ОПТОТЕХНИКА И ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
реклама
ОПТОТЕХНИКА И ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ УДК 548.526; 535.543.2 НАСЫЩАЮЩИЕСЯ ПОГЛОТИТЕЛИ НА ОСНОВЕ ФТОРОФОСФОТНЫХ СТЕКОЛ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ PbSe А.Н. Абдршин, А.В. Полякова Научный руководитель – д.х.м., профессор Е.В. Колобкова В настоящее время имеется значительный интерес к получению коротких импульсов в инфракрасном диапазоне длин волн. Пассивная модуляция добротности и синхронизация мод лазеров отвечает требованиям компактности и простоты лазеров, поскольку в этом случае достаточно просто поместить в резонатор лазера насыщающийся поглотитель, при этом не требуется какой-либо вспомогательной электроники. Квантовые точки полупроводников IV–VI в стеклах привлекательны, как насыщающиеся поглотители ближнего и среднего ИК диапазона. Малые эффективные массы носителей заряда и высокие диэлектрические постоянные определяют большие величины радиуса экситонa Борa этих полупроводников, что позволяет получить режим сильного размерного квантования для относительно больших нанокристаллов. Главным требованием к материалам для насыщающихся поглотителей является узкое распределение квантовых точек по размерам (∆R/R~10%, R – размер квантовой точки), что выражается в узком первом экситонном пике, соответствующем первому экситонному переходу, и однородному распределению квантовых точек в объеме стекла. Стекла с квантовыми точками имеют преимущества по сравнению с другими пассивными материалами для внутрирезонаторных модуляторов добротности и синхронизаторов мод за счет существенного выигрыша в стоимости, поскольку для их изготовления можно использовать стандартные методы варки стекол. В работе проведены сравнения нелинейно- оптических характеристик для силикатных и фторофосфатных стекл. Показаны преимущества и недостатки двух разработанных на сегодняшний день стеклообразных систем как при формировании квантовых точек, так и при работе в качестве насыщающихся поглотителей. Было показано, что такие материалы обладают рядом преимуществ, по сравнению с традиционными силикатными материалами, так как температурно-временные режимы формирования квантовых точек во фторофостатных стеклах значительно более мягкие, чем для силикатных стекол, при относительной близости их температур стеклования (450–480оС для силикатных [1] и 425оС для фторофосфатных [2]). Это связано с разным ходом зависимости вязкости от температуры для указанным классов стекол. Следует отметить, что стекла с PbSe квантовыми точками могут быть использованы в более широком спектральном диапазоне, чем с PbS, вследствие отличий в значениях радиуса экситона Бора (20 нм для PbS и 46 нм для PbSe) и в ширине запрещенной зоны (ЕgPbSe=0,29 эВ и ЕgPbS=0,41 эВ при 300 К). 1. 2. Литература Borelly N.F., Smith D.W. Quantum confinement of PbS microcrystals in glass // J Non Cryst. Solids. – 1994. – V.80. – № 1. – P. 25–31. Kolobkova E.V., Petrikov V.D., Lipovskii A.A. PbSe quantum dot doped phosphate glass // Electronics Letters. – 1997. – V. 33. – № 1. – P. 101–102. 3 УДК 535.324.2; 535.327 УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ СПЕКТРЫ ДИМЕТИЛСУЛЬФОКСИДА К.А. Акмаров Научный руководитель – д.т.н., профессор А.Д. Яськов Помимо традиционных применений в медицине и фармакологии водные растворы диметилсульфоксида (ДМСО) все более широко используются в оптике, в том числе в производстве полимерных оптических волокон. Поэтому большой интерес представляют зависимость показателя преломления от температуры и спектры оптического поглощения. В данной работе были исследованы спектры поглощения в ультрафиолетовой и видимой области. Измерения проводились в диапазоне от 220 до 400 нм. Для подтверждения экспериментальных результатов и более детального анализа спектра поглощения было произведено моделирование спектров методами квантовой химии. Для моделирования использовался программный пакет HyperChem, в котором при помощи полуэмпирической молекулярной орбитальной ресифийской модели номер 1 (RM1 [1]) были получены электронные уровни ДМСО. При расчете спектра учитывались все 13 занятых и 9 не занятых электронных уровней молекулы ДМСО. В полученных спектрах хорошо видна линия на длинах волн 253 нм, 224 нм, 222 нм, 187 нм. Это согласуется с нашими экспериментальными результатами и с результатами, полученными в [2, 3]. В наших экспериментальных данных есть полоса на длине волны 270 нм. Было выдвинуто предположение, что поглощение на этой длине волны можно объяснить появлением оксида ДМСО – диметилсульфона. Для проверки этой гипотезы было произведено моделирование при помощи той же полуэмпирической модели RM1. При расчете спектра диметилсульфона учитывались все 16 занятых и 10 не занятых электронных уровней молекулы диметилсульфона. В полученном спектре имеется поглощение на длине волны 271 нм, что подтверждает выдвинутое предположение. 1. 2. 3. Литература Fekete Z.A., Hoffmannz E.A., Kortvelyesi T., and Penke B. Harmonic vibrational frequency scaling factors for the new NDDO Hamiltonians: RM1 and PM6 // Molecular Physics. – 2007. – V. 105. – Issue 19–22. Klaus Gollnick, Heinz-Ulrich Stracke. Direct and sensitized photolysis of dimethyl sulphoxide in solution // Pure and Applied Chemistry. – 1973. – V. 33. – № 2–3. – P. 217–246. High resolution VUV photoabsorption cross section of dimethyl sulphoxide (CH3)2SO // Chemical Physics Letters. – 2002. – V. 366. – Issues 3–4. – P. 343–349. 4 УДК 536.421.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ АНИЗОТРОПНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН В.А. Артеев, А.Ю. Киреенков, С.М. Аксарин Научный руководитель – д.т.н., профессор И.К. Мешковский Введение. Сварка анизотропных оптических волокон широко применяется при изготовлении современных волоконно-оптических измерительных систем. Основные преимущества сварки перед альтернативными способами соединений заключаются в малых оптических потерях, компактности и высокой стабильности. Среди анизотропных волокон наилучшими показателями сохранения поляризации обладает волокно с эллиптической напрягающей оболочкой. В силу специфичности волокна такого типа существует необходимость в определении параметров сварки, обеспечивающих минимально возможные оптические потери в месте соединения. Цель работы – уменьшение оптических потерь при сварке анизотропных световодов с эллиптической напрягающей оболочкой. Базовые положения исследования 1. Процесс сварки оптических волокон состоит из ряда последовательных этапов, каждый из которых характеризуется набором параметров. Минимальные оптические потери на сварке световодов определяется оптимальной комбинацией параметров каждого этапа. В связи с этим, в первую очередь, выявляются основные параметры сварки, наиболее существенно влияющие на оптические потери. 2. Проводится анализ альтернативных способов минимизации оптических потерь на сварке. 3. Для оценки влияния тех или иных параметров сварки необходимо оценивать потери оптической мощности. С этой целью разрабатывается методика исследования. 4. Последовательно исследуются вклады различных параметров, и выявляется их оптимальное сочетание. 1. 2. 3. 4. Промежуточные результаты При анализе литературных источников выявлены основные параметры сварки, наиболее существенно влияющие на оптические потери. Рассмотрены и проанализированы основные альтернативные способы минимизации оптических потерь на сварке. Разработана методика проведения исследования. Проведены все необходимые этапы исследования. Основной результат. Определена оптимальная комбинация параметров, обеспечивающая наименьшие оптические потери при сварке световодов с эллиптической напрягающей оболочкой. Получены типичные величины потерь для подобранного набора параметров. 5 УДК 681.78 ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОРБИТАЛЬНОГО ДЕТЕКТОРА ТРАНЗИЕНТНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В.И. Батшев, Е.А. Бадунова (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Научный руководитель д.т.н., профессор Д.Т. Пуряев (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) В последнее время большое внимание специалистов по атмосферному электричеству и физике атмосферы уделяется исследованию электрических разрядов, возникающих в верхних слоях атмосферы. Эти разряды, известные как транзиентные атмосферные явления, обладают малой длительностью (несколько миллисекунд) и энергией порядка сотен килодждоулей. Изучение физических принципов возникновения транзиентных атмосферных явлений в настоящее время является актуальной научной задачей, решение которой требует создания специальной аппаратуры, в том числе – оптических спектрометров. Исследования могут проводиться как с использованием наземных устройств, так и из космоса. Целью работы является разработка и анализ различных вариантов оптических систем спектрометра, предназначенного для регистрации кратковременным явлений в верхних слоях атмосферы, наблюдаемых в спектральном диапазоне 200 нм – 1 мкм. В качестве главного элемента разработанных оптических систем выступает вогнутое сферической зеркало, вблизи фокуса которого располагается линзовая оптическая система и приемник изображения. Последний состоит из множества фотоэлектронных умножителей с установленными перед их входными окнами интерференционными светофильтрами. Предложено два варианта построения оптической системы спектрометра: осесимметричный с центральным экранированием и внеосевой. Последний, по мнению авторов, является наиболее выгодным в виду минимальных энергетических потерь. Так как оптическая система спектрометра не предназначена для формирования изображения, то к юстировке системы не предъявляются жесткие требования, и нарушение осевой симметрии не является существенным технологическим препятствием для изготовления спектрометра. Световой диаметр зеркала, его фокусное расстояние, количество фотоэлектронных умножителей и другие параметры зависят от конкретной решаемой научной задачи. В работе рассчитаны оптические системы со следующими параметрами: − диаметр зеркала 650 мм – 1 м, его фокусное расстояние 900 мм – 1 м; − площадь приемника изображения 104 – 5×104 мм2. Авторы благодарят коллектив Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова за сформулированную интересную научно-техническую задачу и сотрудничество. 6 УДК 520.2.067 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МАЛОГАБАРИТНОГО ОБЪЕКТИВА ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И.И. Бондарь Научный руководитель – к.т.н., доцент Г.Э. Романова Введение. Объективы из полимерных материалов в настоящее время находят все большее применение в мобильных устройствах. Особенностью оптических схем таких систем являются небольшие габариты и ограничение на вес оптической системы, вследствие чего такая оптика должна содержать минимально возможное число линз и использовать полимерные оптические материалы. Цель работы. Работа посвящена расчету и исследованию трехкомпонентной компактной оптической системы из полимерных материалов и поиску оптимального положения асферических поверхностей в оптической системе такого типа, позволяющего минимизировать число несферических поверхностей в системе. Базовые положения. Для выбора исходной системы для дальнейшего расчета можно воспользоваться различными подходами: использовать базы данных, расчет на основании теории аберраций третьего порядка или метод композиции. В любом случае для коррекции качества изображения необходим этап автоматизированного расчета, результаты которого зависят не только от выбора стартовой точки, но и от выбора параметров оптимизации, например, числа и типа асферических поверхностей в системе. В качестве объекта исследования рассматривается трехкомпонентный объектив, построенный по схеме «триплета», т.е. трехлинзового объектива из двух положительных линз и одной отрицательной. Параметры объектива: фокусное расстояние объектива f ′=4,5 мм, относительное отверстие 1:5 и поле 2ω=40°. Длина системы 4,45 мм, апертурная диафрагма совпадает с четвертой поверхностью. Исследования проводились путем добавления асферических поверхностей различных порядков последовательно на каждой поверхности, а также сочетании поверхностей, и последующей оптимизации системы. Параметры оптимизации и функция качества (в том числе ограничения на конструктивные параметры) оставались неизменными для каждого варианта.Рассматривались варианты как с одной асферической поверхностью, так и с двумя. Всего было рассчитано свыше ста пятидесяти вариантов. Для сравнительного анализа рассчитанных вариантов использовался коэффициент передачи контраста (КПК) для частоты 150 л/мм (K150) для осевой точки, края поля и зоны поля. Заключение. В работе исследовались трехкомпонентные системы из полимерных материалов с асферическими поверхностями. Для поиска оптимального варианта расположения асферик рассчитывались системы с поверхностями, описываемыми уравнениями, содержащими, как только четные, так и четные и нечетные степени радиальной координаты. Было получено, что наилучшие результаты из рассчитанных вариантов обеспечивает система, в которой третья поверхность описывается уравнением четной асферики. 7 УДК 681.785.6 ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ВЫПУКЛЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ Т.В. Брыткова (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Научный руководитель – к.т.н., доцент В.И. Батшев (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Одной из основных проблем создания крупных телескопов является обеспечение высокого качества изображения, что в свою очередь требует разработки высококачественных методов измерения и контроля формы асферических зеркал. Наиболее сложной является проблема контроля выпуклых поверхностей. Ее решение стандартными методами приводит к необходимости использования вспомогательных оптических элементов, диаметры которых существенно превышают диаметр самой контролируемой поверхности (КП). Попытка решения этой проблемы привела к созданию новой схемы контроля, согласно которой освещение КП производится источником света, расположенном вблизи вершины ПК. При этом происходит интерференция между пучками лучей, отраженных от КП, и идущих мимо нее. Интерференционную картину можно наблюдать на экране, расположенном параллельно оси симметрии КП. Интерферограмма представляет собой совокупность дуг переменной ширины. Радиусы дуг настолько велики, что их можно считать прямыми полосами. Координаты полос зависят от формы КП и от конструктивных параметров интерферометра: координат точечного источника излучения, координат плоскости регистрации интерферограммы. Для определения уравнения КП по интерферограмме необходимо с высокой точностью измерить конструктивные параметры интерферометра. Цель работы заключается в разработке метода определения конструктивных параметров интерферометра. Сущность предлагаемого метода заключается в математической обработке интерферограммы, полученной от небольшого опорного участка КП, форма которого заранее измерена с высокой степенью точности. Измерив форму опорного участка КП и координаты соответствующих ему интерференционных полос, можно определить условия, при которых эти полосы получены, т.е. конструктивные параметры интерферометра. Анализ точности разработанного метода показал пригодность его применения для технологического контроля шлифованных поверхностей зеркал; для аттестационного контроля требуется усовершенствование применяемых математических алгоритмов. 8 УДК 621.9.015 МАГНИТНО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Буй Динь Бао Научный руководитель – д.т.н., профессор Э.С. Путилин Формообразование оптических элементов с высокой точностью формы поверхности и малой шероховатостью является актуальной задачей оптической технологии. Эта задача постоянно усложняется, поскольку усложняются схемы оптических приборов, в их состав вводятся оптические элементы с нестандартной формой (цилиндрические поверхности). Расширение рабочего спектрального диапазона использования требует применения новых материалов, прозрачных в различных областях спектра. Работа в ультрафиолетовой области спектра приводит к тому, что необходимо уменьшать шероховатость поверхности до единиц, а иногда и долей нанометра. Не всегда можно использовать стандартные методы формообразования (принудительное формообразование и притир): при обработке налетоопасных и пятнаемых стекол часто затруднен подбор состава смазочно-охлаждающих жидкостей, сложно обрабатывать цилиндрические поверхности. Поэтому анализ возможностей получения оптического элемента заданной формы с минимальной шероховатостью является актуальной задачей, для решения которой необходимо произвести решения не только технических, но и математических задач. Одним из неординарных решений вопросов формообразования является магнитно – абразивная обработка поверхности оптического элемента [1]. Магнитно-абразивный метод обработки поверхностей оптических элементов применяется в основном при финишных операциях формообразования с целью достижения оптимальных параметров поверхности, особенно шероховатости. Обработка приводится с помощью взаимодействия между обрабатываемой поверхностью и магнитными абразивными частицами, заполняющими рабочий зазор, под действием магнитного поля Под действием магнитного поля, магнитные силы удерживают зерна в рабочем зазоре. При вращении детали возникает относительное движение между обрабатываемой поверхностью детали и частицами и отсюда возникает сила трения. Зерна, находящиеся в рабочем зазоре, действуют на обрабатываемую поверхность. В работе исследован динамический процесс и приведены результаты расчета износа при магнитно-абразивной обработке. Показано что, износ при магнитно-абразивной обработке зависит от: формы, зернистости зерна; формы и размера рабочего зазора; величины и градиента магнитной индукции в рабочем зазоре; формы, зернистости зерна и его плотности в рабочем зазоре; скорости вращения детали или скорости вращения магнитного поля и времени обработки [2]. В дальнейшей работе будут рассмотрены схемы обработки с использованием трехфазного тока для получения вращающегося магнитного поля. 1. 2. Литература Барон Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов. – Л.: Машиностроение, 1986. – 176 с. «Magnetic Techniques for the Treatment of Materials» by Jan Svoboda [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/568385/, своб. 9 УДК 535.44 КИНЕТИКА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ И ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР ПРИ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ В ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТАХ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ ZnO И SiO2 В.Г. Булгакова, С.А. Семьина Научные руководители: к.т.н., доцент Н.Д. Ворзобова; д.ф.-м.н., профессор И.Ю. Денисюк Фотополимеризуемые композиции, обеспечивающие модуляцию показателя преломления в процессе интерференционной литографии, в настоящее время являются быстро развивающимся классом материалов, поскольку они технологичны, обладают высокой светочувствительностью, широким диапазоном показателей преломления и низкой стоимостью. Исходя из вышесказанного, фотополимерные композиты становятся перспективными материалами для изготовления голографических дифракционных элементов [1]. Фотополимерные композиты обычно представляют собой гомогенную смесь, состоящую из различных фотоотверждаемых мономеров и фотоинициатора полимеризации. В последнее время для улучшения характеристик голографических нанокомпозитов в мономерную смесь стали вводить различные наночастицы. Голографическая запись осуществляется посредством фотоиндуцированной модуляции показателя преломления происходящей в результате периодического изменения состава и плотности при фотополимеризации мономеров и одновременной взаимной диффузией компонент при записи интерференционной картины [1]. В данной работе проведено исследование влияния наночастиц ZnO и SiO2 на кинетику полимеризации и особенности формирования периодических структур при голографической записи в полимерном композите. Были разработаны прозрачные малорассеивающие нанокомпозиционные материалы, состоящие из коммерчески доступных наночастиц ZnO или SiO2 и мономеров, пригодные для голографической записи. Данный материал имеет хорошие оптические и эксплуатационные свойства [2]. Формирование структуры материала исследовалось методом атомно-силовой микроскопии. Кинетика полимеризации была исследована методом Рамановской спектроскопии. В зависимости от состава полимерной матрицы и природы наночастиц наблюдаются значительные изменения индукционного периода, скорости полимеризации и степени конверсии. На различных нанокомпозитах была записана дифракционная решетка с периодом 2 мкм и дифракционной эффективностью 60%. После проведения АСМ исследований была установлена временная зависимость дифракционной эффективности от композиции и постобработки (равномерной засветки УФ излучением ртутной лампы и нагрева). Литература 1. Yasuo Tomita and Naoaki Suzuki. Holographic manipulation of nanoparticle distribution morphology in nanoparticle-dispersed photopolymers // Optics Letters. – 2005. – Vol. 30. – № 8. – Р. 839–841. 2. Nanocrystals – Synthesis, Characterization and Applications Edited by Sudheer Neralla, p.198, chapter 5 Optical Nanocomposites Based on High Nanoparticles Concentration and Its Holographic Application By Igor Yu. Denisyuk, Julia A. Burunkova, Sandor Kokenyesi, Vera G. Bulgakova and Mari Iv. Fokina 10 УДК 5202:535.1 СВЕТОСИЛЬНЫЕ ТРЕХЗЕРКАЛЬНЫЕ ОБЪЕКТИВЫ БЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ С ВЫПУКЛЫМ ВТОРИЧНЫМ И ВОГНУТЫМ ТРЕТЬИМ ЗЕРКАЛАМИ К.Д. Бутылкина Научный руководитель – к.т.н., доцент Г.