Метод синтеза объективов рабочего спектрального диапазона 0,2-2 мкм для люминесцентного анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Уварова Алла Викторовна

• Уварова Алла Викторовна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Уварова Алла Викторовна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Развитие разработки широкоспектральных объективов и современный запрос

1.1 Ретроспектива разработки широкоспектральных систем на примере объективов для люминесцентных исследований

1.2 Примеры современных задач, решаемых методами люминесцентного анализа

1.2.1 Многоэлементные зеркальные объективы

1.2.2 Децентрированные системы без экранирования

1.2.3 Двухзеркальные центрированные объективы

1.2.4 Объективы без экранирования с единственным силовым элементом

1.3 Спектральные характеристики люминесценции примесей полупроводников

1.4 Исследование возможностей регистрации спектрального диапазона 0,2-2 мкм и его поддиапазонов

1.5 Обзор современных широкоспектральных микрообъективов

1.6 Этапы проектирования оптических систем

1.6.1 Определение требований к оптической системе

1.6.2 Выбор типа оптической системы. Габаритный и энергетический расчёт

1.6.3 Выбор принципиальных конструкций компонентов и оптических материалов

1.6.4 Синтез стартовой системы: основные методы

1.6.4 Коррекция стартовой системы

1.6.5 Оценка качества изображения оптической системы

1.6.6 Метрики и методы оценки и сравнения качества изображения, использующие ЧКХ оптических систем

Выводы к главе

ГЛАВА 2. Метод подбора ахроматических комбинаций материалов широкоспектральных объективов

2.1 Составление каталогов пропускающих материалов для спектрального диапазона 0,27-1 мкм

2.2 Технические особенности линзовых объективов широкого спектрального диапазона

2.3 Исследование способов подбора комбинаций материалов для минимизации хроматических аберраций в линзовых системах

2.3.1 Методы подбора ахроматических пар пропускающих материалов: диаграммы Аббе

2.3.2 Методы подбора ахроматических пар пропускающих материалов: таблицы Трубко

2.3.3 Методы подбора ахроматических пар пропускающих материалов: метод номограмм

2.4 Уточнение метода подбора ахроматических пар пропускающих материалов по номограммам на примере составления номограмм для материалов в спектральном диапазоне 0,27-1 мкм

2.5 Определение материалов, гарантированно присутствующих в оптической системе

2.6 Определение материалов, сочетающихся с обязательными материалами . 121 Выводы к главе

ГЛАВА 3. Синтез широкоспетральных линзовых объективов

3.1 Описание проблематики автоматизированной коррекции в полихроматическом и монохроматическом диапазоне

3.2 Метод синтеза широкоспектральных объективов в полихроматических поддиапазонах

3.3 Описание спроектированного объектива AhO3, MgF2, SiO2

3.5 Сравнение широкоспектральных объективов, спроектированных с использованием трёх и двух материалов

Выводы к главе

ГЛАВА 4. Метод расчёта двухкомпонентных высокоапертурных зеркальных объективов

4.1 Подбор отражающих покрытий

4.2 Подбор светоделительных покрытий

4.3 Объективы с числовой апертурой A=0,8

4.4 Исследование качества изображения зеркальных систем в разных спектральных диапазонах

4.4.1 Описание базовой системы

4.4.2 Переход к новым спектральным областям

4.4.3 Изменения ЧКХ, наблюдаемые при изменении центрального экранирования

4.4.4. Выводы о требованиях к качеству изображения, предъявляемых к мультиспектральным зеркальным системам

4.5 Метод оценки качества изображения по квадрату отношений площадей, ограниченных реальной и дифракционной функциями ЧКХ

4.5.1 Алгоритм работы программы для вычисления ARS

4.5.2 Пример оценки и сравнения качества изображения рассчитанных вариантов широкоспектрального объектива

4.6 Метод синтеза высокоапертурных зеркальных объективов с использованием метрики ARS

4.7 Описание широкоспектрального высокоапертурного микрообъектива (тема ПО НИОКТР 422070)

Выводы к главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А: Акты использования

Приложение Б: Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод синтеза объективов рабочего спектрального диапазона 0,2-2 мкм для люминесцентного анализа»

Актуальность темы

Оптические методы исследования и контроля объектов являются неотъемлемой частью современной научной и промышленной деятельности. Прогресс в этих областях невозможен без совершенствования оптических методов и систем наблюдения и измерения. Развитие оптических приборов, в свою очередь, тесно связано с расширением рабочего спектрального диапазона и форсированием оптических характеристик инструментов.

Современные методы исследований часто подразумевают единовременное изучение свойств объектов в широком спектре электромагнитного излучения. В первую очередь, это относится к методам люминесцентного анализа, при которых освещение препарата происходит в одном диапазоне, а люминесцентное излучение детектируется в более длинноволновой области. Люминесцентные исследования, относящиеся к методам неразрушающего контроля, широко применяются в биологии и медицине. Также на эффекте люминесценции реализуются материаловедческие исследования полупроводников, высокоточный контроль их состава. Другим показательным примером являются поляризационные исследования - эллипсометрия, современное оборудование которой имеет рабочий спектральный диапазон 0,2-2 мкм. Широкий спектральный диапазон позволяет получить больше информации об одном объекте или же делает прибор универсально подходящим для комплекса различных исследований.

Системы, работающие в широком спектральном диапазоне, эффективно применяются при сборе информации об объектах в полевых условиях работы -например, в космических исследованиях, когда фронтальный объектив должен собрать излучение единовременно во всех доступных спектральных интервалах и передать на систему приёмников, поскольку время наблюдения объекта может быть существенно ограничено.

Разработка объективов широкого спектрального диапазона является актуальной задачей оптического приборостроения уже несколько столетий. Решению этой задачи посвящены работы Л. Эйлера, Э. Аббе, Ф.Л. Зейделя, Г.Г. Слюсарева, В.Н. Чуриловского, Д.С. Волосова, С.А. Родионова, Ю. Тамагавы, А.П. Грамматина и других выдающихся ученых. Определены принципы и предложены алгоритмы коррекции хроматических аберраций для создания ахроматических объективов видимого диапазона. Данная работа является уточнением существующих методов синтеза оптических систем ахроматических линзовых объективов на расширенный спектральный диапазон от ближней УФ области до ближней ИК области.

Разработка новых оптических систем объективов с расширенным рабочим спектральным диапазоном (относительно видимого диапазона) актуальна для решения задач дистанционного и неразрушающего контроля, исследований полупроводников, экомониторинга, сельского хозяйства, минералогических исследований и других областей современной наукоёмкой промышленности.

Целью диссертационной работы является разработка метода синтеза оптических систем объективов рабочего спектрального диапазона 0,2-2 мкм для люминесцентного анализа.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка метода подбора комбинаций материалов для синтеза широкоспектральных линзовых объективов, удовлетворяющих условиям ахроматизации и атермализации.

2. Разработка метода синтеза широкоспектральных линзовых объективов, основанного на моделировании рабочего спектрального диапазона как набора полихроматических конфигураций.

3. Разработка метода оценки и сравнения качества изображения зеркальных и линзовых оптических систем метрикой квадрата отношения площадей, ограниченных реальной и безаберрационной (дифракционно-ограниченной) Частотно-Контрастной Характеристикой (ЧКХ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод подбора комбинаций оптических материалов по номограммам, уточнённый этапами разбиения общего спектрального диапазона на поддиапазоны, достижения в каждом поддиапазоне требуемой величины остаточного хроматизма и последующей атермализации посредством увеличения количества линз без изменения номенклатуры материалов, позволяет синтезировать ахроматические атермализованные линзовые объективы в спектральном диапазоне, расширенном относительно видимого на 110 нм в ультрафиолетовую и на 220 нм в инфракрасную области, что обеспечивает согласование спектральный диапазон объектива с современными матричными фотоприемными устройствами.

2. Модернизация метода аберрационного расчёта объективов, состоящая в представлении оптической системы как мультиконфигурации не менее чем четырёх спектральных поддиапазонов, обеспечивает достижение монотонности функций полихроматической ЧКХ во всём спектральном диапазоне и монохроматических ЧКХ на контрольных длинах волн, что позволяет рассчитывать объективы в расширенном спектральном диапазоне 0,27-1 мкм.

3. Введение метрики оценки качества изображения ARS, являющейся интегральным критерием качества изображения и основанной на расчёте квадрата отношения площадей, ограниченных функциями ЧКХ реальной и безаберрационной (дифракционно-ограниченной) систем, позволяет определять дифракционную ограниченность систем (условие: ARS больше значения 0,8), а также ранжировать объективы с немонотонными функциями ЧКХ для определения систем, перспективных для дальнейшей оптимизации.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

1. Предложено уточнение метода подбора материалов линзовых объективов по номограммам, состоящее в разбиении общего спектрального диапазона на поддиапазоны, дальнейшей оценке и коррекции в них величины

остаточного хроматизма. Затем, после достижения требуемых значений ахроматизации (проверка по хроматическому сдвигу фокальной плоскости); атермализация обеспечивается увеличением количества линз при сохранении выбранной тройки материалов.

2. Предложен метод синтеза широкоспектральных линзовых объективов, основанный на описании рабочего спектрального диапазона в виде набора полихроматических конфигураций. Метод позволяет обеспечивать требуемое качество изображения на всех контрольных длинах волн (в отличие от оптимизации общей полихроматической конфигурации) и снизить время оптимизации в сравнении с оптимизацией набора монохроматических конфигураций за счёт уменьшения количества обрабатываемых блоков описания функций оптимизатора минимум на один.

3. Предложена новая метрика для оценки ЧКХ дифракционно- и геометрически-ограниченных оптических систем - квадрат отношения площадей функций ЧКХ (ARS — Area Ratio Squared). Показано, что, если ARS>0,8, оптическая система может считаться близкой к дифракционно-ограниченной.

4. Предложено использование метрики ARS как критерия сравнения оптических систем. Исследован метод сравнительной оценки объективов по относительной площади функции ЧКХ.

