Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

Аннотации (01.2023) : Автоматизация расчета объективов типов «склейка с линзой» и «линза со склейкой»

Автоматизация расчета объективов типов «склейка с линзой» и «линза со склейкой»

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-01-12-25

УДК 535.317

Зуи Хынг Нгуен1*, Алексей Валентинович Бахолдин2

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

1184365@niuitmo.ru          https://orcid.org/0000-0003-0230-2902

2bakholdin@itmo.ru           https://orcid.org/0000-0002-7788-1593

Аннотация

Предмет исследования. Автоматизация синтеза объективов типов «склейка с линзой» и «линза со склейкой» с входным зрачком на первой поверхности системы. Сложность синтеза подобного типа систем заключается в большом количестве возможных вариантов решения задачи. Кроме того, при переходе от бесконечно тонкой системы к системе с конечной толщиной элементов качество изображения осевой точки в большинстве случаев существенно ухудшается. Эта специфика должна быть учтена при разработке алгоритма синтеза объективов. Цель работы. Разработка методики и алгоритма автоматического синтеза объективов типов «склейка с линзой», «линза со склейкой» и системы ранжирования рассчитанных объективов. Исследование изменения качества изображения осевой точки рассматриваемых объективов с двумя или тремя разными материалами для возможного ускорения процесса синтеза. Метод. Начальный синтез объективов осуществлен на основе теории аберраций третьего порядка. Применен полный автоматический перебор при ранжировании всех возможных комбинаций материалов объектива. Основные результаты. Разработана методика и алгоритм автоматического синтеза объективов типов «склейка с линзой» и «линза со склейкой». Предложена система ранжирования рассчитанных объективов по основному критерию, базирующемуся на размере изображения осевой точки, и по предварительному критерию, определяющему технологическую устойчивость объектива к погрешности изготовления оптических элементов. Установлено, что объективы типа «линза со склейкой» в основном оказываются предпочтительнее, чем «склейка с линзой», по предложенным критериям. На основании результатов расчета показано, что решения с использованием только двух материалов могут иметь незначительное снижение качества изображения осевой точки. Практическая значимость. На основе разработанного алгоритма была модернизирована программа автоматического синтеза двух- и трехлинзовых объективов. Разработанная программа помогает инженеру-оптику существенно упростить и ускорить процесс синтеза двух- и трехлинзовых объективов с требуемыми характеристиками качества изображения.

Ключевые слова: синтез оптических систем, трехлинзовый объектив, проектирование оптических систем, хроматизм положения

Ссылка для цитирования: Нгуен З.Х., Бахолдин А.В. Автоматизация расчета объективов типов «склейка с линзой» и «линза со склейкой» // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 1. С. 12–25. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-01-12-25

Коды OCIS: 080.3620, 220.3620, 220.1010

Automation of calculation of “cemented doublet with a singlet” and “singlet with a cemented doublet” objectives

Duy Hung Nguyen1*, Alexey V. Bakholdin2

ITMO University, St. Petersburg, Russia

1184365@niuitmo.ru

2bakholdin@itmo.ru

Abstract

Subject of study. The automating the synthesis of “cemented doublet with a singlet” and “singlet with a cemented doublet” objectives with an entrance pupil on the first surface of the system. The design of this type of systems is complex due to a large number of possible solutions. Moreover, when changing over from an infinitely thin system to a system with a finite thickness of elements, image quality of the axial point in most cases significantly deteriorates. This feature should be taken into account when developing an algorithm for lens design. Aim of study. Development of a method and algorithm for automatic synthesis of “cemented doublet with a singlet” and “singlet with a cemented doublet” objectives, and development of a ranking system for designed objectives. Study of changes in the axial point image quality of the considered objectives with two or three different materials for possible acceleration of the synthesis process. Method. The initial design of objectives is carried out on the basis of the third-order aberrations theory. An automated exhaustive search is used for ranking all possible combinations of lens materials. Main results. The methodology and algorithm of automatic design of “cemented doublet with a singlet” and “singlet with a cemented doublet” objective have been developed. A ranking system is provided, which ranks designed objectives by the main criterion based on the axial point image size, and by preliminary criterion determining the technological stability of the objective to the manufacturing errors of the optical elements. It is found out that “singlet with a cemented doublet” objectives are generally preferable to “cemented doublet with a singlet” objectives according to the criteria proposed. Based on the calculation results, it is shown that solutions with only two materials can have a slight decrease in the image quality of the axial point. Practical significance. Based on the developed algorithm, the program of automatic design of two- and three-lens objectives is upgraded. The program developed will help an optical engineer to significantly simplify and accelerate the process of design of two- and three-lens objective with the required image quality characteristics.

