автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование объективов с телецентрическим ходом лучей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

ВОЛКОВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ

УДК 535.317

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕКТИВОВ С ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканий ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре Системотехники оптических приборов и комплексов Санкт-Петербургского Государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Сокольский М. Н.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Андреев Л. Н. кандидат технических наук Корепанов В. С. ВНЦ «ГОИ им. С. И. Вавилова»

Защита диссертации состоится_в_ч. мин.

на заседании диссертационного совета Д212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническом университете) по адресу Санкт-Петербург, ул. Саблинская, дом 14, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУИТМО. Автореферат разослан _ _2004 года

Отзывы и замечания по автореферату направлять по адресу института: 197101, Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д. 14, секретарю диссертационного совета Д212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.227.01 кандидат технических наук, доцент 1 В. М. Красавцев

683

мэм/о

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Среди большого многообразия существующих сегодня ОС, объективы с телецентрическим ходом главных лучей (далее - ОТХ) занимают значительное место как по ширине области их применения, так и по объемам выпуска и продаж Требование обеспечения телецентричности пучков лучей со стороны предмета или изображения часто предъявляется ко многим типам ОС по самым разнообразным причинам. При расчёте таких объективов разработчик сталкивается с необходимостью решения целого ряда специфических задач (обеспечение жёстко заданных габаритных размеров, особые требования к ходу лучей, ортоскопичность, дифракционное качество изображения и др.).

Вследствие этого разработка для систем ОТХ соответствующих подходов по выработке технических требований, расчёту и оценке качества их изображения, подобно тем, которые уже существуют и успешно применяются в отношении такого рода систем, как микро-, фото-, гидросъёмочные объективы и др., представляется достаточно актуальной и полезной с практической точки зрения Решение данной задачи позволит упростить и ускорить процесс создания ОТХ и родственных им ОС.

Цель работы

Цель диссертационной работы состоит в разработке теории и методов проектирования, синтеза и исследования свойств систем ОТХ различного назначения, а также в создании на их основе ряда конкретных образцов телецентрических ОС нового поколения с повышенными техническими характеристиками.

Задачи исследования

1. Изучение способов синтеза широкоугольных телецентрических объективов (далее-1ЛТО),

2 Исследование возможностей коррекции дисторсии в системах ШТО;

3. Изучение влияния аберрационного виньетирования, отступления от условия синусов и аберраций в зрачках в системах ШТО на их оптические характеристики;

4. Разработка метода оценки точности ортоскопических объективов измерительных систем;

5. Разработка ряда оптических систем ОТХ различного назначения с повышенными характеристиками.

Методы исследован ня

1. Методы синтеза оптических систем на основе поверхностей с известными свойствами и с использованием классических законов оптики;

2. Математические методы исследования обнаруженных зависимостей;

3. Математические модели структуры изображения, методы и критерии оценки его качества;

гообрк

РОС. К -'МДЛЬНАЯ Б И» '(-КА С.Ие.ербург

4. Численные методы исследования оптических систем.

Научная новизна диссертации

1. Изучено влияние отступления от условия синусов Аббе пучка главных лучей на оптические характеристики ШТО;

2. Исследован эффект аберрационной телецентричности (ЭАТ), выделен отдельный тип аберрационно-телецентрических ОС, изучены их свойства и коррекционные возможности, предложен способ практического использования ЭАТ при разработке ШТО с уменьшенной дисторсией;

3 Получено выражение дисторсии в аберрационно-телецентрической ОС;

4. Обнаружено, что выражение дисторсии аберрационно-телецентрической ОС аналогично формуле Кокради, определяющей сагиттальную кому;

5 Изучена причина и дана оценка систематических погрешностей в измерительных системах, вызываемых присутствием в ортоскопических объективах несимметричных аберраций высших порядков;

Основные результаты, выносимые на защиту

1 Результаты изучения функции аберрационного виньетирования, отступления от условия Аббе и аберраций в зрачках в системах ШТО;

2. Эффект аберрационной телецентричности и его практическое использование при разработке ШТО;

3. Формула дисторсии для случая аберрационно-телецентрической ОС;

4 Численные критерии оценки систематических погрешностей в измерительных системах, ортоскопические ОТХ которых несвободны от несимметричных аберраций высших порядков;

5. Оптические схемы широкоугольных объективов эндоскопов, проекционных ортоскопических объективов с улучшенными характеристиками.

Практическая ценность работы

1. Рассмотрен метод компоновки и синтеза различных ШТО;

2 Изучен эффект аберрационной телецентричности, решена задача его практического использования при разработке систем ШТО;

3. Предложены удобные численные критерии оценки точности ортоскопических ОТХ измерительных систем;

4. В результате исследований разработан ряд ОТХ различного назначения для перспективных приборов нового поколения, в том " числе, "семейства объективов эндоскопов, проекционных ортоскопических объективов и объективов микроскопов. Все они' внедрены в производство на ОАО «ЛОМО» и защищены патентами.

Апробация результатов

Основные результаты работы представлялись на V международной

конференции «Прикладная оптика» (15-17 октября 2002 года, Санкт-

Петербург), на семинарах кафедр Прикладной и компьютерной оптики и

Системотехники оптических приборов и комплексов СПбГУИТМО, а также на заседаниях научно-технического совета ОАО «ЛОМО»

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 84 наименований и трех приложений, содержит 140 страниц основного текста, 24 рисунка и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируются задачи и определяются объекты исследования. В число последних включены весьма распространенные в современных оптических приборах объективы с телецентрическим ходом главных лучей и в частности: 1 Широкоугольные телецентрические объективы Эти объективы вызывают наибольший интерес ввиду значительных противоречий между требованиями к конструкции и качеству изображения с одной стороны и возможностями схемных решений с другой. В этом отношении данный вид ОТХ представляет собой крайний случай сочетания ряда проблем, решения которых взаимно исключают друг друга. Наиболее характерными представителями семейства ШТО являются объективы эндоскопов, а потому исследование именно их оптических схем составляет основу практической части настоящей работы.

Для удобства, в дальнейшем системы объективов эндоскопов нестрого подразделяются на две основные группы по степени исправленности дисторсии в зависимости от углового поля. Объективы, кривая дисторсии которых расположена в окрестностях линии, идущей от |40±101% при 2<э=120° до |15±5|% при 2о=70о входят в группу 1. Такие ОЭ можно считать системами с неисправленной дисгорсией. К группе 2 принадлежат объективы, кривая дисторсии которых расположена в окрестностях линии, идущей от |15±5|% при 2е>=120° до |5±5|% при 2<а=70° (системы с умеренной дисторсией). Небольшая часть известных ОЭ может быть ~ отнесена к системам переходной группы 3 -

2. Высокоточные ортоскопические проекционные объективы Данные ОТХ используются в измерительных проекционных системах, а также в устройствах фотолитографии Условия применения таких приборов требуют сведения к минимуму нарушения геометрического подобия изображения предмету при весьма высоком качестве изображения. Возникающие при этом некоторые проблемы и способы их решения представлены на примере проекционных телецентрических объективов новой серии ОП - 4,

разработанных в рамках настоящего исследования для технических проекторов типа МР-100, производства ОАО «ЛОМО».

