки оптики приборов различного назначения [23,24]. Развитие идей синтеза применительно к созданию систем с переменными оптическими характеристиками позволяет разработать рациональные методы построения панкратических систем широкого спектра действия с дискретной и непрерывной компенсацией расфокусировки изображения.

В простейшем случае система переменного увеличения состоит из одного компонента. При смещении компонента относительно плоскости предмета вдоль оптической оси будет изменяться увеличение образованного им изображения, но при этом будет изменяться и расстояние между осевыми точками предмета и изображения, оставаясь неизменным лишь при двух положениях компонента. При сравнительно небольшом расстоянии между этими положениями компонента можно получить достаточно большой перепад линейного увеличения, что определяет целесообразность применения одиночного компонента в качестве системы дискретного изменения увеличения в зрительных трубах [25]. С другой стороны, совместив задний фокус отрицательного компонента с осевой точкой предмета положительного компонента, получаем схему обратного телеобъектива. Продольным смещением положительного компонента достигается изменение фокусного расстояния двухкомпонентной системы, а возникающая при этом расфокусировка изображения устраняется соответствующим смещением отрицательного компонента. В результате получаем вариант композиции простейшей схемы панкратического фотографического объектива. Дополним полученную схему третьим отрицательным компонентом. Совместив передний фокус этого компонента с осевой точкой изображения, образованного двухкомпонентной системой, получаем трёхкомпонентную афокальную насадку широкоугольных панкратических фотообъективов «Янтарь». Заменив положительный компонент в однокомпонентной схеме переменного увеличения отрицательным, можно построить различные варианты композиции оптической системы с переменными характеристиками и, в частности, компактную трёхкомпонентную схему афокальной насадки со сравнительно большой кратностью изменения увеличения. Итак, однокомпонентная схема переменного увеличения позволяет реализовать идеи не только синтеза, но и композиции [2б] оптических систем переменного увеличения, если принять её в качестве базовой.

Вполне очевидно, что далеко не все задачи построения схем панкратических систем можно решать на основе применения базовой однокомпонентной схемы переменного увеличения. В этой связи представляет интерес рассмотреть возможность развития самой базовой схемы.

Дополним однокомпонентную базовую схему вторым компонентом и будем перемещать их как единое целое. При этом расстояние между осевыми точками предмета и изображения будет неизменным, как уже отмечалось, лишь при двух положениях компонентов. С другой стороны, изменение расстояния между компонентами приведёт к изменению оптической силы и расстояния между главными плоскостями рассматриваемой двухкомпонентной системы, а, следовательно, определяет возможность непрерывной компенсации расфокусировки изображения, возникающей в промежуточных положениях компонентов. Таким образом, двухкомпонентная схема переменного увеличения с нелинейной взаимосвязью перемещений компонентов позволяет сохранить расстояние между предметом и его изображением неизменным. Принятая в качестве базовой двухкомпонентная схема переменного увеличения позволяет построить композиции схем оптических систем различного назначения и, в частности, объективов передающих камер цветного телевидения [п]. Применив базовую двухкомпонентную схему в качестве оборачивающей системы, можно построить варианты композиции зрительных труб переменного увеличения [27]. Заметим, что, в общем случае, оптическая сила компонентов двухкомпонентной базовой схемы переменного увеличения может быть одинаковой или различной по величине и по знаку, при этом расстояние между осевыми точками предмета и изображения также может быть выбрано любым как по величине, так и по знаку.

