Качество изображения оптической системы

Исследование оптической однородности оптических материалов

Цель лабораторной работы – изучение влияния неоднороднос­ти оптического стекла на качество изображения оптической систе­мы, а также ознакомление с методикой и средствами измерений, применяемыми в оптической промышленности для нормирования заготовок стекла по категориям оптической однородности.

В процессе выполнения лабораторной работы студентами ре­шаются следующие задачи:

Углубление и закрепление полученных в лекционном курсе представлений об оптической однородности как об одном из показа­телей качества заготовок оптического стекла, а также о причинах возникновения оптической неоднородности стекла при его варке и влияние этого показателя на качество изображения оптической сис­темы;

Практическое ознакомление с установкой для нормирования оптического стекла по категориям его однородности в соответствии с ГОСТ 3518 - 80 и со стандартной методикой измерений на этой установке;

Получение практических навыков измерений и нормирования заготовок стекла по категориям оптической однородности.

Основные положения

1.1. Оптическая однородность стекла. Причины возникновения

Неоднородности в заготовках оптического стекла.

Оптическая однородность - это нормируемый ГОСТ 23136-93 показа­тель качества оптического стекла, характеризующий равномерность распределения показателя преломления по объему заготовки.

Согласно ГОСТ 23136-93 оптическое стекло каждой марки должно иметь определенное значение показателя преломления нор­мируемое с точностью до 1*10־⁴. Показатель преломления стекла однозначно связан с его химическим составом, задаваемым для стекла каждой марки в виде процентного содержания стеклообра-зующих окислов определенных химических элементов [1].

При варке оптического стекла происходит ряд физико-хими­ческих процессов, приводящих как к изменению относительного со­держания различных окислов, так и к некоторому изменению эле­ментарного состава стекломассы в различных ее областях:

Неравномерность улетучивания различных компонентов ших­ты при нагреве;

Частичное растворение в горячей стекломассе материала стек­ловаренного сосуда или их химическое взаимодействие, вносящее в состав стекла примесь дополнительных элементов;

Неравномерность распределения температуры по объему стекломассы, вызывающая диффузии отдельных соединений из одних областей в другие, обусловленную различиями взаимной растворимости их расплавов при разных температурах;

Неравномерность перемешивания стекломассы при ее варке.

Эти причины, приводящие к изменениям химического состава стекломассы в различных ее объемах и соответствующим изменениям показателя преломления относительно его номинального значения, обуславливает возникновение в объеме стекломассы градиентов показателя преломления, т.е. его неоднородностей. При выработке стекла и производстве из него заготовок оптических деталей указанные неоднородности переносятся в объем стекла каждой заготовки. Это, в конечном счете, приводит к ухудшению качества изображения отдельных оптических деталей и системы прибора в целом (2).

Влияние оптической неоднородности стекла на

качество изображения оптической системы

Неоднородность материала оптической детали по показателю пре­ломления, обусловленная неоднородностями химического состава материала, приводит к искажениям волнового фронта светового пучка, преобразуемого данной деталью, т.е. к аберрациям этого пучка, и, следовательно, к ухудшению качества изображения, даваемого этой деталью и всей оптической системой, в которую она входит. На рис. 1.1. показана схема, иллюстрирующая это явление. Пучок света 1 от бесконечно удаленного точечного объекта А, лежащего на оптической оси системы, состоящей из плоско-параллельной пластины 2 стекла с номинальным показателем, преломления n_o и идеального (без аберрационного) объектива 3, преобразуется этой системой в изображение А' точечного объекта А.

Если стекло, из которого изготовлена пластина 2, оптически однородно, то значения показателя преломления во всех точках с объема пластины одинаковы, в частности, будет иметь место равенство показателей преломления 5 в направлении «Y», перпендикулярном оптической оси пластины, тогда оптические длины пути лучей 0,P,Q, М и N пучка 1 при прохождении через пластину 2 будут одинаковы и равны:

l_o=l_P=l_Q=l_M=l_N= n_od, (1.1)

где d – толщина пластины.

n_o –показатель преломления стекла, из которого изготовлена пластина. При этом, согласно принципу Ферма [3], волновой фронт 6 пучка после прохождения через пластину 2 сохранит свою форму

(плоскую) без искажений и будет преобразован объективом 3 в идеальный сферический фронт 7 с центром в точке А´ (изображение объекта А представляющее собой идеальную точку).

Если отекло пластины 2, из-за неоднородностей своего химического состава в направлении "Y", перпендикулярном оптической оси, будет иметь соответствующие неоднородности 8 показателя преломления в этом направлении, то оптические длины лучей М и N, проходящих через объемы стекла с показателями преломления n_M и n_N:

n_N < n_o < n_M (1.2)

будут отличаться от (1.1). В частности, при условии (1.2):

(l_N = n_N d) < (l_o= n_od) < (l_M = n_Md), (1.3)

где l_M и l_N – оптические длины пути лучей М и N,соответственно, при их прохождении через пластину.

В результате этого, в соответствии о принципом Ферма [3], возникнут искажения 9 волнового фронта 6 пучка на выходе из пластины, что, в свою очередь, приведет к искажениям 10 сферического фронта 7 на выходе из объектива 3. При этом луч Nбудет строить изображение А′_N объекта А дальше, а луч М-изображение А′_M ближе идеального точечного изображения А', и изображение точки А в фокальной плоскости идеального объектива 3 будет представлять собой размытый кружок 2. Таким образом качество изображения (разрешающая способность) оптической системы в целом.

Описанное явление положено в основу стандартной методики измерения и нормирования оптической однородности стекла, рассматриваемой далее в разделе 1.3.

Поскольку идеально однородное оптическое стекло получить невозможно технически, то, исходя из экономической целесообразности производства, для стекла заготовок различных деталей рекомендуется назначать требования по оптической однородности для каждой отдельной детали с учетом ее служебного назначения и места в оптической системе прибора (см. |2|, с.65, табл.2.1.). Это позволяет оптимизировать требования по оптической однородности и обеспечить прибору требуемое качество при достаточной экономичности производства.

1 - световой пучок от точечного объекта А; 2 - плоско параллельная пластина из стекла с номинальным показателем преломления n_е; 3 -«идеальный» объектив; 4 - волновой фронт светового пучка, падающего на пластину; 5 - распределение показателя преломления стекла пластины при отсутствии оптической неоднородности; 6 -фронт светового пучка на выходе из пластины; 7 - фронт светового пучка, на выходе из объектива; 8 - отклонение показателя преломления стекла пластины вызванные оптической неоднородностью; 9 - искажения волнового фронта пучка на выходе из пластины, обусловленные неоднородностью стекла; 10 - искажения волнового фронта на выходе из объектива; 11 - размытое изображение объекта А, обусловленные оптической неоднородностью стекла пластины.