Объектом исследования являются объективы рабочего спектрального диапазона 0,2-2 мкм для люминесцентного анализа.

Предметом исследования являются методы синтеза изображающих оптических систем, работающих в непрерывном спектральном диапазоне от ближней УФ до ближней ИК области, позволяющие удовлетворить требования, связанные с уровнем ахроматической коррекции и условиями эксплуатации для задач удалённого мониторинга с использованием метода люминесцентного анализа.

Теоретическая и практическая значимость работы отражены в следующих пунктах:

1. Проведен аналитический обзор методов подбора ахроматических комбинаций материалов. По результатам анализа возможности применения данных методов для материалов спектрального диапазона 0,27-1 мкм, показана эффективность метода подбора ахроматических комбинаций - метода номограмм.

2. Исследованы характеристики современных широкоспектральных систем, работающих в диапазоне от ближней УФ до ближней ИК области: области их применения, актуальные границы спектральных диапазонов с точки зрения согласования с характеристиками объектов люминесцентных и эллипсометрических исследований, особенности матричных приёмников изображения. Обоснована перспективность разработки оптических систем с рабочим спектральным диапазоном 0,2-2 мкм и его поддиапазоном 0,27-1 мкм.

3. Поэтапно проанализирован процесс синтеза ахроматических объективов, выявлены этапы, требующие уточнения в связи с расширением рабочего спектрального диапазона. В связи с особенностями каталога пропускающих материалов для диапазона с коротковолновой границей ниже 0,37 мкм, состоящего преимущественно из оптических кристаллов, показана необходимость ввода дополнительного шага - анализа возможности формирования склеенных компонентов из материалов каталога. Данное уточнение влияет на этап определения принципиальной конструкции объектива для спектрального диапазона 0,27-1 мкм: в таком случае его конструкция должна состоять исключительно из одиночных линз.

4. С использованием уточнённого метода подбора ахроматической комбинации материалов и метода синтеза линзовых объективов в спектральных поддиапазонах рассчитан 7-линзовый объектив из комбинации материалов АЬОз+М£р2+8Ю2 с основными оптическими параметрами: Г =21 мм, 1:к=1:5, 2ю=22°, рабочий спектральный диапазон 0,27-1 мкм. Качество изображения удовлетворяет требованию: коэффициент контраста по Майкельсону выше 0,2 для частот до 100 лин/мм. В оптической схеме объектива учтено наличие покровного

стекла фотопримёника, которое смоделировано в виде плоскопараллельной пластинки.

5. Разработан алгоритм и на его основе создана программа автоматизированного вычисления метрики квадрат отношения площадей функций ЧКХ (ARS).

6. На основании сравнения вариантов рассчитанного линзового объектива f=21 мм, 1:k=1:5, 2ю=22° по метрике ARS подтверждена устойчивость решения, полученного при синтезе объектива в спектральных поддиапазонах.

7. С использованием метода сравнительной оценки объективов по относительной площади функции ЧКХ спроектирован опытный образец Широкоспектрального высокоапертурного объектива ИТМО.422070.202314.001 с оптическими характеристиками f'=5 мм, A=0,86, 2y=0,1 мм.

Достоверность научных достижений

Разработанные методы и алгоритмы базируются на законах геометрической оптики и волновой оптики и подтверждаются результатами компьютерного моделирования в пакетах программ САРО, Zemax/OpticStudio. Также достоверность методов подтверждается успешным прохождением предварительных испытаний опытного образца Широкоспектрального высокоапертурного микрообъектива ИТМО.422070.202314.001,

спроектированного с применением разработанных методов.

Внедрение результатов работы

Метод сравнительной оценки объективов по относительной площади функции ЧКХ использован в ПО НИОКТР №422070 «Разработка широкоспектрального высокоапертурного микрообъектива».

Метод подбора ахроматических комбинаций материалов широкоспектральных объективов использован в исследовательской работе АО «ЛОМО».

Методы исследования:

Для решения поставленных задач использовались методы:

• номограмм для подбора ахроматических комбинаций материалов,

• компьютерного моделирования оптических систем с использованием программного обеспечения САРО, Zemax/OpticStudio,

• изготовление и предварительные испытания опытного образца Широкоспектрального высокоапертурного микрообъектива ИТМО.422070.202314.001.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на тринадцати всероссийских и международных конференциях: «SPIE/COS Photonics Asia 2021», г. Нантонг (онлайн), 2021; «Пятьдесят первая (LI) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО», г. Санкт-Петербург, 2022; «XI Конгресс молодых ученых», г. Санкт-Петербург, 2022; «Sino-Russian Advanced Photonics and Optics Seminar», онлайн, 2022; «SPIE/COS Photonics Asia Digital Forum 2022», г. Нантонг (онлайн), 2022; «Пятьдесят вторая (LII) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО», г. Санкт-Петербург, 2023; «XII Конгресс молодых ученых», г. Санкт-Петербург, 2023; «SPIE/COS Photonics Asia 2023», г. Пекин (онлайн), 2023; «Пятьдесят третья (LIII) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО», г. Санкт-Петербург, 2024; «XIII Конгресс молодых ученых», г. Санкт-Петербург, 2024; «Sino-Russian Physics Seminar for Young Scientists», г. Харбин, 2024; «Международная конференция Прикладная оптика 2024», г. Санкт-Петербург, 2024; «Пятьдесят четвёртая (LIV) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО», г. Санкт-Петербург, 2025.

Выполненные исследования поддержаны грантами: НИР «Разработка методов и средств для решения прикладных задач оптотехники и биоинженерии», 2021 г.; НИР «Фундаментальные и прикладные вопросы фотоники», 2021 г.; НИР «Разработка методов и средств для решения прикладных задач в области

световодной фотоники», 2021 г.; ПО НИОКТР «Разработка широкоспектрального высокоапертурного микрообъектива», 2022 г.

Личный вклад автора

Автором показана необходимость анализа вариантов конструкций широкоспектральных объективов, а именно - анализа возможности применения склеенных компонентов из стёкол и кристаллов, составляющих каталог оптически прозрачных материалов для спектрального диапазона 0,27-1 мкм. Автором проведен аналитический обзор методов подбора ахроматических комбинаций материалов, показана эффективность метода номограмм для составления комбинаций из материалов спектрального диапазона 0,27-1 мкм, а также предложено уточнение способа составления комбинаций материалов, состоящее в представлении общего рабочего диапазона системы как набора поддиапазонов, подбора комбинации материалов, обеспечивающих минимум хроматических аберраций в каждом из них, оценке терморасфокусировки системы в реальных компонентах и последующего подбора количества линз и их конструктивных параметров при сохранении выбранной тройки материалов для достижения атермализации системы. В работе описан и изучен предложенный автором метод проектирования широкоспектральных линзовых объективов, в котором общий рабочий спектральный диапазон представлен как совокупность полихроматических конфигураций. Такой подход позволяет обеспечить монотонное поведение как полихроматической ЧКХ для всего спектрального диапазона, так и монохроматических ЧКХ на выбранных контрольных длинах волн, что позволяет рассчитывать объективы в расширенном спектральном диапазоне 0,27-1 мкм. С использованием уточнённой методики подбора ахроматической комбинации материалов и метода синтеза линзовых объективов в спектральных поддиапазонах автором лично рассчитан 7-линзовый объектив из комбинации материалов АЬОз, БЮ2 с основными оптическими

параметрами: Г=21 мм, 1:к=1:5, 2ю=22°, рабочий спектральный диапазон 0,27-1 мкм, качество изображения системы с покровным стеклом фотоприёмника в схеме удовлетворяет требованию: коэффициент контраста выше 0,2 для частот до 100

лин/мм. Автором лично предложена новая интегральная метрика для оценки ЧКХ - Area Ratio Squared (ARS), позволяющая оценивать и ранжировать как дифракционно-ограниченные, так и геометрически-ограниченные системы. Автором лично разработан алгоритм и на его основе создана программа автоматизированного вычисления данного параметра как отношения площадей функций реальной и безаберрационной дифракционно-ограниченной частотно-контрастных характеристик системы. Автором предложено использование метрики ARS как критерия сравнения оптических систем. Исследован метод сравнительной оценки объективов по относительной площади ЧКХ. С использованием метода сравнительной оценки объективов по относительной площади функции ЧКХ автором лично рассчитан и спроектирован опытный образец Широкоспектрального высокоапертурного объектива

ИТМО.422070.202314.001 с оптическими характеристиками f=5 мм, A=0,86, 2y=0,1 мм.

Результаты, изложенные в данной диссертации, были получены лично автором либо при непосредственном участии автора.

Публикации

Ключевые результаты, полученные в рамках диссертационного исследования, представлены в следующих публикациях:

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

• Uvarova A., Bobe A., Voznesenskaya A., Bakholdin A.V. Research of the non-cemented wide-spectrum lens design possibilities // Proceedings of SPIE - 2023, Vol. 12765,pp. 127651B

• Uvarova A., Bakholdin A. Analysis of image quality requirements for multispectral mirror systems // Proceedings of SPIE - 2022, Vol. 12315, pp. 123150F

• Uvarova A., Nguyen D., Gao S., Bakholdin A.V. Optical design of microscope objectives with low magnification // Proceedings of SPIE - 2021, Vol. 11895, pp. 118951G

В изданиях из перечня ВАК РФ:

• Уварова А.В., Толстоба Н.Д., Губанова Л.А. Расчет параметров материала в таблице требований на чертеже оптической детали // Известия высших учебных заведений "Геодезия и аэрофотосъемка". 2024. Т. 68. № 4. С. 100-113.