Keywords: optical system design, three-lens objective, longitudinal chromatic aberration

For citation: Nguyen D.H., Bakholdin A.V. Automation of calculation of “cemented doublet with a singlet” and “singlet with a cemented doublet” objectives  [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 1. P. 12–25.  http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-01-12-25

OCIS codes: 080.3620, 220.3620, 220.1010

 

список источников

1.    Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем: учебник для вузов. М.: Логос, 2000. 584 c.

2.   Можаров Г.А. Геометрическая оптика: учеб. пособ. / 2-е изд. СПб: изд. «Лань», 2019. 708 с.

3.   Malacara D., Malacara Z. Handbook of optical design. NY, Basel: Marcelu Ekkerin, Inc., 2004. 522 p.

4.   Fischer R.E., Tadic-Galeb B., Yoder P.R. Optical system design. NY: McGraw-HILL, 2008. 809 p.

5.   Головков В.А., Потапова Н.И., Руденко П.Н., Страдов Б.Г. Приемная система импульсного лазерного дальномера // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 11. С. 74–80. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-09-74-80

6.   Хацевич Т.Н., Парко В.Л. Алгоритм расчета объективов-апохроматов с разнесенными компонентами для телескопических и коллимационных систем // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 7. С. 18–23.

7.    Mikš A. and Novák J. Method for primary design of superachromats // Appl. Opt. 2013. V. 52. № 28. P. 6868–6876. https://doi.org/10.1364/AO.52.006868

8.   Mikš A. and Novák J. Superachromatic air-spaced triplet // Appl. Opt. 2014. V. 53. № 29. P. 6930–6937. https://doi.org/10.1364/AO.53.006930

9.   Andreev L.N., Tsyganok H.A., Kozhina A.D., Soshnicova J.B. Microlens design to explore biological tissues for parasitic diseases identification // Proc. SPIE. 2020. V. 11548. P. 6. https://doi.org/10.1117/12.2573711

10. Uvarova A., Nguyen D., Gao S., Bakholdin A.V. Optical design of microscope objectives with low magnification // Proc. SPIE. 2021. V. 11895. P. 6. https://doi.org/10.1117/12.2601365

11.  Kuo C.-W. Achromatic triplet and athermalized lens assembly for both midwave and longwave infrared spectra // Opt. Eng. 2014. V. 53. № 2. P. 021102. https://doi.org/10.1117/1.OE.53.2.021102

12.  Тягур В.М., Кучеренко О.К., Муравьев А.В. Пассивная оптическая атермализация инфракрасного трехлинзового ахромата // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 4. С. 42–47.

13.  Гаршин А.С. Особенности расчета трехлинзовых инфракрасных объективов, работающих с охлаждаемыми приёмниками // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 4. С. 38–43.

14.  Гебгарт А.Я., Шатова Е.А., Медведев В.В. Оптические системы некоторых типов широкоугольных ИК объективов // Оптический журнал. 2013. Т. 80. № 2. С. 48–51.

15.  Бездидько С.Н., Мишин С.В., Можаров Г.А. Бинокулярные лупы на основе телескопической системы Галилея // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 11. С. 36–45. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-11-36-45

16.  Jia Wang, Alireza Amani, Chengxi Zhu, and Jian Bai. Design of a compact varifocal panoramic system based on the mechanical zoom method // Appl. Opt. 2021. V. 60. № 22. P. 6448–6455. https://doi.org/10.1364/AO.432617

17.  Chengxiang Fan, Bo Yang, Yunpeng Liu, Pengxiang Gu, Xingqi Wang, Hui Zong. Zoom lens with high zoom ratio design based on Gaussian bracket and particle swarm optimization // Appl. Opt. 2021. V. 60. № 11. P. 3217–3223. https://doi.org/10.1364/AO.418970

18. Волков О.А., Демин А.В., Константинов К.В. Оптическая система измерителя метеорологической оптической дальности // Компьютерная оптика. 2018. Т. 42. № 1. С. 67–71. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-1-67-71.

19.  Андреев Л.Н., Ежова В.В., Бахолдин А.В., Васильев В.Н. Синтез объективов с вынесенным зрачком и телецентрическим ходом лучей // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 12. С. 30–34. http://doi.org./10.17586/1023-5086-2018-85-12-30-34

20. Mikš A. One-radius triplets // Appl. Opt. 2002. V. 41. № 7. P. 1277–1281. https://doi.org/10.1364/AO.41.001277

21.  Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, ЛО, 1975. 640 с.