Глава 1

В первой главе изложены общие свдения, касающиеся ОТХ, их особенности, и область применения Согласно принятому определению, под телецентрической понимается такая ОС, ход главных лучей внеосевых пучков которой параллелен или близок к параллельному относительно ее оптической оси в пространстве предметов или изображений

Телецентрические объективы выделились в отдельный тип ОС относительно недавно. Эти довольно специфические по своему назначению системы впервые.были востребованы приблизительно во второй четверти XX века, в период между двумя мировыми войнами, когда в результате стремительного развития серийного производства и возрастающего уровня технологии появилась необходимость создания точных контрольных и измерительных оптических приборов. В это время появились первые измерительные проекционные системы, важным элементом которых является ОТХ. Новые области применения для ОТХ открылись в 50 - е годы XX века с появлением новых приемников изображения и созданием на их базе целых классов оптических приборов, не существовавших ранее. Таковы, например, эндоскопы, репродукционные системы, телевизионная и видеотехника и т. д. Широкое развитие микроэлектронной техники и производящей ее промышленности, начиная с 60 - х годов прошлого столетия привело к появлению специальных оптических систем для установок фотолитографии. Существует немало осветительных схем, в составе которых важную роль играет телецентрическая ОС. В настоящее время активно разрабатываются такие ОС, в которых необходимость обеспечения телецентричности внеосевых пучков лучей определяется типом и особенностями приемника изображения. К ним относятся объективы, работающие совместно с мультиспектральными ПЗС - матрицами или линейками.

Очевидно, что в общем случае ОТХ может быть системой из двух групп линз, разделенных апертурной диафрагмой, причем положение последней совпадает с положением задней или передней фокальной точки первой или второй группы линз соответственно по ходу лучей. Также ОТХ может представлять ~собой систему с вынесенным зрачком, совмещенным с его передним или задним фокусом. В обоих случаях параллельность хода главных лучей достигается при использовании простых закономерностей параксиальной оптики. Однако, встречаются системы, телецеяггричность которых обеспечить таким образом затруднительно, или невозможно Таковы широкоугольные объективы эндоскопов, к которым предъявляются особые требования по коррекции дисторсии. Тогда из системы параксиально - телецентрической, ОТХ может преобразоваться в систему аберрациошю - телецентрическую, т. е такую, у которой параллельность хода главных лучей относительно оптической оси обеспечивается не правилами нулевых лучей, а аберрациями в зрачках Пример такой ОС приведен на рис. 1, где Ф1, Ф2 - компоненты системы,

разделенные апертурной диафрагмой АО; Ор и 0'р - входной и выходной зрачки соответственно; Р, Р' - центры входного и выходного зрачков; И,, Р\ -

фокальные точки компонентов

' Ф2

JF

р

системы; ю - угол главного Р2 луча с оптической осью в

f-^ Р* пространстве изображений в

-— параксиальной области; v|/' -

"v" угол реального главного луча

I с оптической осью.

Отмечается, что сама по себе телеценгричность лучей, не будучи самостоятельным объектом исследования, является источником целого ряда проблем, встающих при разработке обладающих ей ОС.

Глава 2

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой ШТО с неисправленной дисторсией (группа 1)

В результате исследований было установлено, что допустимая непараллельность выходных пучков лучей в ОЭ при использовании в приборе в качестве транслятора изображения волоконнооптического жгута типа Schott fiber optics с числовой апертурой 0.5 и исходя из необходимости сопряжения системы "объектив+транслятор" с окуляром и адаптером ГТЗС-приемника, не должна превышать 7 - 9°.

Основная трудность синтеза исходной схемы ОЭ группы 1 заключается в исправлении аберраций внеосевых пучков при весьма значительных угловых полях (до 120 — 140°) и, главным образом, в коррекции астигматизма и комы

Т. к основной вклад в нарастание астигматизма вносит фронтальная часть ШТО, работающая на прием широкоугольных пучков, выбор ее схемного решения является основой при разработке ОЭ. Задачу получения свободной от астигматизма (стигматической) фронтальной части с первой плосковогнутой отрицательной линзой можно решить на основе метода композиции ОС М. М. Русинова с использованием известных инвариантов Гульстранда - Юнга для сферической преломляющей поверхности: л'-cos2 с' n-cos2s п'-cose'-п-cose

Г1 Г7 " (1)

л -cose -n-cose _ n п

г s' s - -

где Е и е' - углы главного луча с нормалью к поверхности; t и f -меридиональные отрезки; s и s' - сагиттальные отрезки: г - радиус кривизны поверхности.

На рис. 2 изображена двухлинзовая фронтальная часть ОЭ с ходом главного луча в ней Здесь N, - нормали к соответствующим поверхностям; С, -центры кривизны поверхностей.

Учитывая, что ti=t'i=ss=s'i=oc, для данной системы справедливы соотношения:

n¡- eos3 е'2 п, eos3 с 2 п}-cos£2-п2-cos£2 n¡ п2

s2 s2

(2)

h

л4-eos' n¡-eos2 Л4 •COSí'J -ni •COS«3

<э Г,

я,-eos2 < nA -eos2 6* «5 ■COS£-J - л4 •COSÍ4

S4 S4 S4F

Рис.2

Для упрощения начальных условий синтеза последующей части ОЭ, первую поверхность второй линзы (г3) системы можно выполнить концентрической относительно главного луча Эта мера также позволяет уменьшить нарастание кривизны поля и в то же время не нарушит стигматической коррекции фронтальной части. В этом случае: £3=€'3=0; Зз^Ч-йг*; я'з^'гЧ^.-^зк), 84=3'з-«Ь|Г= в'г-йьнЬ« 8'4=5'4Г где ¿2« и <13г - длины главного луча между второй третьей и четвертой поверхностями соответственно. Тогда, после преобразований, имеем выражение, связывающее конструктивные характеристики и параметры хода главного луча в стигматической системе:

sin2 e't

eos2 et

Показано, что с учетом реальных толщин линз и воздушных промежутков, величина угла главного луча с оптической осью в-плоскости апертурной диафрагмы ш'дд составит;

Г СО^ + |>у со*1 1 с +

СО&1£[)-с/и -<11к -2 ^ ]} 4 ^^

Г7 • ЭШ С, ~ Г. • вШ €л + агс1%\--------1—--—

COS2 £, S<2F -<*2к

"АД'

|í/2t + dh - г2 -coscj +r4 cosí,

Определение оптимального состава конструктивных параметров последующей части ШТО не представляет труда и в большинстве случаев может быть произведено упрощенными приблизительными методами

(например, с использованием теории аберраций III порядка). Гарантией получения удовлетворительной исходной системы здесь являются небольшие значения апертуры системы, диапазона ахроматизации и угла соДд (»0,35-гО,45со)

На основе аналитических исследований были разработаны и приняты к производству объективы для новых приборов типа ББ-ВО-Г' и КБ-ВО-Г (ЛОМО) 30-й серии, а также экспериментальный образец ОЭ прибора ГДБ-ВО-Г-32 (ЛОМО). На оптические схемы большинства из них получены патенты Некоторые из них представлены на рис. 3

ОЭ ББ-В0-Г20 (Пат. на п м №29772 от 27 05 2003) Ц-ХД/ - U-! 2е>=100°; 2Y'=0.8 мм; 1:3,5; D=-37.3 %. КПК на оси U L J\J } I 0,77/60 мм"1; КПК по полю > 0.61/60 мм'1

ОЭ ОБ-КБ-130 изделия КБ-ВО-Г22 (Ю-33 44.057 JI3) 2о)=130°; 2Y'=1 4 мм; 1:4,7; D=-36 8 %; КПК на оси 0,85/40 мм'1; КПК по полю > 0.60/40 мм"1

ОЭ ОВ-3 ЛЗ изделия ГДБ-ВО-Г32 2о)-120°; 2Y'=l .2 мм; 1:4,0. D=-32 9 %, КПК на оси 0,86/40 мм"1, КПК по полю > 0 40/40 мм'1

Рис. 3

Глава 3

В третьей главе работы рассматриваются возможности коррекции дисторсии в системах ШТО. Снижение уровня дисторсии при одновременном увеличении угловых полей в настоящее время одна из перспективных тенденций развития оптических схем эндоскопов в мире.

