Апохроматический объектив для изображающих спектральных систем видимого, ближнего и коротковолнового инфракрасного диапазонов спектра

   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).

1. Bhargava A., Sachdeva A., Sharma K., Alsharif M.H., Uthansakul P., Uthansakul M. Hyperspectral imaging and its applications : A review // Heliyon. 2024. V. 10. N 12. P. e33208. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e33208

2. Yoon J. Hyperspectral imaging for clinical applications // BioChip Journal. 2022. V. 16. N 1. P. 1–12. doi: 10.1007/s13206-021-00041-0

3. Huang L., Luo R., Liu X., Hao X. Spectral imaging with deep learning // Light: Science & Applications. 2022. V. 11. N 1. P. 61. doi: 10.1038/s41377-022-00743-6

4. Gu Y., Liu T., Gao G., Ren G., Ma Y., Chanussot J., Jia X. Multimodal hyperspectral remote sensing : an overview and perspective // Science China Information Sciences. 2021. V. 64. N 2. P. 121301. doi: 10.1007/s11432-020-3084-1

5. Faltynkova A., Johnsen G., Wagner M. Hyperspectral imaging as an emerging tool to analyze microplastics : A systematic review and recommendations for future development // Microplastics and Nanoplastics. 2021. V. 1. N 1. P. 13. doi: 10.1186/s43591-021-00014-y

6. Поляков М.П., Батшев В.И., Мачихин А.С., Пожар В.Э. Унифицированная оптическая схема акустооптического видеоспектрометра видимого диапазона спектра // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 11. С. 62–70. doi: 10.17586/1023-5086-2023-90-11-62-70

7. Lu Q., Ding Y., Wang W., Liu S., Xu M. VIS-NIR superachromatic triplet design with five-color correction for a broadband interferometer // Applied Optics. 2022. V. 61. N 30. P. 8880–8888. doi: 10.1364/AO.465959

8. Чичаева О.В., Дмитерко Р.А., Страхов А.А. Суперапохромат для широкой области спектра. Патент RU2749179C1. 2021. Бюл. № 16.

9. Sasian J., Gao W., Yan Y. Method to design apochromat and superachromat objectives // Optical Engineering. 2017. V. 56. N 10. P. 105106. doi: 10.1117/1.OE.56.10.105106

10. Yang A., Gao X., Li M. Design of apochromatic lens with large field and high definition for machine vision // Applied Optics. 2016. V. 55. N 22. P. 5977–5985. doi: 10.1364/AO.55.005977

11. Архипова Л.Н., Демидова Е.А., Понин О.В., Шаров А.А. Объектив-апохромат. Патент RU2611335C1. 2017. Бюл. № 6.

12. Архипов С.А., Кушнарёв К.Г., Скляров С.Н. Апохроматические объективы для гиперспектральной аппаратуры // Контенант. 2014. Т. 15. № 1. С. 36–44.

13. Грамматин А.П., Романова Г.Э., Балаценко О.Н. Расчёт и автоматизация проектирования оптических систем. Учебное пособие. СПб: НИУ ИТМО, 2013. 128 с.

14. Заварзин В.И., Кравченко С.О., Митрофанова Ю.С. Выбор оптических материалов для минимизации хроматизма положения в перспективной широкозахватной многоспектральной аппаратуре среднего разрешения // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 10. С. 16–23. doi: 10.1364/JOT.83.000593

15. La Serna P.S., Revuelta J.S.C. Optical glass selection for color corrected broadband instrumentation : an overview // Applied Optics. 2022. V. 61. N 3. P. A50–A61. doi: 10.1364/AO.442126

16. Русинов М.М. Композиция оптических систем. М.: Либроком, 2021. 384 с.