Асферическая оптика на службе геодезии

Проект РОСНАНОТЕХ откроет новые перспективы для потребителей оптических систем.

Разработка и организация массового производства асферической оптики - первый проект, который был одобрен корпорацией РОСНАНОТЕХ. В настоящее время идет оформление пакета документов по его финансированию корпорацией. Несмотря на сложное название - «Нанофабрикация асферических оптических элементов», цель проекта будет понятна огромному количеству потребителей оптики. Внедрение производства асферических оптических элементов позволит уменьшить число линз в конструкции оптических систем, например обычных фотообъективов. Потребитель получает лучшее качество изображения при уменьшении массы и размеров оптической системы.

Возможности применения асферической оптики в рамках проекта комментирует Сергей Игоревич Канорский, генеральный директор компании «БлиК-ОПТИКС».

Современные оптические приборы, используемые для проведения инженерно-геодезических работ, это продукт высоких технологий, объединяющий в себе достижения микроэлектроники, механики, оптики, информатики и других наук. Несмотря на существенные изменения, которые мы видим в современных оптических приборах, связанные прежде всего с автоматизацией измерительного процесса, тем не менее главными элементами этих приборов, от которых зависит вся их работа, остаются оптические детали. От технических параметров и способа изготовления этих деталей зависит точность измерений, надежность конструкции, габариты, вес, стоимость прибора и т. п. Жесткая конкуренция на международном рынке обусловливает непрерывное совершенствование элементной базы приборов и их конструкции. В геодезических приборах (нивелиры, теодолиты, тахеометры) объективы зрительных труб, как правило, имеют схему телеобъектива. Это позволяет сократить длину трубы и сохранить большое значение фокусного расстояния и соответственно большое увеличение. Вторым и очень важным преимуществом использования схемы телеобъектива в зрительной трубе является отсутствие подвижного окулярного колена. Фокусировку объектива в этом случае производят подвижкой рассеивающей линзы, исполняющей роль фокусирующего элемента, а визирная ось зрительной трубы при фокусировке остается неподвижной. Зрительные трубы геодезических приборов отличаются от остальных значительным увеличением, малым углом поля зрения и малым фокусным расстоянием окуляра. Эти условия значительно усложняют задачу коррекции аберраций и сохранения простоты конструкции. Кроме того, так как рассеивающая линза перемещается вдоль оси, то в этом случае нельзя использовать взаимную компенсацию аберраций обоих компонентов, и каждый компонент отдельно должен хорошо корригироваться. Еще одной проблемой для этих систем является наличие вторичного спектра, снижающего качество изображения и разрешающую способность прибора.

В многочисленных исследованиях показано, что применение асферических поверхностей дает ряд прогрессивных изменений в подобных системах. Первое - это повышение самого оптического изображения, его разрешения и контрастности. Значительно улучшаются оптические характеристики, т. к. увеличивается относительное отверстие, расширяется поле зрения. Кроме того, за счет устранения многолинзовости есть возможность значительно модернизировать конструктивные и эксплуатационные характеристики, уменьшить вес и габариты оптических приборов.

Эффективное решение проблемы изготовления оптических деталей с асферическими поверхностями позволит создать оптические приборы принципиально нового уровня качества и возможностей.

В настоящее время нами ведется изготовление станка алмазного точения и шлифовального станка, обеспечивающих получение оптических поверхностей с точностью 10-20 нм на базе до 150-200 мм. В отличие от классической технологии формообразования, технология алмазного точения обеспечивает широкие возможности при изготовлении асферических поверхностей второго и более порядков в изделиях микрооптики. Особый вид асферических поверхностей представляют киноформы - плоские оптические элементы, сочетающие в себе свойства дифракционных элементов и оптических линз. Киноформы, в частности, могут быть использованы как корректоры хроматических аберраций линзовых систем. Эта возможность особенно ценна для ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектров в силу ограниченности номенклатуры имеющихся здесь оптических материалов. В том случае, если применение асферических поверхностей обеспечивает возможность достижения повышенного качества оптического изображения, которое недостижимо иными средствами, асферическая оптика может быть использована при любой стоимости ее изготовления и сложности технологии.

Современные достижения производства полимерной оптики в части создания высококачественных оптических материалов (фотополимерные композиции и безусадочные термопласты) расширяют возможности широкого применения асферических поверхностей в массовом производстве. В этом случае все технические сложности ограничиваются единичным изготовлением мастер-образца, а массовое тиражирование проводится по технологии изготовления компакт-дисков.

Область использования оптических систем с асферическими поверхностями огромна: объективы мобильных телефонов и фотоаппаратов - увеличивается светосила, и уменьшаются габариты с сохранением разрешающей способности; оптические сенсорные системы; системы слежения - улучшаются динамические характеристики в высокочастотной области за счет уменьшения массы; военные оптические приборы, в том числе объективы головок самонаведения, и т. д. Применение асферических поверхностей в классических оптических приборах, таких как микроскопы, телескопы, проекторы и т. д.,  также приводит к качественным изменениям технических характеристик этих приборов.