• Уварова А.В., Бахолдин А.В. Особенности моделирования и контроля качества изображения оптических систем широкого спектрального диапазона // Контроль. Диагностика - 2025. - Т. 28. - № 8(326). - С. 41-48

• Уварова А.В., Бахолдин А.В. Уточнение метода расчета ахроматического объектива с рабочим спектральным диапазоном от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2025. - Т. 68. - № 8. - С. 704-714

РИНЦ:

• Уварова А.В., Бахолдин А.В. Особенности построения наблюдательного канала микроскопа для люминесцентных исследований в широком спектре // Сборник трудов XI Конгресса молодых ученых (Санкт-Петербург, 4-8 апреля 2022 г.) - 2022, т.1, с.666-669

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх основных глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 242 страницы, в тексте приведено 45 рисунков и 19 таблиц. Нумерация рисунков, таблиц и формул выполнена сквозным образом. Библиографический список содержит 118 наименований, оформленных с общей сквозной нумерацией по тексту.

Основное содержание диссертации

Во введении определены цель и задачи исследования, раскрыта его актуальность, обозначена научная новизна, теоретическая и практическая значимость выполненной работы, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации описаны этапы разработки объективов с непрерывным рабочим спектральным диапазоном от УФ до ИК области. Приведены конструкции и характеристики описанных в патентной литературе и коммерчески доступных широкоспектральных объективов, на основании чего обозначены достижимые на сегодняшний день их оптические характеристики (таблица 1).

г -4 , 1/ __¡i_ 1—~ I.-»-»........" ♦

1 1 1 1 -V / ч 1 \ \ \ / \ /-\ /

j Л 1 1 \

1 1 t < 1 V 1 \ \

1 / \ \ ♦ —*—*—*—- \ k

200 700 1200 1700 2200

Рисунок 1 - Графики относительной спектральной световой чувствительности S различных приёмников структурного изображения от длины волны X: глаз

человека (_), Hamamatsu S7170-0909 ( ), Sony IMX991 ( ),

Hamamatsu G14673-0808W ( )

Таблица 1 - Сравнение оптических характеристик зеркальных и линзовых микрообъективов

Тип системы Зеркальные Линзовые

Линейное увеличение воб+тл 10х 20х 40х 10х 20х 40х

Числовая апертура А 0,22 0,33 0,5 0,25 0,4 0,65

Линейное поле 2у'об+тл 18 мм 24 мм

В разделе 1.6 рассматриваются этапы проектирования оптических систем в разрезе разработки широкоспектральных объективов: вместе с этапами, общими для проектирования оптических систем, особенности рабочего спектрального

диапазона требуют дополнения и уточнения этапов выбора принципиальных конструкций, а также этапов коррекции и оценки качества изображения.

На рисунке 2 зелёным выделены этапы, исследованные, переработанные и уточнённые в рамках диссертационного исследования.

Рисунок 2 - Диаграмма этапов проектирования оптических систем: синим цветом выделены этапы, общие для проектирования оптических систем, зелёным - этапы, требующие переработки и дополнения для широкоспектральных систем

Среди критериев оценки качества изображения отдельно рассмотрены и проанализированы критерий ЧКХ как один из наиболее ёмких параметров для оценки рассчитанной оптической системы, а также метрики и способы оценки качества, содержащие в своей основе частотно-контрастную характеристику. Показано, что невозможно корректно оценивать оптическую систему, работающую с различными точками поля и не являющуюся монохроматической, по единственному графику ЧКХ, и тем более сложно сравнить оптические системы между собой на основании графиков ЧКХ. В связи с этим разработаны

производные метрики, основанные на интегралах, отношениях и нормировках ЧКХ, позволяющие проводить количественное сравнение различных оптических систем и сопоставление экспериментальных данных с моделированием. К данным метрикам относятся:

1. субъективный коэффициент качества SQF, связывающий свойства зрительной системы человека с оптическими свойствами систем формирования изображения;

2. уравнение интеграла с квадратным корнем SQRI, развивающее идею субъективного коэффициента качества и позволяющее учесть функцию контрастной чувствительности глаза человека - следовательно и различия между системой и эталонной чувствительностью глаза;

3. абсолютная площадь под ЧКХ линзы MTFa, применимая для оценки качества изображения интраокулярных линз и вычисляется в заданном диапазоне частот; чем больше значение MTFa, тем выше оптическое качество интерокулярной линз, и для сравнения систем с одинаковыми оптическими характеристиками между собой используются абсолютные величины;

4. нормированная разность экспериментальной и расчётной ЧКХ С, применяемая для установления количественного соответствия экспериментальных данных и расчётных моделей, а также использование этого соответствия для юстировки систем при производственном контроле.

Перечисленные метрики позволяют свести разнородные частотные характеристики ЧКХ к единому количественному критерию, удобному для сравнения различных систем, однако, они имеют недостатки: метрики SQRI, SQF, МТРа основываются исключительно на яркостных данных и игнорируют спектральную информацию. Сложившиеся методики применения данных метрик позволяют использовать для их вычисления в качестве исходных данных полихроматические ЧКХ: экспериментальные данные подтверждают допустимость такого подхода, но только для систем узкого спектрального диапазона (например, визуальных). Для оценки качества широкоспектральных систем, ЧКХ которых могут сильно отличаться на краях диапазона, спектральные

характеристики должны быть учтены. Метод сравнения качества изображения систем по метрике C более универсален. Но общим недостатком всех перечисленных метрик является отсутствие сравнения с дифракционно-ограниченными системами, что было бы полезным для определения потенциала оптимизации оптической системы - или установления факта, что оптическая система не выдерживает предъявленных требований, и её схема должна быть изменена.

Во второй главе диссертации представлен разработанный метод подбора ахроматических комбинаций материалов широкоспектральных объективов.

В разделе 2.1 по каталогам стёкол и кристаллов ЛЗОС, O'Hara, Schott, Sumita, Hoya и специальной серии ГОСТ РФ составлен каталог пропускающих материалов для спектрального диапазона 0,2-2 мкм и его поддиапазонов. Приведено теоретическое обоснование сложности ахроматизации объективов с коротковолновой границей ниже 0,37 мкм и усложнение данной задачи при сдвиге границы к 0,2 мкм, связанные в частности с кратным падением количества материалов, из которых можно составить ахроматические пары: количество материалов с нижней границей прозрачности от 0,2 мкм - 7 штук, с началом пропускания от 0,365 мкм - 31 штук, с началом пропускания от 0,37 мкм - 376 штук. При подборе ахроматических комбинаций для системы с рабочим диапазоном 0,2-2 мкм были отобраны стекло кварцевое оптическое КУ-1, KBr, AI2O3, CaF2, BaF2, MgF2, KCl, SiÜ2. В разделе 2.2 установлено, что технической особенностью данного набора материалов является большая взаимная разница в коэффициентах теплового линейного расширения (КЛТР) и твёрдости по Моосу, из-за чего данные материалы нельзя склеивать (в случае линейного расширения более твёрдая линза разрушит менее твёрдую). Анализ возможности формирования склеек является необходимым уточнением этапа составления каталога материалов и определения принципиальной конструкции системы: в случае спектрального диапазона 0,2-2 мкм объектив может быть построен исключительно из одиночных компонентов. Дополнительным требованием, предъявляемым к системам, эксплуатируемым в условиях, отличающихся от лабораторных, является

обеспечение атермализации - пассивного или активного типа, выбор между которыми производится после выбора предпочтительных конструктивных материалов и анализа величины терморасфокусировки системы. Кроме очень ограниченной номенклатуры оптически прозрачных материалов, это также усложняет ахроматизацию оптической системы, поскольку применение ахроматических дублетов и триплетов является классическим способом коррекции хроматических аберраций.

В разделе 2.3 исследованы способы подбора комбинаций материалов для минимизации хроматических аберраций в линзовых системах. Показано, что классические, хорошо изученные и даже интегрированные в некоторые программы расчёта оптики методы подбора по диаграммам Э. Аббе и таблицам С.В. Трубко неприменимы к широкоспектральным системам из-за своей исторической ориентированности на видимый спектральный диапазон, а метод номограмм (Д.С. Волосова, Ю. Тамагавы, С.Е. Иванова) может быть использован с уточнением. Прямое использование методики (составление единственной номограммы всего для широкого спектрального диапазона) невозможно, поскольку такая номограмма не позволяет отследить выполнение условий атермализации на краях спектрального диапазона. Уточнение методики состоит во введении следующих этапов синтеза:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Уварова Алла Викторовна, 2025 год

Литература

1. Chukanov N.V., Vigasina M.F. Vibrational (Infrared and Raman) Spectra of Minerals and Related Compounds. Springer International Publishing AG. 2022. 1376 p.

2. Gaft M., Reisfeld R., Panczer G. Modem Luminescence Spectroscopy of Minerals and Materials. Switzerland: Springer International Publishing. 2015. 606 p.

3. Михельсон H.H. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука. 1976. 512 с.

УДК 535.37:681.7.067.22

DOI: 10.14489/td.2025.08 pp.041 -048

ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ШИРОКОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА

А. В. Уварова,

Университет ИТМО Санкт-Петербург, Россия E-mail alla [e-mail]

А. В. Бахолдин,

Университет ИТМО Санкт-Петербург, Россия. E-mail bakholdin@itmo nj

Рассмотрены особенности расчета и контроля качества изображения шпрокоспектральных объективов, к которым относится объектив с рабочим спектральным диапазоном 0,27... 1,00 мкм. Предложенные решения полезны для развития инструментария, применимого для дистанционного и нераз-рушающего контроля, в особенности люминесцентного анализа. Способ моделирования подобных систем в виде набора полихроматических конфигурации и контроля качества изображения в полихроматической частотно-контрастной характеристике (ЧКХ) п в наборе монохроматических ЧКХ для контрольных длин волн рассмотрен на примере расчета объектива /' = 21 мм, днафрагменное число К = 5, 2ю = 44°. Для удобства оценки качества изображения предложена интегральная метрика ARS - квадрат отношения площадей ЧКХ, которая позволяет оценить качество изображения для анализируемой точки поля одним числом. С помощью такой метрики удобно оценивать качество изображения систем, не прибегая к визуальному анализу множества графиков ЧКХ, а также удобно сравнивать оптические системы между собой. Представлен алгоритм автоматизированного расчета данной метрики, который может быть интегрирован в программы расчета оптики.