Рассмотрим двухкомпонентную оптическую систему при одинаковой оптической силе компонентов и конечном расстоянии между ними. Пусть промежуточное изображение предмета, образованное первым компонентом, расположено в пространстве между компонентами на равном расстоянии от каждого из них (то есть в средней плоскости между компонентами). При этом линейное увеличение изображения, образованного двухкомпонентной системой равно У0 = Iх. Без нарушения хода осевого пучка лучей, положения и линейного увеличения изображения в плоскости промежуточного изображения можно поместить третий компонент. При одинаковом смещении крайних компонентов в предельное положение влево или вправо подбором оптической силы среднего (третьего) компонента можно сохранить расстояние между исходными точками предмета и конечного изображения неизменным. В результате описанной процедуры получаем трёхкомпонентную схему переменного увеличения типа «коллектив» [28] с дискретной компенсацией расфокусировки изображения в среднем и в предельных положениях крайних компонентов. Эта система, обладающая максимальной компактностью, была принята в качестве базовой при построении вариантов композиции схем оптических систем различных устройств в микроскопии (панкратические окуляры, экранные насадки, насадки сравнения, фотовизуальная насадка и другие) [24,29]. Принятая в качестве базовой, трёхкомпонентная схема переменного увеличения типа «коллектив» позволяет построить варианты композиции схем оптических систем малогабаритных зрительных труб [24,30].

Формально можно найти такое положение плоскости предмета, при котором линейное увеличение изображения, образованного трёхкомпонентной системой переменного увеличения при симметричном расположении крайних компонентов относительно среднего, равно ¥0 =-1х. Можно показать, что при определённом соотношении оптических сил крайних и среднего компонентов и при предельном смещении крайних компонентов расфокусировка изображения отсутствует. Трёхкомпонентная схема оборачивающей системы переменного увеличения принята в качестве базовой при построении варианта композиции схемы первого отечественного фотографического объектива с переменным фокусным расстоянием «Рубин-1» [2]. Достаточно высокие оптические характеристики достигаются в зрительных трубах, в основу построения принципиальной схемы которых положена базовая трёхкомпонентная схема панкратической оборачивающей системы [24,31].

Итак, введение понятия базовой схемы переменного увеличения позволило естественным образом распространить идеи синтеза и композиции оптических систем на построение схем оптических систем с переменными характеристиками. Важно отметить, что применительно к системам переменного увеличения идея композиции получила дальнейшее развитие: приняв в качестве начальной однокомпонентную схему, удалось установить и определить логику развития собственно базовой схемы переменного увеличения. Знание свойств базовых схем каждого уровня определит возможность детерминированного построения вариантов композиции схем оптических систем соответствующего назначения. Работы, посвящённые исследованию базовых схем, весьма скромно представлены в печати [19,24,29,32]. Настоящая диссертационная работа представляет собой обобщение и развитие исследований, содержащихся в отечественных работах, а также продолжение исследований, начатых Т.А.Ивановой в работе [29].

Подводя итоги изложенному можно сделать следующие выводы:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Известно, что одним и тем же требованиям могут удовлетворять оптические системы, в основу построения которых положены разные принципиальные схемы. Однако, при этом, как показывает опыт, полученные системы далеко не равнозначны по качеству изображения, сложности конструкции, габаритам и так далее. Выбор исходной принципиальной схемы, как, впрочем, и выбор исходной конструкции оптической системы любого назначения, остаётся эвристической процедурой, успешное выполнение которой в значительной мере определяется опытом и творческим потенциалом разработчика. Успех естественного стремления к композиции оптимальных оптических систем определяется полнотой набора элементной базы и знанием свойств элементов во всём диапазоне возможных значений их параметров. Композиция как метод построения принципиальных схем оптических систем переменного увеличения предполагает обоснованность выбора исходной базовой схемы с последующей компоновкой возможных вариантов принципиальной схемы проектируемой системы. Разработка научных осьЬв композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения предполагает изучение структурных преобразований принципиальных базовых схем, изучение функциональных и габаритных свойств базовых схем каждого уровня, а также требований к точности функционирования оптических систем переменного увеличения. Результаты, полученные в процессе исследований, выполненных в диссертационной работе для решения поставленной задачи, позволяют сделать следующие выводы:

1. Введено понятие базовой принципиальной схемы оптической системы переменного увеличения, что позволило распространить идеи синтеза и композиции оптических систем на системы с переменными характеристиками.

