Специальные объективы

Наличие в арсенале оптотехники группы объективов с линейным законом построения изображения связано с широким распространением в течение последнего полувека сканирующих устройств различного назначения для задач научного приборостроения, технологического оборудования для лазерной обработки деталей, материалов, гравировки, маркировки, сканирования, резки, скрайбирования и др. Характерной особенностью этой группы объективов является линейная зависимость между координатой сфокусированного объективом пятна в фокальной плоскости и углом наклона параллельного пучка лучей в пространстве предметов относительно оптической оси объектива.

Геометрическая модель идеального F-Theta объектива отличается от традиционного идеального ортоскопического объектива и уже на уровне параксиального моделирования требует вводить в модель переменные значения отрицательной дисторсии и сферической аберрации в обратном ходе лучей, изменяемые в зависимости от угла наклона сканирующих пучков лучей. В силу этого в геометрической модели идеального F-Theta объектива принципиально не достижим телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений для всех точек рабочего поля.

Поскольку F-Theta объектив работает совместно со сканирующим устройством (сканатором) и лазерным излучением, то моделирование его работы и обоснование требований к разработке конкретной модели F-Theta объектива осуществляются с учетом характеристик современных сканаторов и лазеров. Условия применения F-Theta объективов часто требуют, чтобы они обеспечивали одинаковый характер облученности всех точек рабочего поля. Отсюда вытекает требования постоянства скорости перемещения сканирующего пятна по рабочему полю и нормального угла падения пучков лучей на любые точки последнего (телецентрический ход главных лучей).

Уровень коррекции аберраций в оптических системах F-Theta обычно позволяет отнести их к дифракционно ограниченным оптическим системам. Результаты разработки ряда F-Theta объективов, выполненные в ОРБ, показали, что включение сканирующих зеркал в алгоритм проектирования и непосредственный контроль в ходе оптимизации специфических особенностей (соблюдение F-Theta зависимости, прямолинейность траектории сканирования, телецентричность, размер сканирующего пятна в различных точках рабочего поля) позволяют обеспечить характеристики объективов, сопоставимые с известными зарубежными аналогами.

Основное применение бителецентрических объективов связано с размерным контролем деталей.

Размерный контроль деталей в автоматическом режиме позволяет осуществлять 100 % контроль деталей непосредственно на конвейере, осуществлять отбраковку, исключить контактные методы контроля и субъективные ошибки оператора.

В основе работы установок размерного контроля положен теневой метод. Суть данного метода заключается в освещении исследуемого объекта параллельным монохроматическим пучком лучей и регистрации теневой картины.

Специальный бителецентрический объектив переносит теневое изображение измеряемого объекта на матричный приемник излучений, далее путем обработки сигналов в процессоре вычисляются размеры измеряемого объекта.

Наличие телецентрического хода главных лучей в пространстве предметов позволяет принципиально обеспечить постоянство линейных увеличений объектива вне зависимости от позиционирования измеряемого объекта вдоль оптической оси в пределах глубины резко изображаемого пространства изделия (установки, бесконтактного микрометра, системы технического зрения).

Структурно оптическая схема бителецентрического объектива включает два компонента, разнесенных вдоль оптической оси на такое расстояние, при котором задняя фокальная плоскость первого компонента совпадает с передней фокальной плоскостью второго компонента, и в этой совмещенной плоскости размещается апертурная диафрагма объектива. Эквивалентное фокусное расстояние бителецентрического объектива равно бесконечности, входной и выходной зрачки объектива также расположены в бесконечности. При таком схемном решении используется уникальное свойство афокальных систем: постоянство линейного, углового и продольного увеличений вне зависимости от положения предметной плоскости.

Оптическое бесцветное стекло серии 200 предназначено для изготовления объективов, работающих в условиях интенсивного и длительного воздействия ионизирующего излучения. ОСТ 3-3677-82 включает семь марок стекла, радиационно-оптическая устойчивость которых характеризуется соответствующим приращением оптической плотности при установленных условиях облучения.

Основное применение объективов из стекол серии 200 – это радиационно-стойкие телевизионные системы наблюдения и контроля в атомной промышленности.

Основные тенденции в оптическом проектировании группы объективов из стекол серии 200 аналогичны таковым для телевизионных объективов в целом: повышение светосилы, панкратическая смена фокусного расстояния, стабильность относительного отверстия при изменении фокусного расстояния, возможность фокусировки на объекты, расположенные на близком расстоянии от объектива, регулируемая апертурная диафрагма, согласованность с приемником излучений по спектральному диапазону и разрешению, массогабаритные ограничения .

Основная проблема при расчете радиационно-стойких объективов связана с ограниченным набором оптических характеристик марок стекол, которые могут быть использованы в оптической системе: показатели преломления находится в диапазоне от 1,52 до 1,66, коэффициенты средней дисперсии - от 63 до 34. Указанное обстоятельство требует от разработчика оптики искусства проектирования, особенно при расчете панкратических объективов.

По традиционной классификации, закрепленной в ГОСТ 25205-82, объективы с угловыми полями от 52 до 82 градусов называются широкоугольными, с полем 83 градуса и более – сверхширокоугольными, с полем 180 градусов и более – типа «рыбий глаз». В современном объективостроении встречается иная классификация объективов в зависимости от углового поля, а именно: объективы с угловыми полями от 60 до 90 (или 100 градусов – по разным источникам) – широкоугольные; с угловыми полями от 90 (или от 100 градусов – по разным источникам) до 180 градусов – сверхширокоугольные; свыше 180 градусов – особоширокоугольные. Вне зависимости от используемой классификации, основные проблемы при расчете объективов с большими угловыми полями в пространстве предметов обусловлены необходимостью коррекции полевых аберраций, хроматизма увеличения и дисторсии. Для обеспечения углового поля обзора более полусферы оптические системы особоширокоугольных объективов должны иметь большую аберрацию в зрачках, наличие которой обеспечивает существенное смещение центра входного зрачка для наклонных пучков по сравнению с параксиальным входным зрачком.

Сверхширокоугольные объективы обычно, а особоширокоугольные всегда являются дисторзирующими. Это обстоятельство несет положительный эффект, направленный на улучшение светораспределения по полю. На этапе проектирования для прогнозирования светораспределения по полю используются методы численного моделирования с недетерминированной трассировкой множества лучей через оптическую систему.