Ключевые слова-, люминесцентный анализ, контроль качества изображения, шпрокоспектралъиые объективы, описание функции оптимизатора,

Статья поступила в редакцию 24,04,2025 Статья принята к публикации 12.05.2025

A. V. Uvarova, A. V. Baklioldin (ITMO University, St. Petersburg, Russia)

FEATURES OF MODELING AND IMAGE QUALITY CONTROL OF WIDE SPECTRAL RANGE OPTICAL SYSTEMS

Features of modeling and control of image quality of optical systems of wide spectral range The paper discusses the features of calculation and image quality control of wide-spectrum lenses on the example of a lens / = 21 una, f number F#5, 2co = 44° with a working spectral range of 0.27...1.00 pm. The authors propose a modeling method of such systems as a set of polychromatic configurations and image quality control in a polychromatic modulation transfer function (MTF) and in a set of monochromatic MTFs for reference wavelengths. For convenience of integral assessment of image quality, an integral metric Area Ratio Squared lARS) is proposed, which allows us to evaluate the image quality for the analyzed field point by a single numerical value. Using such a metric, it is convenient to evaluate the image quality of systems without resorting to visual analysis of multiple MTF plots, and it is also convenient to compare optical systems among themselves. An algorithm for automated calculation of this metric is presented, which can be integrated into optical calculation programs. The proposed solutions are useful for the development of tools applicable to remote and nondestructive testing, especially for luminescence analysis.

Keywords-, luminescence analysis, image quality control, wide-spectrum lenses, description of optimizer functions.

Received 24.04.2025 Accepted for publication 12.05.2025

www.td-J.ru

Kontrol'. Diagnostika, 2025, Val. 25, №. 8

41

Введение

Возможности методов дистанционного и не-разрушаюгцего контроля тесно связаны с характеристиками современных инструментов, применимых для оптических исследований. Одним из актуальных методов оптических нсследовашш для различных областей промышленности является люминесцентный анализ: так, на производствах востребован капиллярный люминесцентный контроль [1] и люминесцентные исследования в общем смысле [2], в экомоннторннге и сельском хозяйстве -люминесцентный анализ химического состава удаленных объектов [3. 4]. в минералогических исследованиях - анализ состава грунта по люминесцентному отклику [5].

Востребованность приборов для перечисленных нсследовашш среди прочих параметров определяется их рабочим спектральным диапазоном: чем большее количество химических элементов, имеющих разные длины волн возбуждения и излучения, может быть зарегистрировано таким прибором, тем больший интерес он представляет для предирняпш, решающих перечисленные задачи. В настоящей работе обсуждается стратегия синтеза и контроля качества объективов с расширенными спектральными характеристиками.

При расчете систем с форсированными оптическими характеристиками окончательное решение, обеспечивающее требуемое качество изображения при заданных значениях фокусного расстояния, углового поля в пространстве предметов и относительного отверстия, достигается оптимизацией стартовой системы. Начальная система может быть получена в виде прототипа или рассчитана методом композиции. Она удовлетворяет результатам габаритного и энергетического расчета, выбору принципиальной конструкции компонентов и комбинации их оптических материалов. Приведение стартовой системы к финальной оптической схеме происходит итеративно с помощью оптимизации: сначала обеспечиваются габаритные характеристики, фокусное расстояние и качество изображения при заведомо заниженных значениях углового поля и относительного отверстия, после чего достигнутые параметры качества изображения оптимизационно поддерживаются при растущих оптических характеристиках (следовательно, при растущих монохроматических аберрациях), которые постепенно повышаются до требуемых.

Рабочий спектральный диапазон является одним из входных параметров для расчета [6]. На этапе синтеза стартовой системы он влияет на определение состава каталога оптических материалов: материалы отбираются по критерию пропускания и по комбинации оптических характеристик, которая

позволит обеспечить минимальный хроматический сдвиг фокальной плоскости. В случае если спектральный диапазон сам является форсированной характеристикой системы, его стоит рассматривать как отдельное условие, которое нужно правильно описать на этапе оптимизации стартовой системы, чтобы обеспечить требуемое качество изображения.

Завершающим этапом расчета системы является оценка качества изображения. Для систем, которые работают со структурными приемниками изображения. основными критериями оценки качества выступают диаметры пятен рассеяния, которые легко сравнить с размерами пикселей матриц, и частотно-контрастная характеристика (ЧКХ). При этом ЧКХ более емкая характеристика, дающая представление о том. как оптическая система сможет передать различные структуры изображаемого предмета [7]. Также применение ЧКХ на этапе синтеза системы удобно тем, что впоследствии с ней можно сравнить ЧКХ изготовленного объектива [8].

Сложность оценки качества шнрокоспектраль-ных систем по ЧКХ сводится к необходимости визуального анализа большого количества графиков, особенно если речь идет о выборе между вариантами систем. В таких случаях целесообразно вводить интегральные метрики.

Стратегии имитационного моделирования объективов широкого спектрального диапазона в программах расчета оптики

Возможны разные подходы к заданию рабочего спектрального диапазона в программах расчета оптики:

- в единственной полихроматической конфигурации задается основная и крайние длины волн;

- в наборе монохроматических конфигурации задаются контрольные длины волн;

- в наборе полихроматических конфигурации задаются крайние длины волн субднапазонов.

Сравнение описанных подходов проводилось на примере объектива для люминесцентного анализа грунта [6]. Авторами рассчитан объектив со следующими оптическими характеристиками: фокусное расстояние /' = 21 мм, диафрагменное число К= 5, угловое поле 2ю = 44°. Объектив представляет собой 7-лннзовую оптическую систему, скорректированную на работу с покровным стеклом фо-топрнемннка из плавленого кварца толщиной 1,4 мм. Объектив обеспечивает контраст выше 0,1 для частот до 100 лин/мм в спектральном диапазоне 0,27... 1,00 мкм.

Ожидания от оптимизации и оценки качества изображения по ЧКХ коррелируют с результатами, представленными в работе [9] при рассмотрении

информационных блоков (полей), в названиях которых содержится информация о точке пространственного поля и спектральном диапазоне (или длине волны), для которых вычислена функция ЧКХ.

Первым полем является информационный блок о безаберрационной дифракционно-ограниченной ЧКХ. Описание ЧКХ представляет собой три столбца: значения пространственных частот и соответствующие этой частоте значения контраста в сагиттальном и меридиональном сечениях. В качестве вводных данных также возможен ручной ввод значений минимального контраста ¿ min, который будет являться признаком отсечки расчета площади функции ЧКХ, и контрольной частоты v contml: если функция ЧКХ в одном из сечений принимает минимальный контраст на частоте меньше контрольной (т.е. система не обеспечивает разрешение в диапазоне пространственных частот, требуемых по техническому заданию), для данного поля вычисление прекращается, о нарушении условий выводится соответствующее сообщение.

После определения границ расчета программа вычисляет площадь функции ЧКХ по среднему между меридиональным и сагиттальным сечениями значению контраста. Вычисленные для точек поля площади ЧКХ относятся к вычисленной площади дифракционной ЧКХ и возводятся в квадрат для вычисления квадрата отношения площадей - Area Ratio Squared (ARS). Результаты обработки загруженных файлов выводятся в виде: перечня полей, для которых нарушено условие обеспечения контрольной частоты с заданным контрастом; названий и значений площадей и ARS полей, для которых был выполнен расчет.

Из изложенного следует применимость квадрата отношения площадей при оценке качества изображающих систем как для установления их приближения к дифракционно-ограниченным системам, так и сравнения различных систем между собой. Оценка удобна для сравнения геометрически ограниченных систем при неравномерном падении кривой ЧКХ.

Оценка и сравнение качества изображения рассчитанных вариантов широкоспектрального объектива

Выбор варианта объектива с лучшим качеством изображения, сделанный в пользу рассчитанного в полихроматических поддиапазонах на основании визуального анализа графиков ЧКХ, подтверждается метрикой ARS. На диаграмме (рис. 4) приводится сводная информация о квадратах отношения площадей (ARS) для полихроматической и трех монохроматических (0.27; 0,55; 1.00 мкм) оценок качества изображения трех вариантов объектива, рассчитанных: в общей полихроматической конфигурации А, в монохроматических конфигурациях В и в наборе полихроматических конфшурацпй С. Характеристика ARS рассчитана для значения минимального контраста i min = 0,2 и контрольной частоты v_control - 100 лин/мм. По диаграмме удобно оценить интегральный характер ЧКХ рассчитанных систем и сравнить их между собой. Расчет системы в наборе полихроматических конфигураций дает устойчивый лучший результат, что особенно ярко проявляется для края углового поля в пространстве предметов 22° и для ультрафиолетового края рабочего спектрального диапазона 0,27 мкм.

Рис. 4. ARS для вариантов рассчитанного объектива:

А - в общей полихроматической конфпгуращш; В - в монохроматических конфигурациях; С - в наборе полихроматических конфпгуращш

Заключение

Предложено уточнение метода расчета широкоспектральных оптических систем, заключающееся в представлении системы как набора полихроматических конфигурации. Представленный метод позволяет выполнять оптимизацию, обеспечивающую качество изображения на всех контрольных длинах волн (в отличие от оптимизации общей полихроматической конфпгуращш), и избегать провалов качества в спектральных интервалах между ними (в отличие от оптимизации набора монохроматических конф1пуращш). что позволяет рассчитывать системы со стабильным качеством изображения.

Предложена новая метрика для оценки ЧКХ дифракционно- и геометрически ограниченных оптических систем - квадрат отношения площадей функций ЧКХ (ARS). Разработан алгоритм и на его основе создана программа автоматизированного вычисления данного параметра. Представлено сравнение качества объектива, рассчитанного тремя разными методиками, по предложенной метрике. Определено, что не только по визуальной оценке графиков, но и по количественной метрике лучшим качеством изображения обладает объектив, рассчитанный в наборе полихроматических конфзпура-ций. Предложенный способ оценки качества может быть внедрен в программы расчета оптики на этапе оценки качества изображения или как оптимизационная функция редактора последовательной оценки качества.

