При расчете микрообъектива принято разделение этого процесса на несколько этапов. Первый этап – определение цели расчета, требуемых характеристик объектива, выбор конструкции и базовых элементов. На следующем этапе требуется "собрать" выбранные элементы воедино и получить систему с нужным увеличением и рабочим расстоянием, то есть габаритно сложить систему.
После этого начинается самый трудоемкий этап расчета – аберрационная коррекция. Несмотря на то, что в схему "закладываются" элементы с минимальными значениями аберраций и их высших порядков, при стыковке оказывается, что аберрации объектива в целом недопустимо велики; более того, в сквозном расчете присутствуют трудно исправимые в отдельных элементах аберрации высших порядков. Происходит это потому, что различные элементы конструкции работают в различных условиях, при различных аберрационных и габаритных нагрузках. Например, элементы, работающие при больших апертурах, наверняка будут иметь аберрации высших порядков, а аберрации последующей части определяются, в основном, ее увеличением.
В этом смысле расчет микрообъектива по минимизации аберраций представляет собой перебалансировку нагрузки (в основном габаритной) на отдельные элементы. Данное обстоятельство является, с одной стороны, гарантией того, что удастся добиться требуемой аберрационной коррекции. С другой стороны, в этом заложен резерв оптимизации и минимизации схемы по количеству элементов. Иногда оказывается так, что для получения требуемых аберрационных характеристик объектива в целом, нужно не уменьшить, а увеличить аберрации в некоторых элементах с дальнейшей их компенсацией другими. Или другой вариант, когда для исправления в элементе одних аберраций увеличивают другие, которые затем исправляются в другой части объектива. Безусловно, это процесс творческий; он зависит от опыта и квалификации конструктора.
Широкое распространение при расчете объективов микроскопа получил так называемый метод проб и ошибок. Он заключается в том, что конструктор вначале проводит поиск прототипа с возможно близкими оптическими характеристиками к рассчитываемому объективу. Для этой цели используют обычно архивные и патентные сведения. Отыскав подходящие типы конструкции, вначале исследуют влияние изменения конструктивных элементов системы на оптические характеристики и аберрации путем расчета хода лучей. Затем составляют сводку влияния изменения параметров на аберрации и начинают работу по поиску нужных параметров. Далее путем интерполяции или экстраполяции находят новые значения конструктивных элементов и проводят контрольные расчеты хода лучей. В результате выясняется действительное состояние коррекции полученной системы. И так повторяют несколько раз до получения удовлетворительного решения.
Как правило, с первого раза почти никогда не удается удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к системе, вследствие того, что связь между изменением параметров и аберрациями даже при небольших изменениях не всегда линейная. Кроме того, некоторые из параметров влияют сразу на несколько аберраций. Поэтому при значительных изменениях конструктивных элементов (от исходной системы) составленная сводка влияния перестает достоверно действовать. Это приводит к тому, что время от времени конструктору приходиться составлять ее заново, на что, естественно, уходит много времени.
Этот метод в ряде случаев весьма эффективен, например, при расчете на плавки и радиусы пробных стекол, когда требуются незначительные изменения конструктивных элементов, или при замене марок стекол, а также в некоторых других случаях.
При расчете микрообъективов небольшой числовой апертуры и увеличения применяется алгебраический метод. Оптическая схема таких объективов обычно состоит из двух компонентов. В начальной стадии расчета влиянием толщин линз можно пренебречь, поэтому при разработке таких объективов весьма эффективна методика, основанная на применении теории аберраций третьего порядка для систем, состоящих из тонких компонентов, которая разработана проф. Г.Г. Слюсаревым. Суть расчета заключается в составлении и решении нескольких линейных уравнений относительно основных параметров тонких компонентов [6]. По найденным значениям основных параметров определяются конструктивные элементы, и проводится контрольный расчет хода лучей. В случае, если вычисленные аберрации заметно отличаются от заданных вследствие перехода к реальным толщинам линз и влияния аберраций высших порядков, производится интерполяция отдельных коэффициентов аберраций третьего порядка либо применяется метод проб.