И. Цуканова Для решения многих астрономических задач, в том числе, для глубокого обзора неба требуется светосильные крупногабаритные зеркальные системы с угловым полем не менее 3°. Поскольку системы крупногабаритные то решение может быть найдено в области зеркальных систем и зеркально-линзовых систем с компенсатором в сходящимся пучке лучей. Чисто зеркальные системы безусловно обладают преимуществом перед зеркальнолинзовыми системами, так как могут работать в широком спектральном диапазоне от УФ до ИК. Среди зеркальных систем задачу могут решить зеркальный Шмидт или многозеркальные плананастигматы. Зеркальная система Шмидта имеет осевую длину даже с учетом введения дополнительного плоского зеркала не менее f ′, также остается не исправленной кривизна изображения. Что касается многозеркальных систем, то наиболее простыми из них являются трехзеркальные. Классификация трехзеркальных систем была выполнена. В соответствии с классификацией и исследованием трехзеркальных систем без промежуточного изображения наиболее перспективными являются трехзеркальные системы с выпуклым вторичным и вогнутым третьим зеркалами. Такого типа системы используются в проекте LSST. Зеркальный телескоп имеет диаметр главного зеркала 8,4 м, длину порядка 10 м, угловое поле 3° и относительное отверстие 1:1,25. Все зеркальные поверхности высшего порядка, имеется также трехлинзовый компенсатор вблизи плоскости изображения, у которого также все поверхности асферики высшего порядка. Диаметр входного зрачка 6,5 м, следовательно, экранирование по диаметру более 0,6. Не понятно как защищена плоскость изображения от постороннего света, падающего на третье зеркало, минуя первое и второе. В рассмотренной ранее трехзеркальной системе для организации защиты от постороннего света определяется оптимальное положение апертурной диафрагмы и устанавливается внутренняя бленда в отверстие главного зеркала до апертурной диафрагмы, внешняя бленда у второго и первого зеркал. Целью работы является габаритный и аберрационный расчет в области аберраций третьего порядка объективов без промежуточного изображения с выпуклым вторичным и вогнутым третьим зеркалами с коррекцией сферической аберрации, комы, астигматизма и кривизны изображения. Исследование исходных систем и расчет одного из вариантов. При расчете зеркальных систем радиусы кривизны поверхностей зеркал и расстояния между ними не являются полноценными параметрами. Они, как правило, используются для устранения кривизны изображения, приемлемых значений расстояний между зеркалами, а также удобного положения плоскости изображения и допустимого экранирования. В работе на стадии габаритного расчета задаются значения: α2 (связано с относительным отверстием главного зеркала), h2 (определяет экранирование системы) и α3. Значение h3 определяется из условия устранения кривизны изображения. Полученные значения высот hs и углов αs позволяют найти радиусы поверхностей зеркал, расстояния между зеркалами и положение плоскости изображения. Однако условие устранения кривизны возможно не при любых сочетаниях α2, α3 и h2. некоторые варианты получаются конструктивно не осуществимыми, например, расстояние 11 между вторым и третьим зеркалами получаются или очень большие или отрицательные. Для исправления аберраций третьего порядка (сферической аберрации, комы, астигмазима) не остается параметров кроме коэффициентов деформации зеркал. При определенном сочетании могут получиться системы со сферическим вторичным или третьим зеркалами. С точки зрения защиты от постореннего света более приемлемыми являются системы со сферическим третьим зеркалом. Были получены формулы для определения коэффициентов деформации зеркал. С помощью полученных формул рассчитан ряд исходных систем. Рассчитанные системы могут быть исходными для расчета неэкранированных систем. УДК 535.8 СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРЦЕВЫХ ПОРИСТЫХ СТЕКОЛ С ОРГАНИЧЕСКИМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ В.Д. Гавричев, Е.И. Котова Научный руководитель – д.т.н., профессор А.Л. Дмитриев Пористые стекла (ПС) с регулируемыми структурными характеристиками обладают уникальными свойствами: термической, химической, микробиологической и радиационной устойчивостью, стабильностью характеристик во времени, прозрачностью в широком диапазоне длин волн. Области практического применения ПС существенно расширяются благодаря возможности их импрегнирования (пропитывания) органическими наполнителями. Для эффективного использования ПС необходимо знание температурных зависимостей спектрального пропускания образцов кварцевых ПС с различными диаметрами пор и пористостью, а также пропускания импрегнированных образцов ПС с органическими наполнителями. Эти зависимости положены в основу разработок волоконно-оптических датчиков температуры (ВОДТ). Задача настоящей работы состоит в определении оптимальных значений пористости и диаметра пор «чистых» (непропитанных) и импрегнированных органическими веществами пористых стекол, имеющих высокое спектральное пропускание в видимом диапазоне оптического излучения. Решающим фактором светорассеяния двухфазных стекол является структурная неоднородность ликвационного типа (размеры каркаса кремнеземной фазы и ликвационных каналов, занимаемых нестойкой фазой), параметры которой определяются составом исходного стекла и режимом его тепловой обработки. Исследованы спектры девяти образцов ПС толщиной 1мм с различными диаметрами пор и показателями пористости. Образцы №1 (средний диаметр пор 2 нм, пористость 30%), №4 (средний диаметр пор 24 нм, пористость 50%), №5 (средний диаметр пор 9 нм, пористость 40%), №6 (средний диаметр пор 3 нм, пористость 40%) и №7 (средний диаметр пор 35 нм, пористость 70%) отличаются высоким, свыше 70% спектральным пропусканием в диапазоне длин 380–770 нм. Температурные зависимости пропускания образца №4, пропитанного анестезином, в окрестности температуры фазового перехода анестезина демонстрируют принцип действия ВОДТ с чувствительным элементом на основе ПС. Спектральное пропускание пропитанного трибензиламином образца ПС №7 низкое по сравнению с пропусканием пропитанных анестезином образцов №4 и №5 при температурах фазового перехода импрегнированных органических веществ. В общем, характер изменения пропускания от длины волны одинаков у всех образцов пропитанных органическими веществами ПС: оптическое пропускание возрастает по мере увеличения длины волны; как исключение, оптическое излучение в образце №7 полностью поглощается в ультрафиолетовой области спектра от 380 до 430 нм. Как показали результаты исследования спектральных и температурных характеристик кварцевых пористых стекол с органическими наполнителями, для достижения наибольшего 12 значения пропускания в волоконно-оптической измерительной системе с использованием в качестве чувствительного элемента волоконно-оптического датчика температуры импрегнированное пористое стекло, целесообразно использовать источник оптического излучения с длинной волны в инфракрасной области спектра диапазона 800–900 нм. Рассмотрены практические устройства ВОДТ на основе ПС и приведены результаты экспериментов, подтвердивших работоспособность таких датчиков. УДК 535.32 К ВОПРОСУ О ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ МЕТОДОМ ОКОНТУРИВАНИЯ А.М. Голубев Научный руководитель – д.т.н., профессор В.К. Кирилловский Для определения показателя преломления жидкостей достаточно широко используют рефрактометры различных типов, из которых наиболее популярным является рефрактометр Аббе. На практике при измерениях показателя преломления рефрактометром Аббе за результат принимают среднее арифметическое значение нескольких измерений (например, 5– 10). Основным источником погрешности при этом служит размытость границы раздела темной и светлой частей поля. В модернизированном рефрактометре Аббе, в котором при обработке изображения применяется метод оконтуривания, можно добиться четкого разделения темной и светлой частей поля. Это, предположительно, должно вести к снижению погрешности при наводке и, как следствие, повышению точности измерений показателя преломления. Во всех отраслях науки и техники в последнее время широкую популярность приобрели методы имитационного моделирования (статистических испытаний). Попытаемся этими методами обосновать предположение, что используемый в модернизированном рефрактометре Аббе метод оконтуривания повышает точность измерений показателя преломления. Сравнение точности определения показателя преломления обычным серийным рефрактометром Аббе (Прибор 1) и модернизированным (Прибор 2) выполняли с помощью ряда модельных экспериментов по измерению показателя преломления дистиллированной воды (табличное значение показателя преломления 1,33291 при 20°С). Прибор 1 позволяет производить измерения с погрешностью 2⋅10–4. В соответствии со статистическим правилом трех сигм (3σ) можно утверждать, что 3⋅σ1=2⋅10–4, следовательно, σ1=6,(6)⋅10–5. Генерируя случайные числа по нормальному закону распределения с параметрами µ=1,33291 и σ1=6,(6)⋅10–5, получим моделируемые результаты измерений. Прибор 2 за счет использования метода оконтуривания позволяет производить измерения на порядок с более высокой точностью 3⋅σ2=2⋅10–5, поэтому для этого прибора будем генерировать случайные числа по нормальному закону распределения с параметрами µ=1,33291 и σ2=6,(6)⋅10–6. Ограничимся проведением 1000 независимых модельных экспериментов для каждого прибора. Анализ результатов показал, что Прибором 1 даже по проведении 1000 модельных экспериментов не удается достичь точности измерений до 5-ти знаков после запятой. Достижение такой точности вообще представляется сомнительным. А для Прибора 2 точность измерений достигает 5-ти знаков после запятой. Для модернизированного рефрактометра Аббе период стационарности (когда среднее практически не меняет своего значения) начинается уже после проведения 200 модельных экспериментов. После 200 модельных экспериментов пять цифр после запятой перестали 13 меняться. Таким образом, точность измерений, включая пятый знак после запятой, может быть достигнута по проведении 200 реальных (не модельных) экспериментов. Для простого рефрактометра Аббе период стационарности практически не наступил и после проведения 1000 модельных экспериментов (среднее значение сильно колеблется относительно эталонного). Модельный эксперимент показал, что: 1. Проведение 5–10 измерений рефрактометром Аббе недостаточно для определения показателя преломления с точностью до 4-х знаков. 2. Модернизированный рефрактометр Аббе на основе метода оконтуривания позволяет повысить точность измерений показателя преломления, исключив погрешность наведения. УДК 535.31 СИНТЕЗ ОБЪЕКТИВА ДЛЯ ИНДИКАЦИИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СХЕМЫ Н.Ю. Гришина Научный руководитель – к.т.н., доцент А.В. Бахолдин Вступление. Современные системы индикации позволяют оператору видеть всю необходимую информацию в поле своего зрения, не отвлекаясь от выполняемой задачи. В авиации, например, широко используются индикаторы на лобовом стекле и нашлемные системы индикации. Данные устройства необходимы при выполнении сложных задач, таких как ведение боя или посадка самолета, когда нет возможности отвлечься от наблюдения закабинного пространства и обязательна мгновенная реакция. В настоящее время виртуальные дисплеи анонсируются для применения в медицине, космонавтике, автомобилестроении, индустрии развлечений и в повседневной жизни. Целью работы является синтез оптической системы объектива для индикации информации. Базовые положения исследования. В системах индикации информации используются матричные источники, и для обеспечения надлежащего качества их работы необходимо организовывать телецентрический ход лучей в пространстве генератора символов. Для выполнения этой задачи применяются объективы с вынесенным зрачком, помещенным в заднюю фокальную плоскость. Систему с вынесенным выходным зрачком удобнее рассчитывать в обратном ходе лучей, поэтому представляем объектив в виде двухкомпонентной оптической схемы с вынесенным входным зрачком. Чаще всего возникает необходимость обеспечить значительный вынос зрачка, при этом сохранив компактные габаритные размеры системы. Поэтому в качестве начальных параметров для расчета выбираем удаление зрачка от совмещенных главных плоскостей первого компонента и расстояние от плоскости зрачка до плоскости изображения. В процессе работы были выведены зависимости, которые позволяют, зная начальные параметры, определить фокусные расстояния обоих компонентов, расстояние между их совмещенными главными плоскостями и задний отрезок системы. Для удобства последующего анализа, полученные результаты были представлены в графическом виде. Проведенные исследования позволили классифицировать два возможных типа систем – «короткую» и «длинную», а также выделить несколько вариантов композиции оптических схем. Выбор подходящей оптической схемы производился, опираясь на общие требования к 14 системе, а также возможность реализации данной схемы на практике. Необходимо обеспечить не только большой вынос входного зрачка, но и задний отрезок, достаточный для размещения дополнительных элементов, таких как призмы, поляризаторы и т.д. Относительное отверстие всего объектива, при заданном диаметре входного зрачка и фокусном расстоянии всей системы, будет постоянно, вне зависимости от параметров отдельных компонентов оптической схемы. Поэтому имеет смысл выбирать компоненты таким образом, чтобы уменьшить их относительные отверстия. В дальнейшем, используя результаты габаритного расчета, был произведен расчет конструктивных параметров. Результаты 1. Выведены зависимости, благодаря которым, при заданных удалении входного зрачка от совмещенных главных плоскостей первого компонента и расстоянии от плоскости зрачка до плоскости изображения, можно определить параметры двухкомпонентной схемы. 2. Рассмотрены два типа систем объектива с вынесенным зрачком. 3. Произведен анализ вариантов композиции оптических схем объектива для индикации информации. 4. Выбраны оптимальные варианты начальной схемы объектива для последующего расчета. 5. В качестве примера представлены этапы расчета объектива для индикации информации. Основной результат. Произведен этап синтеза объектива для индикации информации. УДК 778.38; 535.317.1 ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ ОБЪЕМНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ РЕГИСТРИРУЮЩИХ СРЕД А.В. Данильчук, Н.В. Андреева, И.А. Степанов Научный руководитель – к.ф.-м.н., с.н.с., доцент О.В. Андреева Для получения объемных голограмм используют различные регистрирующие среды: полимерные среды привлекают большое внимание, хотя не обладают такими высокими физико-механическими свойствами, как кристаллы или силикатные стекла, но процесс их изготовления является более дешевым и доступным. Следует отметить, что, в отличие от силикатных стекол полимерные среды обладают свойством поглощать влагу, что приводит к изменению толщины полимерного образца и его среднего показателя преломления. Эти изменения, в свою очередь, приводят к изменению параметров зарегистрированной голограммы и нестабильности характеристик голограммных оптических элементов при изменении влажности окружающей среды. Объектом исследования в данной работе являются образцы полимерной регистрирующей среды «Диффен» толщиной (1–2) мм, используемые для получения объемных голограмм. Такие голограммы представляют большой интерес с точки зрения практического применения при создании высокоселективных оптических элементов и систем сверхплотного хранения информации. В работе был исследован процесс набора влаги полимерными образцами различного синтеза при увеличении влажности окружающей среды и процесс потери влаги при уменьшении влажности. Изменение поглощенной или выделенной образцом влаги контролировалось путем измерения веса образца. Проведенные измерения позволили определить зависимость изменения веса каждого исследуемого образца при его выдерживании в атмосфере повышенной или пониженной влажности. Было показано, что полимерные образцы, помещенные в замкнутый объем с относительной влажностью более 90%, увеличиваются в весе на величину до 1,5% в течение 15 нескольких суток, при этом впервые 2–3 часа набора влаги увеличение веса происходит наиболее быстро. В процессе проведения работы было обнаружено, что набор влаги образцами, синтезированными в различных условиях, происходит достаточно типично: образцы одинаковой толщины, выдержанные в атмосфере повышенной влажности в течение трех суток, изменили свой вес на (1,0–1,2)%. Впервые в работе было проведено сравнение микротвердости полимерных образцов при различном состоянии их влажности, которая определяется влажностью окружающей среды. Микротвердость образцов определялась методом Виккерса на приборе ПМТ-3 по размеру диагонали отпечатка алмазной пирамидки, вдавливаемой в поверхность образца. Было обнаружено, что микротвердость образцов, измеренная при влажности окружающего воздуха (50–60)%, уменьшается при наборе влаги образцом, причем это изменение тем меньше, чем выше исходная микротвердость образца. Экспериментальные результаты, полученные для образцов материала «Диффен» впервые, будут использованы для оптимизации условий экспериментальной работы с полимерными образцами при получении объемных голограмм и их использовании. УДК 635.854 ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ АСФЕРИЗАЦИИ Доан Ван Бак Научный руководитель – д.т.н., профессор Э.С. Путилин В работе рассмотрены интерференционные покрытия для вакуумной асферизации. Основное требование, предъявляемое к таким покрытиям, заключается в постоянстве энергетического коэффициента отражения (пропускания) при изменении толщин одного или нескольких слоев по поверхности оптического элемента [1, 2]. Этим требованиям удовлетворяют фазо-компенсирующие покрытия. Фазо-компенсирующие покрытия – это такие покрытия, у которых с изменением оптической толщины одного или нескольких слоев, значение энергетического коэффициента отражения (пропускания), в одной или интервале длин волн, остается постоянным, а изменяется фаза отраженного или прошедшего излучения. Эти покрытия могут использоваться не только для задач вакуумной асферизации, но и для формирования волнового фронта в интерферометрах Фабри-Перо или лазерных резонаторах. Рассмотрены три вида систем: 1. состоящих из четвертьволновых слоев, на которые сверху нанесен слой с меняющейся толщиной (градиентный); 2. содержащих также только один градиентный слой, находящийся между двумя системами, k l k l состоящими из нескольких четвертьволновых слоев: (n1 n 2 ) (n )(n3 n 4 ) , (n1 n2 ) n1 (n )(n3 n4 ) , (n1n2 )k n1 (n )(n3 n4 )l n3 , (n1n2 )k (n )(n3 n4 )l n3 , где k, l – любое целое положительное число. 3. образованных многослойными четвертьволновыми системами с чередующимися градиентными слоями. В работе определены значения показателей преломления градиентных слоев в зависимости от показателей преломления и числа четвертьволновых слоев, обрамляющих градиентный слой или находящихся под ним. Кроме этого определены амплитудные и энергетические коэффициенты отражения, пропускания систем, а так же рассмотрены изменения разности фаз между падающим и отражающим излучением, разности фаз между падающим и прошедшим излучением в зависимости от оптической толщины градиентного слоя; формирование волнового фронта отраженного и проходящего излучения с помощью таких систем. 16 1. 2. Литература Губанова Л.А. Градиентные интерференционные системы, автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. Путилин Э.С. Оптические покрытия. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 227 с. УДК 666.223.9 СТЕКЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА С ПОВЫШЕННОЙ АПЕРТУРОЙ М.В. Дяденко (Белорусский государственный технологический университет) Научный руководитель – д.т.н. профессор И.А. Левицкий (Белорусский государственный технологический университет) Краткое введение. Данная разработка посвящена волоконной оптике на основе жесткого волокна и решает важную задачу обеспечения надежности и мобильности приборов и составляющих их компонентов – волоконно-оптических элементов (ВОЭ). К ним относятся волоконно-оптические жгуты, волоконно-оптические пластины, фоконы и твистеры, которые находят широкое применение в медицине, электронике, автомобилестроении и других отраслях народного хозяйства. Апертура ВОЭ в зависимости от показателей преломления стекол световедущей жилы и светоотражающей оболочки может варьироваться от 0,1 до значений порядка 1,3, захватывая «конус» световой энергии с углом от долей градуса до 180о. Высокоапертурные волоконно-оптические элементы способны захватить значительный «конус» падающих на входной торец световых лучей, увеличивая при этом эффективную яркость слабоосвещенных предметов. Они находят широкое применение в качестве фронтальных стекол в электронно-лучевых трубках, вакууплотных волоконно-оптических пластин и инверторов. Наиболее важное применение ВОЭ с повышенным значением апертуры (A>1) находят в оборонной промышленности как основа всех приборов ночного видения. В последние годы широкое развитие в мировой практике получило использование в приборах ночного видения электронно-оптических преобразователей II+ поколения, которые характеризуются высоким качеством изображения по всему полю экрана. Оптическое волокно включает световедущую жилу, светоотражающую и защитную оболочки. Основным материалом для изготовления жесткого оптического волокна различного назначения остается оптическое стекло, наиболее важными свойствами которого являются преломляющая способность и светопропускание. Постановка проблемы. Существенной проблемой производства волоконнооптических изделий является низкий выход годной продукции, что связано главным образом с кристаллизацией стекла для световедущей жилы в процессе вытягивания волокна. Рост спроса на изделия волоконной оптики требует увеличения объема производства, поэтому актуальным является повышение качества продукции и снижение ее себестоимости за счет совершенствования составов стекол и снижения технологических потерь на стадии вытягивания волокна. Подавление процессов кристаллизации стекол в процессе изготовления оптического волокна является сложной технологической задачей и требует выполнения экспериментальных работ, связанных с оптимизацией составов стекол световедущей жилы, светоотражающей и защитной оболочек. 17 Целью работы является разработка базовых составов стекол для световедущей жилы, светоотражающей и защитной оболочек жесткого оптического волокна, устойчивых к кристаллизации в температурном интервале формования с заданным уровнем оптических, термических и реологических характеристик. Базовые положения исследования. Стекло для световедущей жилы синтезировано на основе системы BaO–La2O3–B2O3–SiO2–TiO2–ZrO2–Nb2O5, в которой содержание оксидов SiO2, B2O3, ZrO2 и Nb2O5 сохранялось постоянным и составляло 60 мол.