Библиографический список

1. Куличкова С. И., Головков А. Н., Куди-нов И. И., Лаптев А. С. Современные дефектоскопические материалы, оборудование и автоматизация процесса катшлярного неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. 2019. № 2. С. 52 - 57. DOI: 10.14489/ td.2019.02 .pp.052-057

2. Гарифуллин М. Ш. Контроль состояния изоляционной бумаги маслонаполненного электрооборудования оптическими методами // Контроль. Диагностика. 2013. № 12. С. 71 -74.

3. Кушнир В. М., Поважный В. В., Бердни ков С. В. Минеральная и органическая компоненты взвеси по данным космических съемок и непосредственных измерений в Азовском море и Керченском пролп-ве // Морской гидрофизический журнал. 2014. № 2. С.22-31.

4 Khan A., Vibliute A. I).. Mali Sh., et al. A

Systematic Review on Hyperspectral Imaging Technology with a Machine and Deep Learning Methodology for Agricultural Applications // Ecological Informatics. 2022. Vol.69. P. 101678. DOI: 10,1016/j.ecoinf,2022.101678

5 Липатов A H., Экономов А П., Макаров В. С. и др. Камера-спектрометр для исследований минералогического состава грунта //Приборостроение. 2014. № 3. С. 73 -77.

6. Бахолдин А. В., Романова Г. И., Цуканова Г. И.

Теория и методы проектирования оптических систем: учеб. пособие. Ч. I. СПб.: НПУИТМО, 2011. 104 с.

7. Запрягаева Л. А., Свешникова И. С. Расчет и проектирование оптических систем: в 2 ч. 2-е изд., пспр. и доп. М.: Изд-во МИИГАиК, 2009. ISBN 978-5-91188017-0.

8. Симонян В. И., Микаева С. А. Влияние погрешности изготовления асферической поверхности на модуляционную передаточную функцию тепловпзпонно-го объектива при оценке контраста на коллимационной установке // Контроль. Диагностика. 2023. Т. 26, № 3(297). С. 34 - 39. DOI: 10.14489/td.2023.03.pp.034-039

9. Uvarova A., Bakholcliu A. Analysis of Image Quality Requirements for Multispectral Mirror Systems // Proceedings of SPIE. 2022. Vol. 12315. P. 123150F.

10. Ansys Zemax OpticStudio: [Электронный ресурс]. URL: https://www.ansys.com/products/optics/aiisys-zemax-opticstudio (Дата обращения: 12.04.2025).

11. Грамматик А. П., Романова Г. Э., Балаиен-ко О. Н. Расчет и автоматизация проектирования оптических систем: учеб. пособие. СПб.: ШГУ ИТМО, 2013. 128 с.

12. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения: дифракционная теория и влияние когерентности света / пер. с фр. Н. Н. Губеля; под ред. Г, Г. Слюсарева. М.: Мир, 1964. 295 с.

13. Сокольский М. Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989. 220 с.

References

1. Kulichkova, S, I., Golovkov, A. N„ Kudinov, I. I., & Laptev, A. S. (2019). Modern flaw detection materials, equipment and automation of capillary non-destructive testing process. Kontrol'. Diagnostica, (2), 52-57. [in Russian language], https://dai.org/10.14489/ti2019.02.pp.052-057

2. Garifullin, M. Sh. (2013). Condition monitoring of insulating paper in oil-filled electrical equipment using optical methods. KontroV. Diagnostika, (12), 71-74. [in Russian language],

3. Kushnir, V. M„ Povazhnyi, V. V, & Berdni-kov, S. V. (2014). Mineral and organic components of suspended matter according to space imagery and in situ measurements in the Sea of Azov and Kerch Strait. Morskoy Gidrofizicheskiy Zkurnal, (2), 22-31. [in Russian language]

4. Khan, A., Vibhute, A. D„ Mali, Sh., et al. (2022). A systematic review on hyperspectral imaging technology with a machine and deep learning methodology for agricultural applications. Ecological Informatics; 69, 101678. https://doi.org/! 0.1016/j .ecoinf.2022.101678

5. Lipatov, A. N„ Ekononov, A. P.. Makarov, V. S„ et al. (2014). Camera-spectrometer for studying mineralogi-cal composition of soil. Priborostroenie, (3), 73-77. [inRussian language],

6. Bakholdin, A. V., Romanova, G. I., & Tsukano-va, G, I. (2011). Titeoiy and methods of opticaI systems design (Part 1). ITMO University, [inRussian language],

7. Zapryagaeva, L. A„ & Sveshnikova, L S. (2009). Calculation and design of optical systems (2nd ed„ rev. and add.). MBGAiK Publishing House, ISBN 978-5-91188-017-0. [inRussian language].

vw.td-j.ru

Kontrol". Diagnostika, 2025, Vol. 25, No. 8

47

8. Simony ail, V. L, & Mikaeva, S. A. (2023). Influence of manufacturing errors of asplteric surface on modulation transfer function of thermal imaging lens when assessing contrast on collimation setup. Kontrol'. Diagnostika, 26(3(297)), 34-39, [in Russian language], https://doi.org/10.14489M.2023.03.pp.034-039

9. Uyarova, A„ & Bakholdin, A. (2022). Analysis of image quality requirements for multispectral mirror systems. Proceedings ofSPlE, 12315, 123150F,

10. Ansys Zemax OpticStudio. (n.d.). [Software]. Retrieved April 12, 2025, from https://www.ansys.com/ producla/optics/ansys-zemax-opticstudio

11. Grammatin, A. P.. Romanova, G. E., & Balatsenko, O. N. (2013). Calculation and automation of optical systems design. ITMO University, [in Russian language],

12. Maréchal, A„ & Françon, M. (1964), Structure of optical image: Diffraction theory and influence of light coherence (N. N. Gubel, Trans.; G. G. Slyusarev, Ed ), Mir. [in Russian language],

13. Sokolsky, M. N. (1989). Tolerances and quality of optical image. Mashinostroenie. [in Russian language].

Для цитирования статьи:

Уварова А. В., Бахолдин А. В. Особенности моделирования и контроля качества изображения оптических систем широкого спектрального диапазона // Контроль. Диагностика. 2025. Т. 28, № 8. С. 41 - 48. DOI: 10.14489/td.2025.08 .pp.041-048

Uvarova, А. V., & Bakholdin, А. V. (2025). Fealures of modeling and image quality control of wide spectral range optical systems. Kontrol'. Diagnostika, 28(8), 41^48. [in Russian language], https://doi.org/10.14489/td.2025.08.pp.041-048

СпЕктр

Д. А. Слесарев

ИэдмЕчьский дом

ОБНАРУЖЕНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ В НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ

]ЫИРШ1НЕ H ЩШФНКАЦНЯ агнпШЕРЮгпишцЕМ НОНТРиЛЕ

ISBN 973-5-4442-0190-9. Формат - 60*901/1G твердый переплет, 128 страниц, гад издания - 2024.

Рассматриваются общие понятии теории сигналов, приводятся модели сигналов, встречающиеся в задачах неразрушающего контроля, излагаются методы обработки сигналов с учетом их математических моделей, рассматриваются задачи обнаружения полезного сигнала на фоне помех и оценки параметров сигнала. Представлены методы оптимальной фильтрации, спектральной обработки, время-частотные представления и вейвлет-преобразование. Приводится решение некоторых типовых задач по обработке сигналов

Предназначено для студентов старших курсов и аспирантов специальностей «Приборостроение», «Информатика и вычислительная техника». Может быть полезно при выполнении курсовых и дипломных работ.

119048, г. Москва, ул.Усачева, д. 35, стр. 1. ООО «Издательский дам «Спектр» Телефон отдела реализации: [phone]. Дополнительный телефон офиса: (926) 6151716. E-mail: [e-mail]. Hflp://miw. idspeklr.ru

УДК 681.7.03. 681.7.067.22 DOI: 10.17586/0021-3454-2025-68-8-704-714

УТОЧНЕНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА АХРОМАТИЧЕСКОГО ОБЪЕКТИВА С РАБОЧИМ СПЕКТРАЛЬНЫМ ДИАПАЗОНОМ ОТ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДО БЛИЖНЕГО ИНФРАКРАСНОГО

А. В. Уварова4', А. В. Бахолдин

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

* ailа. т'[e-mail]

Аннотация. Рассматриваются дополнительные этапы проектирования, вводимые в процесс разработки широко спектральных линзовых объективов, функционирующих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Подобные объективы востребованы в задачах люминесцентного анализа. Дополнения к методу расчета объективов включают: формирование каталога оптических материалов для расчета в заданном спектральном диапазоне: определение возможности склеивания компонентов при формировании базовой схемы: уточнение метода номограмм дня подбора оптимальных комбинаций материалов, удовлетворяющих требованиям ахроматизации и атермализации, широкого рабочего спектрального интервала. Дополненный метод позволяет проектировать пшрокоспектральные объективы для люминесцентного анализа

Ключевые слова: объективы люминесцентного анализа, оптические материалы, ахраматизация, атермализация, номограмма

Ссылка для цитирования: Уварова А. В., Бахолдин А. В. Уточнение метода расчета ахроматического объектива с рабочим спектральным диапазоном от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного // Изв. вузов. Приборостроение. 2025. Т. 68, № 8. С. 704-714. DOI: 10.17586/0021-3454-2 025-68-8-704-714.

REFINEMENT OF THE CALCULATION METHOD FOR AN ACHROMATIC LENS WITH AN OPERATING SPECTRAL RANGE FROM ULTRAVIOLET TO NEAR INFRARED

A. V. Uvarova', A. V. Bakholdin

ITMO University, St. Petersburg, Russia

* [e-mail]

Abstract. Additional design stages introduced into the development process of wide-spectrum refractive lenses operating in the spectral range from ultraviolet to near infrared are considered. Such lenses are in demand in luminescent analysis tasks. Additions to the lens calculation method include: the formation of a catalog of optical materials for calculation in a given spectral range; the determination of the possibility of gluing components during the formation of the basic scheme; refinement of the nomogram method to select optimal combinations of materials that meet the requirements of achromatization and athermalization, and a wide operating spectral range. The augmented method allows the design of wide-spectrum lenses for luminescent analysis.

