RU2215313C1 - Projection lens to focus laser radiation - Google Patents
Projection lens to focus laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2215313C1 RU2215313C1 RU2002108149A RU2002108149A RU2215313C1 RU 2215313 C1 RU2215313 C1 RU 2215313C1 RU 2002108149 A RU2002108149 A RU 2002108149A RU 2002108149 A RU2002108149 A RU 2002108149A RU 2215313 C1 RU2215313 C1 RU 2215313C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lenses
- correction elements
- lens
- correction
- projection lens
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к области проектирования оптических систем, может быть использовано в оптико-механической промышленности при проектировании и изготовлении оптических систем для лазерных приборов. The invention relates to the field of optical instrumentation, in particular to the field of design of optical systems, can be used in the optical-mechanical industry in the design and manufacture of optical systems for laser devices.
В связи с наличием в спектральном диапазоне 600-1300 нм малогабаритных и высокоэффективных источников излучения (светодиоды, полупроводниковые, газовые и твердотельные лазеры) и их широким использованием в современных приборах возникает проблема создания оптических систем для передачи излучения от этих источников к приемным устройствам. При этом существует задача фокусировки как коллимированного излучения, так и расходящегося. Первая задача более простая. Во втором случае необходим объектив, который бы обеспечивал фокусировку лазерного излучения от некоторого источника, расположенного на оптической оси и имеющего либо некоторый линейный размер, либо являющегося точечным. Эту задачу решает проекционный объектив. В частности, в ряде устройств требуется ввод лазерного излучения в световод, вывод излучения из световода и фокусировка его на приемную площадку малого размера. (В этом случае источником расходящегося излучения является световод, угол выхода излучения из световода определяется его числовой апертурой.) Задача усложняется, если в качестве световода используется одномодовое волокно с большой числовой апертурой. В этом случае для уменьшения потерь объектив должен обеспечивать фокусировку излучения в пятно дифракционного размера. Для этого необходима тщательная коррекция аберраций объектива. При использовании объективов в качестве коннекторов для соединения световодов, чтобы были минимальные потери, также необходима коррекция аберраций, особенно для края поля. В ряде приборов с лазерными источниками часто требуется, чтобы один и тот же объектив использовался для нескольких дискретных значений длин волн. Числовые апертуры волокон составляют величину 0,15-0,4, это означает, что объективы, обеспечивающие ввод-вывод излучения из такого волокна, должны быть светосильными. Таким образом, существует ряд специальных требований к проекционным объективам для фокусировки лазерного излучения. Due to the presence of small-sized and highly efficient radiation sources (LEDs, semiconductor, gas, and solid-state lasers) in the spectral range 600–1300 nm and their widespread use in modern devices, the problem arises of creating optical systems for transmitting radiation from these sources to receiving devices. In this case, there is the problem of focusing both collimated radiation and diverging. The first task is simpler. In the second case, a lens is needed that would ensure focusing of the laser radiation from a certain source located on the optical axis and having either some linear size or being a point. The projection lens solves this problem. In particular, a number of devices require the introduction of laser radiation into the fiber, the output of radiation from the fiber, and its focusing on the receiving area of a small size. (In this case, the source of the diverging radiation is the fiber, the angle of exit of radiation from the fiber is determined by its numerical aperture.) The task is complicated if a single-mode fiber with a large numerical aperture is used as the fiber. In this case, to reduce losses, the lens should provide focusing of radiation in the spot of diffraction size. For this, a thorough correction of lens aberrations is required. When using lenses as connectors for connecting optical fibers so that there are minimal losses, correction of aberrations is also necessary, especially for the edge of the field. In a number of devices with laser sources, it is often required that the same lens be used for several discrete wavelengths. The numerical apertures of the fibers are 0.15-0.4, this means that the lenses providing input-output radiation from such a fiber should be fast. Thus, there are a number of special requirements for projection lenses for focusing laser radiation.
Существует множество оптических систем различных типов, позволяющих получать сфокусированное лазерное излучение (см. Л.Н. Андреев, В.П. Андреев, Г.Л. Никифорова Оптические системы для фокусировки монохроматического излучения в ж. "Приборостроение", 1986, 3, с.71-74). Однако эти объективы фокусируют коллимированное излучение. При попытке использовать их как составную часть проекционного объектива, в частности, с увеличением -1х оптическая система получается громоздкой, а качество фокусировки неудовлетворительным. Фотоэлектрические оптические системы на основе сферической оптики (см. И.А. Турыгин Прикладная оптика, М.: Машиностроение, 1966 г.) не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к объективам для лазерных систем.There are many optical systems of various types that make it possible to obtain focused laser radiation (see L.N. Andreev, V.P. Andreev, G.L. Nikiforova Optical systems for focusing monochromatic radiation in the Instrument Engineering, 1986, 3, p. .71-74). However, these lenses focus on collimated radiation. When you try to use them as part of a projection lens, in particular, with an increase of -1 x, the optical system turns out to be bulky, and the focusing quality is unsatisfactory. Photoelectric optical systems based on spherical optics (see I. A. Turygin Applied Optics, Moscow: Mashinostroenie, 1966) do not meet the modern requirements for lenses for laser systems.