%; для светоотражающей оболочки – на основе системы К2O–В2О3–SiO2, ограниченной содержанием оксидов, мол.%: SiO2 65–80, B2O3 15–30 и K2O 5–20; для защитной оболочки – на основе системы Na2O–В2О3–SiO2, ограниченной содержанием, мол.%: SiO2 60–80, B2O3 5– 25 и Na2O 10–30. Стекла для оптического волокна разработанных составов устойчивы к кристаллизации в интервале 600–1100оС при их термообработке в течение 24 ч, не взаимодействуют между собой на границе спая в процессе вытягивания волокна и согласованы между собой по показателю преломления, величине температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) и вязкостным характеристкам. Это обеспечивает повышенное светопропускание готового ВОЭ и пониженный на 10–12% выход некондиционной продукции в сравнении с промышленными аналогами. Соотношение оптических постоянных стекол для световедущей жилы и светоотражающей оболочки обеспечивает числовую апертуру, составляющую 1,03. Термомеханическая прочность достигается за счет минимального различия по величине ТКЛР между стеклом световедущей жилы и защитной оболочки, составляющего 0,6·10–7 К–1. При этом значение ТКЛР стекла светоотражающей оболочки ниже ТКЛР стекла световедущей жилы на 24,4·10–7 К–1. Обеспечение требуемых геометрических параметров оптического волокна и стабильность процесса его вытягивания достигается при согласованности стекол по вязкостным характеристикам. Согласованность стекол по показателям вязкости определяется температурным интервалом ее изменения от 1010 до 104 Па·с, составляющим 150–200оС. По величине данного интервала стекла располагаются в следующей последовательности: световедущая жила–защитная оболочка–светоотражающая оболочка. Практические результаты. По результатам исследований разработаны составы стекол для световедущей жилы, светоотражающей и защитной оболочек. На их основе изготовлено жесткое оптическое волокно с числовой апертурой 1,03, предназначенное для получения ВОЭ с повышенной пропускной способностью. Составы стекол для оптического волокна прошли промышленную апробацию в условиях ОАО «Завод «Оптик», по результатам которой осуществлен выпуск опытной партии волоконно-оптических пластин. Использование указанных составов стекол позволяет получить волоконно-оптические пластины с высокой разрешающей способностью и требуемой чистотой поля зрения и использовать их в приборах ночного видения II+ поколения. Данная разработка может быть использована промышленными предприятиями и научно-исследовательскими учреждениями, которые осуществляют производство и ведут исследования в области получения жесткого оптического волокна и ВОЭ. 18 УДК 681.7.067 АБЕРРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КИНОФОРМНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. Егоров Научный руководитель – д.т.н., профессор А.П. Грамматин Для решения задачи спектральной оптической когерентной микроскопии и создания микроскопа со спектральным «погружением», необходимо исследовать и рассчитать объектив с заведомо неисправленным хроматизмом положения в воздухе равным 0,6 мм и в среде – 1 мм. Оптический материал такого объектива должен обладать коэффициентом дисперсии равным 20. В первую очередь была проверена возможность использования стекол и кристаллов в качестве элементов оптической системы. Для заданного спектрального диапазона (1,1– 1,3 мкм) значение чисел Аббе у стекол >400, у кристаллов >350. Значит, для получения необходимого значения хроматизма положения может потребоваться большое количество линз с большой оптической силой. Поэтому было решено использовать киноформный элемент в качестве силового компонента объектива. Киноформный элемент представляет собой фазовую круговую дифракционную решетку с переменным шагом. Ранее киноформ использовался в качестве компенсатора вторичного спектра оптических систем. Были изготовлены опытные образцы объектива микроскопа и фотографического объектива. Относительная оптическая сила киноформной линзы в этих случаях не превышала 0,17. Коэффициент дисперсии киноформа определяется отношением спектрального диапазона к основной длине волны, что в заданном спектральном диапазоне длин волн и фокусным расстоянием 16 мм обеспечивает хроматизм положения в воздухе – 1 мм и в среде – 1,5 мм. Установлено, что киноформный элемент позволяет идеально исправлять волновую сферическую аберрацию, но значение отклонения от изопланатизма при высоком значении числовой апертуры слишком велико. Следовательно, использовать один киноформ в качестве объектива нельзя. Для исправления изопланатизма можно использовать компенсаторы, например компенсатор Чуриловского. С помощью компьютерного моделирования была получена формула, связывающая первый параметрический коэффициент с фокусным расстоянием. Также исследована зависимость второго и третьего параметрического коэффициента киноформа со значением волновой сферической аберрацией четвертого и шестого порядков соответственно. Кроме того, исследована связь между оптической силой киноформа и сферохроматической аберрацией. УДК 535.317 АБЕРРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОНКОЙ ЛИНЗЫ В ШИРОКИХ И УЗКИХ ПУЧКАХ ЛУЧЕЙ В.В. Ежова, И.Н. Тимощук Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Принципиально задача построения изображения предмета решается с помощью одной тонкой линзы. При этом величина сферической аберрации, комы и астигматизма изображения определяется оптической силой и формой (прогибом) линзы, поперечным увеличением изображения (положением предмета относительно линзы) и положением входного зрачка. Для достижения требуемого качества изображения оптическую систему объектива, состоящую из одной тонкой линзы, приходится дополнять, как минимум, еще 19 одной линзой. В общем случае это приводит к изменению положения предмета, изображаемого исходной линзой, к изменению оптической силы и прогиба линзы и, как следствие, к изменению требуемого положения входного зрачка. Поэтому изучение аберрационных свойств тонкой линзы можно рассматривать как необходимое условие грамотной композиции оптических систем. При расположении тонкой линзы в широких пучках лучей, возможно, найти такие значения поперечного увеличения, при которых в изображении, образованном тонкой линзой, отсутствуют первичные аберрации: сферическая аберрация и кома. Важным частным случаем применения тонкой линзы в воздухе является случай, когда поперечное увеличение равно нулю, т.е. случай, когда предмет расположен на бесконечно большом расстоянии от линзы. Если система состоит из k-линз, то значение параметра, определяющего кому, не зависит от числа линз в системе. Т.е. при апланатической коррекции первичных аберраций показатель преломления материала линз должен быть заметно больше, чем при стигматической. При расположении тонкой линзы в узких пучках лучей, значение аберраций зависит от положения входного зрачка. Кривизна поверхности изображения, образованного тонкой линзой, определяется ее оптической силой и показателем преломления материала линзы. При однозначном положении входного зрачка, при котором в изображении, образованном тонкой линзой, отсутствует первичный астигматизм, при том же положении зрачка отсутствует и первичная кома. При композиции оптических систем важно знать не только положение входного зрачка тонкой линзы при анастигматической коррекции аберраций, но и характер изменении астигматизма при изменении положения зрачка. Поэтому знание аберрационных свойств тонкой линзы, выбранной в качестве базовой, позволяет грамотно дополнять ее требуемыми коррекционными элементами. УДК 535.317 МОНОХРОМАТИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТИВЫ ДЛЯ СИСТЕМ КОГЕРЕНТНОЙ МИКРОСКОПИИ В.В. Ежова Научный руководитель – д.т.н., профессор Л.Н. Андреев Краткое вступление, постановка проблемы. Для проведения ряда исследований в области спектральной оптической когерентной микроскопии возникает необходимость создания монохроматических объективов, применяемых с различными лазерами. Основным требованием, предъявляемым к этим объективам, является: обеспечение дифракционного качества изображения для дискретных длин волн лазеров в пределах спектральной области без фокусировки объектива (перемещения вдоль оптической оси). Глубина сканирования среды вдоль оптической оси определяется величиной хроматизма положения объектива. Цель работы. Рассмотреть методику расчета монохроматических объективов для ближней ИК области спектра. Базовые положения исследования. При расчете был использован модульный принцип проектирования. Сущность методики заключается в том, что оптическая система объектива синтезируется из элементов (оптических модулей) с известными коррекционными свойствами. У монохроматических объективов коррекции подлежат следующие аберрации: 20 сферическая, кома, астигматизм, кривизна поверхности. Для удовлетворения этих требований оптическая схема должна состоять не менее чем из двух компонентов противоположного знака оптической силы, разделенных воздушным промежутком конечной величины. Первый компонент – плосковыпуклая линза из оптического материала с показателем преломления n=1,6–1,65, выпуклая поверхность, которой выполнена асферической. В такой линзе путем интерполяции величин n и e2 возможна коррекция сферической аберрации и комы. Второй компонент – апланатический мениск. С целью повышения числовой апертуры объектива и улучшения коррекции аберраций в первый компонент вводится апланатический мениск (один или несколько). Для обеспечения необходимой величины хроматической аберрации положения перед объективом располагается афокальная гиперхроматическая линза («хроматизатор»), склеенная из линз, у которых показатели преломления для средней длины волны близки, а средние дисперсии различны. Так как гиперхроматическая линза расположена в параллельном ходе лучей, она не вносит монохроматических аберраций. Путем интерполяции радиусов «хроматической» поверхности добиваются нужного значения хроматической аберрации положения. При расчете объективов с небольшим полем порядка 1–2° оптическая схема состоит из плосковыпуклой линзу с асферической поверхностью второго порядка и гиперхроматической линзы. Промежуточные результаты. По предложенной методики был произведен расчет монохроматических объективов с увеличенным хроматизмом положения. Для иллюстрации приводятся оптические схемы и остаточные аберрации объективов. Основной результат. Показана эффективность применения модульного проектирования монохроматических объективов с увеличенным хроматизмом положения. Рассчитанные объективы позволяют проводить сканирование исследуемого объекта вдоль оптической оси без перефокусировки в пределах спектральной области. Объективы имеют практически дифракционное качество изображения в пределах указанной спектральной области. УДК 681.772 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СХЕМ ФОРМИРОВАНИЯ СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЯ К.В. Ежова, М.П. Комарова, Д.В. Храбрый, А.А. Бурцева, М.А. Семенова Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Современные компьютерные технологии все чаще требуют обращения к вопросам моделирования стереоизображений. Именно использование стереоизображений позволяет получить наиболее полную и информативную 3D-картину исследуемого объекта, так как основным преимуществом 3D-изображения перед 2D является наглядность и возможность изучения большего количества деталей. Как известно, для формирования 3D-изображений необходимо получить стереоизображения (стереопары), представляющие собой изображения, сформированные для наблюдения левым и правым глазом, как при наблюдении реальной картины окружающего мира. К настоящему времени сформировались два основных способа создания стереопар. Первый способ заключается в использовании двух камер (фотоаппаратов), оптические оси которых располагаются параллельно друг относительно друга, второй – оптические оси которых располагаются под определенным углом друг к другу. Так же съемку можно 21 производить одной камерой, поворачивая ее на тот же заданный угол вокруг объекта съемки. Однако, возможен вариант формирования изображений стереопары на основе одного кадра, путем сдвига кадра на одинаковое расстояние для всех объектов по всей площади такое изображение получило название «псевдо-стереоизображение». В более сложных случаях, возможно прогрессивное вычисление взаимного смещения изображений стереопары в зависимости от наблюдаемой перспективы и других параметров стереосъемки. В докладе рассматриваются основные параметры съемки стереоизображений, приводятся основные соотношения между параметрами установки для стереосъемки, в зависимости от типа съемки, делаются выводы о возможности формирования, так называемого, псевдо-стереоизображения. В качестве основных параметров установки формирования стереоизображения выделяются следующие параметры: стереобаза, угловая стереобаза, фокусное расстояние объектива, угол обзора, угловое разрешение зрения, радиус стереовосприятия размер объекта, расстояние до объекта(минимальное, максимальное), расстояние между объектами. Дополнительными параметрами можно считать параметры дисплея, на который в результате будет выведено изображение с возможностью просмотра его без дополнительных устройств, например, специальных очков. Такими параметрами будут являться: толщина растра, радиус кривизны растра, период растра, показатель преломления материала, угол охвата растра. В дальнейшем планируется разработка программного комплекса для расчета параметров съемки стереопар для формирования стереоизображения, в придельных случаях, при невозможности съемки стереопар, для расчета параметров формирования псевдостереоизображения. УДК 004.932 ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ К.В. Ежова, Д.В. Храбрый, М.П. Комарова, А.А. Бурцева Научный руководитель – д.т.н. профессор В.А. Зверев Современная фото и видеотехника имеет встроенные процессоры, что позволяет применять компьютерные методы для улучшения качества изображения. В работе представлен обзор методов алгоритмов первичной обработки изображений. К первичной обработке изображений принято относить изменение яркости и контрастности изображения, применение алгоритмов гамма-коррекции изображения, избавления от смаза на изображении, двоения и дисторсии изображения, дефокусировки изображения и недостаточной глубины резкости. Алгоритмы первичной обработки изображения используются для исправления искажений на изображении до переноса этих изображений на запоминающее устройство в фото и видеотехнике. Изменение яркости, контраста или проведение гамма-коррекции изображения основывается на попиксельном изменении интенсивности изображения в соответствии с выбранным законом коррекции. Алгоритмическая компенсация геометрических искажений обычно выполняется методом обратного проецирования пикселов скорректированного изображения на исходное. Для компенсации дефокусировки, астигматизма и смаза возможно использование цифровых методов восстановления изображений. В этом случае делается попытка реконструировать или восстановить изображение, которое была искажено, используя априорную информацию о явлении, которое вызвало ухудшение изображения. Поэтому методы восстановления основаны на моделировании процессов искажения и применении 22 обратных процедур для воссоздания исходного изображения, таких как использование алгоритмов обратной фильтрации и фильтрации Виннера. Главным назначением разработки является опробование алгоритмов первичной обработки изображения для дальнейшего возможного использования в программном обеспечении фото и видео – технике. В дальнейшем планируется разработка программного комплекса для первичной обработки изображения. УДК.535.317.2 СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ТЕНЕВЫХ МЕТОДОВ М.Е. Зацепина Научный руководитель – д.т.н., профессор В.К. Кирилловский Краткое вступление, постановка проблемы. В 1856 году Леон Фуко предложил метод визуализации деформаций волнового фронта в зрачке оптической системы, названный теневым методом. В предложенном методе высокая чувствительность сочетается с чрезвычайной простотой выполнения и наглядностью. Теневой метод Фуко используется для исследований деформаций волнового фронта, связанных с аберрациями оптических систем и ошибками оптических поверхностей. Данный метод широко используется в процессе обработки оптических поверхностей, особенно крупногабаритных, и позволяет устранять ошибки оптических поверхностей и вести обработку в правильном направлении для достижения их высокого качества. Однако традиционный теневой метод не дает возможности осуществлять количественные оптические измерения ошибок и получать топограмму волнового фронта для последующей обработки с целью расчета характеристик качества оптического изображения, таких как ФРТ, ЧКХ, ФКЭ. Для устранения этой проблемы нами выполняется разработка и исследования, основанные на трансформации изображения теневой картины в изображение системы полос, аналогичных интерферограмме сдвига для контролируемой поверхности. Цель работы. Систематизация существующих количественных теневых методов и разработанного количественного теневого метода на основе использования метода изофотометрии, который позволяет получить карту деформаций исследуемого волнового фронта, таблицы коэффициентов Цернике, а также характеристики качества оптических систем, такие как ФРТ, ФРЛ и ЧКХ и функция концентрации энергии в пятне рассеяния. Базовые положения исследования. Первой попыткой количественного применения теневых методов стал способ теневого измерения топограммы поверхности по зонам, предложенный Ж. Ричи. Для контроля зеркальных параболических поверхностей был предложен экран, освещающий только три зоны: центральную (параксиальную), краевую (периферийную) и зону между ними – промежуточную, которые соответствуют краям и центру каустики. Устанавливая каждый из моментов затемнения указанных зон, можно точно определить положение краев и центра каустики. Д.Д. Максутов усовершенствовал метод ножа Фуко, заменив точечный источник света (примененный Фуко) узкой щелью, а нож – узким прямолинейным экраном в виде нити. Основным преимуществом метода нити Д.Д. Максутова по сравнению с методом зонального ножа является его способность ограничивать на контролируемом участке экранирующее действие вплоть до очень узкой области. Более того, дифракционные эффекты 23 здесь симметричны по отношению к кольцевым зонам. Места пересечения нормалей с оптической осью можно измерить значительно точнее и оценить отклонения экспериментальных значений пересечений от теоретических (получить значения аберраций нормалей). В. Ронки уделил большое внимание в своих трудах методу решеток. Метод Ронки является одним из простейших и наиболее удачных способов оценки измерения аберраций оптических систем. Метод теневых решеток состоит в исследовании волны света, прошедшей через оптическую систему, при помощи дифракционной решетки. Дифракция играет важную роль в наблюдаемом явлении, однако окончательным результатом является возникновение интерференционной картины. Такие схемы контроля иногда называют «интерферометрами с решеткой». Промежуточные результаты. Интерес представляет количественный теневой метод Фуко–Филбера, который относится к фотометрическим телевизионным методам. Суть метода заключается в том, что с помощью фотоэлектрического анализа интерференционной картины осуществляется отображение аберраций волнового фронта в виде электрических сигналов и мгновенное отображение наглядной формы его профиля на экране электронного осциллографа. Недостатки метода – ограниченную область применения. Метод не позволяет получить карту деформаций волнового фронта, не дает возможности определять характер преобладающих на данной поверхности аберраций и ошибок обработки. Существующий метод ножа Фуко передает деформации волнового фронта как полутоновую картину, позволяющую наглядно отображать деформации волнового фронта и по ним качественно определять характер преобладающих на данной поверхности аберраций. В данной работе найдено, что благодаря использованию в компьютере метода и программы изофотометрии возможно произвести трансформацию двух теневых картин Фуко, полученные с поворотом ножа на 90 градусов, в две картины полос, аналогичные интерферограммам Ронки. Компьютерная обработка пары картин полос при помощи программы «Tiger», разработанной на кафедре ПиКО НИУ ИТМО, позволяет получать топограмму волнового фронта для последующей обработки с целью расчета характеристик качества оптического изображения, таких как ФРТ, ЧКХ и функция концентрации энергии в пятне рассеяния. Основные результаты. Для количественной расшифровки теневой картины используют программу изофотометрии, основанную на регистрации серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции на одном и тоже фотоприемнике. Программа изофотометрии трансформирует плавную функцию распределения освещенности в каждой теневой картине ножа Фуко в систему изофот, аналогичную системе полос Ронки Использование программы «Tiger» для обработки и анализа исследуемых картин дает возможность получить количественную информацию об ошибках волнового фронта, а также возможность расчета характеристик качества изображения. Таким образом, предлагаемый метод, впервые для теневых методов, позволяет посредством количественной расшифровки тенеграммы ножа Фуко получать полную карту волнового фронта поверхности или оптической системы, получать таблицы коэффициентов Цернике и рассчитывать на основании этих данных основные характеристики качества изображения: ФРТ, ЧКХ, функции концентрации энергии в пятне рассеяния. 24 УДК 004.021, 53.084.2, 681.7.06/.07, 681.2.082.5.001.63 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ А.Н. Зленко, И.А. Шолохов Научный руководитель – к.т.н., доцент Н.Д. Толстоба Важнейшие проблемы, решение которых определяет уровень ускорения научнотехнического прогресса общества это увеличение производительности труда разработчиков изделий, сокращение сроков проектирования. Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) стремительно разрешает эти проблемы за счет создания и внедрения таких систем на производство. В настоящее время созданы и применяются в основном средства и методы, обеспечивающие автоматизацию проектирования оптических систем. В рамках этого автоматизируется расчет необходимых характеристик оптической системы, аберрационный расчет оптической системы, расчет допусков на конструктивные элементы оптической системы, и другие характеристики для формирования технического задания на конструирование и изготовление прибора. Дальнейший расчет конструкции прибора, в частности расчет параметров элементов крепления оптической системы выполняет конструктор. На этапе конструирования возможно применение автоматизации для повышения качества и производительности. Цель работы – разработка метода автоматизации расчета конструктивных параметров элемента крепления круглого оптического элемента. При исследовании методов автоматизации проектирования оптических систем в трудах С.А. Родионова предлагается алгоритм автоматизированного проектирования. Суть алгоритма заключается в комплексном выполнении основных операций математического моделирования: анализ, синтез и оптимизация математической модели. Согласно алгоритму производится расчет оптической системы по обратной задаче: формируется первоначальная структура оптической системы, а по известной модели ведется расчет первичных параметров. Однако крайне редко удается получить оптимальные значения параметров. Связано это с тем, что при синтезе используется эвристический алгоритм перебора значений. Поэтому после синтеза необходимо применять оптимизацию расчетов, цель которых является циклическое изменение значений параметров для достижения наилучших значений искомых характеристик. В рамках исследования вопросов автоматизации назначения допусков на элементы крепления оптических деталей выявлена зависимость конструктивных параметров оправы линзы и допусков формы и расположения. Для анализа зависимости допусков линзы и оправы, и как следствие для определения оптимальных значений конструктивных параметров оправы предложено все значения свести в матрицу. Расчет значений матрицы проводится по методу синтеза. Зная параметры оптической системы, а именно конструктивные параметры отдельных компонентов и допуски центрирования сферических поверхностей моделируется конструкция с назначенными допусками. Согласно выявленной зависимости допусков и конструкции оправы производится расчет значений конструктивных параметров искомой оправы. Используя матрицу значений оптического узла проводится оптимизация параметров. Разработан программный модуль, который производит расчет значений конструктивных параметров оправы, с применением описанного метода. Модуль применим для расчету узла, в котором линза крепится с помощью резьбового кольца. Проведена апробация метода, которая показала, что таким методом возможно определить оптимальные параметры элемента крепления круглой оптической детали. 25 УДК 5202:535.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ХРОМАТИЗМА УВЕЛИЧЕНИЯ В ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ С КОНЕЧНЫМ ПРОМЕЖУТКОМ МЕЖДУ НИМИ С.Е. Иванов (ОАО «Гирооптика»), К.Д. Бутылкина (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики оптики) Научный руководитель – к.т.н., доцент Г.И. Цуканова (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики оптики) Коррекция хроматических аберраций в оптических системах строится на различии изменения показателя преломления оптических материалов от длины волны. В двухкомпонентном объективе для коррекции хроматизма увеличения достаточно скомпенсировать хроматическое изменение оптической силы одного оптического компонента с помощью изменения оптической силы другого оптического компонента. Исследование хроматизма увеличения, а также решение задачи ахроматизации были проведены в работах Г.Г. Слюсаревым, В.Н. Чуриловского и других авторов [2, 4, 5]. В работах используются сложные формулы и выражения. На практике, когда необходимо задать начальную оптическую систему для дальнейшей работы с заведомо устраненным хроматизмом увеличения, достаточно сложно воспользоваться этими исследованиями. В этом случае нужен достаточно простой способ расчета первоначальной оптической схемы. Целью данной статьи является разработка такого способа расчета оптической системы с разнесенными компонентами, свободной от хроматизма увеличения. В результате выводов и преобразований получается квадратное уравнение относительно оптической силы первого компонента, Ф1λ0 . 2 1λ0 Ф ⋅ a + Ф1λ 0 ⋅ b + c = 0 , где, коэффициенты a, b и c зависят от общей оптической силы разрабатываемой системы, расстояния между компонентами системы и показателей преломления оптических материалов, используемых в оптической системе. Уравнение имеет два решения. Вычислив каждый из корней, получим оптические силы двух компонентов для системы свободной от хроматизма увеличения. Оптическая система будет напоминать расклеенную склейку. В одном из решений получим систему с высоким значением оптических сил компонентов. В реальной системе это отразиться на значениях радиусов оптических поверхностей, они будут очень крутыми. Создание таких систем возможно только с очень малым относительным отверстием, порядка 1:20. Во втором решении значения оптических сил компонентов будут значительно меньше. Это позволяет создавать системы с более высоким значением относительного отверстия. Таким образом, был получен достаточно простой алгоритм для определения оптических сил компонентов для создания оптической системы с заданным значением оптической силы и свободной от хроматизма увеличения. В результате исследования этого алгоритма было получено, что не для всех значений расстояния между компонентами есть действительные значения оптических сил компонентов. Существуют интервалы значений расстояния между компонентами, при которых возможна ахроматизация. Также было установлено, что отношение оптических сил компонентов при всех значениях расстояния между компонентами, при которых возможно устранение хроматизма увеличения, носит линейный характер, т.е. с ростом расстояний между компонентами линейно увеличиваются значения их оптических сил. Таким образом, при создании оптической системы с разнесенными компонентами, 26 свободной от хроматизма увеличения, достаточно задаться оптическими материалами компонентов и фокусным расстоянием всей оптической системы, после чего становиться возможным, провести анализ на возможность создания такой системы и определить оптические силы ее компонентов. 1. 2. 3. 4. 5. Литература Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. Пособие: Для вузов. – 6-е изд., стереот. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 848 с. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Изд. 2-е, доп. и перераб. – Л.: Машиностроение, 1969. – 672 с. Стафеев С.К., Боярский К.К., Башнина Г.Л. Основы оптики: учебное пособие. – Изд.: Питер, 2006. – 336 с. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. – Л.: Машиностроение, 1968. – 312 с. Daniel Malacara, Zacarias Malacara. Handbook of Optical Design. 2-nd edition. New York, 2004. УДК 535.421; 778.38 ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ КОЛЛИМАТОРНЫЕ ПРИЦЕЛЫ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ. ВЫВОД УСЛОВИЯ АХРОМАТИЗАЦИИ. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО КОЛЛИМАТОРНОГО ПРИЦЕЛА С.С. Квитко Научный руководитель – д.т.н., профессор С.Н. Корешев Голографический прицел – это электронно-оптическое устройство, которое является разновидностью коллиматорного прицела. Особенность такого прицела состоит в том, что в его принципиальную схему входит голографическое изображение прицельной марки, которая становится видимой, если голограмму осветить восстанавливающим излучением источника света, входящего в состав прицела. Голографические прицелы позволяют прицеливаться и производить выстрелы при обоих открытых глазах, они, как и оптические электронные прицелы, формируют изображение прицельной точки и выбранного типа прицельной марки. Из достоинств голографических коллиматорных прицелов можно выделить высокую надежность, невозможность физической блокировки пучка лучей лазерного излучения, восстанавливающего голограмму, работоспособность в условиях повышенных температур и влажности, скрытность функционирования, удобство сопряжения с приборами ночного видения, крепящимися на оружии, либо на шлеме бойца, наличие двадцатиступенчатой настройки степени яркости голографического изображения, а также то, что информация, необходимая для реконструкции изображения прицельной марки записана в каждой частице выходного окна прицела. Из недостатков стоит выделить сложность изготовления голограммных оптических элементов и более высокую стоимость по сравнению с оптическими прицелами. Целью работы является анализ имеющихся принцииальных оптических схем голографических коллиматорных прицелов, выявление достоинств и недостатков каждой из них; вывод условия ахроматизации для голограммного оптического элемента и дифракционной ахроматизирующей решетки; описание принципиально новой схемы прицела. В ходе работы было проанализировано пять различных оптических схем 27 голографических коллиматорных прицелов, ни в одном из патентов не было выведено условие ахроматизации, которое является первоочередной задачей при создании оптической схемы голографического прицела, каждая из схем обладает недостатками. Поэтому возникла необходимость создания новой схемы голографического коллиматорного прицела на основе схемы с отражательной дифракционной решеткой, сферическим зеркалом и ГОЭ, устранив недостатки прототипа. Заключение. Таким образом, в работе сделан сравнительный анализ голографических коллиматорных прицелов, выведено условие ахроматизации и представлена новая схема голографического коллиматорного прицела. УДК 531.7.082.5:535.42 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСТАНЦИИ ДИФРАКЦИОННЫМ МЕТОДОМ В.Е. Киреенков Научный руководитель – к.т.н., доцент А.Н. Иванов Постановка проблемы. Сегодня требуются малогабаритные, бесконтактные и дешевые измерители с высокой точностью измерения для позиционирования деталей при их обработке и последующей сборке. Используемые сегодня для этих целей энкодеры, триангуляционные измерители, лазерные импульсные и фазовые дальномеры и интерферометры не могут одновременно удовлетворять всем этим требованиям. Анализ измерительных методов показал, что таким требованиям в значительной степени удовлетворяют дифракционные методы контроля, которые требуется модифицировать таким образом, чтобы они стали пригодны для контроля дистанции до объекта. Цель работы. Разработка абсолютного дифракционного метода измерения расстояния до объекта в диапазоне до 10 м с относительной погрешностью не более 0,01%. − − − − − − − − − Базовые положения исследования Критический анализ существующих методов контроля положения объекта. Анализ основных погрешностей дифракционных измерителей. Создание схемы исключающей влияние ошибки ширины щели. Создание математической модели измерителя. Проведение эксперимента. Анализ возможности использования точек инверсии фазы для построения схем измерения дистанции. Построение математической модели метода, использующего совмещение плоскости развернутой щели с линиями инверсии фазы дифракционной картины. Сравнение результатов математического моделирования с экспериментальными данными. Оценка точностных характеристик метода, анализ возможных методов обработки данных. Промежуточные результаты. Был произведен обзор и анализ известных дифракционных методов контроля положения объекта. Были выявлены их основные недостатки и предложена схема с подвижной дифракционной маркой (щелью), исключающей влияние ошибки ширины щели. Точностной анализ данной схемы показал, что основной вклад в погрешность измерения дистанции вносят ошибки определения координат характерных точек (минимумов) регистрируемой дифракционной картины. 28 Основной результат. Предложен метод регистрации дифракционной картины, уменьшающий ошибку определения ее параметров, суть которого заключается во введении в схему второй щели развернутой относительно первой. Таким образом, на приемнике образуются поперечные интерференционные полосы, погрешность определения периода которых не превышает ∆Т/Т=0,01%. Создана математическая модель, описывающая преобразование световых полей в разработанной схеме, которая хорошо согласуется с результатами практического эксперимента. Вывод. Исследования показали возможность создания дифракционного измерителя удовлетворяющего сформулированным требованиям, а также перспективы развития данного метода измерения дистанции. УДК 535.8 ОПТОТЕХНИКА АПЛАНАТИЧЕСКОГО МЕНИСКА А.С. Ковалёва Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Оптические системы с исправленными сферической аберрацией и комой принято называть апланатическими. В частности это определение применяется и к отдельно взятой поверхности. В зависимости от условия положения предмета и изображения апланатические поверхности делятся на три вида. Апланатическим мениском будем называть мениск, поверхности которого являются апланатическими поверхностями одного из видов и имеют кривизну одного знака. Мениск, образованный апланатическими поверхностями второго вида, находит применение для компенсации остаточного астигматизма и кривизны поверхности изображения. Мениск, образованный апланатическими поверхностями первого и второго вида, находит применение для компенсации остаточной кривизны и астигматизма изображения. Как правило, непременным элементом оптических систем осветительных устройств микроскопов и микрообъективов средней и высокой числовой апертуры является апланатический мениск, образованный апланатическими поверхностями второго и первого вида. При этом радиус кривизны первой поверхности равен его переднему и заднему отрезкам. В образованном апланатическом мениске наблюдаются достаточно большие значения астигматических отрезков, и, как следствие, наличие кривизны поверхности изображения Петцваля. Вполне очевидно исследовать свойства апланатических поверхностей для улучшения качества оптических систем. В апланатическом мениске возьмем радиус кривизны первой поверхности постоянным, концентричным осевой точки входного зрачка, а радиус кривизны второй поверхности апланатическим. С увеличением толщины мениска, радиус кривизны второй поверхности также будет изменяться. Исследуем аберрационные свойства мениска с изменением толщины. При увеличении толщины мениска величина астигматизма остается практически неизменной, но заметно уменьшаются значения величины меридиональных и саггитальных отрезков. Таким образом, варьируя толщиной мениска, можно повлиять на Пецвалеву кривизну. Если взять радиусы кривизны мениска 2–4 мм, соответственно и толщина мениска будет 10 мм, и в таком случае линза приобретает вполне эргономичную форму для применения в практике. Далее, продолжая исследования, можно представить мениск как склейку с разными показателями преломления для исправления хроматических составляющих. 29 Числовая апертура апланатической поверхности в том случае, когда она разделяет воздух со стеклом, ограничена геометрическими соотношениями. Действительно, угол апертурного луча с осью после преломления σ' не может превышать 90°. Апертурные лучи, идущие под углами большими, чем 90° не пересекают апланатическую поверхность. На границе раздела двух сред падающий световой поток частично отражается (френелево отражение) и частично проходит из первой среды во вторую. При выбранном значении показателя преломления n = ni можем построить зависимость коэффициента пропускания от угла падения τ = τ( ni , σ) . В таком случае можем заметить, что при угле падения 90° свет не проходит вообще. При изменении угла падения σ изменяется и величина составляющих коэффициента пропускания прошедшего через границу раздела светового потока, а, следовательно, и возникающая при этом частичная поляризация света. Построив график зависимости поляризации света от угла падения P = P( ni , σ) при выбранных значениях показателя преломления, можем увидеть, что при угле 90 градусов свет не проходит полностью, частично отражается, а частично уходит на засветку, с которой необходимо бороться. В этом случае получается, что в проходящем свете не можем использовать систему апланатического мениска с высокой апертурой. УДК 535.8 ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОДНОЛИНЗОВОГО ПЛАНАСТИГМАТА А.С. Ковалёва Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Еще М.М. Русинов, в своем пособии «Несферические поверхности в оптике», заметил, что уничтожение аберраций третьего порядка само по себе еще не является гарантией равенства нулю или хотя бы малости реальных аберраций. Однако, обращаясь к использованию несферических поверхностей в оптических системах, можно заметить, что замена сферической поверхности несферической поверхностью второго порядка, обладающей тем же самым радиусом кривизны в вершине, что и исходная сферическая поверхность, не вызывала изменения фокусного расстояния оптической системы, а создавала лишь изменения коэффициентов аберраций третьего порядка. При этом профиль поверхности претерпевал изменения, характеризующееся величинами четвертого порядка. Примером такой системы может быть однолинзовый объектив типа «плананастигмат», посчитанный с одной асферической поверхностью второго порядка, представленный в статье «Упрощение оптической схемы приемного объектива в цифровых камерах за счет аппаратной и программной компенсации его аберраций». В равной степени представляется возможным производить изменения профиля несферической поверхности более высокого порядка, сохраняя неизменными величины коэффициентов аберраций третьего порядка. Такие изменения профиля поверхности влияют лишь на аберрации высших порядков, позволяя их изменять по нашему усмотрению, в том числе приравнивать их нулю. Это позволяет уничтожать остаточные аберрации высших порядков за счет введения деформации сферических поверхностей тоже только высшего порядка, что приводит к весьма незначительным отступлениям от сфер на самом краю поверхности к так называемой «асферизации» поверхностей. Таким образом, основной целью данной работы является разработка методики расчета коэффициентов высшего порядка для введения в оптическую систему несферических поверхностей высшего порядка. Проанализировать их влияние на аберрации третьего порядка и на качество оптической системы в целом. 30 Так рассмотрим пучок лучей, выходящий из осевой точки предмета, проходящий через последнюю сферическую поверхность оптической системы. Если заменить эту сферическую поверхность несферической поверхностью, то можно в общем случае добиться пересечения всех лучей пучка в пространстве изображений с оптической осью в любой заданной точке. Тогда, принимая определенные условия и преобразуя необходимые выражения, приходим к формуле, которая выражает точное параметрическое уравнение несферической поверхности. Далее аналогичным методом можно посчитать две несферические поверхности в оптической системе, позволяющими не только получить осевой астигматизм изображении точки, но и обеспечить условие синусов. УДК 681.7.063 МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЗАПИСИ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК К.А. Коннов, А.И. Грибаев, С.В. Варжель, А.В. Куликов, Н.К. Кулаченков Научный руководитель – д.т.н., профессор И.К. Мешковский Краткое вступление, постановка проблемы. Распределенные по длине световодов решетки Брэгга позволяют создавать измерительные системы, выгодно отличающиеся от традиционных комплексов аналогичного назначения стоимостью и технологичностью производства. Успешное создание таких массивов волоконных брэгговских решеток (ВБР) может быть реализовано только при записи решеток непосредственно в процессе вытяжки оптического волокна (ОВ). Используемая нами, в настоящее время, схема записи ВБР методом фазовой маски (ФМ), представленная в работе [1], хотя и является наиболее простой для реализации, не требует высокоточной юстировки элементов, как в интерферометрических схемах или прицезионной трансляции ОВ относительно сфокусированного лазерного пучка как в случае пошагового метода записи решеток, однако не позволяет перестраивать длину волны брэгговского резонанса решетки без смены ФМ. Наряду с этим, использование данной схемы предполагает необходимость контакта ФМ и оптического волокна, что препятствует использованию данного метода при записи массивов решеток в процессе вытяжки волоконных световодов. При записи ВБР на установке, реализованной на основе интерферометра Тальбота, исключаются вышеупомянутые недостатки. Изменение периода решетки производится путем поворота зеркал, сводящих интерферирующие пучки под соответствующим углом, а за счет отсутствия в данной схеме оптических элементов вблизи волокна появляется возможность ее установки на башне для вытяжки ОВ. Ввиду преимуществ интерферометрического метода записи ВБР, следует провести испытания данной схемы для ее дальнейшего использования при создании массивов решеток в процессе вытяжки ОВ. Предварительно необходимо создать трехмерную модель интерферометрической установки записи ВБР, провести расчет ее параметров и подбор необходимого оборудования. Цель работы. Произвести подбор необходимого оборудования и расчет взаимного расположения элементов установки. Создание трехмерной модели интерферометрической схемы записи волоконных брэгговских решеток из коммерчески доступных компонентов. Базовые положения исследования. Моделирование интерферометрической схемы записи волоконных брэгговских решеток. Промежуточные результаты. Произведен 31 подбор необходимого коммерчески доступного оборудования для создаваемой схемы. Рассчитаны основные параметры лабораторной установки. Основной результат. В ходе работы была создана трехмерная интерферометрической схемы записи волоконных брэгговских решеток. 1. модель Литература Варжель С.В., Куликов А.В., Стригалев В.Е., Мешковский И.К. Запись брэгговских решеток в двулучепреломляющем оптическом волокне одиночным 20-нс импульсом эксимерного лазера // Оптический журнал. – 2012. – Т. 79. – № 4. – С. 85–88. УДК 621.535.683 АНТИБЛИКОВЫЕ ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ Ю.