Keywords: luminescent analysis lenses, optical materials, achromatization, athermalization, nomogram

For citation: Uvarova A. V.. Bakholdin A. V. Refinement of the calculation method for an achromatic lens with an operating spectral range from ultraviolet to near infrared. Journal of Instrument Engineering. 2025. Vol. 68. N 8. P. 704-714 (in Russian). DOI: 10.17586/0021-3454-2025-68-8-704-714.

Введение. Расширение рабочего спектрального диапазона оптических систем — одна из задач современной оптотехники, актуальность которой обусловливается:

1) распространением применения оптических методов исследований на новые объекты;

2) совершенствованием современных фотоприемных устройств.

Первый фактор состоит в расширении области применения методов люминесцентного и флуоресцентного анализа за рамки лабораторных условий: сегодня они применяются в экомо-ниторинге, минералогических исследованиях, космической съемке [1-3] для обнаружения по люминесцентному отклику частиц определенных материалов в общем объеме исследуемых

© Уварова А В., Бахолдин А. В.. 2025

объектов. Идентификация объектов может выполняться впоследствии с помощью спектральной фильтрации люминесцентного излучения, но на этапе обнаружения важно получить наибольший объем информации об исследуемой группе объектов. Таким образом, информационная емкость прибора во многом зависит от ширины рабочего спектрального диапазона.

Примерами систем, которые работают в классическом видимом спектральном диапазоне и за его пределами, являются объективы для космической съемки, описанные в работе [4] (спектральный диапазон 0,41-0,9 мкм), спектрополяриметры для диапазонов 0,23-0,40 и 0,4-0,87 мкм [5], система мультиспектральной видеокамеры, работающей в диапазоне 0,3-1 мкм [б], а также камера-спектрометр для люминесцентного анализа минералогического состава грунта (рабочий спектральный диапазон 0,3-1,06 мкм) [3].

Вторым фактором, требующим модернизации методик проектирования оптических систем под широкий спектральный диапазон (ультрафиолетовый-видимый-ближний инфракрасный — УВИ-диапазон), является успех в применении просветляющих покрытий производителями фотоприемных устройств, что добавляет к стандартному диапазону чувствительности кремния (0,3-1 мкм) области 0,2-0,3 и 1—1,1 мкм [7].

Таким образом, на сегодняшний день востребованным рабочим спектральным диапазоном исследовательских приборов является 0,3-1 мкм, который включает не только стандартный видимый диапазон, но и хорошо исследованную ближнюю ИК-область, и „проблемный" ближний УФ-диапазон.

Трудность состоит в обеспечении именно непрерывного широкого спектрального диапазона. Встречаются решения, когда в приборе совмещают несколько объективов, которые работают в разных спектральных поддиапазонах, однако применение набора объективов противоречит принципу кратчайшей цепи преобразования (большое число элементов цепи ведет к накоплению погрешности) [8], а потому всегда следует стремиться к разработке объектива, обеспечивающего качество изображения во всем рабочем спектральном диапазоне. В настоящей работе рассмотрен метод расчета объектива для всего рабочего спектрального интервала.

Широко спектральный объектив может быть представлен как линзовой, так и зеркальной системами. Номенклатура пропускающих материалов и отражающих покрытий во всем диапазоне от ближней УФ- до ближней ИК-области ограничена, но доступна для производства. Однако, поскольку задача поиска и обнаружения объектов предполагает работу с широким угловым полем, решающим фактором выбора между двумя типами систем является невозможность реализации больших полей для зеркальных объективов, которые хорошо себя зарекомендовали в работе только с осевой точкой и ее окрестностями [9].

При проектировании широко спектральных линзовых систем необходимо учитывать дополнительные условия: ограниченный перечень материалов, пропускание которых удовлетворяет заданному спектральному диапазону; физические свойства материалов (стекол, и в особенности кристаллов, следствием разности в прочности которых является недопустимость использования склеек и триплетов — основных корректоров хроматических аберраций); необходимость выбора ахроматических пар и троек материалов для синтеза начальной системы.

В настоящей статье на примере расчета оптической системы широкоспектрального объектива с рабочим диапазоном 0,3-1 мкм рассматривается влияние выделенных факторов на проектирование широкоспектральных объективов.

Анализ спектральных характеристик приемников для регистрации непрерывного УВИ-диапазона. На рис. 1 представлены кривые спектральных характеристик современных матричных приемников изображения [7, 10, 11] и глаза человека (1) — приемника излучения, характеристики которого лежат в основе методик расчета и оценки качества оптических систем [9]. Кривые чувствительности Hamamatsu (2 — S7170-0909, J — G14673-0808W), кроме пика в области 250 нм для кремниевого приемника, полученного вследствие применения просветляющего покрытия, представляют собой типичные спектральные характеристики для приемников, использующих Si и InGaAs. Проблемным местом регистрации является участок 1,1-1,2 мкм— стык фоточувствительности материалов. Он может быть покрыт „хвостами"

спектральной чувствительности приемников с низкой квантовой эффективностью. Уникальная матрица Sony IMX991 (4) работает в спектральном диапазоне "к = 0,35-1,8 мкм, но не покрывает более глубокие ультрафиолетовую и инфракрасную области, интересные для люминесцентных исследований. Можно прийти к выводу, что регистрация непрерывного УВИ спектрального диапазона возможна даже одиночным приемником [10].

S, отк. ед.

0,8

0,4

* AI -■♦-»........ - ♦

/ ' I i ' ' ' >i ' ■V % 1 % 4 \ —h-\ /

1 '' н % Ч i

1 il 1 А \ / V

1 / « ♦ ♦ ( \ * • ■ i

200

1200 Рис. 1

2200 А, нм

Составление каталога материалов. Подготовительным шагом к синтезу оптической системы является составление каталога материалов, прозрачных в заданной спектральной области. Далее подбираются ахроматические комбинации материалов (по аналогии с основным способом коррекции хроматических аберраций: применением ахроматических склеек в проектировании визуальных оптических систем). Проанализируем возможность применения теории ахроматизации [12-15] для объективов, адаптированных под спектральные характеристики современных матричных приемников.

Авторами были рассмотрены каталоги стекол и кристаллов J130C [16], О'Ната [17], Schott [18], Sumita [19], Hoya [20] и специальной серии ГОСТ РФ1, работающих в спектральных диапазонах 0,15-1 и 0,15-2 мкм. Выборки материалов составлены с помощью системы glassBank [21], результаты представлены на рис. 2.

800

о «

SÜ

<j га

Й S

5& 400

äs

от ^ мкм 0 с=> &

0,15 0,18 0,19 0,2 0,22 0,27 0,33 0,365 0,37

■ ДО ^ = 2 мкм 3 5 6 7 9 12 25 31 351

■ = 1 мкм 3 5 6 7 9 12 25 34 707

Рис. 2

На рис. 2 видны резкий скачок количества материалов с нижней границей прозрачности 0,37 мкм и единичные материалы, обладающие пропусканием в более коротковолновой области. Предсказуемо большее количество материалов, покрывающих видимый спектральный диапазон, имеет верхнюю границу прозрачности области 1 мкм.

1 ГОСТ 13659-78. Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. Основные параметры. М.: Изд-во стандартов, 1999. 27 с.

Данные для Хщщ > 0,37 мкм не приводятся, поскольку не демонстрируют существенных изменений; количество прозрачных материалов в диапазоне до 2 мкм меняется от 376 до 402, количество прозрачных материалов в диапазоне до 1 мкм меняется от 786 до 831.

В спектральном диапазоне 0,3-1 мкм оптической прозрачностью обладают 12 материалов: кристаллы КВг, природный и синтетический сапфир (АЬОз), СаБг, ВаБз, М^зОз и М^Т^Н?, КС1, ЬлБ, КБ1, МаС1 и кварцевое стекло БЮ^. Следует отметить, "что использование таких кристаллов, как 1лГ, КР и №С1, крайне нежелательно с точки зрения налетоопасности и пятнае-мости материалов.

Технические особенности объективов широкого спектрального диапазона. Перечень материалов, входящих в каталог для диапазона 0,3-1 мкм, представлен на диаграмме Аббе (рис. 3; щ — показатель преломления, — коэффициент дисперсии). Для каждого материала указаны коэффициент термического линейного расширения (х1(Н °С-1) и твердость по шкале Мооса.

1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3

30

> КВг (43; 0,4)

• КС1 (36; 2,5)

50

. А10, (8; 9)

► ЙО, (0,55;7)*ВаГда;3>

70 Рис. 3

90

СаР, (18,5:4)

•МоЕ2 (13,7; б)

110 V,

Необходимо отметить существенную разницу в твердости и значениях коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) выбранных материалов. Близость этих параметров является условием допустимости склеивания деталей. Так, вызванные колебаниями температуры изменения в геометрии поверхностей более прочной детали повлекут за собой разрушение детали с меньшей твердостью. Косвенным критерием допустимой разности указанных параметров могут служить границы применимости оптических клеев. Так, согласно ГОСТ 14887, применение клеев УФ-235М, УФ-215, УФ-215М для деталей из кварцевого и увиолевого стекол, фтористого кальция и других кристаллов, прозрачных в УФ-области спектра, допустимо для оптических деталей с разницей КТЛР не более 6 Т0~б "С-1. Перечисленные материалы не в полном объеме соответствуют этим критериям, следовательно, составление склеек и триплетов из них возможно только после моделирования термических нагрузок системы. Для предотвращения разрушения отдельных элементов при проектировании широкоспектральных объективов предпочтение следует отдавать композициям из одиночных компонентов.