Использование коррекционных элементов с асферическими поверхностями (или поверхностями, выполняющими функцию асферических, таких как дифракционные и киноформные элементы, оптические элементы с градиентным изменением показателя преломления и т.п.) в оптических системах существенно упрощает задачу коррекции аберраций. Известно использование коррекционных элементов из двух стекол с внутренней асферической поверхностью для коррекции сферической аберрации (cм. Потапова Н.И., Цветков А.Д. Способ изготовления оптических деталей с плавным изменением оптических характеристик по апертуре. Патент РФ 2037851, БИ 17, 1995). При помощи таких коррекционных элементов строго исправляется сферическая аберрация для светосильных фокусирующих систем, однако неисправленной остается хроматическая и полевая аберрации. The use of correction elements with aspherical surfaces (or surfaces acting as aspherical ones, such as diffraction and kinoform elements, optical elements with a gradient change in the refractive index, etc.) in optical systems greatly simplifies the task of correcting aberrations. It is known to use correction elements from two glasses with an internal aspherical surface for correcting spherical aberration (see Potapova NI, Tsvetkov AD, Method for manufacturing optical parts with a smooth change in optical characteristics along the aperture. RF patent 2037851, BI 17, 1995) . Using such correction elements, spherical aberration for fast focusing systems is strictly corrected, however, chromatic and field aberrations remain uncorrected.
Известно устройство объектива малой толщины из пяти компонентов с двумя асферическими коррекционными элементами (см. Потапова Н.И., Цветков А.Д. Объектив с вынесенным входным зрачком. Патент РФ 2172970). Объектив имеет хорошую коррекцию осевых и полевых аберраций для широкого спектрально диапазона, большую числовую апертуру. Однако этот объектив непригоден для фокусировки излучения точечного источника, расположенного на оптической оси (т. е. для работы в качестве проекционного), поскольку он предназначен для работы с дальним положением предмета. При приближении источника аберрации в точке фокусировки растут. A device of a small thickness lens of five components with two aspherical correction elements is known (see Potapova NI, Tsvetkov AD A lens with a remote entrance pupil. RF patent 2172970). The lens has a good correction of axial and field aberrations for a wide spectral range, a large numerical aperture. However, this lens is unsuitable for focusing radiation from a point source located on the optical axis (i.e., to work as a projection), since it is designed to work with the distant position of the subject. As the source approaches, the aberrations at the focal point increase.
При использовании в качестве проекционного объектива бигиперболической линзы с симметричным ходом главного луча и с увеличением, равным -1х, можно получить идеальную фокусировку излучения от монохроматического точечного источника (cм. , например, М.М. Русинов Композиция оптических систем, Л.: Машиностроение, 1989, стр.204). Однако в таком однокомпонентном объективе, выполненном из одного однородного материала, диапазон длин волн, в котором строго исправлена сферическая аберрация, чрезвычайно мал, что существенно сужает возможности его применения. Кроме того, он имеет чрезвычайно малое линейное поле, что не позволяет использовать его для фокусировки излучения от протяженного источника.When using a bigiperbolic lens with a symmetrical main beam path and a magnification of -1 x as a projection lens, you can get an ideal focusing of radiation from a monochromatic point source (see, for example, M.M. Rusinov, Composition of Optical Systems, L .: Mechanical Engineering 1989, p. 204). However, in such a single-component lens, made of one homogeneous material, the wavelength range in which spherical aberration is strictly corrected is extremely small, which significantly limits the possibility of its application. In addition, it has an extremely small linear field, which does not allow using it to focus radiation from an extended source.
Известна конструкция объектива для ввода излучения полупроводникового лазера с длиной волны 1,3 мкм в одномодовое волокно (Прокофьев А.Е., Сизов О. В. , Чистяков С.О. Градиентно-оптическая система для ввода излучения полупроводникового лазерного диода в одномодовое волокно, Оптический журнал, т. 64, 1997, с. 67-70). Объектив представляет собой двухкомпонентную оптическую систему, состоящую из градиентной линзы с показателем преломления, изменяющимся по заданному закону и обеспечивающим входную числовую апертуру 0,42 (согласованную с апертурой лазерного диода), и толстой плосковыпуклой линзы из однородного материала, обеспечивающую выходную числовую апертуру 0,23 (согласованную с числовой апертурой одномодового волокна). Причем при определении закона, по которому должен изменяться показатель преломления градиентной линзы, учтены аберрации, вносимые плоскопараллельной пластиной - защитным стеклом лазерного диода. Устройство позволяет сфокусировать лазерное излучение с потерями, не превышающими 20%. Однако такой объектив работает в очень узком спектральном диапазоне в силу ограничений, присущих градиентным материалам по возможностям коррекции хроматических аберраций, а также в нем не предусмотрена компенсация полевых аберраций. A known lens design for introducing radiation from a semiconductor laser with a wavelength of 1.3 μm into a single-mode fiber (Prokofiev A.E., Sizov O.V., Chistyakov S.O. Gradient-optical system for introducing radiation from a semiconductor laser diode into a single-mode fiber, Optical Journal, vol. 64, 1997, pp. 67-70). The lens is a two-component optical system consisting of a gradient lens with a refractive index that varies according to a given law and provides an input numerical aperture of 0.42 (consistent with the aperture of the laser diode), and a thick plano-convex lens of a uniform material that provides an output numerical aperture of 0.23 (consistent with the numerical aperture of a single-mode fiber). Moreover, when determining the law by which the refractive index of a gradient lens should be changed, the aberrations introduced by a plane-parallel plate — a protective glass of a laser diode — are taken into account. The device allows you to focus the laser radiation with losses not exceeding 20%. However, such a lens operates in a very narrow spectral range due to the limitations inherent in gradient materials regarding the possibilities of correcting chromatic aberrations, and it does not provide for compensation for field aberrations.
Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению по совокупности признаков является конструкция проекционного объектива, состоящего из двух сферических линз и двух асферических коррекционных элементов, выполненных в виде тонких плоскопараллельных пластин (см. Бобров С.Т. Компенсированные сферические поверхности в оптических системах, ж. "Автометрия", 6, 1985, с. 26). (Принято за прототип.) В качестве коррекционных элементов в объективе использованы дифракционные элементы, в качестве линз - положительные мениски с одинаковыми радиусами кривизны. Коррекционные поверхности, не обладающие оптической силой, расположены между менисками. Мениски повернуты вогнутыми поверхностями к выходному зрачку, находящемуся в центре объектива. Каждый из коррекционных элементов компенсирует аберрации следующих поверхностей: выпуклой поверхности ближнего мениска и вогнутой - дальнего. Для этого выполняется определенное соотношение для расстояния между менисками, показателями преломления менисков, их толщиной и радиусами. Такая конструкция имеет уменьшенные сферическую аберрацию, первичную кому и астигматизм. Она позволяет передавать лазерное излучение с малыми потерями от торца световода на приемную площадку фотоприемника, может служить коннектором. Однако из-за необходимости использования в конструкции менисков числовая апертура такого объектива не может быть развита, что затрудняет использование таких объективов для ввода-вывода лазерного излучения из световодов с большой числовой апертурой, а также делает объектив довольно длинным. Кроме того, в оптических системах с дифракционными элементами затруднена коррекция хроматических аберраций, что также сужает диапазон применений такого объектива. Кроме того, в объективах, использующих дифракционные элементы, снижается контраст изображения из-за наличия структурированной поверхности. The closest device to the claimed invention in terms of features is the design of a projection lens, consisting of two spherical lenses and two aspherical correction elements made in the form of thin plane-parallel plates (see Bobrov S.T. Compensated spherical surfaces in optical systems, J. "Autometry ", 6, 1985, p. 26). (Taken as a prototype.) Diffraction elements were used as correction elements in the lens, positive menisci with the same radii of curvature were used as lenses. Correction surfaces that do not have optical power are located between the menisci. Menisci are turned by concave surfaces to the exit pupil located in the center of the lens. Each of the correction elements compensates for the aberrations of the following surfaces: the convex surface of the near meniscus and the concave surface of the far meniscus. To do this, a certain ratio is fulfilled for the distance between menisci, the refractive indices of menisci, their thickness and radii. This design has reduced spherical aberration, primary coma and astigmatism. It allows you to transmit laser radiation with low loss from the end of the fiber to the receiving area of the photodetector, can serve as a connector. However, due to the need to use meniscus in the design, the numerical aperture of such a lens cannot be developed, which makes it difficult to use such lenses for input-output of laser radiation from optical fibers with a large numerical aperture, and also makes the lens quite long. In addition, in optical systems with diffraction elements, the correction of chromatic aberrations is difficult, which also narrows the range of applications of such a lens. In addition, in lenses using diffractive elements, image contrast is reduced due to the presence of a structured surface.
Таким образом, в настоящее время существует множество конструкций проекционных объективов, использующих элементы как со сферическими, так и с асферическими поверхностями (или их аналогами), существенно улучшающими характеристики оптических систем. Однако среди них нет конструкций проекционных объективов, позволяющих одновременно работать на нескольких дискретных длинах волн либо в некотором спектральном диапазоне, при этом имеющих хорошо скомпенсированные аберрации при больших числовых апертурах, а также малую относительную длину по оси и малое количество компонентов. Thus, there are currently many designs of projection lenses that use elements with both spherical and aspherical surfaces (or their analogues), which significantly improve the characteristics of optical systems. However, among them there are no designs of projection lenses that can simultaneously work at several discrete wavelengths or in a certain spectral range, while having well compensated aberrations at large numerical apertures, as well as a small relative length along the axis and a small number of components.
Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.
Заявленное изобретение направлено на создание проекционного объектива, работающего на нескольких длинах волн либо в некотором спектральном диапазоне, предназначенного для устройств вывода лазерного излучения из световода и последующей его фокусировки в заданной плоскости (на приемной площадке фотоприемника или ПЗС-матрицы либо на торце следующего световода, с которым осуществляется сопряжение, либо на каком-то другом объекте). Такие объективы необходимы, например, для медицинских приборов, использующих излучение лазера на парах меди, излучающих в сине-зеленой области спектрального диапазона одновременно на двух длинах волн 510,6 нм и 578,2 нм и использующих для транспортировки излучения световолокно, выходящее излучение из которого необходимо сфокусировать на объекте в пятно малых размеров. Кроме того, такие объективы необходимы в устройствах измерителей тока и напряжения, использующих в качестве источников излучения лазерные диоды с длиной волны 650 нм и 1300 нм либо 780-900 нм. При этом в ряде устройств одновременно используется излучение сразу двух длин волн, а для транспортировки излучения используется одномодовое либо многомодовое световолокно. При этом необходима фокусировка излучения с минимальными потерями, что обеспечивается согласованием числовых апертур световодов и объектива, а также использованием объективов с хорошей коррекцией аберраций при минимальной толщине и малом количестве поверхностей. The claimed invention is directed to the creation of a projection lens operating at several wavelengths or in a certain spectral range, intended for devices for outputting laser radiation from a fiber and then focusing it in a given plane (at the receiving platform of a photodetector or CCD matrix or at the end of the next fiber, which is pairing, or at some other object). Such lenses are necessary, for example, for medical devices that use radiation from a copper vapor laser that emit in the blue-green region of the spectral range simultaneously at two wavelengths of 510.6 nm and 578.2 nm and use a light fiber to transport radiation, the radiation from which need to focus on the subject in a spot of small size. In addition, such lenses are necessary in devices for measuring current and voltage, using laser diodes with a wavelength of 650 nm and 1300 nm or 780-900 nm as radiation sources. Moreover, a number of devices simultaneously use radiation of two wavelengths at once, and single-mode or multimode optical fiber is used to transport radiation. In this case, radiation focusing with minimal losses is necessary, which is ensured by the coordination of the numerical apertures of the optical fibers and the lens, as well as the use of lenses with good aberration correction with a minimum thickness and a small number of surfaces.