2. В результате анализа определена и исследована последовательность развития базовой схемы оптической системы переменного увеличения.

3. Получены соотношения, определяющие свойства базовой схемы каждого уровня, выполнен числовой анализ их свойств.

1. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. - М. - Л.: Машиностроение, 1966.-564с.

2. Волосов Д.О. Фотографическая оптика. М.: Искусство, 1971. - 670 с.

3. Пахомов И.И. Панкратические системы. М.: Машиностроение, 1976. -160 с.

4. Слюсарев Г.Г. Расчёт оптических систем. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975. - 640 с.

5. Градобоева Н. А. Автореферат кандидатской диссертации. Л.: ГОИ, 1975. -18с.

6. Bergstein L. General theory of optically compensated varifocal systems // JOSA. -1958.- Vol.48, №3-P. 154-171.

7. Bergstein L., Motz L. Two component optically compensated varifocal system II JOSA. - 1962. - Vol.52, №4 - P. 365-368.

8. Bergstein L., Motz L. Three component optically compensated varifocal system II JOSA. - 1962. - Vol.52, №4 - P. 257-260.

9. Bergstein L., Motz L. Four component optically compensated varifocal system // JOSA. - 1962. Vol.52, №4 - P. 326-329.

10. Шпякин М.Г. Расчёт в параксиальной области панкратических объективов большой кратности с линейно перемещающимися компонентами // Оптико-механическая промышленность. 1969. - №8 - С. 22-25.

11. Шпякин М.Г. Автореферат кандидатской диссертации. Л.: ГОИ, 1971. - 19с.

12. Стефанский М.С. Исследование и расчёт светосильных афокальных систем переменного увеличения, применяемых в качестве насадок к объективам для изменения их фокусного расстояния. В сб. Труды ГОИ. Л.: ОНТИ ГОИ, 1958. -Т.XXVI, вып. 152. - С.43-68.

13. Стефанский М.С. Параксиальные элементы многокомпонентных телескопических систем переменного увеличения II Оптико-механическая промышленность. 1964. - №3 - С.42 - 46.

14. Градобоева Н. А. " Широкоугольные панкратические фотообъективы "Янтарь" // Оптико механическая промышленность. - 1974. - № 1 - С.30 -33.

15. Стефанский М.С., Градобоева H.A., Исаева И.Е. Пятикомпонентные широкоугольные панкратические объективы II Оптико механическая промышленность,. - 1977. - №8 - С.22 - 25.

16. Оптические головки передающих камер цветного телевидения. Справочник под ред. Васильевского О.Н. Л.: Машиностроение, (Ленинградское отделение), 1988. -109 с.

17. Градобоева H.A., Карлсбрун P.M., Чайкин Д.С. Работы ГОИ по созданию и развитию телевизионной и фотографической оптики с переменными характеристиками // Оптический журнал. 1994. - №8 - С.63 - 68.

18. Полякова И. П. Выбор соотношений между фокусными расстояниями компонентов панкратической оборачивающей системы // Оптико -механическая промышленность. -1972. №2 - С.25 - 27.

19. Полякова И.П., Полтырева Е.С. Исследование закона движения в двухкомпонентной панкратической системе // Оптико механическая промышленность. - 1975. - №10 - С.21 -25.

20. Полякова И.П. Сравнение панкратических систем с линейной и нелинейной зависимостью между перемещениями компонентов // Оптико механическая промышленность. - 1977. - №3 - С. 19 - 22.

21. Волосов Д.С. Методы расчёта сложных фотографических систем. М. - Л.: Гостехиздат, 1948. - 394 с.

22. Русинов М.М. Техническая оптика. Л.: Машиностроение, (Ленинградское отделение), 1979. - 448 с.

23. Зверев В.А., Иванова Т.А. Некоторые вопросы проектирования оптики приборов из базовых элементов // Оптико механическая промышленность. -1976. -№10-С.14-17.