Показано, что условие телецентричности главных лучей противоречит требованию ортоскопичности ОС. В большинстве случаев с этим обстоятельством приходится мириться, поскольку попытки исправить дисторсию в ШТО обычно приводят к резкому ухудшению качества изображения по полю, падению освещенности и появлению таких конструктивных недостатков, как тонкие края лит, большие углы преломления, приближающиеся к значениям полного внутреннего отражения, малые радиусы кривизны поверхностей линз и т д~ В диссертации предлах ается для решения данной проблемы использовать свойства аберраций в зрачках, благодаря которым, главные лучи в ОС могут существенно отклоняться от траекторий, определяемых законами параксиальной ротики.

Условие коррекции дисторсии широкоугольного объектива содержится в известном выражении аберрационного виньетирования Р(ш):

0 + А){.+Д+У£)'

сс»4<й'

(4)

где Д - относительная дисторсия; У - высота предмета; <о, &' входной и выходной полевые углы соответственно.

Из формулы (4) следует, что дисторсия системы при уменьшении угла главного луча с оптической осью в пространстве изображений будет уменьшаться только с ростом аберрационного виньетирования. Ясно, что такая система не будет телеценгрической в параксиальной области. Параллельность главных лучей оптической оси в пространстве изображений в данной ОС будут вызывать значительные аберрации в зрачке, т. е. условие синусов для главных лучей в такой системе должно быть нарушено.

<о/г

РР,

Рис.4

Па рис. 4 в качестве примера схематически изображен ШТО, состоящий из двух компонентов: отрицательного ф! и положительного фг. Здесь стрелкой с" прямоугольным «хвостом» обозначен естественный ход главного луча, а стрелкой с «ласточкиным хвостом» помечен ход луча в системе при наличии аберраций в зрачках. Предложено называть такие системы аберрационно-телецентрическими, а специфическое распределение аберраций в зрачках, вызывающее параллельность главных лучей оптической оси в пространстве изображений - эффектом аберрационной телеценгричности (ЭАТ).

Нетрудно показать, что формула приращения высоты изображения 5У'т в присутствии ЭАТ имеет вид:

агссо!

(5)

Выражение~(5) показывает, что изменяя функцию отступления от условия, синусов, можно управлять результирующим воздействием ЭАТ в системе ШТО с таким расчетом, чтобы величина 8У'т оказывалась противоположной по знаку линейной дисторсии и тем самым компенсировала бы ее. Это соотношение также демонстрирует невозможность полного устранения дисторсии в широкоугольной аберрационно-телецентрической ОС. Очевидно, что при стремлении дисторсии к нулю, в уравнении (5) появляется бесконечность вида сошя/О, указывающая на полное затемнение изображения к краю поля.

виде:

У'Н

5т(и)

Рис 5

Для определения дисторсии аберрационно-тедецентрической ОС необходимо установить связь между аберрациями в зрачках и функцией отступления от условия синусов для пучка главных лучей. На рис 5 приведено схематическое

изображение типичного ШТО, состоящего из двух частей, разделенных апертур ной

диафрагмой. В работе показано, что для главных лучей данной системы выражение отступления от условия синусов Аббе может быть записано в

(6)

Тогда как выражение отступления от условия синусов во входном зрачке для того же случая примет вид: £А(м)-5т(о>).

„„Л .( \ вшю где А(га)= -

Р

Разделив полученное соотношение на £5111(01) и нормируя частное от деления получим функцию 8(ю) вида:

(7)

Выражение (7) при отсутствии дисторсии и при УР=сс можно записать так: -1 (8)

яп(в>)

5Ш(<Ц/

Для определения влияния сферической аберрации в зрачках на дисторсию находятся значения функций 8(ш) для обеих частей ШТО, причем апертурная диафрагма АД рассматривается как предмет для компонента «р^

где юад - угол между главным лучом и оптической осью в пространстве апертурной диафрагмы; — параксиальное-увеличение во входном зрачке фронтальной части в направлении от апертурной диафрагмы к предмету; Бро -расстояние между предметом и параксиальным входным зрачком; (Бро+бр) -расстояние между предметом и внеосевым входным зрачком, причем Бро и (Бро+Зр) — положительны; 5р - продольная аберрация главного луча во входном зрачке. Таким же образом можно определить 52(е>), полагая АД предметом для компонента <р2:

где ы' - угол между главным лучом и оптической осью в пространстве изображений; Vp- - параксиальное увеличение в зрачке компонента <р2 в направлении от АД к изображению; S'po - расстояние между изображением и выходным зрачком; (S'po+Sp') - расстояние между изображением и внеосевым выходным зрачком, причем S'po и (S'po+Sp') - положительны; 8р' - продольная аберрация главного луча в выходном зрачке. Углы и, Юдд и ш' -- отрицательные.

Если использовать отступление от условия синусов в целях исправления отрицательной дисторсии, то, в соответствии с формулами (9) и (10) функции Si(«), S2(to), S(<a) будут положшельными Это означает, что баланс между уровнем дисторсии и качеством изображения в базовой системе ОЭ, построенной по схеме, изображенной на рис. 5, возможен при правильном

подборе соотношений > . и ^ в выражениях (9) и (10), т. е., в V** +Ф)

S'.

,0

конечном счете, от аберраций в зрачках объектива.

Нетрудно видеть, что соотношения (9) и (10) подобны известной формуле Конради для сагиттальных лучей Это обстоятельство позволяет считать распределение аберраций главных лучей в зрачках ОЭ группы 2 аналогичным сагиттальной коме внеосевого пучка.

С использованием соотношений (9) и (10), после преобразований получена формула дисторсии ШТО О(ш) при наличии в системе значительных аберраций в зрачках:

Ур. ■ ц -3р-$тт' -ьттф -2-ф - ф' - яп2 т40

2 К( д вйко' 6

- +--1

ф' • щт ■ ыпа^

которая, в случае идеально выраженного ЭАТ принимает вид.

Д(д,)- 1- 2 ^ '^Г, (12)

ро а-ща

где 17=8^,+ф; р=+ф'

_ Анализ выражения (12) показывает, что при стремлении дисторсии к нулю, выражения (9) и (10) должны быть близкими 1.