22. Mikš A., Šmejkal M. Calculation parameters of an objective consisting of three simple lenses // JOSA A. 2021. V. 38. № 3. P. 350–355. https://doi.org/10.1364/JOSAA.414164

23. Нгуен З.Х., Бахолдин А.В. Автоматизация синтеза и ранжирование склеенного и расклеенного объективов // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46. № 1. С. 83–89. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-923

24. Иванова Т.В., Романова Г.Э., Жукова Т.И., Калинкина О.С. Метод расчета и анализа склеенного компонента с ахроматической и апланатической коррекцией // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 8. С. 54–58.

25. Иванова Т.В., Романова Г.Э., Жукова Т.И., Калинкина О.С. Автоматизация синтеза атермализованного склеенного компонента // Научно-техн. вест. информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 4. С. 594–601. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-4-594-601

26. Электронный ресурс URL: http://www.lzos.ru/ (Официальный сайт ЛЗОС)

27. Зверев В.А., Кривопустова Е.В., Точилина Т.В. Оптические материалы: учеб. пособ. СПб.: изд. «Лань», 2015. 400 с.

28. Электронный ресурс URL: https://www.schott.com/en-us (Официальный сайт Schott)

29. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учебник для прикладного бакалавриата. М.: изд. Юрайт, 2015. 479 с.

30. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем: учеб. пособие для приборостроительных вузов. Л.: Машиностроение, ЛО, 1982. 270 с.

31.  Апенко М.И., Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Задачник по прикладной оптике: учеб. пособ. / 2-е изд. М.: Высш. шк., 2003. 591 с.

32. Velzel C. A course in lens design. Dordrecht: “Springer” Publisher, 2014, 334 p. http://doi.org/10.1007/978-94-017-8685-0

33. ZEMAX 13. Optical Design Program. User’s Manual. June 24, 2015. 805 p.

34.      Шлее М. Профессиональное программирование на С++. СПб: БХВ-Петербург, 2015. 928 с.

 

References

1.    Zapryagaeva L.A, Sveshnikova I.S. Calculation and design of optical systems: Textbook for universities [in Russian]. Moscow: “Logos” Publisher, 2000. 584 р.

2.   Mozharov G.А. Geometric optics: Textbook [in Russian] / 2nd ed. St. Petersburg: "Lan" Publisher, 2019. 708 р.

3.   Malacara D., Malacara Z. Handbook of optical design. NY, Basel: Marcelu Ekkerin, Inc., 2004. 522 p.

4.   Fischer R.E., Tadic-Galeb B., Yoder P.R. Optical system design. NY: McGraw-HILL, 2008. 809 p.

5.   Golovkov V.A., Potapova N.I., Rudenko P.N., and Stradov B.G. Receiving system of a pulsed laser rangefinder // J. Opt. Technol. 2020. V. 87. P. 688–692. https://doi.org/10.1364/JOT.87.000688

6.   Khatsevich T.N. and Parko V.L. Algorithm for calculating objective–achromats with separated components for telescopic and collimation systems // J. Opt. Technol. 2012. V. 79. P. 395–398. https://doi.org/10.1364/JOT.79.000395

7.    Mikš A. and Novák J. Method for primary design of superachromats // Appl. Opt. 2013. V. 52. № 28. P. 6868–6876. https://doi.org/10.1364/AO.52.006868

8.   Mikš A. and Novák J. Superachromatic air-spaced triplet // Appl. Opt. 2014. V. 53. № 29. P. 6930–6937. https://doi.org/10.1364/AO.53.006930

9.   Andreev L.N., Tsyganok H.A., Kozhina A.D., Soshnicova J.B. Microlens design to explore biological tissues for parasitic diseases identification // Proc. SPIE. 2020. V. 11548. P. 6. https://doi.org/10.1117/12.2573711

10. Uvarova A., Nguyen D., Gao S., Bakholdin A.V. Optical design of microscope objectives with low magnification // Proc. SPIE. 2021. V. 11895. P. 6. https://doi.org/10.1117/12.2601365

11.  Kuo C.-W. Achromatic triplet and athermalized lens assembly for both midwave and longwave infrared spectra // Opt. Eng. 2014. V. 53. № 2. P. 021102. https://doi.org/10.1117/1.OE.53.2.021102