А. Константинова Научный руководитель – д.т.н., профессор Л.А. Губанова При современной тенденции перехода к интегральным оптическим устройствам особое значение приобретает выяснение слабо изученных явлений в тонкослойных структурах. Задачи, касающиеся уменьшения коэффициента отражения от металлических поверхностей, ранее были мало изучены, отдавались предпочтения ставшими «классическими» методами, например, методу нанесения четвертьволновых диэлектрических слоев. Развитие новых технологий, разработка более сложных конструкций, появление более точных методов контроля оптических характеристик позволили создавать очень тонкие слои, которые смогут вносить свой вклад в выходные характеристики будущих многослойных покрытий. Металлодиэлектрические системы могут использоваться в качестве пропускающих и отражающих фильтров, защитного покрытия для оптических волноводов от различных помех и «ложных сигналов», покрытий, повышающих эффективность солнечных батарей и преобразователей. Основной целью работы является снижение коэффициента отражения на границе раздела двух сред – металл-воздух. Чтобы прийти к решению, необходимо выбрать, учитывая особенности, структуру антибликовых покрытий (т.е. материалы слоев, их толщины, количество и чередование слоев), а также проанализировать спектральные характеристики коэффициента отражения рассчитанных антибликовых покрытий. В работе были рассмотрены 2 способа поиска минимального коэффициента отражения на поверхности различных металлов – это аналитический и графический методы. Аналитический способ подразумевает поиск зависимости оптических постоянных металлов от параметров антибликового покрытия. Таким образом, рассматривались основные конструкции покрытий – металл/диэлектрик на металлической подложке, диэлектрик/металл/диэлектрик на металлической подложке, многократно повторяющаяся ячейка диэлектрик/металл/диэлектрик на металлической подложке. Расчет производился с помощью матричного метода расчета интерференционных покрытий. Сложности с аналитическим способом, который предполагает нахождение условий создания минимального коэффициента отражения от металлической поверхности, связаны с дисперсией показателя преломления металла. Уравнения, которые необходимо решить, содержат большое количество неизвестных, тригонометрических, мнимых или в большой степени значений. Можно подобрать по некоторым условиям определенные толщины слоев, применить диэлектрики с высокими и низкими показателями преломления, распространенные металлы, т.е. попробовать графическим способом решить поставленную 32 задачу. Были рассмотрены различные покрытия, содержащие диэлектрики оксид гафния, оксид циркония, оксид алюминия, кварц; металлы (алюминий, титан, никель, хром), нанесенные на различные металлы (алюминий, никель, титан, хром) в вариантах покрытий из двух одинаковых диэлектриков и металла между ними и двух разных диэлектриков и металла между ними. Подобные трехслойные покрытия разделяются без изменения общей геометрической толщины на разное количество подсистем (наиболее результативное количество L=15). Для алюминия наиболее эффективным антибликовым покрытием является многократно повторяющаяся ячейка из (HfO2/Cr/HfO2)15, для титана лучшим оказалось покрытие (ZrO2/Ti/Al2O3)15, для никеля – (HfO2/Cr/HfO2)15, для хрома – (ZrO2/Cr/ZrO2)15. В среднем покрытие из оксида гафния/хрома/оксида гафния на алюминиевой подложке обеспечивает коэффициент отражения в области длин волн 300–1000 нм 14,9%; покрытие из оксида циркония/титана/оксида алюминия на титановой подложке обеспечивает коэффициент отражения в области длин волн 300–1000 нм 12,3%; покрытие из оксида гафния/хрома/оксида гафния на никелевой подложке обеспечивает коэффициент отражения в области длин волн 300–1000 нм 14,2%; покрытие из оксида циркония/хрома/оксида циркония на хромовой подложке обеспечивает коэффициент отражения в области длин волн 300– 1000 нм 14,95%. При выполнении данной работы были разработаны структуры интерференционных покрытий, обеспечивающих снижение коэффициент отражения в интервале длин волн 300– 1000 нм: для алюминия в 6,06 раз; для титана в 3,68 раз; для никеля в 3,89 раз; для хрома в 3,54 раз. Выполненная работа представляет ценность с точки зрения энергосбережения и может быть использована при изготовлении элементов солнечных батарей и систем, обеспечивающих нагрев воды с использованием солнечной энергии. 1. 2. Литература Хасс Г., Франкомб М., Гофман Р. Физика тонких пленок. – М: Мир, 1978. – 359 с. Путилин Э.С. Оптические покрытия. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 227 с. УДК 771.36:612.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ ЭКСПРЕССНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРУППЫ КРОВИ Ю.И. Купоросов (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики) Научные руководители: д.т.н., профессор М.Г. Томилин (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики), И.В. Исакова (Бюро судебно-медицинской экспертизы Санкт-Петербурга) Определение принадлежности образца крови к одной из четырех групп является стандартной операцией в современной медицине. Методы, применяемые на практике при производстве судебно-биологических экспертиз вещественных доказательств, отличаются трудоемкостью и протяженностью во времени, а их использование в практике судебномедицинской экспертизы бывает осложнено малым количеством исходного вещества. Существующие методы основаны на иммунологических реакциях с различными 33 сыворотками и реагентами. Изготовление сывороток требует обязательного лицензирования и является дорогостоящим процессом с использованием сложного оборудования. Подготовка образцов трудоемка и требует длительного времени. Целью работы является адаптация и применение метода визуализации структуры с помощью жидких кристаллов (ЖК) для экспрессного определения группы крови. Наибольшей чувствительностью к воздействию внешних полей обладают нематические жидкие кристаллы (НЖК), не имеющие, в отличие от холестерических (закрученных) и смектических (слоистых) ЖК, надмолекулярной структуры. Деформации слоя НЖК под воздействием физических полей на поверхности объекта могут происходить локально и протекать в реальном времени. Предпосылкой для визуализации распределения полей на поверхности объектов является исходная упорядоченность молекул НЖК, которая может быть локально нарушена полями поверхности или дефектами структуры, деформирующими слой. Возникшие деформации регистрируются в поляризованном свете на просвет или отражение. Идея применения слоев НЖК в поляризационной микроскопии состоит в том, что при их деформации они выполняют функцию оптической реплики с большой величиной оптической анизотропии, осуществляющей фазовую задержку проходящего света. В результате работы экспериментально подтверждена возможность применения метода для определения групп крови. В сравнении с существующими методами, предложенный метод визуализации структуры с помощью ЖК обладает рядом преимуществ: является экспрессным, более экономичным и требует меньшего количества исходного вещества. Перспектива развития метода состоит в использовании методов оптической обработки изображений получаемых структур для повышения достоверности результатов. УДК 681.784.23 РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ АВТОРЕФРАКТОМЕТРА А.Ю. Курасов (Сибирская государственная геодезическая академия) Научный руководитель – д.т.н., профессор Т.Н. Хацевич (Сибирская государственная геодезическая академия) На протяжении последних веков среднестатистический человек испытывает все более усиливающуюся нагрузку на зрение, потоки информации растут с каждым годом. Кроме того, современная экологическая обстановка, питание, стиль жизни и прочие факторы подобного рода неблагоприятно влияют как на здоровье человека в целом, так и на глазной аппарат в частности. Естественным следствием этих процессов становится все увеличивающийся процент людей, имеющих приобретенные проблемы со зрением, требующих их коррекции. С другой стороны, все большее количество людей в качестве средств повышения остроты зрения предпочитают выбирать контактную коррекцию или же лазерную эксимер-операцию. Вышесказанное объясняет возросшую потребность современной медицины и оптометрии в приборах, предназначенных для объективного измерения параметров глаза, в частности, аметропии, объективное измерение которой в настоящее время производится авторефрактометрами. В нашей стране можно выделить две основные проблемы, связанные с данной группой приборов: 1. отсутствие моделей отечественной разработки и производства. Все имеющиеся в настоящий момент на территории нашей страны авторефрактометры импортного изготовления; 2. высокая цена авторефрактометров, не позволяющая в пределах нынешнего российского финансирования области здравоохранения массово оснащать офтальмологические кабинеты приборами данной ценовой категории [1]. 34 На основании вышесказанного можно сделать прогнозное предположение, что разработка отечественных моделей авторефрактометров и налаживание их производства позволит не только сделать несколько шагов в развитии отечественного медицинского оптического приборостроения, но и снизить цену на них [2]. На основании этого предположения автором в рамках дипломного проектирования был начат процесс разработки авторефрактометра. В процессе анализа номенклатуры выпускаемых в настоящее время авторефрактометров были выделены значения пределов измерения основных характеристик: сферическая рефракция в большинстве моделей измеряется в диапазоне от минус 20 до 25 дптр, а цилиндрическая рефракция – в диапазоне ±7 дптр. Поскольку характеристики всех современных приборов являются коммерческой тайной фирм-производителей, то какая-либо технически достоверная информация об устройстве современных авторефрактометров в открытых источниках отсутствует. Потому принципиальная схема построения авторефрактометра была разработана автором с чистого листа, проведен ее габаритный, аберрационный и точностной расчеты. В процессе точностного расчета было выяснено, что наиболее значимая частичная погрешность измерения аметропии вызывается погрешностью размещения испытуемого глаза относительно номинального положения. В рамках разрабатываемой оптической схемы данную погрешность предполагалось нивелировать за счет увеличения числа измерений. При дальнейшей работе над оптической схемой предполагается ее модернизация с целью достижения требуемой точности при единичном измерении аметропии. По результатам разработки оптической схемы выполнен оптический выпуск и комплект оптических чертежей. Оптическая схема разработанного авторефрактометра позволяет проводить объективное измерение сферической рефракции в диапазоне от минус 25 до плюс 20 дптр, цилиндрической рефракции – в диапазоне ±7 дптр. Погрешность измерения в диапазоне от 0 до ±15 дптр не превышает ±0,25 дптр, а в диапазоне свыше ±15 дптр – не превышает ±0,5 дптр. 1. 2. Литература Мирошников М.М. Судьбы оптики и государственного оптического института (ГОИ) в России // Оптический журнал. – 2012. – №5 (79). – С. 77–91. Курасов А.Ю. Объективные методы измерения аметропии глаза: краткий обзор и перспективы // LX студенческая научная конференция. Сборник тезисов докладов – Новосибирск: СГГА. – 2012. – в печати. УДК 535.345 О ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗЕЛЕНОГО ЩЕЛОКА МЕТОДОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОКАХ РЕГЕНЕРАЦИИ ВАРОЧНЫХ РАСТВОРОВ ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ С.Н. Лапшов, А.С. Шерстобитова Научный руководитель – д.т.н., профессор А.Д. Яськов Абсорбционная спектроскопия, особенно в видимой и УФ-областях, – один из наиболее полезных и распространенных методов химического анализа. Но в большинстве своем данный метод не выходит за рамки лабораторных исследований. Его точность во много раз превышает методы (гравиметрический, измерение плотности, проводимости и т.д.), основанные на измерении физико-химических свойств веществ. Единственный способ, приближающийся по степени точности анализа состава, – определение показателя 35 преломления. Но и у него есть свои недостатки: данный способ хорош только в том случае если: 1) достоверно известны оптические свойства исследуемого вещества; 2) раствор можно представить как двухкомпонентную однородную систему; 3) состав вещества с течением времени изменяется не существенно. Молекулярная спектроскопия – не универсальное средство, при помощи которого можно устранить все перечисленные недостатки, но одно из неоспоримых достоинств его – это возможность быстрого количественного определения сразу нескольких компонентов изучаемого вещества с точностью измерения молярной объемной концентрации более 10–5 моль/литр. Цель настоящей работы заключалась в исследовании возможности применения УФспектроскопии для анализа химических производств, в частности, для определения сульфидности, содержания эффективной щелочи и карбоната в зеленом и белом щелоках из сульфатного производства целлюлозы. По результатам изучения научно-технической литературы [1] и исследования образцов зеленого щелока, предоставленного Сегежским ЦБК, компонентами, вносящими вклад в поглощение в ультрафиолетовой области спектра, оказались водные растворы NaOH, Na2CO3, Na2S. Было сделано заключение о том, что основное поглощение, как при формировании края фундаментальной полосы, так и остальных трех полос вносит продукт реакции гидролитической диссоциации Na2S. В результате гидролитической диссоциации происходит разложение сульфида натрия до H2S и NaOH: Na 2S + H 2 O ⇔ NaHS+NaOH (1) NaHS + H 2 O ⇔ H 2S+NaOH Можно сказать с высокой степенью точности, что гидролиз идет в основном только по первой ступени реакции, так как константа диссоциации у нее на шесть порядков больше, чем у второй (К1=1,0·10–7 и К2=1,3·10–13 соответственно). Этим объясняется наличие коэффициента ½ в значении эффективной щелочи (NaOH + ½Na2S). В настоящей работе были измерены спектры пропускания растворов зеленых щелоков, предоставленных Сегежским ЦБК. Отобранные образцы имели характерные свойства, присущие всему объему щелока, из которого они были взяты. Концентрация общей щелочности в них составляла С = 50–150 г/л. Помимо данных образцов в лаборатории были приготовлены несколько проб синтетического белого щелока и водные растворы составляющих его компонент, отличающиеся объемными долями растворителя. Подготовка образцов проходила следующим образом. При помощи градуированной пипетки для химического анализа с точностью ±0,2 мл производился забор необходимого объема раствора и взвешивался на ювелирных микровесах LT-JS 20, точность которых составляет ± 1·10–3 гр. Таким образом, определялась плотность и общая щелочность растворов зеленых щелоков, полученных разбавлением дистиллированной водой в пропорции 1 к 2 каждого последующего образца. Далее пробы помещались в кварцевую кювету. Спектры пропускания измерялись на спектрофотометре, аналогичном представленному в [2]. Вид спектров представлен на рисунке. 36 Рисунок. Спектры оптической плотности зеленого щелока и водных растворов составляющих его компонент: зеленый щелок с плотностью ρ =1171,18 г/дм3 (1); раствор белого щелока Na2S+NaOH+Na2CO3 (в соотношении 1:1:0,5) с плотностью ρ = 1140 г/дм3 (2); раствор Na2S с плотностью ρ = 1052.94 г/дм3 (3); раствор NaOH с плотностью ρ = 1203,33 г/дм3 (4); раствор Na2CO3 с плотностью ρ = 1136,47 г/дм3 (5) Природа полос поглощения в ультрафиолетовой области спектра (210-400 нм) связана, главным образом, с числом и расположением электронов в поглощающих молекулах и ионах. Кроме того, в растворе вклад в поглощение вносит не само растворенное вещество, а продукт его гидролитической диссоциации. За фундаментальную полосу поглощения с максимумом на 245 нм отвечает анион HS– – продукт неполного разложения в результате гидролиза Na2S. Полоса с максимумом поглощения на длине волны 273 нм соответствует сумме вкладов гидроксильной группы OH– и сульфид-аниона HS–. Аналитическая полоса Na2S и NaOH находится вблизи границы вакуумного УФ [1]. Оценить их вклад в светопоглощение можно, используя закон аддитивного сложения оптических плотностей. Измерение концентраций компонент в растворах зеленых щелоков производилось методом молярного коэффициента поглощения. Он основан на пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества. Этим методом была определена оптическая плотность нескольких стандартных растворов Dст на длине волны, соответствующей максимуму поглощения внутри аналитической полосы, принадлежащей исследуемому компоненту раствора. Для каждого из них рассчитывался молярный коэффициент экстинкции по формуле: Dст ελ = , (2) (l ⋅ Cст ) где l – длина оптического пути в кювете (см); Сст – молярная концентрация растворенного компонента (моль/л). Одним из необходимых условий применения данного метода является соблюдение в анализируемой системе, особенно в области исследуемых концентраций, закона БугераЛамберта-Бера. Фотометрические методы анализа применяются для контроля различных производственных процессов. Эти методы могут успешно использоваться для анализа больших и малых содержаний веществ, определения примесей (до 10–5–10–6%). 37 1. 2. Литература Chai X.S., Li J., Zhu J.Y. An ATR-UV Sensor for Simultaneous On-Line Monitoring of Sulphide, Hydroxide and Carbonate in Kraft White Liquors During Mill Operations // Journal of pulp and paper science. – 2002. – V. 28. – № 4. Белов Н.П., Гайдукова О.С., Панов И.А., Патяев А.Ю., Смирнов Ю.Ю., Шерстобитова А.С., Яськов А.Д. Лабораторный спектрофотометр для ультрафиолетовой области спектра // Изв. вузов. Приборостроение. – 2011. – Т. 54. – №5. – С. 81–87. УДК 681.4.07 К РАЗРАБОТКЕ МЕТОДИКИ СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА КОНСТРУКЦИЙ ЛИНЗОВО-ЗЕРКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ А.И. Леонтьева Научный руководитель – доцент А.М. Бурбаев Одной из типовых задач юстировки оптических приборов (ОП), вызывающих, пожалуй, наибольшие трудности, является задача центрирования линзовых компонентов оптической системы, разделенных плоскими зеркалами или призмами, выполняющими в ней компоновочные функции. Причина этого заключаются в том, что линзовые компоненты в данном случае лишаются преимуществ базирования, какие дает так называемая «насыпная» конструкция, легко обеспечивающая их надлежащее центрирование. В рассматриваемом случае базирование компонентов оптической системы с точки зрения их центрирования характеризуется неопределенностью, выражаемой уравнениями размерных цепей со многими неизвестными, как, например, показано в работе [1]. Достижение центрированности оптической системы требует устранения неопределенности базирования ее компонентов. Этого добиваются целым комплексом мер, предпринимаемых еще на этапе конструирования прибора: заданием необходимых баз деталей и сборочных единиц (в том числе оптических), установлением требуемых допусков на размеры, форму и взаимное расположение базовых поверхностей, определяющих центрирование схемных элементов, наконец, предусмотрением компенсации в виде юстировочных подвижек или пригонок. При этом конструкция должна быть адаптирована к намечаемой методике юстировки с ее средствами контроля. Выполнение перечисленного комплекса аналитических работ при отсутствии общей методики решения задач, возникающих при юстировке оптических приборов, даже для опытных конструкторов и технологов представляет собой задачу весьма непростую [2]. Для решения нетривиальных задач проектирования и юстировки узлов оптических приборов, содержащих плоские зеркала и призмы, разделяющие линзовые компоненты оптической системы, необходима методика структурного анализа линзово-зеркальных систем (ЛЗС). В задачи такой методики входило бы: − установление баз и требований взаимного расположения базовых поверхностей (баз), определяющих центрирование схемных элементов оптической системы, а также выполнение требований внешнего базирования конструкции юстируемого узла, вытекающих из условий связи данного узла с другими узлами изделия; − выявление отсутствия требуемых юстировочных подвижек у центрируемых линзовых компонентов, а также зеркал (или призм); − определение последовательности операций юстировки. При этом методика структурного анализа должна отвечать следующим требованиям. 1. Учитывать виды относительных движений (подвижек) линзовых компонентов, а также юстировочные подвижки зеркал (или призм). 38 2. Учитывать свойства зеркально-призменных систем (ЗПС), их инвариантность и действенные подвижки. 3. Выявлять как недостающие, так и избыточные подвижки схемных элементов. 4. Учитывать характер базирования линзовых компонентов и зеркально-призменных систем. 5. Учитывать требования внешнего базирования сборочных единиц (СЕ) – межузловые связи. Методика структурного анализа разрабатывается на основе следующих положений. 1. Каждый центрируемый компонент оптической системы рассматривается как твердое тело, обладающее шестью степенями свободы перемещения относительно неподвижного корпуса (базовой детали), если на эти перемещения не наложены ограничения. 2. Разъюстировка центрируемого линзового компонента рассматривается как совокупность малых отклонений – сдвигов и наклонов его вдоль и вокруг осей прямоугольной системы координат XYZ, связанной с базовым компонентом системы или базовыми элементами конструкции. В общем случае разъюстировка характеризуется шестью составляющими: сдвигами – ∆Χ, ∆Υ, ∆Ζ и наклонами – ϕΧ, ϕΥ, ϕΖ. 3. Взаимную деюстировку двух линзовых компонентов системы, разделенных ЗПС, рассматривают при выпрямленном ходе лучей. Для этого один из компонентов системы выбирают в качестве базового и связывают с ним систему координатных осей XYZ, а другой компонент изображают в ЗПС (в прямом или обратном ходе лучей) и оценивают составляющие деюстировки ∆Χ, ∆Υ, ∆Ζ, ϕΧ, ϕΥ, ϕΖ, вызванные не только погрешностями базирования этого линзового компонента, но и погрешностями установки ЗПС, изображающей этот компонент. 