Отмечено, что от известной формулы Вандерслеба:

' V Х,-ф

полученное соотношение (12) отличается тем, что оно справедливо при значительном отступлении от условия синусов (т. е. при

Следует отметать, что освещенность поля у аберрационно-телеценгрических систем всегда хуже, чем в параксиально-телецентрических ОС. Экспериментально было установлено, что для визуального эндоскопа наименьший уровень освещенности края изображения не должен быть ниже

25 % относительно осевой точки. При меньших значениях оператор, наблюдая изображение через окуляр, будет испытывать чрезмерный дискомфорт. В случае использования в качестве приемника ПЗС-матрицы через адаптер, данный показатель должен составлять не менее 50 - 60 %. Таким образом, в приборах, где изображение наблюдается человеком через окуляр, допустимо распределение освещенности, пропорциональное соб2©. В этом случае, в соответствии с выражением (4) и при отсутствии геометрического виньетирования значение дисторсии в системе ШТО с угловым полем 2<а=120° составит -12%. Очевидно, что ОЭ с такими характеристиками является типичным представителем систем группы 2. Проведенное изучение патентных образцов ОЭ группы 2 подтверждает, что практически все они имеют освещенность на краю поля в пределах 25 - 35%.

Показано, что формула (12) может быть использована и для определения дисторсии при наблюдении неплоских объектов. Актуальность этой задакчи вызвана тем, что существует немало оптических приборов, предназначенных для исследования таких предметов. В частности, наблюдаемые в эндоскоп поверхности внутренних органов человека, могут быть подобны эллипсоиду (желудок, почки), цилиндру (пищевод, кишечник, бронхи) или обладать более сложной формой (печень, суставы). В системе ШТО, формирующей в одной плоскости изображения двух объектов - плоского и криволинейного осесимметричного, причем вершины обоих объектов совпадают, соотношение (12) примет вид:

¿ЖУЬ2^ОО-фМпй-ф-БШ®«,) ^ /13ч

где стрелка прогиба может быть найдена из известного уравнения'

у*

г(у)=-■-х--- + а, у + а2 у2 +а3 У + + а„-у' (14)

в котором у - радиальная координата (высота) поверхности в направлении, перпендикулярном оптической оси; е - эксцентриситет; г - радиус кривизны поверхности при вершине.

Глава 4 _

В четвертой главе представлены примеры оптических систем, аберрационно-телецентрических ОЭ групп 2 и З с уменьшенной за счет использования ЭАТ дисгорсией. -

Проведенное исследование различных ОС и изучение патентной литературы показали, что объективы группы 3, состоящие из сферических линз, в большинстве не представляют практического интереса, поскольку им присущи такие недостатки, как низкий уровень освещенности края поля (около 5-10 %), невысокое качество изображения внеосевых точек (следа вие трудно поддающихся исправлению астигматизма и комы высших порядков), большая остаточная нетелецетричноегь главных лучей в пространстве изображений.

Традиционный путь создания IIITO с уменьшенной дисторсией (группа 2) состоит в использовании асферических поверхностей В работе рассмотрен ряд таких ОЭ, в том числе - разработки фирмы Olympus, и разработки автора в рамках внутренней НИР JIOMO (рис 6). Отмечено, что в соответствие с

ОЭ OB-4 ЛЗ изделия ГДБ-ВО-Г32 (Пат. на п. м. №24001 от 20.07.2002)

2ю=120о; 2Y'=1.2 мм; 1:3.3;D=-15.3 %; КПК на оси 0,78/40 мм'1; КПК по полю > 0.63/40 мм"1; Е^ЗОУо

ОЭ OB-2-1 ЛЗ изделия ГДБ-ВО-Г32 (Пат РФ №2197007 от 27.07.2001)

в-ве

пл. reg

№ __1 JU DDG

под

0.74/40 мм"1; КПК по полю > 0.51/40 мм1£„™=28%

ОЭ ОВ-2-2 ЛЗ изделия ГДБ-ВО-Г32 2со=120°; 2Y-1.2 мм, 1:5,0; D=-18.8 %: КПК на оси 0,74/40 мм"1, КПК по полю > 0.54/40 мм"1; Е„™=31%

Рис. 6

формулами (9-12) в системе ШТО профиль асферической поверхности, примененной в целях исправления дисторсии во фронтальной части имеет большее отступление от ближайшей сферы, чем при помещении ее в последующую часть. Имея одинаковые угловые поля (120°) и величину остаточной дисторсии («15 - 17 %) ОЭ рассчитанные в рамках данной работы имеют ряд технологических преимуществ но сравнению с системами Olympus. В частности, в них использованы асферические поверхности только 2-го порядка, толщины отдельных линз составляю! не менее 0,3 мм по оси и 0,25 мм на краю с превышением 0,1 мм над световым диаметров (0,15 и 0,07 мм соответственно у ОЭ Olympus). Кроме того, в предложенных объективах асферизовано только но одной поверхности. Проведенный анализ показал, что исходя из условия сохранения аберрационной телецентричности в пределах ±6° по всему полю, точность изготовления профилей асферических поверхностей в разработанных ОЭ составляет не менее 0,012 мм (против 0,007 мм у ОЭ Olympus),

В -качестве альтернативного решения применению асферических поверхностей, в качестве компенсаторов дисторсии в работе предлагается использовать градиентные оптические элементы (градиентные компенсаторы дисторсии - ГКД) Предложены две системы ОЭ, в которых ГКД установлены как во фронтальной, так и в последующей частях (рис. 6) Расчеты показывают, что применение ГКД по эффективности исправления дисторсии близко использованию асферических поверхностей. Лучшие результаты при этом показывает система с ГКД во фронтальной части Она имеет меньшее количество линз, но главное ее преимущество состоит в использовании градиентной среды положительной оптической силы (показатель преломления

уменьшается от оптической оси к краю элемента), причем перепад показателя преломления не превышает -0,05 на высоте 0,45 мм от оптической оси. По своим характеристикам такой элемент аналогичен градиентному транслятору, который давно применяется в жестких эндоскопах и хорошо освоен в производстве. Также, как и другие ШТО группы 2, у этих ОЭ наблюдается близость их функций (выражения 9, 10) S(cöi) и S(e>2) единице. Например у ОЭ с ГКД в фронтальной части, для полевого угла ff>=60° S(ra 0=0,89, S(m2)=l,17, а у ОЭ с ГКД в последующей части они равны соответственно 0,83 и 1,22.

В таблице 1 приведены некоторые характеристики представленных ОЭ Эти данные показывают, что наилучшим сочетанием параметров технологичности конструкции, уровня дисторсии и остаточной нетелецентричности обладают системы с выпуклой асферической поверхностью в последующей части (вар. 3) или с положительным ГКД во фронтальной части (вар. 4). Кроме меньшего количества асферических поверхностей, их основное преимущество перед системой Olympus состоит в заметно меньшей чувствительности аберраций в зрачках к точности изготовления управляющих компонентов.

Табл. 1

№ Примечания S(iOi) S(ö2) 5р 5р' Sp' <а' D, %|

1 Olympus 1,08 1,32 -0,255 -50,6 -8,6 2,2° -15,5 |

2 ОВ4 , асф пов в последующей части 1,12 1,29 -0,383 -46,1 2,2 1,4° -15,1 1 1

3 ОВ2-1, ГКД во фронтальной части 0 89 1,17 -0,351 -15,7 4,2 3,2° -16,5 I 1

4 ОВ2-2, ГКД в последующей части 0,83 1,22 -0,205 -4,8 -8,1 4,5° -18,3 ; i

Все представленные ОЭ №№2-4 (серии ОВ) были разработаны в рамках настоящей работы и приняты в производство на ОАО «ЛОМО» для использования в опытных образцах гастрояуоденоскопа ГДБ-ВО-Г-32, и колоноскопа КБ-ВО-Г-22.