Технический результат изобретения - повышение относительного отверстия проекционного объектива, обеспечение возможности его работы на нескольких длинах волн видимой и ближней ИК-области либо в некотором спектральном диапазоне, уменьшение потерь фокусируемого лазерного излучения, уменьшение толщины объектива по оси, уменьшение полевых аберраций при фокусировке излучения от протяженного источника, а также упрощение технологии изготовления объектива. The technical result of the invention is to increase the relative aperture of the projection lens, to enable it to work at several wavelengths of the visible and near infrared region or in a certain spectral range, to reduce losses of the focused laser radiation, to reduce the lens thickness along the axis, to reduce field aberrations when focusing radiation from extended source, as well as simplification of lens manufacturing technology.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве проекционного объектива, состоящего из двух сферических линзовых элементов и двух коррекционных элементов, выполненных в виде тонких плоскопараллельных пластин, линзовые элементы представляют собой плосковыпуклые линзы, а коррекционные элементы выполнены из двух стекол, имеющих разные показатели преломления и коэффициенты дисперсии и асферическую границу их соединения, при этом профиль границы соединения стекол коррекционных элементов описывается рядом
где k является коэффициентом масштабирования, r - радиальная координата, z(r) - профиль коррекционной поверхности, причем k=0,5...15, коэффициенты ряда имеют величины
а разница показателей преломления, коэффициенты дисперсии стекол коррекционных элементов и показатели преломления линз, а также расстояния между коррекционными элементами и линзами и передний фокальный отрезок объектива выбираются из условия обеспечения коррекции сферохроматической и полевой аберраций для требуемой числовой апертуры объектива в заданном спектральном диапазоне.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the device of the projection lens, consisting of two spherical lens elements and two correction elements made in the form of thin plane-parallel plates, the lens elements are plano-convex lenses, and the correction elements are made of two glasses having different refractive indices and dispersion coefficients and the aspherical boundary of their connection, while the profile of the boundary of the connection of the glasses of the correction elements described next
where k is the scaling factor, r is the radial coordinate, z (r) is the profile of the correction surface, and k = 0.5 ... 15, the series coefficients are
and the difference in refractive indices, the dispersion coefficients of the glasses of the correction elements and the refractive indices of the lenses, as well as the distances between the correction elements and the lenses and the front focal segment of the lens are selected from the condition for correcting the spherochromatic and field aberrations for the required numerical aperture of the lens in a given spectral range.
Если в проекционном объективе плосковыпуклые линзы расположить выпуклыми сторонами навстречу друг другу, то исходная сферическая аберрация линз может быть уменьшена. Расположение коррекционных элементов снаружи от каждой из линз позволяет существенно уменьшить сферическую аберрацию при выбранном оптимальном их положении для требуемой числовой апертуры. Расположение коррекционных элементов между линзами (как вариант конструкции) позволяет оптимизировать полевые аберрации объектива. Если в проекционном объективе плосковыпуклые линзы повернуть плоскими сторонами друг к другу, а коррекционные элементы расположить между линзами, то можно уменьшить полевые характеристики объектива и уменьшить толщину объектива по оси. При расположении коррекционных элементов снаружи от линз (как вариант конструкции) можно оптимизировать оптическую систему для выбранных материалов линз и коррекционных элементов. При одинаковой ориентации плосковыпуклых линз по отношению к падающему излучению с коррекционными элементами, расположенными со стороны плоской поверхности каждой из линз, можно получить оптимизацию объектива с точки зрения коррекции сферохроматической и полевой аберраций. При расположении коррекционных элементов со стороны выпуклой поверхности каждой из линз (как вариант конструкции) можно добиться минимальной величины сферической и полевой аберраций объектива, а также его толщины по оси. При выполнении в проекционном объективе обеих линз с радиусами кривизны, равными между собой, из стекол, у которых показатели преломления равны, а также обоих коррекционных элементов из стекол с равными разницами показателей преломления проекционный объектив будет иметь увеличение ~ -1х. В проекционном объективе, в котором показатели преломления линз и их радиусы кривизны отличаются друг от друга, а также отличаются разности коэффициентов дисперсии и разницы показателей преломления стекол, составляющих коррекционные элементы, коэффициент увеличения будет отличаться от -1х, т.е. будут отличаться входная и выходная числовые апертуры.If in the projection lens plano-convex lenses are arranged with convex sides facing each other, the initial spherical aberration of the lenses can be reduced. The location of the correction elements outside of each of the lenses can significantly reduce spherical aberration at their optimal position for the desired numerical aperture. The location of the correction elements between the lenses (as an option) allows you to optimize the field aberration of the lens. If in a projection lens plano-convex lenses are turned with their flat sides to each other, and correction elements are placed between the lenses, then you can reduce the field characteristics of the lens and reduce the thickness of the lens along the axis. When the correction elements are located outside the lenses (as a design option), it is possible to optimize the optical system for the selected lens materials and correction elements. With the same orientation of plano-convex lenses with respect to incident radiation with correction elements located on the side of the flat surface of each of the lenses, it is possible to optimize the lens in terms of correcting spherochromatic and field aberrations. With the location of the correction elements on the convex surface of each lens (as a design option), it is possible to achieve a minimum value of the spherical and field aberrations of the lens, as well as its thickness along the axis. When both lenses with curvature radii equal to each other are made in a projection lens from glasses with equal refractive indices, and from both correction elements from glasses with equal refractive index differences, the projection lens will have an increase of ~ -1 x . In a projection lens, in which the refractive indices of the lenses and their radii of curvature differ from each other, as well as the differences in the dispersion coefficients and the difference in the refractive indices of the glasses making up the correction elements, the magnification factor will differ from -1 x , i.e. input and output numerical apertures will be different.
