Русинов М.М. Композиция оптических систем Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Разработка оптических систем является одной из специфических областей проектирования приборов. Для нее характерны некоторые особенности. Одна из таких особенностей – обеспечение требуемого качества изображения. В большинстве случаев это требование сводится к задаче устранения ряда аберраций, так или иначе разрушающих изображение.

В связи с этим возникает необходимость оценки качества изображения проектируемой оптической системы, что осуществляется посредством расчета хода ряда лучей, входящих в оптическую систему, и определения взаимного расположения этих лучей на изображении. Подобная "геометрическая" оценка качества изображения в большинстве случаев достаточно убедительна и может быть в дальнейшем дополнена учетом явлений, определяемых волновой природой света.

Однако точные формулы для расчета хода лучей достаточно громоздки. Поэтому при разработке оптических систем необходимо проводить трудоемкие вычислительные работы. Первоначально нередко приходилось изготавливать те или иные оптические системы и путем последовательного их изменения достигать требуемого качества изображения.

Совершенно очевидно, что таким способом могли создаваться лишь сравнительно несложные оптические системы, состоявшие из двух–трех линз, например объективы зрительных труб и простейшие окуляры из тонких линз, разделенных воздушными промежутками.

Для того чтобы избежать такого экспериментального метода проб, необходимо было упростить математическое определение качества изображения. Это удалось осуществить путем отказа от использования точных формул для определения хода лучей и замены их приближенными формулами, построенными на допущении малости углов лучей с осью системы. Была создана так называемая теория аберраций третьего порядка, позволившая составить приближенные уравнения для всех элементарных аберраций. Решение подобных уравнений для сравнительно простых оптических систем, состоявших из тонких линз, при не очень высоких требованиях к характеристикам оптической системы приводило к результатам, более или менее близким к желаемым, и в ряде случаев сравнительно небольшие изменения параметров оптической системы, сделанные уже на основе расчета хода действительных лучей по точным формулам, давали положительные окончательные результаты.

Таким образом, и при использовании формул теории аберраций третьего порядка не была исключена необходимость применения расчетов по точным формулам, т.е. не были существенно уменьшены вычислительные работы.

Следует отметить, что однажды разработанные оптические системы обладали длительной "живучестью" и сохранялись в течение ряда десятилетий. Это обстоятельство позволяло ограничиваться наличием сравнительно небольшого числа вычислительных бюро, занимавшихся расчетами оптических систем.

Первоначально такие вычислительные бюро были созданы на германских оптических заводах – на фирмах "Карл Цейс" (Carl Zeiss), "Герц" (Goerz), "Лейтц" (Leitz) и др. Эта монополия Германии обусловила затруднительное положение союзных держав во время первой мировой войны, что и послужило импульсом для создания оптических заводов во Франции, Англии и России.

В последние десятилетия в связи с развитием кинематографий и телевидения выросли требования, предъявляемые к современным оптическим системам. Коренным образом изменилась трудоемкость вычислительных работ, обусловленная созданием электронно-вычислительных машин (ЭВМ), в десятки и сотни раз ускоривших выполнение этих работ.

Однако использование ЭВМ для расчетов оптических систем привело к не очень быстрому ускорению их разработки – всего в два–три раза.

Последнее объясняется тем, что все внимание оптиков-расчетчиков было направлено на усовершенствование методов расчета и математического обеспечения расчетов оптических систем, исключая композицию исходных оптических систем, которая обеспечивает возможность получения требуемого качества изображения в принципиальной исходной оптической системе.

Повышение оптических характеристик пытались осуществить путем усложнения уже известных оптических систем, что большей частью стало вызывать их неоправданное переусложнение со всеми вытекающими отсюда производственными последствиями.

Вместе с тем накопленный практический опыт разработки оптических систем показал, что, зная свойства отдельных элементов оптической системы, можно компоновать исходную схему системы путем сочетания в ней только тех элементов, свойства и возможности которых необходимы для удовлетворения требований, предъявляемых к ней. Такой подход исключает существование в системе бесполезных элементов, не принимающих участия в исправлении тех или иных аберраций.

Важно отметить, что в ряде случаев удавалось добиться уменьшения числа оптических деталей, входящих в оптическую систему, вдвое, причем без ухудшения результатов и с одновременным ускорением процесса разработки в несколько (и даже в десятки) раз.

Таким образом, сложился метод разработки оптических систем посредством компоновки их из различного рода базовых и коррекционных конструктивных элементов или узлов.

Вместе с тем при разработке оптической системы соответственно должно учитываться и взаимное расположение конструктивных узлов относительно материальной диафрагмы. Следует заметить, что удовлетворение требований, предъявляемых к разрабатываемой оптической системе, во многих случаях может обеспечиваться различными принципиальными схемами, что свидетельствует о существовании нескольких возможных решений.

Следовательно, создание той или иной оптической системы нельзя сводить лишь к синтезу ее из ряда выбранных конструктивных элементов, т.е. необходим более широкий подход, который может быть назван композицией оптических систем.

В данной книге ставится задача систематизации методов композиции различных оптических систем, подтверждаемая рядом практических примеров. Однако, так как вопросы композиции затрагиваются в специальной литературе впервые, а сама методика композиции продолжает развиваться, то в какой-то мере приходится ограничиваться лишь более или менее устоявшимися примерами.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность лауреату Ленинской премии канд. техн.наук Н.А.Агальцовой за помощь при подготовке рукописи и издании книги.

Об авторе

Русинов Михаил Михайлович

Крупнейший ученый-оптик, основатель научной школы вычислительной оптики в СССР. В 1927 г. окончил Ленинградский техникум точной механики и оптики. В 1931 г. получил диплом инженера в Ленинградском институте точной механики и оптики (ЛИТМО). Работал во Всесоюзном объединении оптико-механической промышленности, в Ленинградском отделении ЦНИИ геодезии, аэросъемки и картографии. Кандидат физико-математических наук (1938), доктор технических наук (1941), профессор (1944). С 1946 г. — заведующий кафедрой оптико-механических приборов оптического факультета ЛИТМО (с 1992 г. СПбГУ ИТМО), которую возглавлял более 40 лет; с 1997 г. — профессор кафедры прикладной и компьютерной оптики. Академик Петровской академии наук и искусств (1992).

М. М. Русинов — автор выдающихся открытий, в числе которых: явление аберрационного виньетирования (1938); явление разрушения центра проекции (1957), ставшее основой инженерной фотограмметрии; явление существования аберраций второго порядка (1986), которое коренным образом изменило представление об аберрациях оптических систем, сохранявшееся в науке около 150 лет. Известны такие его фундаментальные труды по прикладной оптике, как «Техническая оптика», «Габаритные расчеты оптических систем», «Несферические поверхности в оптике», «Инженерная фотограмметрия», «Композиция оптических систем», «Композиция нецентрированных оптических систем» и др. Автор более 150 научных трудов (в том числе 18 монографий), более 320 авторских свидетельств на изобретения и 22 патентов. Заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1968), четырежды лауреат Государственной премии СССР (1941, 1949, 1950, 1967), лауреат Ленинской премии (1982). Лауреат Международной премии им. Э. Лосседа Французской академии наук (1972). Подготовил 10 докторов и 50 кандидатов наук, в числе которых граждане Болгарии, Германии и Китая.