Следующий метод расчета – комбинированный – это сочетание алгебраического метода и метода проб. Вначале используют алгебраический метод. Затем, когда наступает такое состояние коррекции системы, при котором аберрации третьего порядка исправлены удовлетворительно, но в системе присутствуют остаточные аберрации высшего порядка, применяют метод проб. В настоящее время пользуются компьютерными программами для расчета хода лучей и автоматизированной коррекции аберраций.
Метод расчета по частям, предложен профессором Л.Н. Андреевым, состоит в том, что объектив микроскопа условно разделяется на две части: первая часть именуется фронтальной, а вторая – последующей. Оптические схемы обеих частей весьма разнообразны, зависят от оптических характеристик и типов микрообъективов. Различны и способы расчета фронтальной и последующей частей.
При расчете фронтальной части, через которую проходят пучки лучей со значительной числовой апертурой, целесообразно использовать свойства апланатических точек поверхностей. Благодаря этому апертура пучков лучей для последующей части существенно снижается, причем фронтальная часть не вносит значительных аберраций. Последующая часть, так как числовая апертура для нее сравнительно невелика, в первом приближении может быть рассчитана комбинированным способом, с широким применением теории аберраций третьего порядка, которая позволяет определить необходимое число компонентов и выбрать их тип для удовлетворительной коррекции аберраций всего объектива.
Расчет объектива начинается с выбора оптической схемы и расчета фронтальной части. Тип фронтальной части существенно зависит от назначения объектива и его оптических характеристик. Независимо от типа рассчитываемого объектива фронтальная часть должна удовлетворять ряду общих требований:
Расчет последующей части в области аберраций третьего порядка должен быть выполнен таким образом, чтобы при соединении ее с фронтальной частью объектив в целом имел заданную коррекцию аберраций. В зависимости от назначения и типа объектива коррекции подлежат те или иные аберрации. Для всех типов объективов наиболее тщательно должны быть исправлены аберрации для точки на оси, т.е. хроматизм положения, сферическая и сферохроматическая аберрации. Если рассчитывается ахроматический объектив, то к этим условиям добавляется исправление комы и астигматизма. При расчете объективов с увеличенным полем зрения (планобъективов) добавляется еще и исправление кривизны поверхности изображения.
Аберрации последующей части рассчитываются так, чтобы они в первом приближении были равны по абсолютной величине соответствующим аберрациям фронтальной части, но противоположны по знаку (для продольных величин). Расчет последующей части производится в обратном ходе лучей. После выяснения аберраций фронтальной и последующей частей объектива приступают к окончательному аберрационному расчету. Более подробно этот материал описан в работе [7].
Предложенный метод расчета микрообъективов по частям оказался удобным в повседневной работе конструкторов. Действительно, при условном разделении оптической схемы микрообъектива на отдельные составляющие части, удобно определять какая часть объектива работает при каких условиях, как распределяется нагрузка на элементы объектива. Вследствие этого становится возможным выбор базовых линз (элементов) с заранее известными габаритными и аберрационными свойствами; в этом смысле работа расчетчика заключается лишь в разумном расположении данных компонентов в схеме, удачном подборе сочетаний марок оптических материалов, определении ориентировок (флинт-крон, крон-флинт и т.п.). В пределах выбранной конструкции (например, Богехольда) такая задача решается вполне однозначно. Так, например, первые компоненты от объекта обычно несут на себе определенную нагрузку по снижению входной апертуры объектива, а также обусловливают его габариты. Последующие компоненты выполняют роль компенсационных и выравнивают аберрации фронтальных элементов; следующая часть объектива, работающая в условиях малых апертур, исправлена в области аберраций третьего порядка и, формируя изображение на выходе объектива, определяет его габариты.
2005 - 2023. Все права защищены. При копировании материалов активная ссылка на сайт обязательна!