На фиг. 1 представлена оптическая схема проекционного объектива по п.1, 2, 8, где 1, 4 - коррекционные элементы, 2, 3 - плосковыпуклые линзы. In FIG. 1 shows the optical scheme of the projection lens according to
На фиг. 2 представлена оптическая схема проекционного объектива по п.1, 4, 8, где 1, 4 - плосковыпуклые линзы, 2, 3 - коррекционные элементы
Оптическая схема объектива по п.1, 2, 8 приведена на фиг.1. Основную роль по коррекции сферической аберрации выполняют коррекционные элементы 1, 4. Расположение плосковыпуклых линз сферическими сторонами, повернутыми навстречу друг к другу, позволяет уменьшить исходную сферическую аберрацию системы. Поскольку существует довольно широкий набор стекол с показателями преломления, изменяющимися от ~1.5 до 2, а диапазон числовых апертур используемых световодов ограничен (наиболее часто используются волокна с числовой апертурой 0,15-0,30), то изменением показателей преломления стекол линз пл и радиусов их кривизны Rл можно согласовать числовую апертуру используемого световолокна и объектива, т.е. обеспечить требуемую светосилу объектива только двумя силовыми элементами - линзами. Заметим, что объектив из двух плосковыпуклых некорригированных линз обладает большой сферической аберрацией, которая приводит к большим потерям фокусируемого излучения. Известно, что использование коррекционных элементов с асферическими поверхностями позволяет существенно уменьшить аберрации оптических систем. При этом для каждой оптической системы необходимы индивидуально подобранные (или рассчитанные) асферические поверхности коррекционных элементов (см., например, Потапова Н. И., Цветков А.Д. Способ изготовления оптических деталей с плавным изменением оптических характеристик по апертуре. Патент РФ 2037851, БИ 17, 1995 или Потапова Н.И., Цветков А.Д. Линза с коррекцией аберраций. Патент РФ 2174245 от 27.09.01). Поэтому для оптических систем с различными относительными отверстиями необходимы, в общем случае, коррекционные элементы с различными профилями коррекционной асферической поверхности.In FIG. 2 shows the optical scheme of the projection lens according to
The optical circuit of the lens according to
Нами установлено, что выполнение коррекционных элементов с профилем асферической поверхности, описываемым формулой (1) с коэффициентами (2), существенно уменьшает сферическую аберрацию светосильных линз, имеющих диафрагменное число K=D/F' (D - диаметр линзы, F'- ее фокусное расстояние) примерно от 1,1 до 3,3 (соответствует числовым апертурам от 0,4 до 0,15) при соответствующим образом выбранной разнице показателей преломления составляющих коррекционный элемент стекол. We found that the implementation of correction elements with an aspherical surface profile described by formula (1) with coefficients (2) significantly reduces the spherical aberration of fast lenses with aperture value K = D / F '(D is the lens diameter, F'is its focal length distance) from about 1.1 to 3.3 (corresponding to numerical apertures from 0.4 to 0.15) with an appropriately selected difference in refractive indices of the glasses making up the correction element.
Сферическая аберрация у однотипных линз имеет одинаковый характер, но различную величину. По сути, меняется масштаб сферической аберрации, поэтому, изменяя масштаб оптической неоднородности коррекционного элемента в некоторых пределах (изменением разницы показателей преломления составляющих коррекционный элемент стекол при неизменной его толщине), оказывается возможным также изменять и величину компенсируемой сферической аберрации. Использование в проекционном объективе линз из стекол с большими коэффициентами дисперсии (большими 40-45) в сочетании с коррекционными элементами из стекол с различными коэффициентами дисперсии позволяет получить проекционные объективы, одинаково хорошо работающие на нескольких лазерных длинах волн (например, на длинах волн 0,65, 0,78, 1,06 и 1,3 мкм) либо в некотором спектральном диапазоне. Так, например, объектив, состоящий из линз из стекла ТФ5 (nе= 1,7617, Rл= 3,084) и коррекционных элементов из стекол К8 и ТБФ4 (Δnе= 0,2623) с границей соединения, описываемой формулой (1) при k=1, имеет числовую апертуру 0,4 и хорошо скомпенсированную сферическую аберрацию для спектрального диапазона 0,8-0,9 мкм. Объектив, состоящий из линз из стекла СТКЗ (nе= 1,6622, Rл= 4,246 мм) и коррекционных элементов из стекол ЛФ10 и БФ24 (Δnе= 0,0864), имеет числовую апертуру 0,275 и одинаково успешно работает как в видимом, так и в ближнем ИК-диапазоне.Spherical aberration in the same type of lens has the same character, but different size. In fact, the scale of spherical aberration changes, therefore, by changing the scale of the optical heterogeneity of the correction element within certain limits (by changing the difference in the refractive indices of the glasses making up the correction element with its thickness constant), it is also possible to change the value of compensated spherical aberration. The use of lenses from glasses with large dispersion coefficients (large 40-45) in a projection lens in combination with correction elements from glasses with different dispersion coefficients allows to obtain projection lenses that work equally well at several laser wavelengths (for example, at wavelengths of 0.65 , 0.78, 1.06 and 1.3 μm) or in a certain spectral range. So, for example, a lens consisting of TF5 glass lenses (n e = 1.7617, R l = 3.084) and correction elements from K8 and TBF4 glasses (Δn e = 0.2623) with the connection boundary described by formula (1) at k = 1, it has a numerical aperture of 0.4 and well-compensated spherical aberration for the spectral range of 0.8-0.9 μm. The lens, consisting of STKZ glass lenses (n e = 1.6622, R l = 4.246 mm) and correction elements from LF10 and BF24 glasses (Δn e = 0.0864), has a numerical aperture of 0.275 and works equally well as in the visible and near infrared.