Подбор материалов для синтеза базовой оптической системы. Проектировщики оптических систем сегодня чаще всего применяют оптимизацию некоторой стартовой системы. Этап первичного синтеза подразумевает выбор композиции системы (линзовые или зеркальные, из одиночных компонентов или со склейками), положения апертурной диафрагмы; представление об оптических силах компонентов на этом этапе полезно, но представление линз в виде плоскопараллельных пластинок также возможно. Как правило, переменными для оптимизации становятся конструктивные параметры: радиусы кривизны и осевые расстояния системы, но в перечень оптимизационных параметров можно включить и перебор материалов.

Ограниченный перечень материалов, прозрачных в области 0,3-1 мкм, облегчает и ускоряет задачу оптимизационного перебора (по сравнению с перебором материалов для видимого диапазона, например), однако даже при переборе семи материалов без дополнительных ограничений время поиска минимума функции оптимизатора очень велико. Кроме того, необходимо

учитывать дискретность комбинаций оптических постоянных, которые система не может менять методом проб с малым шагом, как в случае с конструктивными параметрами.

Таким образом, подбор материалов должен производиться аналитически как для ускорения синтеза стартовой системы, так и для определения ее хроматических свойств: именно комбинации используемых материалов обусловливают достижимый минимум хроматических аберраций системы. Последующая оптимизация конструктивных параметров не может скорректировать хроматический эффект от неудачного выбора пар и троек материалов.

Подбирать конкретные материалы для синтеза базовой оптической системы удобно методом номограмм. Последние работы в этом направлении проводились С. Е. Ивановым как развитие методик Д. С. Волосова и Ю. Тамагавы, выбранных в качестве наиболее применимых для расчета систем [18-20]. В работах С. Е. Иванова показан пример применения методик подбора материалов для видимого и ИК спектральных диапазонов. В настоящей работе авторами исследуется возможность расширения метода номограмм на непрерывный диапазон 0,3-1 мкм.

Методики Д. С. Волосова и Ю. Тамагавы основаны на решении системы уравнений:

£фг = фо — условие масштаба,

• £ф,/\', = 0 — условие ахроматизации,

V,) + ф0у = 0 — условие атермализации.

В приведенной системе уравнений: ф — оптическая сила линзы, у — KTJIP материала корпуса, v — дисперсия, вычисляемая для основной и крайних длин волн спектрального диа-

п0- 1

пазона, где материал имеет показатели преломления щ, гц и т соответственно: v =-; V—

и,-к2

термооптический коэффициент материала, вычисляемый для основной длины волны, с учетом

dnldt

а — KTJIP материала линзы, по формуле V= — - а .

Щ- 1

Номограммы по методике Волосова строятся в координатах \-U с использованием параметра U = vV. По методике Тамагавы номограмма строится в координатах со - V с использованием параметра ю - 1/v.

Первыми шагами в построении номограмм являются вычисление v - U, ю — К параметров для каждого материала каталога в заданном спектральном диапазоне и получение соответствующего облака точек. Следующим шагом является построение наклонных прямых материалов конструкции объектива (корпуса и оправ или промежуточных колец): отбор сочетающихся оптических материалов происходит по оценке расположения их точек относительно этих прямых. На рис. 4 представлены номограммы материалов, построенные по методикам Д. С. Волосова и С. Е. Иванова для опорных оптических материалов MgF2 и CaF2 и конструкционных материалов А1 (пунктир) и Ti (сплошная прямая).

Для работы выбраны два конструкционных материала: алюминий (KTJIP 24-10~б °С-1) и титан (KTJIP 7- Ю-6 °С-1). Материалы с существенно разными KTJIP могут быть использованы для пассивной атермализации системы. С точки зрения построения номограмм они дают максимально разные углы наклона прямых: следовательно, и наибольший угол раствора, внутри которого могут оказаться характеристические точки материалов, что удовлетворит приведенной выше системе уравнений.

Наконец, прямые конструкционных материалов проводятся через точку выбранного основного (или обязательно присутствующего) материала системы.

Методу номограмм удовлетворяет подбор комбинаций для кальция фторида CaF2: построение прямых конструкционных материалов через него позволяет сформировать угол, внутри которого лежит КВт, что полностью соответствует критерию отбора совместимых материалов, при этом точки CaFi и КВг достаточно удалены друг от друга по оси дисперсии, чтобы выполнить хроматическую коррекцию.

и

0,0003 --0,0001 -0,0005 -0,0009

и

а. «¡П.

• А1203

о

~ТТ

"Тб"

МЕ¥2 *—-20 V

: КВг

Са^

• КС1

-0,006

«¡п.

>1203

• —"7*"" КВг

КС1 ВаГ ч.

и 0,002

X = 0,3-1 мкм

-0,004

-0,006

1

80

КВг'--.., СЕ11'2

• КС1 [ ВаР>-- ——

ВаБ,

и 0,002

X = 0,3-0,4 мкм

X = 0,4-0,6 мкм Рис. 4

-0,002

-0,004

-0,006

а ►зю2

Чч • А1,03

] СаР2

— - •

■ КВг

• КС1 Вар1

X = 0,6-1 мкм

Рассмотрим построение номограмм для спектральных поддиапазонов, выделяя области: УФ (0,3-0,4 мкм), видимую (0,4-0,6 мкм) и ИК (0,6-1 мкм). В сравнении с номограммой для общего диапазона, положение КВг между прямыми титана и алюминия сохраняется в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, но оказывается вне области, ограниченной конструкционными материалами, для ИК-диапазона. Это свидетельствует о том, что пассивная атермализация для этой спектральной области происходить не будет, следовательно, для рассчитанной системы будет необходимо анализировать положение плоскости наилучшей установки и размеры пятен рассеяния на приемнике, чтобы принимать решение о внедрении системы активной атермали-зации.

Проверим применимость построенных для общего широкого диапазона номограмм с помощью генерации объективов-апохроматов и оценки хроматического сдвига их фокальной плоскости в программе УгеЮОБ [22]. В качестве вводных параметров задаются спектральный диапазон, фокусное расстояние, апертура и поле. С целью облегчения вычислений расчет проводился для осевой точки объектива с фокусным расстоянием 21 мм и входным зрачком 4,2 мм. По результатам вычислений атермализованные двухлинзовые объективы с заданными фокусным расстоянием и относительным отверстием невозможно составить из приведенной номенклатуры материалов, однако варианты могут быть получены для системы вида „триплет" с воздушными промежутками. Условиям атермализации удовлетворит объектив, составленный из комбинации материалов СаБ2 + КВг + КС1, хроматический сдвиг фокальной плоскости объектива составляет 125 мкм. Расчет хроматического сдвига фокальной плоскости подтверждается моделированием в 2етах ОрНеЯГпсНо.

Из приведенных данных следует вывод: подбор материалов можно производить по номограммам, построенным для полного диапазона или УФ-области, однако дополнительного анализа требует номограмма для инфракрасной области с целью проверки выполнения условий атермализации. Важно отметить, что при изменении спектрального диапазона возможны и

другие решения: так, при сужении диапазона к УФ видимому задача атермализации решается вместе с задачей ахроматизации, о чем свидетельствуют номограммы, рассчитанные для соответствующих диапазонов; при сужении диапазона до видимого ИК по критерию пропускания расширится номенклатура материалов, что существенно облегчит подбор. С сохранением ширины спектрального диапазона вариантов комбинаций мало, но можно отойти от точного следования методу номограмм и находить решения в тройках материалов.

Подбор материалов, сочетающихся с плавленым кварцем. Высокой устойчивостью к налетоопасности и пятнаемости среди отобранных материалов обладает плавленый кварц, часто используемый для фронтальной линзы объектива и для покровного стекла фотоприемника, влияние которого на качество изображения системы должно быть учтено при проектировании объектива.

С целью обеспечения наглядности подбора ахроматических и атермализованных комбинаций материалов для ЭЮ2 прямые конструкционных материалов проведены через точку что не влияет на интерпретацию полученной номограммы. Ближайшими материалами к построенным прямым конструкционных элементов яатяются А1203 и М^, но БЮт на номограмме сильно удален от точек других материалов, из-за чего подбор материалов в пару к нему с полным следованием методике невозможен (см. рис. 4). При расчете триплетов в программе \,Г1С1003 [22] объектив, состоящий из комбинации линз ЛЬОз - МрТ: — 3102 с оптической силой -56,36; 137,93; -33,93 дптр соответственно, имеет хроматический сдвиг фокальной плоскости 15 мкм (рис. 5, а). Согласно методу номограмм, пассивной атермализацией данный объектив не обладает.

я)

X, мкм 1,0

0,8

0,6

0,4

б)

X, мкм 1,0

0,8

0,6

0,4

-16,0

-4,0

0 Л5/', мкм

Рис. 5

-16,0

-4,0

0 Ая/', мкм

Для получения окончательного варианта объектива следует проверить атермализацию: необходимо выполнить переход от тонких компонентов к компонентам, радиус и толщина которых технологически удобны в производстве, а также провести оптимизационную коррекцию да я обеспечения требуемых характеристик по полю. Тонкие компоненты при этом могут быть представлены несколькими линзами из одного материала: таким образом оптические силы будут распределены между более технологичными деталями, а хроматический сдвиг фокальной плоскости не будет иметь значительных изменений.

В продолжение работы [3] из комбинации материалов А1203 -гМ^Р2 + 8Ю2 рассчитан 7-линзовый объектив с основными параметрами:/' = 21 мм, 1 /к = 1/5, 2ю = 22°, рабочий спектральный диапазон 0,3-1 мкм. Эскиз схемы объектива представлен на рис. 6. Качество изображения конфигурации, рассчитанной для температуры 20 °С удовлетворяет требованию: контраст выше 0,2 на частоте 0-100 лин/мм. Данные о хроматическом сдвиге фокальной плоскости и продольных аберрациях приведены на рис. 5, б и 7.

такими конструктивныN01 параметрами компонентов, при которых применение систем активной атермализации не требуется.