24. Русинов М.М., Зверев В.А., Анитропова И.Л., Аршевский А.Г. Способ дискретного увеличения в телескопической системе с оборачивающим компонентом, имеющей излом оптической оси. А. с. 1113770 /У Бюл.изобр. -- № 34. С. 12-20

25. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, (Ленинградское отделение), 1989. - 383 с.

26. Иванова Т. А. Автореферат кандидатской диссертации. Л.: Ленинградский институт точной механики и оптики, 1972. - 20 с.

27. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение, 1984. - 231 с.

28. Иванова Т.А., Фокина A.C. А. с. 651295 И Бюл. изобр. 1979. - №9. - С. 43

29. Иванова Т.А., Фокина A.C. А. с. №466477 // Бюл. Изобр. 1975. - №13. -С.104.

30. Нефёдов Б. Л. Методы решения задач по вычислительной оптике. М.-Л.: Машиностроение, 1966. - 264 с.

31. Панов В.А., Андреев Л.Н. Оптика микроскопов. Расчёт и проектирование. -Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение),1976. 432 с.

32. Акаев А. А. Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая школа, 1988. - 237 с.

33. Михель К. Основы теории микроскопа. Под ред. Слюсарева Г.Г. М.: ГИТ-ТЛ, 1955. -276с.

34. Франсон М. Фазово контрастный и интерференционный микроскопы. Под ред. Слюсарева Г.Г. - М.: ГИФ - МЛ, 1960. - 180 с.

35. Фотокинотехника. Сб. под ред. Иофис Е.А. М.: Советская энциклопедия, 1981. -447 с.

36. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. (Теория, основы проектирования, оптические характеристики). Учебное пособие для киновузов. М.: Искусство, 1978. - 543 с.

37. ЗЭ.Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1982. -237 с.

38. Волков В.В., Луизов A.B., Овчинников Б.В., Травникова Н.П. Эргономика зрительной деятельности человека. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1989 - 112с.

39. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Учебное пособие для приборостроительных вузов. Л.: Машиностроение, (Ленинградское отделение), 1982. - 270 с.

40. Слюсарев Г.Г. Методы расчёта оптческих систем. Л.: Машиностроение, 1969. -672с.

41. Математическая энциклопедия. Под ред. Виноградова И.М. и др. М.: Советская энциклопедия, 1977, т.1. -1152 с.

42. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М.: Наука, 1980. - 976 с.

43. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1989. - 221 с.

44. Уэзерелл У. Оценка качества изображения. В сб. "Проектирование оптических систем. М.: Мир, 1983. - С. 178 - 332.

45. Steel W. H. Calcoul de la repartition de la lumiere dans l'image d'une ligne II Rev. d'Ohtique. 1952. -Vol. 31, N 7 - P. 334.

46. Марешаль A. Франсон M. Структура оптического изображения. M.: Мир, 1964. -295c.50.0'Нейл Э. Введение в статистическую оптику. М.: Мир, 1966. -255с.

47. Журова С. А., Зверев В.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения II Оптический журнал. 1999. -№10-С. 68-85.

48. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и абераций третьего порядка. Л.: Машиностроение, 1968. - 312 с.

49. Нефёдов Б.Л. Окуляр с переменным фокусным расстоянием // Оптико -механическая промышленность. -1958. № 11 - С. 25 - 28.

50. Деменьтьев В. В., Полякова И.П. Изучение закона движения в трёхкомпонентных панкратических телескопических системах У/ Оптико -механическая промышленность. -1989. № 7 - С. 13.

51. Игнатовский B.C. Элементарные основы теории оптических приборов. Л. -М.: Госуд. Техн. - теоретич. Изд-во, 1933. - 184 с.

52. Чебышев П.Л. Полное собрание сочинений . т.2. Математический анализ. -M Л.: Изд-во АН СССР, 1947. - 520 с.