В то же время существующие оптические стекла имеют дискретный набор возможных разниц показателей преломления. Т.е. полную компенсацию аберраций, в том числе и сферической, нельзя достичь изменением только величины разницы показателей преломления стекол коррекционного элемента. Необходимы дополнительные возможности. Для проекционного объектива эти возможности открываются при изменении расстояний между коррекционными элементами и линзами, а также толщин линз, что приводит еще и к некоторому изменению переднего фокального отрезка (плоскости установки источника излучения). Если источник излучения (например, лазерный диод) поместить в точку переднего фокуса линзы, то после прохождения первой линзы с коррекционным элементом излучение будет идти параллельно оптической оси. Изменение величины переднего фокального отрезка равносильно смещению источника излучения из фокальной точки. Это приводит к тому, что после первой линзы излучение будет либо сходящимся, либо расходящимся, в зависимости от знака смещения. At the same time, existing optical glasses have a discrete set of possible differences in refractive indices. Those. full compensation of aberrations, including spherical, cannot be achieved by changing only the difference in the refractive indices of the glasses of the correction element. Additional features required. For a projection lens, these opportunities open up when changing the distances between the correction elements and lenses, as well as the thickness of the lenses, which also leads to some change in the front focal segment (plane of installation of the radiation source). If the radiation source (for example, a laser diode) is placed at the point of the front focus of the lens, then after passing through the first lens with the correction element, the radiation will go parallel to the optical axis. Changing the size of the front focal segment is equivalent to the displacement of the radiation source from the focal point. This leads to the fact that after the first lens, the radiation will be either converging or diverging, depending on the sign of the displacement.
Это, как и изменение расстояния от линзы до коррекционного элемента, эквивалентно некоторому изменению его профиля, поскольку лучи, идущие от линзы, будут попадать в другие точки коррекционной асферической поверхности. Так, например, коррекционные элементы толщиной 0,5 мм из стекол БК4 и К19 (разница показателей преломления Δnе= 0,0115) обеспечивают идеальную коррекцию аберраций (получается фокусировка в пятно дифракционного качества) при использовании линз из стекла ТК14 (с радиусом кривизны сферической поверхности 7,546 мм) при расстоянии между линзой и ближайшим коррекционным элементом 0,05 мм (числовая апертура 0,145). Профиль коррекционной поверхности при этом описывается формулой (1) с k=1. Если при этом же коррекционном элементе взять линзы из стекла ТК12 (с тем же радиусом кривизны 7,546 мм), то для наилучшей коррекции сферической аберрации расстояние между линзой и коррекционным элементом необходимо увеличить до 0,5 мм (числовая апертура объектива 0,135). При этом достигается фокусировка в пятно дифракционного размера, в то время как при приближении коррекционного элемента к линзе кружок рассеяния увеличивается до 10 мкм. Кроме того, изменяя ориентацию линз по отношению к падающему излучению, а также изменяя положение коррекционных элементов (располагая их либо со стороны плоской, либо со стороны выпуклой поверхности), можно также менять величину как сферической, так и полевой аберраций, добиваясь их оптимальной компенсации.This, as well as a change in the distance from the lens to the correction element, is equivalent to some change in its profile, since the rays coming from the lens will fall to other points of the correction aspheric surface. So, for example, correction elements 0.5 mm thick from BK4 and K19 glasses (difference in refractive indices Δn е = 0.0115) provide perfect correction of aberrations (it turns out focusing in a spot of diffraction quality) when using lenses made of TK14 glass (with a radius of curvature of spherical surface 7.546 mm) with a distance between the lens and the nearest correction element of 0.05 mm (numerical aperture of 0.145). The profile of the correction surface in this case is described by formula (1) with k = 1. If we take TK12 glass lenses with the same correction element (with the same radius of curvature of 7.546 mm), then for the best correction of spherical aberration, the distance between the lens and the correction element must be increased to 0.5 mm (numerical aperture of the lens 0.135). In this case, focusing is achieved on a diffraction-sized spot, while when the correction element approaches the lens, the scattering circle increases to 10 μm. In addition, by changing the orientation of the lenses with respect to the incident radiation, as well as changing the position of the correction elements (placing them either on the flat or convex surface side), one can also change the magnitude of both spherical and field aberrations, achieving their optimal compensation.
Если линзы объектива ориентировать плоскими сторонами навстречу друг другу (первая линза повернута выпуклой стороной навстречу падающему излучению, фиг. 2), то исходная аберрация для косых пучков будет меньше. В этом случае линзы можно выполнять меньшей толщины и с большими радиусами кривизны, что позволяет уменьшить толщину объектива по оси. Объектив с такой ориентацией линз дает лучшую компенсацию аберраций для протяженных источников излучения. При одинаковой ориентации линз объектива можно добиться компромисса для компенсации осевых и полевых аберраций. If the objective lenses are oriented with flat sides towards each other (the first lens is turned convex side towards the incident radiation, Fig. 2), then the initial aberration for oblique beams will be less. In this case, the lenses can be made thinner and with large radii of curvature, which allows to reduce the thickness of the lens along the axis. A lens with this lens orientation provides better aberration compensation for extended sources of radiation. With the same orientation of the lenses, a compromise can be achieved to compensate for axial and field aberrations.
У всех рассмотренных объективов световая апертура была 3,5-4,5 мм. Соответствующий коэффициент масштабирования k=1. При изменении световой апертуры изменяется также и величина компенсируемой аберрации, это можно учесть изменением масштабного коэффициента k (с ростом апертуры k увеличивается). Это масштабирование достаточно успешно можно осуществлять до k≈15, при дальнейшем увеличении апертуры коррекционная поверхность, описываемая рядом (1) с коэффициентами (2), перестает выполнять коррекционные функции и никакими изменениями расстояний, расположений линз и коррекционных элементов, а также выбором стекол аберрации объектива нельзя уменьшить до допустимой величины. All the examined lenses had a light aperture of 3.5-4.5 mm. The corresponding scaling factor is k = 1. When the light aperture changes, the compensated aberration also changes, this can be taken into account by changing the scale factor k (with increasing aperture, k increases). This scaling can be quite successfully performed up to k≈15, with a further increase in the aperture, the correction surface described by (1) with coefficients (2) ceases to perform correction functions and no changes in the distances, locations of lenses and correction elements, as well as the choice of lens aberration glasses cannot be reduced to an acceptable value.