12.  Tyagur V.M., Kucherenko O.K., and Murav’ev A.V. Passive optical athermalization of an IR three-lens achromat // J. Opt. Technol. 2014. V. 81. P. 199–203. https://doi.org/10.1364/JOT.81.000199

13.  Garshin A.S. Features of the design of three-lens IR objectives that operate with cooled detectors // J. Opt. Technol. 2016. V. 83. P. 224–227. https://doi.org/10.1364/JOT.83.000224

14.  Gebgart A.Ya., Shatova E.A., and Medvedev V.V. The optical systems of certain types of wide-angle IR objectives // J. Opt. Technol. 2013. V. 80. P. 107–109. https://doi.org/10.1364/JOT.80.000107

15.  Bezdidko S.N., Mishin S.V., and Mozharov G.A. Binocular Galilean loupes // J. Opt. Technol. 2021.  V. 88. P. 639–646. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000639

16.  Jia Wang, Alireza Amani, Chengxi Zhu, and Jian Bai. Design of a compact varifocal panoramic system based on the mechanical zoom method // Appl. Opt. 2021. V. 60. № 22. P. 6448–6455. https://doi.org/10.1364/AO.432617

17.  Chengxiang Fan, Bo Yang, Yunpeng Liu, Pengxiang Gu, Xingqi Wang, Hui Zong. Zoom lens with high zoom ratio design based on Gaussian bracket and particle swarm optimization // Appl. Opt. 2021. V. 60. № 11. P. 3217–3223 https://doi.org/10.1364/AO.418970

18. Volkov O.A., Demin A.V., Konstantinov K.V. An optical system of a sensor for measuring the meteorological optical range // Computer Optics. 2018. V. 42. № 1. Р. 67–71. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-1-67-71

19.  Andreev L.N., Ezhova V.V., Bakholdin A.V., and Vasil’ev V.N. Synthesis of telecentric-ray-path pinhole objectives // J. Opt. Technol. 2019. V. 85. P. 765–767. https://doi.org/10.1364/JOT.85.000765

20. Mikš A. One-radius triplets // Appl. Opt. 2002. № 41. P. 1277–1281.https://doi.org/10.1364/AO.41.001277

21.  Slyusarev G.G. Calculation of optical systems [in Russian]. Leningrad: “Mashinostroenie” Publisher, 1975. 640 р.

22. Mikš A., Šmejkal M. Calculation parameters of an objective consisting of three simple lenses // JOSA A. 2021. V. 38. № 3. P. 350–355. https://doi.org/10.1364/JOSAA.414164

23. Nguyen D.H., Bakholdin A.V. Automation of synthesis and ranking of cemented and airspaced doublets // Computer Optics. 2022. V. 46. № 1. Р. 83–89. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-923

24. Ivanova T.V., Romanova G.E., Zhukova T.I., Kalinkina O.S. Method for calculation and analysis of a cemented component with achromatic and aplanatic correction // J. Opt. Technol. 2017. V. 84. P. 548–551. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000548

25. Ivanova T.V., Romanova G.E., Zhukova T.I., Kalinkina O.S. Automation of athermal cemented doublet synthesis [in Russian] // Scientific and Technical J. Information Technologies, Mechanics and Optics. 2019. V. 19. № 4. P. 594–601. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-4-594-601

26. Electronic resource URL: http://www.lzos.ru / (Official website of the LZOS)

27. Zverev V.A., Krivopustova E.V., Tochilina T.V. Optical materials: A text-book [in Russian]. St. Petersburg: "Lan" Publisher; 2015. 400 р.

28. Electronic resource URL: https://www.schott.com/en-us (Schott's official website)

29. Gmurman V.E. Probability theory and mathematical statistics: Textbook for applied bachelor's degree [in Russian]. Moscow: “Yurayt” Publisher, 2015. 479 р.

30. Rodionov S.A. Automation of optical systems design: Textbook, manual for instrument-making universities [in Russian]. Leningrad: “Mashi-nostroenie” Publisher, 1982. 270 р.

31.  Apenko M.I., Zapryagaeva L.A., Sveshnikova I.S. Testbook on applied optics: Textbook [in Russian] / 2nd ed. Moscow: “Higher School” Publisher, 2003. 591 р.

32. Velzel C. A course in lens design. Dordrecht: “Springer” Publisher, 2014, 334 p.

33. ZEMAX 13. Optical Design Program. User’s Manual. June 24, 2015. 805 p.

34.      Shlee M. Professional programming in C++ [in Russian]. St. Petersburg: “BHV-Petersburg” Publisher, 2015. 928 р.