4. Юстировочные подвижки зеркал и призм рассматривают в системе координатных осей, связанных с плоскостью базирования этих узлов. Если же для юстировки зеркал конструкцией предусмотрены регулировочные устройства, то подвижки таких зеркал рассматривают в основной системе координатных осей Х0Y0Z0, ось Z0 которой направлена по нормали к отражающей плоскости зеркала, а ось X0 – перпендикулярно плоскости падения осевого луча. Для решения основных задач структурного анализа – установления баз и требований взаимного расположения базирующих поверхностей, а также определения юстировочных подвижек – нужно, прежде всего, установить общее число подвижек центрируемых линзовых компонентов и ЗПС, а также соответствие их устраняемым погрешностям юстировки. Это удобно сделать с помощью специально разработанной структурной таблицы. Состоит таблица из четырех частей. В первой ее части приводится схема и структурные параметры анализируемой конструкции. В последней же части таблицы приводится оптимальная последовательность устранения всех составляющих деюстировки оптических элементов. Полное описание таблицы и ее вид представлены в докладе. Структурный анализ с помощью такой таблицы становится понятным и доступным в процессе решения конкретных примеров. Один из таких примеров приводится в докладе. Таким образом, разработаны основные положения методики структурного анализа конструкций ЛЗС оптических приборов, призванной облегчить и упростить разработку как самой конструкции, так и методики юстировки типового узла ОП. 1. 2. Литература Бурбаев А.М. Отработка технологичности конструкций оптических приборов. Учебное пособие. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. – 95 с. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. – Л.: Машиностроение, 1982. – 237 с. 39 УДК 007, 535.417 О ВОЗМОЖНОЙ СВЯЗИ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ОПТИЧЕСКОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ СИСТЕМЫ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОНЯТИЙ К.А. Исаков, Л.С. Лялюшкин Научный руководитель – к.т.н., с.н.с., доцент А.В. Павлов Голографическая парадигма – одно из направлений в искусственном интеллекте, акцентирующее внимание на образной форме мышления. В рамках данной парадигмы в работе [1] предложен подход к реализации индуктивного вывода. Индуктивный вывод играет ключевую роль в научном познании как метод расширения теории и формирования понятий. Подход [1] основан на использовании схемы голографии Фурье (ГФ), как двухслойной нейронной сети (НС) с двунаправленными связями. Информация системе представляется изображениями – аналогами паттернов внутренней репрезентации (ПВР). Образ – ПВР, имеющий преимущественно сенсорное происхождение, понятие – ПВР, сформированный нейронной сетью на основе обработки образов сенсорной природы. В рамках подхода схема ГФ при реализации индуктивного вывода рассмотрена как открытая кольцевая автоколебательная система. В работах [2, 3], показано, что в системе конкурируют два фактора: дифракция на голограмме и нелинейное обращение волнового фронта в корреляционной плоскости как нелинейное итерирующее отображение (НИО). НИО разрушает внутреннюю коррелированность – атрибут информации, отличающий ее от шума. Дифракция на голограмме играет роль диссипативного фактора в открытой динамической системе, восстанавливающего внутреннюю коррелированность. Задача работы – установление связи свойств НИО и голограммы с параметрами аттрактора системы. Метод исследования – численное моделирование для модели ПВР как реализации случайного процесса с экспоненциальным спектром амплитуд. Введена оценка нелинейности НЛО. Использована модель линейной голографической регистрирующей среды. Для учета спектра фаз проведено усреднение оценок по ансамблю реализаций для различных НИО. Показано, что с ростом нелинейности ИО растет степень разрушения внутренней коррелированности формируемого ПВР понятия. Этот эффект может быть соотнесен с «силой интеллекта». Найдена аппроксимирующая кривая, подходящая для разных видов НИО и значений оценки нелинейности ИО. Дифракция на голограмме восстанавливает внутреннюю коррелированность, стремясь к длине корреляции ПВР индексного образа. Этот эффект может быть соотнесен с обращением к реальности. При отрицательных значениях оценки нелинейности, наблюдается не разрушение, а увеличение внутренней коррелированности ПВР, наблюдается инверсия динамики, и дифракция на голограмме и нелинейное итерирующее отображение меняются ролями, что может привести к формированию понятий, неадекватных реальности. Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 12-01-00418-а. 1. 2. Литература Павлов А.В. Реализация правдоподобных выводов на нейросетях со связями по схеме голографии Фурье // Искусственный интеллект и принятие решений. – 2010. – №1. – С. 3–14. Исаков К.А., Лялюшкин Л.С., Павлов А.В. Реализация индуктивного вывода методом голографии Фурье: численное исследование влияния нелинейности фазосопрягающего зеркала на характеристики порождаемого паттерна // Труды VII Межд. конф. «Фунд. проблемы оптики». – СПб: НИУ ИТМО. – 2012. – С. 421–424. 40 3. Исаков К.А., Лялюшкин Л.С., Л.С Павлов А.В. Формирование индуктивного понятия схемой голографии Фурье: влияние итерирующего отображения на характеристики гипотезы. – М.: Сб. трудов II Всеросс. конф. конф по фотонике и инф. оптике, 2013. – С. 159–162. УДК 535.317 КОМПОЗИЦИЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОЙ ГОЛОВКИ САМОНАВЕДЕНИЯ Е Макарова, И.Н. Тимощук Е.В. Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев На основе достижений в области инфракрасной техники во второй половине прошлого века были созданы инфракрасные системы самонаведения ракет и снарядов, которые показали высокую эффективность поражения воздушных и морских целей. целей Важнейшим элементом всякой системы самонаведения является так называемый координатор цели – устройство, служащее для автоматического определения угла между заданным направлением и направлением на цель. В оптических координаторах цели угол рассогласования и его составляющие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях управления ракетой определяется по положению изображения цели в фокальной плоскости оптической системы объектива. В настоящее время в авиационных самонаводящихся ракетах наибольшее применение получили следящие координаторы цели с гироскопической системой слежения. Узел, объединяющий оптическую систему координатора, модулирующий диск и приемник лучистой энергии, размещен н в карданном подвесе, обеспечивающем большой угол качания узла относительно оси ракеты,, как показано на рисунке. Рисунок Схема следящего координатора цели Рисунок. Модулирующий диск ж жестко связан с ротором гироскопа. На осях вращения внутренней и наружной рамок карданного подвеса расположены коррекционные датчики моментов, питаемые напряжениями выходных сигналов координатора цели. цели При этом чем выше нормированная пороговая чувствительность приемника, чем больше контраст цели на фоне, чем больше площадь входного объектива, чем меньше площадь чувствительной поверхности приемника и ýже же полоса пропускания частот усилителя, тем больше дальность обнаружения цели. Тепловые следящие системы, системы использующие для управления ракетой тепловое излучение целей или их тепловой контраст по отношению к окружающему фону, называют тепловыми следящими головками самонаведения (ТСГС). Ракеты, снабженные инфракрасными головками самонаведения, как правило, имеют скругленную носовую часть, при этом обтекатель выполняется в виде мениска, мениска поверхности которого концентричны центру прокачки ротора гироскопа, что необходимо для сохранения 41 коррекции аберраций изображения, образованного оптической системой ТСГС, при работе на любых углах пеленга. Оптическая система ТСГС практически должна быть втиснута в пространство между обтекателем и центром прокачки гироскопа, при этом фронтальная часть оптической системы должна иметь малые габариты для обеспечения работы при требуемых углах пеленга. Учитывая жесткие требования к массогабаритным характеристикам оптической системы ТСГС, выбираем зеркально-линзовый тип объектива, отличающийся компактностью и сравнительной простотой конструкции, а также лучшей коррекцией аберраций изображения при высокой светосиле и малом угловом поле объектива. В связи с тем, что в координаторе цели применяется электромагнитная система коррекции гироскопа, ротор последнего включает в себя постоянный магнит, роль которого, как правило, выполняет главное зеркало объектива, изготовленное из магнитотвердого материала. В результате анализа аберрационных свойств главного зеркала в виде линзы с внутренней отражающей поверхностью, линзовых компенсаторов на основе плоскопараллельной пластинки и ее модификаций и двухлинзовой афокальной системы с учетом непременного присутствия концентрического мениска (обтекателя) получены возможные варианты композиции объектива ТСГС и выполнен анализ их аберрационных свойств. Окончательный вариант композиции оптической системы получен на основе применения оригинальной конструкции афокального вторичного зеркала с внутренней отражающей поверхностью. УДК 681.7.067 УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДОСМОТРОВОГО ПРИБОРА КТС «АВИАТОР» С ЦЕЛЬЮ РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОБСЛЕДОВАНИЯ ТРУДНОДОСТУПНЫХ МЕСТ А.А. Марцуков Научный руководитель – доцент А.М. Бурбаев В связи с развитием железнодорожного, автомобильного, морского и авиационного транспорта, остро ощущается необходимость в универсальной и компактной аппаратуре для проведения инструментального углубленного таможенного досмотра всех видов и типов транспортных средств отечественного и зарубежного производства как внутри (салона, фюзеляжа, судна, вагона), так и снаружи при различных погодных условиях и уровнях освещенности, с целью обнаружения и визуального обследования посторонних скрытых предметов (незаконных вложений). В настоящее время используются различные виды досмотровых систем, как визуальных, так и телевизионных. В докладе приводится их классификация. На сегодняшний день применение визуальных досмотровых устройств без видеорегистрирующей системы нецелесообразно, в связи с тем, что они не позволяют выполнить документальное сохранение изображения объектов, вызвавших подозрение при обнаружении. Кроме того, они не обеспечивают необходимого уровня комфорта инспектора при визуальном обследовании в условиях плохой освещенности и труднодоступных местах. Необходимость усовершенствования досмотрового прибора путем введения 3D-режима обусловлена следующими факторами: 1. применяемые на сегодняшний день технические эндоскопы, используемые для таможенного досмотра, имеют определенные недостатки, такие как малая длина рабочей части, отсутствие встроенной подсветки, отсутствие возможности дистанционного управления поворотом дистального конца; 2. существующие телевизионные досмотровые системы, как и эндоскопы, не идеальны в эксплуатации, поскольку имеет место скручивание кабеля внутри досмотровой штанги, 42 следящие головки громоздки, не обеспечена полная автоматизация поворота камеры, нерационально расположены осветительные светодиоды; 3. при длительном использовании обычных 2D-дисплеев у оператора возникает усталость, становится трудно обнаруживать мелкие посторонние предметы. Анализ существующих конструкций досмотровых систем показал, что прибор КТС «Авиатор» имеет наибольшие длину рабочей части и угол ее поворота, обладает дополнительной подсветкой и видеосистемой привязки к месту досмотра. Кроме того, устройство характеризуется достаточно малой массой, что в совокупности увеличивает как возможности для обнаружения и визуального осмотра скрытых предметов в труднодоступных плохо освещенных местах, так и комфортные условия работы проверяющего инспектора. Однако прибор не позволяет осуществлять досмотр в очень узких пространствах, поэтому для уменьшения габаритов рабочей части прибора, в частности механизма поворотного узла видеокамеры, требуется изменение конструкции на основе применения современной миниатюрной элементной базы. В усовершенствованной конструкции применена поводково-фрикционная муфта, позволившая уменьшить габариты редуктора, а вкупе с малогабаритной видеокамерой, сокращение длины поворотного узла составило 34 мм, а уменьшение его диаметра – 12 мм. Для снятия усталости глаз необходимо предусмотреть возможность переходить в процессе работы на 3D-режим, при котором каждый глаз видит свою часть изображения, а восприятие полного изображения на экране меняется, повышается обнаруживающая способность глаз. Переход в стереорежим позволит также обнаруживать мелкие неяркие предметы, не видимые на плоской «картинке» при высоком уровне отношения свет/тень. Такие предметы, как правило, теряются на фоне более крупных предметов или на фоне их тени. В 3D-режиме они будут заметнее, так как будут находиться визуально перед фоновыми предметами, а также вследствие того, что сами объекты и их тени не будут сливаться с тенями от более крупных предметов. С целью обеспечения оптимальных условий для оператора досмотрового прибора, проведен анализ существующих устройств объемного отображения информации, составлена их классификация. Для применения совместно с усовершенствованным поворотным узлом нами выбран автостереоскопический дисплей, не требующий дополнительного использования очков для разделения левого и правого изображений стереопары. Кроме того, предложены две оптические принципиальные схемы стереоузлов, из которых выбрана наилучшая, составлен алгоритм ее функционирования. В настоящее время разрабатывается конструкция универсального сменного поворотного стереоузла с двумя камерами и регулируемым базисом для доукомплектования досмотрового прибора КТС «Авиатор». УДК 535.3915 РАВНОТОЛЩИННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА СФЕРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ МАЛОГО РАДИУСА КРИВИЗНЫ А.О. Марьин Научный руководитель – д.т.н. профессор Л.А. Губанова Развитие современной эндоскопии, тенденция к минимизации приборов приводят к растущей потребности в оптических элементах малых размеров. Перспективными становятся оптические элементы с радиусом кривизны близким к 2 мм. Для увеличения пропускания оптических систем необходимо применение широкополосных просветляющих покрытий, обеспечивающих снижения остаточного коэффициента отражения в заданном интервале длин волн. Такие покрытия, сформированные на элементах с малым радиусом кривизны, 43 существенно изменяют свои оптические свойства в зависимости от координаты на поверхности. Интерференционные покрытия на оптических элементах должны обладать требуемыми спектральными характеристиками, предпочтительной является ситуация когда коэффициент отражения постоянен в любой точке оптического элемента. Спектральные характеристики интерференционных покрытий определяются конструкцией такого покрытия. Под конструкцией понимается толщины слоев, показатели преломления материалов из которых они сделаны, их чередование и количество. При формировании интерференционных покрытий методом термического испарения в вакуумной камере распределение толщины слоя зависит от формы оптического элемента, взаимного расположения покрываемой поверхности и испарителя и эмиссионных характеристик испарителя. Цель работы состоит в анализе распределения толщины слоя покрытия на оптическом элементе малого радиуса, форма которого близка к полусфере. Необходимо установить зависимость этого распределения от формы оптического элемента, его размеров, положения в вакуумной камере относительно испарителя при нанесении покрытия в вакуумных испарительных установках в случае, когда оптические элементы при формировании слоя осуществляют планетарное вращение. В ходе работы составлена математическая модель на основе методики расчета толщин покрытий на сферических элементах. Распределение толщины по поверхности детали определяется следующим выражением [1, 2]: ϕ2 cos ϑ1 cos ϑ2dϕ t(a, σ, ψ) = ∫ , P2 ϕ1 где cos ϑ1 = Ha ; P cos ϑ2 = cos ϑ1 cos σ + sin ϑ1 sin σ ; Ha = (H + a − b) − a cos σ ; 2 P 2 = R 2 + ρ2 + r 2 − 2rρ cos ψ − 2rR cos ϕ + 2ρR cos(ψ − ϕ) + ( H + a − b ) − a cos σ ; ϕ1 = ψ ; a 2 sin 2 σ − ρ2 + 2rρ cos ψ + 2a ( H + a − b ) cos σ ; σ и ψ – полярный и 2Rρ азимутальные углы точки на поверхности детали; а – радиус кривизны детали; Н – расстояние от плоскости испарителя до плоскости закрепления детали; r – расстояние от оси вращения до оси симметрии детали; R – расстояние от оси вращения до испарителя; b – расстояние от плоскости закрепления детали до ее полюса; ρ – проекция радиуса кривизны детали на плоскость, в которой закреплены детали. Были проведены расчеты распределения спектральных характеристик по поверхности оптических элементов диаметром от 1 мм до 5 мм при одинаковых геометрических параметрах оснастки вакуумной камеры. Расчет показал, что при таком формировании слоев наблюдается отклонение в равнотолщинности нанесенного покрытия на оптических деталях разного диаметра увеличивается незначительно: 2–5%. Полученные результаты говорят о необходимости учесть при расчете изменение топологии поверхности детали по ходу нанесения покрытий. На данный момент составляется математическая модель, учитывающая изменение топологии путем преобразования координат точек из сферической в декартову систему координат с поправкой на увеличение радиуса кривизны детали на значение толщины покрытия в данной точке. Полученные координаты точек можно использовать в расчете следующего этапа нанесения покрытия. Разработанная математическая модель позволит учитывать изменения в росте покрытия, связанные с изменением по времени угла падения молекул на поверхность оптического элемента в одной и той же точке. ϕ2 = ψ + arccos Литература 1. Холлэнд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 603 c. 44 2. Губанова Л.А., Путилин Э.С. Градиентные слои на сферических подложках // Оптический журнал. – 2008. – №4. – Т. 75. – С. 87–91 . УДК 004.932.2 ОЦЕНКА РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ТРУДНОДОСТУПНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЭНДОСКОПИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ А.С. Мачихин (Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН), А.М. Перфилов (ОАО «НПО ЭНЕРГОМАШ им. академика В.П. Глушко») Научный руководитель – В.А. Калошин (Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН) В настоящее время визуально-измерительный контроль (ВИК) является обязательной процедурой при производстве, сборке и испытаниях различных промышленных изделий: трубопроводов, двигателей, баллонов и др. Основными целями ВИК являются оценка состояния поверхности, выявление, классификация и оценка размеров имеющихся дефектов (ржавчины, отложений и пр.). При контроле труднодоступных внутренних полостей неразборных или не подлежащих разборке объектов основными инструментами ВИК являются технические эндоскопы: жесткие линзовые, гибкие оптоволоконные и видеосистемы. Данные приборы позволяют не только визуализировать, но также зарегистрировать и обработать изображение исследуемого объекта. Особым классом задач, решаемых при эндоскопических исследованиях, является измерение трехмерных геометрических параметров (расстояний, площадей и пр.) выявляемых дефектов. К настоящему времени разработано несколько методов подобных измерений, аппаратно и программно реализованных в современных дорогостоящих видеоэндоскопах: стереоскопический, многоточечный, теневой и фазовый. Все они основаны на вычислении координат точек объекта в трехмерном пространстве и не учитывают его форму в окрестности этих точек, что приводит к значительным погрешностям при расчете, например, площадей выделенных зон. Кроме того, применение этих методов требует приобретения специализированных объективов и возможно лишь при использовании эндоскопических зондов диаметром ≥ 3,9 мм. В практике реальных промышленных исследований далеко не всегда имеется возможность применить указанные специализированные приборы и зачастую возникает необходимость контроля объектов с технологическими отверстиями меньшего диаметра. В работе предложен простой в реализации метод, позволяющий при обеспечении определенных условий преодолеть указанные ограничения и получить достаточно высокую точность оценки размеров дефектов внутри объектов сложной формы. Метод основан на точном позиционировании эндоскопического зонда относительно исследуемого объекта. При известных параметрах системы регистрации, форме объекта и их взаимного положения задача измерения формализуется и сводится к решению стереометрических уравнений. Параметры системы регистрации могут быть высокоточно вычислены в результате калибровки внутренних параметров по шаблону. Форма объекта контроля, как правило, известна из конструкторской документации. Достаточно строгую взаимную ориентацию зонда и объекта можно обеспечить применением специализированных механических устройств: центраторов, оправок и т.п. Имея математическую связь пикселей изображения с соответствующими им областями объекта известной формы, можно установить реальную площадь этих областей. В настоящей работе для этого используются метод триангуляционного описания и обработки трехмерных 45 объектов. После того, как пользователь задает на изображении, например, трубы область дефекта и необходимую точность вычисления ее площади, рассчитывается достаточный для обеспечения этой точности шаг сетки на изображении и трехмерные координаты ее узлов в пространстве предметов. Этот массив координат определенным образом разбивается на треугольники и вычисляется их суммарная площадь. Метод апробирован при ВИК элементов реального ракетного двигателя. Установлено, что в ряде случаев при контроле объектов сложной (цилиндрической, тороидальной и др.) формы данный подход обеспечивает большую точность, чем, например, стереоскопический или теневой методы. Следует отметить, что описанный метод применим для использования со всеми типами эндоскопов, не требует специальных объективов и прост в использовании. УДК 681.7.025 РАЗРАБОТКА МАТРИЦЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕШЕНИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ Е.А. Метлушко Научный руководитель – к.т.н., доцент Н.Д. Толстоба Целью работы являлось исследование методов и приемов автоматизации этапа конструирования оптического прибора. Метод оптимизации решений, рассмотренный в учебном пособии В.