Глава 5

В пятой главе работы исследован вопрос, связанный с оценкой остаточной погрешности высокоточных проекционных телецентрических объективов (ПТО) измерительных систем на примере-разработанной в рамках данной работы новой серии объективов различного увеличения ОП-4 (ЛОМО) Известно, что на погрешность измерения" проекционного измерительного прибора, в случае, если установленный в нем" ПТО достаточно строго ортоскопичен, может оказать значительное влияние остаточная кома используемого объектива. Эта аберрация сдвигает максимум освещенности в пятне рассеяния точки относительно главного луча на величину, сравнимую с остаточной линейной дисторсией оптической системы, так что суммарная погрешность измерения прибора может выйти за рамки допустимых значений Отмечено, что большинство ОС, разработанных два - три десятилетия назад, рассчитывались на минимум аберраций III порядка в предположении, чго

аберрации высших порядков (III, V, VII, .. ) окажутся пренебрежительно малыми величинами, поскольку, как отмечалось ранее, апертуры ПТО обычно невелики. Тем не менее, т. к. опыт эксплуатации ряда измерительных систем с такими ПТО показал, что неучтенные аберрации высших порядков служат причиной постоянных погрешностей значительных размеров, при разработке новых ПТО их влияние необходимо учитывать

Величина смещения максимума освещенности в пятне рассеяния точки относительно главного луча в волновой мере Wh была определена из уравнения среднеквадратического отклонения монохроматического волнового фронта:

=-\jiv2(p,v)pdpd<?-~ jjW(p,<p)pdpd<p (15)

Я 0 0 ' 0

где W(p, ф) для случая комы П1 - VII порядков имеет вид-Wmn,{p.q>) = Wnp ■ cmip ■cosp + lVílpi • cos p + Wn ■ p1 -eos tp (16)

Было установлено, что в линейной мере искомая величина составит av; = 03640-+0,0724-^;^ +о,о95з-<%; (17)

В качестве примера того, насколько значительным может быть вклад несимметричных монохроматических аберраций высших порядков в погрешность измерения проекционной системы с TITO, были приведены результаты исследования двух объективов ОП-3-300-20, серийно выпускаемого объектива из семейства ОП-3 для проектора МР-3 и ОП-4-400-20 из серии ОП-4 (рис. 8) Последний был разработан на основе изначально

ПТО ОП-4-400-20 (Ю-41.18.618 ЛЗ) проектора МР-Пл^ | 100-90 (Пат. на n.M. №25798 от 20.10.2002)

ГТГП--["И Размер экрана 400 мм; линейное увеличение 20х;

1J\JL—н 1 числовая апертура 0,15; наибольшая относительная

дисторсия 0,025% Рис. 8

несимметричного внутреннего компонента, поскольку телецентрическая ОС имеет увеличение значительно отличающееся от 1 Передний компонент представляет собой распространенную в такого рода ПТО систему из двух положительных линз, позволяющую получить передний отрезок не менее фокусного расстояния объектива.

- " Сравнительные данные (табл. 2) показывают, что величина Äyi в ПТО ОП-3-300-20 превосходит значение остаточной дисторсйи почти в 5 раз, причем основной вклад в смещение вносят составляющие комы V - VII порядков Что касается объектива ОП-4-400-20, то, несмотря на увеличение размера экрана более чем в 1,3 раза, его суммарная ошибка осталась в пределах допуска на дисторсию (±0,05%) и Ду, почти в 7 раз меньше, чем у аналога

Табл. 2

ОП-3-300-20 ОП-4-400-20

Увеличение V 20 20

Передняя апертура А 0,15 0,15

Линейное поле в пространстве предметов 2у, мм 15 20

Линейное поле в пространстве изображений 2/, мм 300 400

Дисторсия Dom, % -0,088 0,025

Дисторсия Ошн, мм -0,0079 0,0028

Линейное смещение максимума освещенности Ду(, мм 0,0390 0,0028

Относительное смещение максимума освещенности Ду,™, % 0,35 0,027

Отмечено, что величины \Vckb У обоих ПТО невелики, что обуславливается их малой числовой апертурой (0,0075 в пространстве изображений) Это означает, что даже при значительной величине Дуь качество изображения системы на краю поля будет достаточно высоким, что и наблюдается у ОП-3-300-20.

Заключение

1. Предложены условия и способ синтеза стигматической фронтальной части ОЭ.

2 Выделены такие широкоугольные ОС, у которых параллельность главных лучей оптической оси в пространстве изображений обеспечивается не законами параксиальной оптики, а аберрациями в зрачках Предложено такие системы называть аберрационно-телецентрическими. 3. Обнаружено, что известная формула Вандерслеба, определяющая зависимость дисторсии от зрачковых аберраций неприменима в отношении аберрационно-телецентр мческих ОС, т к. при значительном отступлении от условия синусов данное выражение дает бесконечность вида соги^О Предложена выражение дисторсии в системах ШТО 4: Показано, что в аберрационно-телецентрической ОС дисторсии может быть представлена как функция комы главных лучей, что подтверждается прямой аналогией ее записи с формулами Конради. 5.. Использование эффекта аберрационной телецентричности позволило разработать широкоугольные телеценгрические ОС с приемлемым уровнем распределения освещенности при значительном уменьшении дисторсии и без существенного снижения качества изображения. 6 Показано, что разработка оптической системы телецентрического ОЭ с уменьшенной дисторсией на основе только сферических поверхностей возможна, но практически бесполезна. Предложено использовать в качестве компенсаторов дисторсии в системах ОЭ градиентные линзы (ГКД)

7 Обнаружено, что хотя в среднем величина выходной апертуры в системах ПТО относительно невелика, вклад несимметричных аберраций высших порядков в погрешность измерения может превысить вклад от аберраций III порядка Следовательно, при проектировании систем ПТО коррекция аберраций, нарушающих симметрию внеосевых пучков, должна осуществляться по крайне мере в области III - VII порядков

8 Результаты проведенных исследований позволили разработать новые объективы для перспективных приборов, внедряемых в производство на ОАО «ЛОМО» В их числе семейство объективов для гастродуоденоскопа ГДБ-ВО-Г-32, объектив бронхоскопа ББ-ВО-Г-4, объектив колоноскопа КБ-ВО-Г-22, серия ПТО ОП-4 (7 моделей). На оптические схемы всех объективов получены патенты.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1 Волков Д. Ю. Объективы эндоскопов нового поколения V Международная конференция «Прикладная oimnca». Сборник трудов С-П6 2002 Т.З. С. 131

2. Волков Д. Ю. Влияние аберрации комы III и V порядков проекционных ортоскопических объективов на погрешность измерительных систем Современные технологии. Сборник научных статей. С-Пб. ИТМО (ТУ) 2002. С. 142

3. Волков Д. Ю., Совз И. Е., Сокольский М Н.( Варламова Л. Л. Объектив эндоскопа Свнд РФ на пол мод. №29772 от 27.05.2003.

4 Волков Д. Ю.. Совз И. Е. Широкоугольный объектив эндоскопа Патент РФ №2197007 от 27 07.2001.

5. Волков Д Ю., Сокольский М. II, Совз И Е., Варламова Л. Л Широкоугольный объектив эндоскопа Свид. РФ на пол. мод. №24001 от 20.07.2002.

6 Волков Д. Ю.. Совз И. Е., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Телецентрический проекционный объектив. Свид РФ на пол. мод. №25798 от 20.10.2002.