Вывод. Работа посвящена уточнению метода расчета ахроматического объектива, работающего в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Выделены материалы, которые могут быть применены для построения объективов рабочего диапазона 0,3-1 мкм. Такие объективы необходимы для люминесцентного анализа, когда объект освещается ультрафиолетовым излучением, а отклик объектов наблюдается в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Технологические и конструктивные особенности накладывают ограничения на возможные схемы объективов: использование кристаллов обусловливает невозможность использования склеенных элементов, а условия эксплуатации систем такого класса обязывают обеспечить атермализацию при проектировании объектива в оправе из-за быстрой терморасфокусировки. Определены границы применимости метода атермализации и ахроматизации при начальном синтезе систем, показана крайняя ограниченность возможности проектирования объектива из двух материалов. Метод синтеза основан на использовании номограмм для подбора материалов объектива. Уточнение метода состоит в разбиении общего спектрального диапазона на поддиапазоны и оценки в них величины остаточного хроматизма. Затем, после достижения требуемых значений ахроматизации (проверка по хроматическому сдвигу фокальной плоскости), атермализация обеспечивается увеличением количества линз при сохранении выбранной тройки материалов. На основании полученного метода разработана оптическая система объектива рабочего спектрального диапазона 0,3-1 мкм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кушнир В. М., Поважный В. В., Бердников С. В. Минеральная и органическая компоненты взвеси по данным космических съемок и непосредственных измерений в Азовском море и Керченском проливе // Морской гидрофизический журнал. 2014. № 2. С. 22-31. EDN TEYQZL.

2. Khan A., VibhuteA. D., Mali Sh. et al. A systematic review on hyperspectial imaging technology with a machine and deep learning methodology for agricultural applications // Ecological Informatics. 2022. Vol. 69. P. 101678. DOI: 10.1016,j.ecoinf.2022.101678 EDN: PMFENM.

3. Липатов A. H., Экономов А. П., Макарове. С., ЗахаркинГ. В., БогачевД. Л., Румянцев Д. М., Антоненко С. А Камера-спектрометр для исследований минералогического состава грунта // Изв. вузов. Приборостроение. 2014. Т. 57, № 3. С. 73-78.

4. Понин О В., Архипова Л. Н., Демидова Е.А. и др. Апохроматические термонерасстраиваемые объективы для широкозахватной мультнспектральнои космической съемки /■' Оптический журнал. 2013. Т. 80, № 4. С. 39^12.

5. ИвановЮ. С., Синявский И. К, Cocoimai М. Г. Астроспектрополяриметры для слабых объектов /У Оптический журнал. 2006. Т. 73, № 12. С. 63-67. EDN HUAESF.

6. БатшевВ. И., Крюков А. В., Мачихин А. С., Золотухина А. А. Оптическая система мультиспектральиой видеокамеры // Оптический журнал. 2023. Т. 90, №11. С. 113-123. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-ll-113-123.

7. CCD area image sensor S7170-0909 [Электронный ресурс]: "ihttpsy/w^^.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/image-sensor/ccd-cmos-mnos-image-sensor/area-sensor/for-scientific-measuieinent/S7170-0909.htnil>.

8. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов. СПб: Лань, 2015. 560 с.

9. Чуршовский В. Н. Общая теория оптических приборов. М.; Л.: Машгиз, 1960. 140 с.

10. General-purpose SWIR Image Sensor [Электронный ресурс]: <https://www.sony-semicon.com/en/products/is/ iiidustty/swir/imx990-99l.h1ml>.

11. LtiGaAs area image sensor G14673-0808W// Hamamatsu Photonics K.K. and its affiliates [Электронный ресурс]: <https://www.hamamatsu.com/eu/en/praduct/optical-sensors/image-sensor.T^ sensor/G14673-0808W.html>.

12. Волосов Д. С. Фотографическая оптика: теория, основы проектирования, оптические характеристики. М.: Искусство, 1978. 543 с.

13. Иванов С. Е., Романова Г. Э. Метод выбора оптических материалов для создания апохроматнческнх атерма-лизованных оптических систем // Оптический журнал. 2016. № 12. С. 25-30

14. Tamagawa Y. Multilens system design with an athermal chart//Applied Optics. 1994. Vol. 33. P. 8009-8013

15. Tamagawa Y., Tajime Т. Expantion of an athermal chart into a multilines system with thick lenses spaced apart // Optical Engineering. 1996. Vol. 35, N 10. P. 3001-3006.

16. Каталог оптического стекла [Электронный ресурс]: <http://lzos.ru/press-zentr/materials/catalog-opticheskogo-stekla/>.

17. Optical Glass for Polished Lenses, Optical Glass for Molded Aspherical Lenses (Low Tg Optical Glass) [Электронный ресурс]: <https://www.ohara-inc.co.jp/en/product/catalog/>.

18. Optical Glass [Электронныйресурс]: <https://www.schott.com/shop/advanced-optics/en/Optical-Glass/c/optical-glass>.

19. Optical Glass Materials [Электронный ресурс]: <https://www.sumila-opt.co.jp/en/prodiicts/optical.htrnl>.

20. Optical Glass Catalogue [Электронный ресурс]: <https://www.hoyaoptics.eu/downloadoptical-glass-catalogue>.

21. glassBank [Электронныйресурс]: <http://glassbank.ifino.ru/ius/index.php>.

22. Nguyen D. H., Bobe A., Voznesenskaya A., and Bakholdin A. Program for automated synthesis of two-lens and three-lens objectives // Proc. SPIE. 2023. Vol. 12765. Optical Design and Testing XIII. P. 1276513. https://doi. org/10.1117/12.2685549.

Алла Викторовна Уварова Алексей Валентинович Бахолдин

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

— Университет ИТМО, Центр прикладной оптики; инженер; E-mail: [e-mail]

— канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО, Центр прикладной оптики: доцент; E-mail: [e-mail]

Поступила в редакцию 01.04.25: одобрена после рецензирования 06.05.25; принята к публикации 27.06.25.

REFERENCES

1. Kushnir V.M.. Povazhnyy V.V., Berdnikov S.V. Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal, 2014, no. 2. pp. 22-31. (in Russ.)

2. Khan A., Vibhute A.D.. Mali Sh. et al. Ecological Informatics, 2022, vol. 69. pp. 101678, DOI: 10.1016/j. ecoinf.2022.101678.

3. Lipatov A.N., Ekonomov A.P., Makarov V.S. Zakharkin G.V.. Bagachev D.L., Rumyantsev D.M., Antonsnko S.A. Journal of Instrument Engineering, 2014. no. 3(57), pp. 73-78. (in Russ.)

4. Ponin O.V.. Sharov A.A.. Arkhipova L.N., Demidova E.A., Tarabukin V.V. Journal of Optical Technology. 2013, no. 4(80). pp. 230-232.

5. Ivanov Y.S.. SinyavskiT II I., Sosonkin M.G. Journal of Optical Technology, 2006, no. 12(73), pp. 879-882.

6. Batshev V.I.. Krioukov A.V., Machikhin A.S., and Zolotukhina A.A. Journal of Optical Technology, 2024. no. 11(90), pp. 706-712, https://doi.org/10.1364/JOT.90.000706.

7. CCD area image sensor S7170-0909, https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/image-ssnsor/ ccd-cmas-nmos-image-sensar/area-sensar/for-scientific-measurement/S7170-0909.html.

8. Latyev S.M. Konstruirovaniye tochnykh (opticheskikh)priborov(Design of Precision (Optical) Devices). St. Petersburg, 2015, 560 p. (in Russ.)

9. Churilovsky V.N. Obshchaya teoriya opticheskikh priborov (General Theory of Optical Devices). Moscow. Leningrad. 1960, 140 p. (in Russ.)

10. General-purpose SW/R image Sensor, https://www.sony-semicon.com/en/products/is/industry/swir/imx990-991 .html.

11. InGaAs area image sensor G14673-0808W, https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/image-sensor/ingaas-image-sensor/ingaas-area-image-sensor/G14673-0808W.html.

12. Volosov D.S. Fotograficheskaya optika: teoriya, osnovy proyektirovaniya, opticheskiye kharakteristiki (Photographic Optics: Theory. Design Principles. Optical Characteristics) Moscow. 1978, 543 p. (in Russ.)

13. Ivanov S.E. and Romanova G.E. Journal of Optical Technology, 2016, no. 12(83), pp. 729-733. https://doi. org/10.1364/JOT83.000729.

14. Tamagawa Y. Applied Optics, 1994, vol. 33; pp. 8009-8013.

15. Tamagawa Y, Tajime T. Optical Engineering. 1996, no. 10(35), pp. 3001-3006.

16. http://lzos.ru/press-zentr/materials/catalog-opticheskogo-stekla/. (in Russ.)

17. Optical Class for Polished Lenses, Optical Class for Molded Asphericai Lenses (Low Tg Optical Glass), https://www. ohara-inc.co.jp/en/product/catalog/.

18. Optical Glass, https://www.schott.eom/shop/advanced-optics/en/Optical-Glass/c/optical-glass.

19. Optical Glass Materials, https://www.sumita-opt.co.jp/en/products/optical.html

20. Optical Class Catalogue, https://www.hoyaoptics.eu/download/optical-glass-catalogue.

21. glassBank. http://glassbank.ifmo.ru/rus/index.php.

22. Nguyen D.H.. Bobe A.. Voznesenskaya A., and Bakholdin A. Proc. SPIE. 2023. vol. 12765, Optical Design and Testing XIII, pp. 1276513, https://doi.org/10.1117/12.2685549.

DATA ON AUTHORS

Alia V: Uvarova — ITMO University. Center for Applied Optics: Engineer; E-mail: [e-mail]

Alexey V. Bakholdin — PhD. Associate Professor; ITMO University. Center for Applied Optics: Director of the Center; E-mail: [e-mail]

Received 01.04.25; approved after reviewing 06.05.25; accepted for publication 27.06.25.