В. Кулагина, нуждается в доработке, чему и посвящена данная работа. На основе изученного метода была составлена матрица оптимизации решений для крепления оптических систем. Была разработана матрица оптимизации решений в программе Excel (табл. 1). Таблица 1. Матрица оптимизации решений для крепления оптических систем 46 Резьбовая Комб. различные одинаковые Юстировка механический цех Производство оптический цех Диоптрийная подвижка Отсутствие напряжений Устойчивость к влиянию внешних факторов Компактность Качество изображения Точность центрировки Технологичность Вес Стоимость Световые диаметры Насыпная в оправах Критерии Насыпная Конструкции линзовых систем 1 8 2 3 8 2 5 8 6 5 2 4 4 5 8 6 9 7 3 2 8 9 7 10 9 4 5 4 8 6 3 7 3 10 8 6 5 7 6 2 2 4 8 6 8 5 5 6 8 9 7 10 9 6 4 3 Таблица 2. Пример работы матрицы одинаковые различные Юстировка механический цех Произвво оптический цех Световые диаметры Диоптрийная подвижка Отсутствие напряжений Устойчивость к влиянию внешних факторов Компактность Качество изображения Точность центрировки Технологичность Вес Стоимость Итого: Комб. Резьбовые Насыпные в оправах Насыпные Весовые коэффициенты Критерии Конструкции линзовых систем 0,05 0,01 0,05 0,1 1 8 2 3 0,05 0,08 0,1 0,3 8 6 9 7 0,4 0,06 0,45 0,7 8 6 3 7 0,4 0,06 0,15 0,7 8 6 8 5 0,4 0,06 0,4 0,5 0,05 8 0,4 3 0,15 3 0,15 5 0,25 0,02 0,08 2 5 0,04 0,4 2 8 0,04 0,64 10 8 0,2 0,64 6 8 0,12 0,64 0,1 8 0,8 9 0,9 6 0,6 9 0,9 0,08 0,17 0,12 0,05 0,07 0,05 1 6 0,48 5 0,85 2 0,24 4 0,2 4 0,28 5 0,25 S=4,47 7 0,56 10 1,7 9 1,08 4 0,2 5 0,35 4 0,2 S=7,43 5 0,4 7 1,19 6 0,72 2 0,1 2 0,14 4 0,2 S=5,65 7 0,56 10 1,7 9 1,08 6 0,3 4 0,28 3 0,15 S=7,34 По заданным весовым коэффициентам, для случая крепления осветительной системы, получено приемлемое решение. Метод был максимально расширен и дополнен типами креплений и критериев для одиночных линз и разработана новая матрица для оптических систем. Результаты работы могут быть использованы для дальнейшей автоматизации процесса конструирования. УДК 004.925.5; 535.4 ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБОВ ЦИФРОВОЙ КОРРЕКТИРОВКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИ МИКРОСКОПИРОВАНИИ К.Н. Миронов Научный руководитель – к.т.н., доцент А.В. Бахолдин В настоящее время общей тенденцией развития наблюдательной техники является переход к цифровым системам регистрации и обработки изображений. В современной микроскопии эта задача обычно решается комплектованием классического светового микроскопа видеокамерой и сохранением полученного изображения в цифровом виде для его последующей обработки. При этом в микроскопе используются оба канала – визуальный (окулярный) и цифровой (видеокамера–компьютер). Сопутствующее программное обеспечение позволяет реализовать различные методики обработки изображения, проведение исследований, а также обеспечивает совместимость микроскопов с компьютерами и системами передачи информации. Однако полученное с помощью камеры изображение не всегда удовлетворяет 47 предъявляемым требованиям, а штатное программное обеспечение не в силах его скорректировать. Целью работы является анализ имеющихся способов обработки изображения и применение их в конкретной области – микроскопировании. В ходе работы были опробованы различные способы и методы корректировки цифрового изображения, но, ни один из них не дал необходимого результата при работе с конкретной видеокамерой. Поэтому возникла необходимость создания нового средства исправления изображения (программы), основанного на имеющихся методах. В данной работе сделан обзор различных способов цифровой обработки изображения и приведены некоторые возможные решения поставленной задачи. УДК 681.7.02 ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОБРАЗУЮЩИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ А.А. Михайлов Научный руководитель – д.т.н., профессор Э.С. Путилин В докладе рассмотрена возможность создания равнотолщинных покрытий на деталях цилиндрической формы путем моделирования процесса испарения вещества в вакуумной камере. Цель работы заключается в определении оптимального набора параметров процесса осаждения вещества в вакууме на деталь цилиндрической формы, с целью получения минимального отклонения по толщине на поверхности детали. Основной проблемой при изготовлении покрытий на цилиндрических поверхностях является неравномерность толщин слоев по поверхности этих оптических элементов. Поэтому основной задачей является возможность определения распределения толщины слоев по внешней поверхности выпуклых цилиндрических элементов, имеющих заданный радиус цилиндрической поверхности и конечную длину. Для получения таких покрытий используются вакуумные испарительные установки, в которых детали размещаются на вращающемся подложкодержателе. Испарение пленкообразующих материалов производится из резистивных или электронно-лучевых испарителей. Взаимное расположение испарителя и подложки могут быть неизменными, а могут и изменяться за время осаждения слоя. В последнем случае основным фактором, определяющим толщину слоя, является траектория перемещения подложки относительно испарителя. Если она известна, то ее можно сравнительно легко учесть при расчете толщины слоя. Модель для расчета распределения толщины пленки основана на использовании Кнудсеновского (малого поверхностного) испарителя, у которого толщина слоя в некоторой точке подложки прямо пропорциональна произведению косинусов углов между направлением из испарителя на эту точку подложки и нормалями к испарителю и поверхности подложки и обратно пропорциональна квадрату расстояния между испарителем и этой зоной поверхности подложки. Сложность заключается в определении двух названных выше углов в любой момент времени. Цилиндр должен совершать тройное вращение, чтобы покрытие наносилось на всю его поверхность, но при этом оно должно быть максимально равномерным. Таким образом, каждая точка поверхности цилиндра имеет сложную траекторию, координаты точки выражаются громоздкими выражениями. 48 В ходе работы создана и неоднократно проверена математическая модель процесса осаждения пленкообразующего вещества на деталь конечных размеров цилиндрической формы, которая совершает тройное вращение в вакуумной камере. Использованные размеры являются близкими к реальным. Подстановка в модель простых случаев движения детали, дает результат, который подтверждает правильность внутренних условий и работоспособность модели в целом. На данном этапе путем подбора параметров достигнуты отклонения по толщине получаемого математически покрытия порядка нескольких десятых процента. УДК 535.44 ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ В ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ А.И. Москаленко, В.Г. Булгакова Научный руководитель – к.т.н., доцент Н.Д. Ворзобова В предыдущих работах показана возможность использования фотополимеризующхся композиций на основе акриловых мономеров и нанокомпозитов для голографической записи. Данная работа является продолжением исследований с целью определения условий получения наибольшей дифракционной эффективности и наименьшего светорассеяния. Исследование голографических характеристик – дифракционной эффективности и отношения сигнал/шум проводилось при записи голограмм плоских волн с использованием экспериментальной установки, обеспечивающей возможность записи в широком диапазоне частот, а также исследования динамики изменения дифракционной эффективности в процессе записи. В качестве исследуемых материалов использовались фотополимеризующиеся композиции, разработанные на кафедре ОКРС НИУ ИТМО. Определены зависимости голографических характеристик от состава композиций, толщины слоя, величины экспозиции, частоты записи, длины волны записывающего излучения, отношения интенсивностей интерферирующих пучков. Выявлен немонотонный характер изменения дифракционной эффективности в процессе записи при увеличении длительности экспозиции, уменьшение дифракционной эффективности при увеличении частоты, увеличение дифракционной эффективности при увеличении толщины слоя. Определены условия получения дифракционной эффективности до 80%. Определены пути уменьшения светорассеяния: увеличение экспозиции, экспонирование с доступом кислорода и при низких температурах, постэкспозиционная засветка. Результаты исследований – условия получения наибольших значений дифракционной эффективности и отношения сигнал/шум использованы при записи голограмм на основе пропускающих объемных голографических решеток и голограмм произвольных объектов, восстанавливаемых в белом свете, применительно к задаче получения защитных элементов. 49 УДК 681.785.64 УЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ АБЕРРАЦИЙ ОБЪЕКТИВА ПРИ ВЫСОКОТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ КООРДИНАТ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА МАТРИЧНЫХ ПЗС М.Н. Назина Научный руководитель – к.т.н., доцент А.В. Нужин Во многих измерительных оптико-электронных приборах различного назначения регистрация измерительной информации сводится к высокоточному измерению координат малоразмерных изображений, формируемых на матричных ПЗС. Реализация современных алгоритмов обработки изображений позволяет регистрировать координаты изображений с погрешностями до сотых долей от размера единичного элемента ПЗС структуры. Однако на практике на точность измерений существенное влияние оказывает качество изображения, формируемого на матрице и в первую очередь его изменение по полю матрицы. Кроме этого, в последнее время в проектировании оптико-электронных приборов, особенно инфракрасного диапазона, наметилась тенденция упрощения конструктивных решений объективов. Упрощение конструкций объективов улучшает их габаритно-весовые параметры, но приводит к ухудшению качества изображения по рабочему полю объектива. В результате возрастают систематические погрешности измерения координат малоразмерных изображений в различных зонах матрицы. Погрешности подлежат компенсации с использованием программных средств. В работе для оптико-электронного координатора выполнены эксперименты по оценке систематических погрешностей измерения координат изображений, обусловленных влиянием аберраций оптической системы при перемещении малоразмерного объекта по угловому полю координатора. Измерения проводились на коллиматорной установке. Координатор был составлен из объектива Мир 11М с известными характеристиками и монохромной ПЗС камеры Basler sla780-54gm. Оценка координат изображения выполнялась по оригинальному алгоритму вычисления координат энергетического центра изображения. Эталонные угловые перемещения малоразмерного объекта по угловому полю координатора задавались с помощью высокоточного теодолита 2Т2А. В результате обработки результатов эксперимента были получены инженерные формулы, позволяющих компенсировать систематические погрешности в рабочем алгоритме обработки информации, снимаемой с координатора. Таким образом в результате выполнения данной работы предложен и экспериментально реализован подход, позволяющий учесть влияние аберраций оптической системы при высокоточных измерениях координат малоразмерных изображений на матричных ПЗС. УДК 535.514 ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯРИЗУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ Нго Тхай Фи Научный руководитель – д.т.н., профессор Л.А. Губанова В ряде современных приборов используется излучение как когерентных, так и некогерентных источников с определенным состоянием поляризации, что выдвигает дополнительные требования к поляризации отраженного и прошедшего потоков. Для повешения эффективности работы таких приборов целесообразно использовать поляризаторы [1]. Поляризаторы служат для разделения падающего на них излучения на отраженный и 50 прошедший пучки, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Принцип работы поляризатора основан на том, что излучение, отраженное под углом от границы раздела двух сред частично поляризуется. В качестве поляризаторов могут быть использованы плоскопараллельные пластины с нанесенными на них интерференционными покрытиями. Степень поляризации, которая характеризует коэффициент поляризации, в этом случае зависит от конструкции интерференционного покрытия и от угла падения излучения на поляризатор [2]. В работе были проанализированы следующие вопросы: влияние количества слоев, отношение показателей преломления слоев, входящих в такое покрытие, соотношения оптических толщин слоев, формирующих покрытие на характеристики поляризатора. Были выбраны конструкция поляризующего покрытия, в котором контрастность близка к заданном значению. В результате выполненных исследований получены следующие результаты: − контрастность поляризатора зависит от количества слоев, входящих состав покрытия; − количество зон углов падения излучения, в которых может наблюдаться высокая контрастность, увеличивается с увеличением количества слоев, формирующих покрытие. − если количество пар слоев больше 12 (или общее количество слоев больше 24), при некотором значении контрастности может быть реализовано при разных углах, в нескольких диапазонах, таких диапазонов может быть несколько. Например: коэффициент контрастности равный 500 существует в двух зонах – при углах от 47° до 49° и углах от 63° до 66°. − для любого вида конструкций покрытия при увеличении отношения показателей преломления слоев, формирующих покрытие, коэффициент контрастности изменяется, а угол падения увеличивается при постоянном коэффициенте контрастности. − максимальное значение контрастности сильно зависит от оптической толщины слоя, граничащего с воздухом. При увеличении оптической толщины первого слоя в рассматриваемой конструкции контрастность поляризатора уменьшается, а при уменьшении – в начальный момент увеличивается, а затем падает (после того, как величина первого слоя уменьшается более чем на 8%). − выбрана конструкция поляризующего покрытия П 0,95В Н В Н В 1.02Н В 0,97Н 0,98В 0,98Н 0,98В 1,05Н 1,08В, где П-подложка с показателем предломления равно 1,51 и В,Н слоя, формирующих покрытие с показателями предломления равны 1,95 и 1,45. Такая конструкция поляризующего покрытия позволяет получить эффективный поляризатор, максимальное значение контрастности которого 3,8·103. При значении контрастности С=103, диапазон угла падения равно 7,5° (61,5° до 69°). 1. 2. 3. Литература Окатова М.А. и др. Справочник технолога-оптика. – СПб: Политехника, 2004. – 679 с. Путилин Э.С. Оптические покрытия. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 227 с. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Оптические свойства и методы исследования. – Л.: Машиностроение, 1973. – 224 с. 51 УДК 681.78 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ВИДЕОЭНДОСКОПА С АВТОФОКУСИРОВКОЙ ДЛЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Д.И. Неворотина (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Научный руководитель – к.т.н., доцент В.И. Батшев (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) В настоящее время технические эндоскопы находят широкое применение в различных областях технической диагностики: контроле авиационных и автомобильных двигателей, телеинспекции трубопроводов и теплообменников, осмотре труднодоступных мест строительных конструкций и др. Первоначально оптоволоконные и жесткие линзовые эндоскопы представляли собой лишь средство визуального контроля. Дополненные системами фото/видео документирования, состоящими из оптического адаптера и фото/видеокамеры, они стали телеинспекционными приборами, допускающими цифровую обработку данных. Таким образом, современный видеоэндоскоп представляет собой средство не только визуального, но также измерительного контроля, позволяющее существенно сократить время и стоимость обслуживания и ремонта сложных промышленных объектов. Существуют следующие методы измерений с помощью видеоэндоскопов: − метод сравнительных измерений; − параллаксный метод; − стереоскопический метод. Работа посвящена стереоскопическому методу. Стереоскопический метод реализуется с помощью призменной насадки на объектив видеоэндоскопа. В последнее время появились видеоэноскопы с внутренней автофокусировкой, обладающие увеличенной глубиной резко изображаемого пространства. Создание стереоскопической насадки для такого вида видеоэндоскопов является актуальной научно-технической задачей. Целью работы является исследование возможности создания видеоэндоскопа с автофокусировкой для стереоскопических измерений. В работе выполнен анализ влияния конструктивных параметров оптических компонентов стереоскопической насадки на качество стереоизображения, в результате которого выявлены соотношения, позволяющие определить максимальную глубину резко изображаемого пространства. Выполнен расчет стереоскопической насадки на объектив видеоэндоскопа со следующими параметрами: диаметр объектива 8 мм, угловое поле зрения 40°, диапазон удаления предмета 80–500 мм. УДК 531.7.082:535.42 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОЧЕК ИНВЕРСИИ ФАЗЫ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ДЛЯ КОНТРОЛЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА М.Д. Носова Научный руководитель – к.т.н., доцент А.Н. Иванов Постановка проблемы. Развитие современных технологий требует значительного увеличения точности при измерениях малых линейных и угловых перемещений. Как показывает практика, для измерения малых угловых перемещений наиболее подходят оптические методы, которые являются бесконтактными, обладают высокой чувствительностью, точностью и скоростью измерений. 52 Сравнительный анализ методов измерения малых угловых перемещений показывает, что наиболее перспективно выглядят интерференционные и дифракционные схемы контроля, основанные на использовании точек инверсии фазы оптического сигнала, обладающие высокой точностью при относительно простых схемах их реализации. Целью работы является разработка когерентных методов измерения малых угловых перемещений с погрешностью не более 1 угл. сек. − − − − Базовые положения исследования Анализ возможности использования точек инверсии фазы для построения схем малых угловых перемещений. Построение математической модели метода, использующего совмещение плоскости дифракционной щели с линиями инверсии фазы. Сравнение результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными на установке. Оценка точностных характеристик метода, анализ возможных методов обработки полученных данных. Промежуточные результаты. Проведен анализ методов измерения угловых величин с использованием точек инверсии фазы оптического сигнала, в которых происходит изменение знака фазы сигнала Разработан дифракционный метод измерения угловых перемещений, основанный на двойной дифракции лазерного излучения на щели. Диапазон измерения: ±1,3°;чувствительность измерения: 0,3″; предельная погрешность измерения: 1,5″. Основные результаты. Перспективность применения точек инверсии фазы для оценки угловых положений объектов позволила предложить функциональную схему измерителя, в котором развернутая щель сопрягается с плоскостью, содержащую линии инверсии фазы интерференционной картины. За щелью возникает дифракционная картина, которая содержит дополнительную систему полос, крайне чувствительную к смещению линий инверсии фазы. Проведенные расчеты показали, что достижимы следующие измерительные параметры: диапазон измерения: ±1,5°; чувствительность измерения: 0,1″, предельная погрешность измерения: 0,5″. Создана математическая модель описывающая преобразование световых полей в разработанной схеме. Проведены экспериментальные исследования, которые показали хорошее соответствие с результатами математического моделирования. Рассмотрено дальнейшее развитие и совершенствование компонентов и конструкции дифракционного измерителя. Выводы. Исследования показали возможность создания дифракционного измерителя, удовлетворяющего сформулированным требованиям, а так же перспективы развития данного метода измерения малых угловых перемещений. 53 УДК 535.317.22 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ПАРАКСИАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ СИСТЕМ ДВОЙНОГО СОПРЯЖЕНИЯ А.Б. Острун Научный руководитель – к.т.н., с.н.с. А.В. Иванов Введение. Синтез оптической системы в параксиальной области является обязательным этапом при проектирования сложных оптических схем. На этой стадии происходит определение ряда параметров системы, таких как оптические силы компонентов, расстояний между ними, положения предмета и входного зрачка, исходя из требований к параксиальным характеристикам системы и многое другое. Особенно это имеет важное значение при расчете пакнкратических схем, которые имеют одну пару сопряженных плоскостей – предмета и изображения. Однако, еще более интересным случаем является синтез систем, которые имеют две пары сопряженных плоскостей, например, плоскости входного и выходного зрачка и предмета – изображения. Цель работы. Провести исследования и разработать методику расчета систем двойного сопряжения при помощи универсального метода параметрического синтеза центрированных оптических систем в параксиальной области. Определить оптические силы компонентов и расстояния между ними. Базовые положения исследования. Производится генерация систем уравнений, в которых в качестве неизвестных выступают оптические силы компонентов. Уравнения составляются исходя из постоянства плоскости изображения и выходного зрачка при переменном увеличении оптической системы. Осевые расстояния между компонентами изменяются с некоторым заданным шагом, но их сумма остается неизменной. Таким образом, создание каждой системы осуществляется с новыми осевыми расстояниями. При помощи универсального численного алгоритма находятся оптические силы компонентов. Промежуточные результаты. Найденные варианты оптических систем сравниваются друг с другом. Находится два крайних варианта, удовлетворяющих заданным условиям и обеспечивающих максимальный перепад увеличений. В случае неудачи алгоритм повторяется для других осевых расстояний. Основной результат. В результате выполнения данной работы была рассчитана система двойного сопряжения в области Гаусса, обладающая 20-ти кратным перепадом увеличения. Также был рассчитан закон движения оптических компонентов полученной системы. 