Наличие в объективе малого количества компонентов позволяет выполнять его малой толщины и с минимальными потерями, обусловленными рассеянием (отражением) на поверхностях элементов. The presence in the lens of a small number of components allows it to be made of small thickness and with minimal losses due to scattering (reflection) on the surfaces of the elements.
Все это позволяет при одном и том же профиле коррекционной поверхности (1) с коэффициентами (2) создавать объективы с различными параметрами (различной числовой апертурой, различным рабочим спектральным диапазоном, различным назначением) для фокусировки лазерного излучения как в одномодовое волокно, где требуется хорошая осевая коррекция аберраций (поскольку диаметр такого волокна 4-9 мкм для разных длин волн), так и для случая использования многомодового волокна, где требуется наличие еще и некоторого линейного поля, поскольку излучение уже исходит от источника с протяженным линейным размером. All this makes it possible to create lenses with different parameters (different numerical apertures, different working spectral ranges, different purposes) for the same correction profile surface (1) with coefficients (2) for focusing laser radiation as in a single-mode fiber, where a good axial correction of aberrations (since the diameter of such a fiber is 4–9 μm for different wavelengths), and for the case of using a multimode fiber, where a certain linear field is also required, since radiation It comes from the same source with the longest linear dimension.
Изготовление линз для осуществления такого объектива не представляет большого труда, в то время как при создании асферических элементов возникают трудности. Для создания таких элементов необходимо специальное оборудование, методики контроля. Делать однотипные коррекционные элементы всегда проще и дешевле. Поэтому использование в различных объективах с одинаковыми световыми апертурами коррекционных элементов с одним и тем же профилем существенно упрощает задачу изготовления таких объективов. The manufacture of lenses for the implementation of such a lens is not difficult, while the creation of aspherical elements presents difficulties. To create such elements, special equipment and control techniques are needed. Making correction elements of the same type is always easier and cheaper. Therefore, the use of correction elements with the same profile in different lenses with the same light apertures greatly simplifies the task of manufacturing such lenses.
Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь такого результата. Neither the prototype, nor well-known analogues do not allow to achieve such a result.
Предложенное устройство объектива по пп.2, 8 (см. фиг.1) было реализовано при создании узлов вывода из световода излучения лазера, излучающего на двух длинах волн λ1= 510,6 нм и λ2=578 нм, и фокусировки его на объекте в пятно малого размера. Числовая апертура световода была 0,275, диаметр 62 мкм. Фокусировалось излучение обеих длин волн в пятно, не превышающее 80 мкм. Для этой цели были изготовлены проекционные объективы с числовой апертурой 0,275 (диафрагменным числом 1,75). Оптическая схема объектива приведена на фиг.1. Линзы для объектива изготавливались из стекла СТКЗ с коэффициентом дисперсии νe = 57,09, имели толщину по оси 1,28 мм и радиус кривизны сферической поверхности 4,246 мм. Коррекционные элементы 1 и 4 изготавливались в виде плоскопараллельных пластин из стекол ЛФ10 и БФ24, имеющих разницу показателей преломления для е-линии 0,0864. Стекла имели граничную асферическую поверхность соединения с профилем, описываемым формулой (1) при k=1. Суммарная толщина объектива была 3,73 мм, входной диаметр 3,6 мм, передний фокальный отрезок -SA=5,5 мм, задний SA'=-5,03 мм, увеличение V=-0,93x. Была изготовлена малая партия таких объективов. Объективы позволяли фокусировать практически 100% выходящего из торца световода излучения с двумя длинами волн λ1 = 510,6 нм и λ2 = 578 нм в пятно, не превышающее по диаметру 80 мкм.The proposed lens device according to
Объективы с числовой апертурой 0,275 также выполняли функцию коннекторов для сопряжения одномодовых волокон, работающих на длине волны 650 нм: диаметр сердцевины волокна был 5 мкм. 86% энергии лазерного излучения, выходящего из одномодового волоконного световода с числовой апертурой 0,27, фокусировалось при помощи объектива на торец другого одномодового волокна (пятно фокусировки имело дифракционный вид; в кольцо диаметром 5 мкм попадало излучения нулевого и первого максимумов). Объектив также можно было использовать в качестве коннектора для сопряжения одномодовых волокон, работающих для длины волны лазерного излучения 1300 нм. В этом случае диаметр сердцевины волокна был 9 мкм, числовая апертура 0,26, потери излучения при фокусировке составляли около 15%. Lenses with a numerical aperture of 0.275 also served as connectors for interfacing single-mode fibers operating at a wavelength of 650 nm: the diameter of the fiber core was 5 μm. 86% of the laser radiation energy coming out of a single-mode fiber with a numerical aperture of 0.27 was focused with the lens onto the end face of another single-mode fiber (the focus spot had a diffraction form; radiation of zero and first maxima fell into the ring with a diameter of 5 μm). The lens could also be used as a connector for interfacing single-mode fibers operating for a laser wavelength of 1300 nm. In this case, the diameter of the fiber core was 9 μm, the numerical aperture was 0.26, and the radiation loss during focusing was about 15%.