7. Волков Д. Ю, Совз И. Е., Сокольский М. Н, Трегуб В. П Телецентрический проекционный объектив Свид. РФ на пол. мод. №25799 от 20.10.2002.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14, тел. (812)233-46-69 Тираж 100 экз.

РНБ Русский фонд

2006-4 689

ШИВ 2004

ВВЕДЕНИЕ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ ОТХ, ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

2 ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТИВЫ С НЕКОМПЕНСИРОВАННОЙ ДИСТОРСИЕЙ.

2.2 ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭНДОСКОПОВ.

2.2.1 ОСОБЕННОСТИ ОБЪЕКТИВОВ ЭНДОСКОПОВ.

2.3 СИНТЕЗ ШИРОКОУГОЛЬНЫХ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВОВ ГРУППЫ 1.

2.3.1 БАЗОВАЯ СХЕМА ОЭ.

2.3.3 ОБЪЕКТИВЫ ЭНДОСКОПОВ ГРУППЫ 1.

ВЫВОДЫ.

3 СПОСОБЫ ИСПРАВЛЕНИЯ ДИСТОРСИИ В ШИРОКОУГОЛЬНЫХ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВАХ.

3.1 УСЛОВИЕ СИНУСОВ ДЛЯ ГЛАВНЫХ ЛУЧЕЙ.

3.1 ЭФФЕКТ АБЕРРАЦИОННОЙ ТЕЛЕЦЕНТРИЧНОСТИ.

ДИСТОРСИЯ АБЕРРАЦИОННО-ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

3.2 ДИСТОРСИЯ ШТО ПРИ НАБЛЮДЕНИИ

НЕПЛОСКИХ ОБЪЕКТОВ.

4 АБЕРРАЦИОННО-ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИЕ ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ОБЪЕКТИВЫ.

4.1 ОБЪЕКТИВ ИЗ СФЕРИЧЕСКИХ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

4.2 ОБЪЕКТИВЫ С АСФЕРИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ:.

4.3 ОБЪЕКТИВЫ С ГРАДИЕНТНЫМИ КОМПЕНСАТОРАМИ

ДИСТОРСИИ.

ВЫВОДЫ.

5. ПРОЕКЦИОННЫЕ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТИВЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

5.1 ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ.

ВЫВОДЫ.

Направление развития практически любых отраслей промышленности в значительной мере определяется требованиями рынка. Огромное многообразие наукоемкой продукции, выпускаемой сегодня в России и за рубежом, непосредственно определяется непрерывно растущими запросами ее потребителей. В оптическом приборостроении данный процесс проявляется в постоянном увеличении номенклатуры выпускаемых изделий, расширении сферы их применения, в ускорении смены поколений производимых приборов и неуклонном ужесточении требований к их качеству. Формирование и развитие рынка высокотехнологичной продукции происходит при тссном взаимодействии потребителей и производителей. В настоящее время нередким бывает явление, когда предложение значительно опережает спрос, и когда разработчики решают задачи, которые возможный потребитель перед ними еще не ставил. Это явление имеет вполне очевидное обоснование: уровень развития техники сегодня столь высок, что зачастую только специалист может более или менее свободно ориентироваться в ее возможностях, определяя, таким образом, наиболее перспективные направления деятельности. В этих условиях важным фактором успеха для фирмы, специализирующейся в производстве приборов любого типа и назначения (не только оптических), становиться ее способность заглянуть в будущее своего сектора рынка, как можно раньше показать покупателю новые возможности последних технических достижений и опередить в этом потенциальных конкурентов. Такая ситуация сегодня характерна практически для любого вида техники, будь то средства связи, компьютеры со всеми комплектующими, периферией и программным обеспечением, бытовые приборы, автомобили и т. д. Не являются здесь исключением и оптические приборы, превратившиеся за последнее десятилетие в сложные комплексы, где в единой взаимосвязи функционируют оптические, механические и электронные системы. Еще совсем недавно, например, большинство выпускаемых в мире фотоаппаратов не имело в своей конструкции электрических (тем более, электронных) узлов, а сейчас даже самые дешевые «мыльницы» не обходятся без встроенной фотовспышки, устройства от «красного глаза», механизмов автоперемотки и автоподачи фотопленки. Традиционными стали объективы с неременным фокусным расстоянием, системы автофокусировки, встроенные автоматические экспонометры, различные системы жидкокристаллической индикации и т. п. Наконец, широко распространилась цифровая фото и видеотехника с ее электронными системами регистрации изображения и последующей компьютерной обработкой.

Что касается собственно оптических систем (в дальнейшем - ОС), то и здесь нельзя не заметить того значительного влияния, которое оказывает на процесс их развития общий технический прогресс и конъюнктура рынка. Отдельные группы ОС получают большее или меньшее распространение в традиционных областях их применения, другие постепенно уступают свое место принципиально новым техническим устройствам, некоторые могут быть использованы по новому назначению.

Среди огромного многообразия существующих в наше время ОС, объективы с телецентрическим ходом главных лучей (далее - ОТХ) занимают видное место как по ширине сферы их применения, так и по объемам выпуска и продаж. Требование обеспечить телецентричность пучков лучей со стороны предмета или изображения часто предъявляется ко многим типам ОС по самым разнообразным причинам. При расчёте таких объективов разработчик сталкивается с необходимостью решения целого ряда специфических задач [5, 6] (обеспечение жёстко заданных габаритных размеров, специфические требования к ходу лучей, ортоскопичность, дифракционное качество изображения и др.). При этом, ввиду отсутствия конкретных методов и подходов к проектированию подобных систем, расчёт каждого нового объектива оборачивается необходимостью решения независимой самостоятельной задачи. По этой причине, среди имеющихся в настоящее время оптических схем ОТХ наблюдается неупорядоченное разнообразие и отсутствие стандартных элементов, а выработка требований к их техническим характеристикам и параметрам качества изображения часто осуществляется в процессе расчета конкретного образца.

Вследствие указанных причин представляется достаточно актуальным и полезным с практической точки зрения разработать применительно к системам ОТХ соответствующие подходы по выработке технических требований, расчёту и оценке качества их изображения, подобно тем, которые уже существуют и успешно применяются в отношении такого рода систем, как микро- , фото- , гидросъёмочные объективы и др. Решение данной задачи позволит упростить и ускорить процесс создания ОТХ и родственных им систем.

Поскольку объективы большинства существующих типов могут по тем или иным причинам быть телецентрическими, возникает необходимость ограничить область исследования только теми из них, в которых данный признак или находится в противоречии с прочими требованиями, или входит в число наиболее важных критериев качества данной ОС. Поэтому в дальнейшем, основное внимание будет уделятся следующим типам ОТХ: 1. Широкоугольные телецентрические объективы (далее - ШТО). Эти объективы вызывают наибольший интерес в виду значительных противоречий между требованиями к конструкции и качеству изображения с одной стороны и возможностями схемных решений с другой. В этом отношении данный вид ОТХ представляет собой крайний случай сочетания ряда проблем, решения которых взаимно исключают друг друга. Наиболее характерными представителями семейства ШТО являются объективы эндоскопов, а потому исследование именно их оптических схем составляет основу практической части настоящей работы.

