Михаил Петрович Поляков, младший научный сотрудник
117342; Москва
sc 59033553200
Mikhail P. Poliakov, Junior Researcher
117342; Moscow
sc 59033553200
Демид Денисович Хохлов, кандидат технических наук, заведующий лабораторией
117342; Москва
sc 57188552491
Demid D. Khokhlov, PhD, Head of Laboratory
117342; Moscow
sc 57188552491
Алексей Александрович Быков, кандидат технических наук, научный сотрудник
117342; Москва
sc 57203226784
Alexey A. Bykov, PhD, Scientific Researcher
117342; Moscow
sc 57203226784
Введение. Широкое распространение спектральных и гиперспектральных методов в различных областях науки и техники требует все более высоких показателей оптического качества спектральных систем. В особенности актуальна задача повышения качества изображения для гиперспектральных систем, использующихся в методах видеоспектрометрии, так как достоверность восстановления спектральных характеристик исследуемых объектов зависит не только от диспергирующего элемента, но и от хроматических и монохроматических аберраций оптической системы. Недостаточная степень коррекции хроматических аберраций приводит к необходимости использовать в спектральной системе дополнительные программные и аппаратные средства для достоверного восстановления спектральных характеристик исследуемых объектов. Важным направлением разработки спектральных систем является поиск комбинаций марок стекол и архитектур оптических схем, которые позволят решить вышеуказанные проблемы. В рамках исследования рассмотрены существующие методы проектирования оптических систем объективов-апохроматов, поставлена и решена задача создания архитектуры оптической схемы с минимально возможным набором марок стекол, которая лишена хроматических аберраций и позволяет получать высокое качество изображения.
Метод. В работе использованы общеизвестные методы расчета оптических схем на основе дисперсионных свойств стекла и композиции оптических систем профессора М.М. Русинова. Предварительный теоретический расчет оптической системы обеспечил формирование начальной конфигурации оптической схемы и выбор марок стекол. Оптимизация и анализ оптической системы выполнены с использованием системы автоматизированного проектирования Zemax. В ходе оптимизации начальной конфигурации оптической схемы без изменения марок стекол достигнута коррекция хроматических аберраций в диапазоне, значительно превосходящем по ширине величину, определенную при теоретическом расчете.
Основные результаты. Рассчитана оптическая схема объектива с дифракционной степенью коррекции хроматических аберраций в широком диапазоне длин волн (0,5–2,3 мкм). Монохроматические аберрации объектива также исправлены с высокой степенью коррекции во всем рабочем спектральном диапазоне. По качеству изображения объектив является апохроматом. Конструкция объектива технологична и включает шесть линз (без асферических поверхностей) из двух марок стекол (каталог Лыткаринского завода оптического стекла).
Обсуждение. Архитектура рассчитанной оптической схемы может быть использована как базовая при проектировании изображающих приборов спектрального анализа (гиперспектральные и мультиспектральные камеры).
The widespread use of spectral and hyperspectral methods across various scientific and technological fields necessitates increasingly higher optical quality of spectral systems. The challenge of enhancing image quality for hyperspectral systems employed in imaging spectrometry methods is particularly significant. The reliability of reconstructing the spectral characteristics of research objects depends not only on the dispersing element but also on the chromatic and monochromatic aberrations of the optical system. Insufficient correction of chromatic aberrations necessitates the use of additional software and hardware within the spectral system for reliable reconstruction of the spectral characteristics of research objects. Consequently, a crucial aspect of spectral systems development involves finding optimal combinations of glass types and optical scheme architectures to address these issues. The authors examined existing methods for designing optical systems of apochromatic objectives and set and solved the problem of designing the architecture of an optical scheme with the minimum possible set of glass types which is free of chromatic aberrations and allows obtaining high image quality. The study employs well-established methods for computing optical schemes based on the dispersion properties of glass and the composition of optical systems as outlined by M.M. Rusinov. Preliminary theoretical calculation of the optical design provided the initial configuration of the optical scheme and the choice of glass types. Optimization and analysis of the optical system are performed in Zemax CAD. During the optimization of the initial configuration without changing the glass types; correction of chromatic aberrations was achieved in a range significantly exceeding the width determined in the theoretical calculation. An optical scheme of an objective with diffraction-limited correction of chromatic aberrations across a broad wavelength range (0.5–2.3 μm) has been successfully developed. The objective exhibits well-corrected monochromatic aberrations across the entire operational spectral range and qualifies as an apochromat in terms of image quality. The objective design is technologically advanced, comprising six lenses (without aspherical surfaces) fabricated from two types of glass (LZOS catalog). The architecture of the developed optical scheme can serve as a foundation for designing imaging devices for spectral analysis applications, including hyperspectral and multispectral cameras.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.