Кроме того, предложенные конструкции по пп.1, 2, 8 и 1, 4, 8 использовались при разработке специального проекционного объектива для фокусировки излучения полупроводникового лазера, излучающего в диапазоне 800-900 нм, с числовой апертурой 0,4. Фокусировка осуществлялась на приемную площадку фотоприемного регистрирующего устройства размером 100•100 мкм. Для этой цели были разработаны объективы, схемы которых приведены на фиг.1 и фиг.2. Линзы 2 и 3 (фиг. 1) изготавливались из стекла ТФ5 с коэффициентом дисперсии νe = 27,32 и имели толщину по оси 0,86 мм и радиус кривизны сферической поверхности 3,084 мм. Линзы 1, 4 для конструкции по пп.1, 4, 8 (фиг.2) были из стекла К8. Коррекционные элементы для обеих конструкций объективов были выполнены в виде плоскопараллельных пластин из стекол К8 и ТБФ4, имеющих разницу показателей преломления для е-линии 0,2623, стекла имели граничную асферическую поверхность соединения с профилем, описываемым формулой (1) с k= 1. Толщина объектива по п.1, 2, 8 была 2,8 мм, а объектива по п.1, 4, 8 - 2,51 мм. Передний фокальный отрезок в первом случае был 3,6 мм, во втором - 4,25 мм.In addition, the proposed designs according to
Линзы для всех объективов изготавливались по традиционной технологии. Асферическая поверхность коррекционных элементов получалась при помощи метода горячего формообразования. При этом для изготовления всех коррекционных элементов использовались одни и те же прессующие инструменты, что существенно упрощало и удешевляло процесс их изготовления. Lenses for all lenses were made using traditional technology. The aspherical surface of the correction elements was obtained using the method of hot forming. At the same time, the same pressing tools were used to manufacture all the correction elements, which greatly simplified and cheapened the process of their manufacture.
Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь такого технического результата. Neither the prototype, nor well-known analogues do not allow to achieve such a technical result.
Claims (9)
где k является коэффициентом масштабирования;
r - радиальная координата;
z(r) - профиль коррекционной поверхности, причем k= 0,5. . . 15, коэффициенты ряда имеют величины:
а разница показателей преломления, коэффициенты дисперсии стекол коррекционных элементов и показатели преломления линз, а также расстояния между коррекционными элементами и линзами и передний фокальный отрезок объектива выбираются из условия обеспечения коррекции сферохроматической и полевой аберраций для требуемой числовой апертуры объектива в заданном спектральном диапазоне.1. A projection lens, consisting of two spherical lens elements and two correction elements made in the form of thin plane-parallel plates, characterized in that the lens elements are plano-convex lenses, and the correction elements are made of two glasses having different refractive indices and dispersion coefficients and the aspherical boundary of their connection, while the profile of the boundary of the connection of the glasses of the correction elements is described below:
where k is the scaling factor;
r is the radial coordinate;
z (r) is the profile of the correction surface, with k = 0.5. . . 15, the coefficients of the series have the values:
and the difference in refractive indices, the dispersion coefficients of the glasses of the correction elements and the refractive indices of the lenses, as well as the distances between the correction elements and the lenses and the front focal segment of the lens, are selected from the condition for correcting the spherochromatic and field aberrations for the required numerical aperture of the lens in a given spectral range.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002108149A RU2215313C1 (en) | 2002-04-01 | 2002-04-01 | Projection lens to focus laser radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002108149A RU2215313C1 (en) | 2002-04-01 | 2002-04-01 | Projection lens to focus laser radiation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2215313C1 true RU2215313C1 (en) | 2003-10-27 |
| RU2002108149A RU2002108149A (en) | 2004-03-20 |
Family
ID=31988968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002108149A RU2215313C1 (en) | 2002-04-01 | 2002-04-01 | Projection lens to focus laser radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2215313C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2779112C1 (en) * | 2021-12-17 | 2022-08-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Method for precision glue-free connection of transparent dielectric with metals |
-
2002
- 2002-04-01 RU RU2002108149A patent/RU2215313C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Бобров С.Т Компенсированные сферические поверхности в оптических системах.: Автометрия, №6, 1985, с.26. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2779112C1 (en) * | 2021-12-17 | 2022-08-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Method for precision glue-free connection of transparent dielectric with metals |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2002108149A (en) | 2004-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6438290B1 (en) | Micro-aspheric collimator lens | |
| US4753521A (en) | Lens system for focussing a divergent laser beam | |
| US6717736B1 (en) | Catoptric and catadioptric imaging systems | |
| EP0171903A1 (en) | Improvements in or relating to infra-red lenses | |
| IL109432A (en) | Imaging ball lens optically immersed with a fiber optic faceplate | |
| US8134691B2 (en) | Lens configuration for a thermally compensated chromatic confocal point sensor | |
| CN213399086U (en) | Large-zoom-ratio multi-wavelength laser shaping beam expanding collimating lens | |
| NL8101077A (en) | AFOCAL BREAKING telescope. | |
| IL129304A (en) | Objective lens having constant focal length in visible and ir range | |
| CN113447119B (en) | Line spectrum confocal sensor | |
| US7050223B1 (en) | DUV-capable microscope objective with parfocal IR focus | |
| US5946141A (en) | Apochromatic lens system for relaying laser beam waists | |
| CN113383257B (en) | Athermal laser optics made of plastic | |
| US5953162A (en) | Segmented GRIN anamorphic lens | |
| RU2215313C1 (en) | Projection lens to focus laser radiation | |
| RU2316795C1 (en) | Two-lens objective | |
| Mercado et al. | Designs of apochromats and superachromatic objectives | |
| RU2620202C1 (en) | Lens for infrared spectral area | |
| RU2341816C1 (en) | Objective | |
| RU2798769C1 (en) | Mirror-lens telescope lens for a micro-class spacecraft | |
| Potapova et al. | Projection objective for focusing laser radiation | |
| RU2302651C1 (en) | Teleobjective | |
| CN220063353U (en) | Large-measurement-range spectrum confocal measuring head | |
| JPS616615A (en) | Distributed refractive index type lens | |
| RU2727269C1 (en) | Fast eyepiece with remote exit pupil |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20121224 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190402 |