Для удобства, в дальнейшем системы ШТО нестрого подразделяются на две основные группы по степени исправленности дисторсии в зависимости от углового поля (рис. 1). Объективы, кривая дисторсии которых расположена в окрестностях линии, идущей от |40±10|% при 2со=120° до |15±5|% при 2(О=70° входят в группу 1 [7, 34, 37, 46, 49, 50, 55, 72, 74, 79]. Такие объективы можно считать системами с неисправленной дисторсией. К

А2со

1 2

X 120°

N Х

X ч О О . х N о 4 о v --95°

N \ \

X \ D ^ V N \ х ч х \ о 4 о \ — 70° ч N х

D, % ^ ч Xs N О \

4 * ,

-1-1-1-1-1-^ 1 ^ '

60 30 о

X ОТХ группы 1 о ОТХ группы 2 п ОТХ переходной группы (3)

Рис. 1 группе 2 принадлежат объективы, кривая дисторсии которых расположена в окрестностях линии, идущей от |15±5|% при 2со=120° до |5±5|% при 2со=70° (системы с умеренной дисторсией) [8, 9, 50, 53, 59, 73]. Небольшая часть известных ШТО может быть отнесена к системам переходной группы 3 [56];

2. Высокоточные ортоскопические проекционные объективы [19,20, 21, 22, 35, 36]. Данные ОТХ используются в измерительных проекционных системах [16], а также в устройствах фотолитографии [69, 77]. Условия применения таких приборов требуют минимизации нарушения геометрического подобия изображения предмету при весьма высоком качестве изображения. Возникающие при этом некоторые проблемы и способы их решения представлены в третьей главе на примере объективов серии ОП - 4 [10, И], производства ОАО «ЛОМО».

выводы

1. Наибольшее после дисторсии влияние на точность ортоскопической оптической системы оказывают кома и хроматизм увеличения, приводящие к асимметрии широких наклонных пучков лучей. Эти аберрации сдвигают максимум освещенности в пятне рассеяния точки относительно главного луча на величину, сравнимую с остаточной линейной дисторсией оптической системы, так что суммарная погрешность измерения прибора может выйти за рамки допустимых значений.

2. Несмотря на то, что в среднем величина выходной апертуры в системах ПТО относительно невелика, вклад несимметричных аберраций высших порядков в нарастание погрешности измерения может превысить вклад от аберраций III порядка. Следовательно, при проектировании систем ПТО коррекция аберраций, нарушающих симметрию внеосевых пучков, должна осуществляться по крайне мере в области III - VII порядков.

3. В волновой мере величина смещения максимума освещенности в изображении точки определяется как дифференциал уравнения среднеквадратической ошибки волнового фронта по коэффициенту волновой аберрации \¥ц, характеризующего поперечное смещение волнового фронта.

4. Практика показывает, что даже при небольшом значении величины среднеквадратической ошибки волновой аберрации смещение максимума интенсивности в дифракционном пятне рассеяния ПТО может выйти за пределы допуска. Однозначной зависимости между величинами Ayi и ^Vcкв в такого рода системах не наблюдается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены условия и способ синтеза стигматической фронтальной части ОЭ.

2. Выделены такие широкоугольные ОС, у которых параллельность главных лучей оптической оси в пространстве изображений обеспечивается не законами параксиальной оптики, а аберрациями в зрачках. Предложено такие системы называть аберрационно-телецентрическими.

3. Обнаружено, что известная формула Вандерслеба, определяющая зависимость дисторсии от зрачковых аберраций неприменима в отношении аберрационно-телецентрических ОС, т. к. при значительном отступлении от условия синусов данное выражение дает бесконечность вида const/0. Предложена выражение дисторсии в системах ШТО.

4. Показано, что в аберрационно-телецентрической ОС дисторсия может быть представлена как функция комы главных лучей, что подтверждается прямой аналогией ее записи с формулами Конради.

5. Использование эффекта аберрационной телецентричности позволило разработать широкоугольные телецентрические ОС с приемлемым уровнем распределения освещенности при значительном уменьшении дисторсии и без существенного снижения качества изображения.

6. Показано, что разработка оптической системы телецентрического ОЭ с уменьшенной дисторсией на основе только сферических поверхностей возможна, но практически бесполезна. Предложено использовать в качестве компенсаторов дисторсии в системах ОЭ градиентные линзы (ГКД).

7. Обнаружено, что хотя в среднем величина выходной апертуры в системах ПТО относительно невелика, вклад несимметричных аберраций высших порядков в погрешность измерения может превысить вклад от аберраций III порядка. Следовательно, при проектировании систем ПТО коррекция аберраций, нарушающих симметрию внеосевых пучков, должна осуществляться но крайне мере в области III - VII порядков.

8. Результаты проведенных исследований позволили разработать новые объективы для перспективных приборов, внедряемых в производство на ОАО «ЛОМО». В их числе семейство объективов для гастродуоденоскопа ГДБ-ВО-Г-32, объектив бронхоскопа ББ-ВО-Г-4, объектив колоноскопа КБ-ВО-Г-22, серия ПТО ОП-4 (7 моделей). На оптические схемы всех объективов получены патенты.

1. Андреев Л. Н., Ягонен А. И. Расчет объектива для наблюдения внутреннихполостей. ОМП, 1973, №6, стр. 28.

2. Бегунов Б. Н. Заказнов Н. П., Теория оптических систем. М.,1. Машиностроение, 1973.

3. Бездидько С. Н. Некоторые подходы к анализу свойств прототиповоптических систем и выбору начального решения. V Международная конференция «Прикладная оптика». Сборник трудов. Т.З, с. 3. СПб 2002.

4. Вайндберг В. Б., Саттаров Д. К. Оптика световодов. Л. Машиностроение.1969.

5. Волков Д. Ю. Объективы эндоскопов нового поколения. V Международнаяконференция «Прикладная оптика». Сборник трудов. Т.З. С-Пб 2002.

6. Волков Д. Ю. Влияние аберрации комы III и V порядков проекционныхортоскопических объективов на погрешность измерительных систем. Современные технологии. Сборник научных статей. С-Пб. ИТМО (ТУ). 2002.

7. Волков Д. Ю., Совз И. Е., Сокольский М. Н., Варламова Л. Л. Объективэндоскопа. Пат. пол. мод. РФ №29772 от 27.05.2003.

8. Волков Д. Ю., Совз И. Е. Широкоугольный объектив эндоскопа. Патент РФ2197007 от 27.07.2001.

9. Волков Д. Ю., Сокольский М. Н., Совз И. Е., Варламова Л. Л.

10. Широкоугольный объектив эндоскопа. Пат. пол. мод. РФ №24001 от 20.07.2002.

11. Ю.Волков Д. Ю., Совз И. Е., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Телецентрический проекционный объектив. Авт. свид. РФ №25798 от 20.10.2002.

12. Волков Д. Ю., Совз И. Е., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Телецентрический проекционный объектив. Авт. свид. РФ №25799 от 20.10.2002.

13. Волосов Д. С. Фотографическая оптика. М. Искусство. 1971.

14. Вычислительная оптика. Справочник под ред. М. М. Русинова. JI. Машиностроение. 1984.

15. М.Грамматин А. П., Иванова И. М. Объектив. Авт. свид. РФ №822126. 11.06.1979.

16. Грамматин А. П., Яковлева Е. Е. Объектив телецентрический для ультрафиолетовой области спектра. Авт. свид. РФ №871122. 25.01.1980.

17. Даниленко В. И., Скворцов Ю. С., Совз И. Е., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Проекционная система. Авт. свид. РФ №18204. 05.06.2001

18. П.Денисюк Ю.Н. Авт. свид. СССР №603938. 1978 №15.

19. Зверев В. А., Шагал А. М. Трехкомпонентный объектив с телецентрическим ходом лучей. ОМП, 1976, №9, стр. 12.22.3верев В. А., Шагал А. М. Трехкомпонентный объектив с телецентрическим ходом лучей и удлиненным задним отрезком. ОМП, 1972, №12, стр. 24.

20. Иванова Т. А., Кирилловский В. К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. J1. Машиностроение. 1984.

21. Куликовская Н. И., Королева А. В., Филонов А. С., Венециан Р. А., Благородов А. М. Авт. свид. СССР №670916. 1979.

22. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. М. Мир, 1964.

23. Панов В. А., Андреев Jl. Н. Оптика микроскопов. Л. Машиностроение. 1976.

24. Проектирование оптических систем. Под редакцией Р. Шеннона, Дж. Вайанта. М. Мир. 1983.

25. Родионов С. А., Шехонин А. А. Влияние аберраций осветительных систем на равномерность освещенности. ОМП, 1990, №1, стр. 32.

26. Русинов М. М. и др. Авт. свид. СССР №693328. 1979.

27. Русинов М. М. и др. Авт. свид. СССР №1138781 А. 1985.

28. Русинов М. М. Техническая оптика. JI. Машиностроение. 1979.

29. Русинов М. М. Композиция оптических систем. J1. Машиностроение. 1989.

30. Русинов М. М. Несферические поверхности в оптике. М. Недра. 1992.

31. Русинов М. М., Иванов П. Д., Песина Т. И., Э. М. Лившиц, Д. М. Румянцев. Широкоугольный телецентрический объектив. Авт. свид. СССР №1048444.21.05.1982.

32. Русинов М. М., Иванов П. Д., Песина Т. И. Проекционный телецентрический объектив. Авт. свид. СССР №1107089. 17.05.1983.

33. Русинов М. М., Иванов П. Д., Песина Т. И. Телецентрический объектив с увеличенным задним отрезком. Авт. свид. СССР № 1112331. 11.04.1983.

34. Русинов М. М., Иванов П. Д., Песина Т. И. Широкоугольный телецентрический объектив. Авт. свид. СССР №1115004. 24.02.1983.

35. Рывкин А. А., Рыбкин А. 3., Хренов Л. С. Справочник по математике. М. Высшая школа. 1975.

36. Сокольский М. Н. Допуски и качество оптического изображения. Л. Машиностроение, 1989.

37. Слюсарев Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л. Машиностроение. 1969.

38. Слюсарев Г. Г. Расчет оптических систем. Л. Машиностроение 1975.

39. Тарабукин В. В. Оптические системы с исправленной дисторсией на основесверхширокоугольных дисторзирующих объективов. ОМП. 1977. №1. стр.23

40. Тудоровский А. И. Теория оптических приборов. М. Издательство АН СССР. 1948 .

41. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. Л. Машиностроение. 1966.

42. Abe Tctsua. Telccentrical projection lens system with front stop diaphragm. JP 2828254 B2 2184810 A. 11.01.1989.

43. Adashi Riyuusuke. Objective lens for an electronic endoscope. JP 2767106 B2 1217410 A. 26.02.1988.

44. Berci G., ed., Endoscopy, Prentice-Hall, New York 1976.

45. Cobb Joshua M., Laplante Mark J., Long David C., Topolovec Franz. Telecentric or achromatic f-0 scanning lens ant its application. USP 5404247. 02.08.93.

46. Eberhard Dietzsch. Telecentric relay systems having distortion and their application in endoscopes. SPIE, Vol. 2774 (pp. 276-282).

47. Hasegawa Naoki. Endoscope lens system. JP 349508 B2. 26.06.1990.

48. Horton, Richard F. Objective lens system for endoscope. ОЭ. USP 5555131. 10.09.1996.52.1tarashi Tsumotu. Endoscope lens. JP 2804267 B2 1279219 A. 02.05.1988. 53.1tarashi Tsumotu. Endoscope lens. JP, 2920670 B2. 07.19.1999.

49. Kamiyama Keidzi, Wakimoto Jensi. Stereoscopic projection lens. JP 2860221 B2. 24.02.1999.

50. Kota Akira. Endoscope lens system. JP 2876252 B2. 17.10.1990.

51. Lei, Fang. Endoscope lens, and an endoscope equipped with such a lens. USP application 20020027723, March 7, 2002.

52. L. L. Johnson, Diagnostic and Surgical Arthroscopy, C.V. Mosby, St. Louis 1981.

53. Luster, Spencer D. Miyano, Hitoshi, Yamamoto, Chikara. Objective lens for endoscope. USP 5936778. 04.10.1999

54. Masaru Shiraiwa. Objective lens system for endoscope. USP 5208702.0504.1993.

55. Meissncr W. Linsesystem geringer Verzeichnung mit telezentrischem Strahlengang, insbesonderc fDr MeBprojektoren. DP 1912808. 24.02.1977.

56. Minefuji Nobutaka. Telecentric projection lens. JP 2717552 B2 2040607 A. 30.07.1988.

57. Miyano Masari, Yamamoto Tikara. Objective lens for endoscope. JP 3051035 B2.1810.1994.

58. Miyano Takashi, Matsumura Takeshi. Objective lens for endoscopes. JP 2709611 B2 2090118 A. 28.09.1988.

59. Miyano, Hitoshi. Objective lens for endoscopes. USP 5691853. 25.11.1997.

60. Sekiya, Takaomi, Takahashi; Kazuyuki, Eguchi; Masaru. USP 5828498. 27.10.1998.

61. Schneider, Gudrun. Telezentrisches Objectiv. Deitzsch, Eberhard, 0-6900, DE. 22.07.1993.

62. Tachihara, Satoru, Koeda, Takashi. Optical system for an endoscope. USP 5781350. 14.07.1998

63. Takahasi Susumu. Image translating optical system. JP 3055785 B2. 23.08.1989.

64. Takayama Tosiiti, Haseyama Susumu. Optical system for an endoscope lens. JP 2899980 B2. 02.02.1990.

65. Tanaka Takctsu. Optical system for endoscopes. USP 5005957 11.01.1997.

66. Tiba Masahiro. Industry endoscope optical system surveing of the pipe inside surfaces. JP 90101726. 19.04.1990.

67. Wakimoto Zenji, Hayashi Naohisa, Image forming telecentric optical system, JP 2814471.22.10.98

68. Warren J. Smith. Modern lens design. A Resource Manual. Genesee Optics Software Inc. Rochester, New York. 1992.

69. Watanabe, Fumio, Telecentric projection lens system, USP 5905596. 05.19.1999

70. Wayne Knapp, Gary Blough, Kumar Khajurivala, Robert Michaels, Berge Tatian and Brian Volk. Optical design comparison of 60° eyepieces: one with a diffractive surface and one with aspherics. Appl. Opt., 1997, vol. 36, N 20, p. 4756-4760.

71. Tsumotu, Igarashi. Rigid endoscope optical system. USP 5936783 A. 18.10.1996.

72. Yamamoto, Chikara, Ogawa, Ryota. Endoscope lens. USP 5515208. 05.07.1996.

73. Yamamoto, Chikara. Objective lens for an endoscope. USP 6353504. 03.05.2002.82.www.leineroptics.com83.www.opdev.com84.www.mpronline.com