54 УДК 535.44 ПОЛУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ И.М. Павловец Научный руководитель – к.т.н., доцент Н.Д. Ворзобова Дифракционные оптические элементы в настоящее время широко востребованы в качестве элементов приборов и систем. Такие элементы получаются с использованием различных методов и материалов. Имеющиеся разработки базируются преимущественно на зарубежных технологиях и материалах. Целью работы является исследование возможности получения дифракционных элементов интерференционным методом с использованием отечественных фотоотверждаемых материалов (разработанных на кафедре ОКРС НИУ ИТМО). Преимуществом ориентации на данные материалы является возможность управления характеристиками слоев, в том числе, толщиной, нанесения на различную основу, определяющая характеристики элементов. Основными требованиями к дифракционным элементам являлись: высокие дифракционные характеристики, низкий уровень светорассеяния и поглощения, размеры, возможность управления угловой селективностью решеток, светостойкость, возможность использования в широком спектральном диапазоне, а также относительная простота процесса получения. Для получения элементов с требуемыми характеристиками проведено исследование зависимости дифракционной эффективности, светорассеяния и угловой селективности от условий записи – длины волны записывающего излучения, величины экспозиции, частоты записи, характеристик материалов – состава фотоотверждаемой композиции, толщины слоя, постэкспозиционной обработки. Исследование проводилось с использованием экспериментальных установок на базе источников излучения с длинами волн 325, 442 и 532 нм, обеспечивающих изменение частоты интерференционной записи в диапазоне 300–2400 л/мм. В качестве основных исследуемых материалов использовались фотополимеризующиеся композиции на основе акриловых мономеров и нанокомпозиты. В результате работы определены требования к материалам и условиям записи. Получены образцы дифракционных элементов, которые могут быть использованы в качестве светоделителей и расщепителей пучков с регулируемым отношением интенсивностей, мультиплексоров, детекторов смещений и вибраций. 55 УДК 681.25-027.31 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДЫ САПР OPTISWORKS В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ Д.В. Петрова Научный руководитель – к.т.н., доцент Н.Д. Толстоба Краткое вступление, постановка проблемы. Технические изделия призваны вносить все более эффективный вклад в повышение производительности труда и увеличение национального продукта. В решении этой задачи первостепенную роль играет приборостроение. Для повышения качества разработок обязательным условием является использование объемных трехмерных 3D моделей как основного элемента проектирования. Трехмерная модель содержит полное описание физических свойств объекта (объем, момент инерции, характеристики материалов), что дает возможность разработчику максимально приблизить компьютерную модель к реальному изделию. Задача проектирования и анализа работы оптических систем является весьма трудоемкой. Вычислительная оптика как никакая другая инженерная дисциплина требует привлечения всего арсенала численных методов. Цель работы. Подготовить методический материал, который можно легко использовать как в опытно-конструкторских работах, так и в учебном процессе. Положения исследования. На данный момент современные САПР системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции, повышая, тем самым, ее конкурентоспособность. OptisWorks – универсальный инструмент для проектирования и моделирования светотехнических и оптических систем. OptisWorks характеризуется полной интеграцией в SolidWorks, что позволяет использовать ассоциативную модель не только для анализа, но и для проектирования, а также для «материализации» траекторий лучей. Промежуточные результаты. Созданы описания к лабораторным работам с различными вариантами заданий: Лабораторная 1. Конструирование узла крепления призмы. Цели и задачи: − разработать технологичный узел крепления призмы; − научится пользоваться примитивами программ SolidWorks и OptisWorks. Лабораторная 2. Конструирование узла крепления оптической системы. Цели и задачи: − научиться создавать конструкции линзовых систем в среде SolidWorks; − контроль хода лучей, при изменении расстояния между компонентами. Основной результат. Созданные лабораторные работы позволят более полно изучать материал, основываясь на современном программном обеспечении, разрабатывать наиболее технологичные способы креплений и повышать эргономичность прибора в целом. 56 УДК 004.942 ВИРТУАЛЬНАЯ СБОРКА ЛИНЗОВЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATHCAD А.Ю. Пименов Научный руководитель – д.т.н., профессор А.П. Смирнов Получение целевых показателей качества оптических систем при их сборке и юстировке является достаточно трудоемкой задачей. Однако этот процесс можно ускорить, используя подробную математическую модель исследуемой системы, которая позволит найти оптимальное положение оптических элементов относительно друг друга с учетом конструкции данной системы. Целью работы является построение математической модели в среде Mathcad как виртуальной, так и реальной системы на основе данных, полученных от центрировочной машины Trioptics Opticentric, а также разработка алгоритма ее оптимизации с учетом различных критериев качества изображения. Математическая модель линзовой оптической системы подробно описана в работах [1, 2] и использует классические алгоритмы геометрической оптики. Ее построение включает в себя следующие этапы: 1. моделирование входного зрачка; 2. построение пучка лучей; 3. преобразование координатных систем; 4. параксиальный расчет системы; 5. расчет хода лучей через преломляющие поверхности; 6. построение изображения и анализ качества, основанный на различных критериях. На основе данной модели можно произвести расчет допусков на оптическую систему, спрогнозировать процент брака методом Монте-Карло [3] и смоделировать влияние реальных погрешностей децентрировки оптических элементов на качество изображения. Под термином «децентрировка» следует понимать смещение центров кривизны и вершин поверхностей линз относительно базовой оси оптической системы. При использовании машины Trioptics Opticentric, можно определить положение авторефлексных точек (вершин поверхностей линз) и автоколлимационных точек (центров кривизны линз). Таким образом, определяется наклон поверхностей и смещение вершин линз реальной оптической системы, после чего эти данные вводятся в математическую модель, которая рассчитывает качество изображения (пятно рассеяния). Схема измерения приведена на рисунке. Рисунок. Измерение децентрировки на Trioptics Opticentric 57 Если качество изображения не удовлетворяет заданному критерию, то программа использует итерационный алгоритм поиска оптимальной конструкции, вращая оптические элементы вокруг их оси в заданном интервале. Результатом работы программы является матрица поворотов элементов относительно их номинального положения, при которых наблюдается наилучшее значение заданного критерия изображения. На данный момент уже можно говорить о том, что использование алгоритма поиска оптимальной конструкции значительно ускоряет процесс юстировки реальных систем и в будущем позволит автоматизировать этот процесс. В заключении следует отметить, что использование математической моделирования в связке с современными средствами контроля и измерения, например, как Trioptics Opticentric, позволяет проводить сопровождение изделия, начиная от разработки, заканчивая процессом сборки. 1. 2. 3. Литература Смирнов А.П. Модель оптической системы в среде MathCad // Приборостроение. – 2007. – №4. – С. 56–62. Смирнов А.П., Абрамов Д.А., Пименов А.Ю. Компьютерное моделирование оптических систем. Часть 1. Линзовые устройства. Практикум в среде MathCad. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 84 с. Смирнов А.П., Пименов А.Ю., Абрамов Д.А. Моделирование линзовых оптических систем в среде Mathcad // Труды X международной конференции «Прикладная оптика2012». – 2012. – Т. 3. – C. 75–79. УДК 535.4 СВОЙСТВА ОБЪЕМНЫХ ГОЛОГРАММ НА ФОТО-ТЕРМО-РЕФРАКТИВНЫХ СТЕКЛАХ С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ СОСТАВАМИ М.О. Пичугина Научный руководитель – к.ф.-м.н., ассистент В.А. Асеев Введение. В связи с возникшей тенденцией к уменьшению масс и габаритов оптических систем становится все более и более неоптимально использовать традиционных оптические элементы. Поэтому необходимо создание новых оптических элементов, которые по своим свойствам могли бы быть сравнимы с традиционными, но в тоже время превосходить их с точки зрения размеров. Одним из перспективных направлений в данной области являются голографические оптические элементы, которые могут выполнять роль линз, призм, зеркал и т.д. Для создание таких элементов в первую очередь необходима материальная база. Одной из перспективных регистрирующих сред является ФТР-стекло, запись в котором производится УФ-излучение, а проявления голограммы последующей термообработкой. Однако такие стекла обладают рядом недостатков, например небольшим динамическим диапазоном изменения модуляции показателя преломления. Поэтому разработка или усовершенствование таких сред является перспективным направлением. Целью работы было исследование спектральных и голографических свойств модифицированных составов ФТР-стекл. И определить зависимости этих характеристик от различных параметров записи и последующей термообработки. Экспериментальная часть. В работе были использованы стекла системы Na2O–ZnO– Al2O3–SiO2–NaCl–NaF, активированные CeO2, Sb2O3, Ag2O. В отличие от традиционных составов в данных стеклах произведена частичная замена фторидов натрия на хлориды. Увеличение содержания Cl приводит к увеличению плазмонного резонанса, что позволяет 58 нам получать амплитудно-фазовые голограммы. Запись голограмм происходила в интерференционной схеме, где излучение непрерывного HeCd лазера с длиной волны 325 нм было разделено светоделительным кубиком (50 на 50) на два пучка в которых создана разность хода. Доза облучения составляла 1 Дж/см2 за 4 минуты 20 секунд. Далее производилась термообработка в муфельной печи при различных температурах и длительностях. В работе рассматривались два стекла с различным содержанием хлора – 0,52 мол.% и 1,46 мол.%. Для каждого из образцов были проведены исследования методом ДСК для определения характеристических температур. После чего была проведена термообработка для голограмм на обоих образцах при температуре кристаллизации – 390 град. К сожалению данный эксперимент не привел к желаемому результату и дифракционная эффективность полученных голограмм не превышала 1%. Также была проведена термообработка при температуре 570 град в течение 24 часов. При данных условиях достигалась максимальная дифракционная эффективность для образца с содержанием хлора 0,52 мол.% – 70% при дозе облучения 1 Дж. Для образца с содержанием хлора 1,46 мол.% при дозе облучения в 1 Дж дифракционная эффективность голограммы не превышала 1%, но с увеличением дозы облучения до 10 Дж, дифракционная эффективность так же увеличивалась до 5,5%. Исследуемые образцы еще плохо изучены и данная работа – только первые попытки получить эффективные голограммы на данных стеклах. Выводы. Выявлено, что при термообработке при температуре кристаллизации для данных образцов дифракционная эффективность крайне мала. Максимальная дифракционная эффективность 70% наблюдается на стекле с содержанием хлора 0,52 мол.%, при термообработке 570 град в течение 24 часов. Для образца с большим содержанием хлора (1,46 мол.%) установлено увеличение дифракционной эффективности с увеличение дозы облучения. УДК 778.38; 535.317.1 ПОЛУЧЕНИЕ ЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЗИТЕЛЬНЫХ ГОЛОГРАММ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ П.Ю. Рогов, Н.В. Андреева Научный руководитель – к.ф.-м.н., с.н.с., доцент О.В. Андреева В настоящее время голография представляет большой интерес с точки зрения создания голографических оптических элементов, голографической памяти и использования в изобразительной технике. Как правило, для записи изобразительных голограмм требуются большие материальные ресурсы. В работе предложено реализовать малогабаритный стенд для получения цветных изобразительных голограмм с помощью полупроводниковых лазеров, что существенно уменьшит его стоимость. Целью работы является создание малогабаритного стенда для получения цветных изобразительных голограмм в условиях учебного процесса. Стенд должен обеспечивать выполнение необходимых требований, которые предъявляются к характеристикам излучения и стабильности элементов, обеспечивающих возможность регистрации голограмм на нескольких длинах волн. Так как стенд предназначен для выполнения лабораторных работ в учебной лаборатории, он должна быть компактным, безопасным и удобным в обращении. Разработанный стенд позволяет использовать лазеры трех цветов. При записи голограммы с помощью нескольких источников на фотопластинке фиксируются наложение 59 интерференционных картин. В процессе восстановления белым светом каждая из них дает изображение объекта в определенном спектральном диапазоне и под определенным углом. В результате изображение объекта становится размытым и нечетким. В процессе выполнения работы была оптимизирована оптическая схема стенда и определены условия получения цветной голограммы, при восстановлении которой указанные дефекты изображения сведены к минимуму. Разработан и изготовлен цветовой тест-объект для оценки качества цветопередачи и подготовлены рекомендации по оптимизации условий получения голограмм цветных объектов. Макет разработанного экспериментального стенда для получения изобразительных голограмм по методу Ю.Н. Денисюка был использован для проведения лабораторных работ на кафедре Фотоники и Оптоинформатики НИУ ИТМО. УДК 681.7.066 ОБЗОР ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫХ ПАНОРАМНЫХ КОМПОНЕНТОВ И.В. Родыгин Научный руководитель – ст. преподаватель С.И. Кучер При решении различных практических задач возникает необходимость получения информации в пространстве полусферы или близкой к полусфере. Существует несколько принципиальных подходов получения оптического изображения в данном диапазоне пространства, а именно при помощи систем с механическим сканированием, использования систем с составным угловым полем и систем на базе панорамной оптики. В рамках данного доклада будут рассматриваться существующие зеркально-линзовые оптические компоненты, относящиеся к элементной базе панорамной оптики. К неоспоримым достоинствам данных систем можно отнести: отсутствие механического сканирования, получение информации в едином оптическом канале, простота реализации оптической системы в целом по сравнению с системами с составным угловым полем. Компоненты подобного типа могут применяться в приборах и системах наблюдения с целью обнаружения различных объектов, их сопровождения и мониторинга. В силу того что компоненты данного типа не искажают азимутальных углов возрастает актуальность их использования в высокоточных углоизмерительных приборах. За счет отсутствия механического сканирования и сохранения статического положения, применение панорамных компонентов в углоизмерительных приборах позволит значительно увеличить срок службы последних, а также сделать их более компактными и простыми. Актуальность исследования зеркально-линзовых панорамных компонентов также обусловлена возможностью их применения в ряде приборов строящихся по классическим схемам, что позволит упростить их конструктивно и повысить их качество. Современное развитие приемников оптического излучения на основе ПЗС матриц, их удешевление, а также развитие вычислительной техники позволяет создавать новые типы приборов и систем, решающих сложные задачи. В связи с этим необходим анализ и исследование возможностей существующих зеркально-линзовых компонентов для их использования в оптико-электронных приборах и системах различного назначения. Родоначальницей данного типа компонентов можно считать кольцевую линзу Манжена разработанную еще в конце 19 века (1870–1880 гг.). Данная линза не нашла широкого применения в связи с использованием в ней отражающей поверхности в виде параболического тороида. Долгое время, вплоть до 60-х годов 20 века, идеи создания зеркально-линзовых панорамных компонентов не находили практического применения. Основной проблемой являлась их чрезмерная конструктивная сложность и дороговизна, обусловленная применением сложных асферических поверхностей. К наиболее известным 60 зарубежным разработкам относятся панорамные объективы Бучела и Повелла. В отличии от кольцевой линзы Манжена и объектива Бучела, объектив Повелла обеспечивает телецентрический ход главных лучей на выходе из оптической системы, что является неоспоримым преимуществом для использовании ее в системах с ПЗС приемниками оптического излучения. Система Повелла представляет собой грибовидную линзу состоящую из четырех поверхностей. Двух преломляющих и двух отражающих. Однако данный компонент формирует изображение внутри себя и нуждается в дополнительной оптической системе для переноса изображения. Отечественные разработки в данном направлении были начаты в середине 70-х годов 20 века. На данный момент наиболее совершенным является панорамный зеркально – линзовый объектив конструкции Куртова и Соломатина. Конструктивно компонент состоит из первой сферической преломляющей поверхности, двух сферических отражающих и одной плоской преломляющей поверхности. Данный компонент обеспечивает кольцевое панорамное изображение в 360 градусов по азимуту и до 70 градусов по углу места, включая и углы ниже линии горизонта. К недостаткам относится относительно не большая слепая зона вблизи зенита, составляющая около 20 градусов. Зеркально-линзовые панорамные компоненты представляют несомненный интерес для разработки современных оптико-электронных систем различного назначения. К сожалению они по прежнему представляют из себя довольно сложные конструктивные и технологические изделия. Панорамные компоненты обладают большим потенциалом дальнейшего развития. В рамках магистерской диссертации будет расширена работа по изучению и нахождению методов технологического и конструктивного упрощения зеркально-линзового компонента конструкции Куртова и Соломатина. Предложенный ими компонент, представляет из себя моноконструкцию ограниченную четырьмя поверхностями, требующими центрировки на одной оптической оси. Одним из способов решения данной задачи является разбиение элемента на составляющие части: преломляющую линзу мениск и два зеркала. Данное усовершенствование позволит производить центрировку поверхностей панорамного объектива поэлементно, что упростит конструкцию и сделает данный вид систем более доступным для реализации в приборах и системах различного назначения. 1. 2. Литература Куртов А., Соломатин В. Панорамный зеркально-линзовый объектив. – Патент № 2185645 пр. от 22.12.1999. Соломатин В. Панорамная видеокамера // Фотоника. – 2009. – № 4. – С. 26–28. УДК 539.264 РЕНТГЕНОВСКОЕ ОБЛУЧЕНИЕ. МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА В НЕОРГНИЧЕСКОМ СТЕКЛЕ А.А. Савин Научный руководитель – д.х.м., профессор В.А. Цехомский Одной из главных целей данной работы является исследование влияния различных видов облучения (УФ – излучение, рентген, гамма – излучение) на образование и свойства коллоидных частиц серебра в МХС стеклах. Фактически отсутствуют литературные данные по воздействию рентгеновского и γ излучений на ФТР МХС стекла В начале исследования мы имели в своем распоряжении мультихромное стекло марки МХС. Данный образец был отшлифован, отполирован и разрезан на 4 части. Толщина всех образцо составляла 2 мм. Образцы были подвергнуты различным термообработкам и облучениям рентгеновским излучением. Померены их спектры. На их основе сделано предположение, что при рентген и 61 γ -облучениях происходит появление серебряной отрицательно заряженной частицы, которая в течение термообработки притягивает к себе, в том числе, и ионы Na.: 1. 2. 3. 4. 5. Литература Wang Zheng, Toshio Kurobori. Assignments and optical properties of X-ray-induced colour centres in blue and orange radiophotoluminescent silver-activated glasses // Journal of Luminescence. – 2011. – V. 131. – Р. 36–40. Peng Chena, Linyong Songa, Yankuan Liub, Yue-e Fanga. Synthesis of silver nanoparticles by g-ray irradiation in acetic water solution containing chitosan // Radiation Physics and Chemistry. – 2007. – V. 76. – Р. 1165–1168. Giuseppe Compagninia, ElenaMessinaa, Orazio Puglisia, Rosario Sergio Cataliottia,, Valeria Nicolosi. Spectroscopic evidence of a core–shell structure in the earlier formation stages of Au–Ag nanoparticles by pulsed laser ablation in water // Chemical Physics Letters. – 2008. – V. 457. – Р. 386–390. Сидоров А.И., Востоков А.В., Игнатьев А.И., Нащекин А.В., Неведомский В.Н., Никоноров Н.В., Подсвиров О.А., Соловьев А.П., Усов О.А. Особенности формирования наночастиц серебра в фототерморефрактивном стекле при электронном облучении // Письма в ЖТФ. – 2009. – № 35. – Вып. 7. – С. 35–40. Dotsenko A.V., Glebov L.B., Tsekhomsky V.A. Physics and Chemistry of Photochromic Glasses // CRS Press New York. – 1998. – Р. 190. УДК 535 ИССЛЕДОВАНИЕ ГАБАРИТНЫХ СООТНОШЕНИЙ ПРОЕКЦИОННОГО ОБЪЕКТИВА С ПЕРЕМЕННЫМ УВЕЛИЧЕНИЕМ О.В. Семкова Научный руководитель – к.т.н., доцент Г.Э. Романова Введение. Проекционный объектив с переменным увеличением – оптическая система, применяемая в так называемых цифровых микроскопах. Портативные цифровые микроскопы применяются для осмотра и ремонта печатных плат, пайки микроэлементов, для проверки подлинности банкнот и для учебных целей. В подобных устройствах используются ПЗСматрицы с размером диагонали 1/4–1/2'' и разрешением 640×480–1280×1024 пикселей. С учетом размера изображения на экране цифровые микроскопы обеспечивают увеличение от 10× до 200× разрешение от 10–30 мкм в зависимости от оптической системы и используемого приемника изображения. Цель и задачи работы. Цель работы заключалась в исследовании габаритных соотношений и законов движения компонентов в зависимости от исходных параметров системы – длины системы и увеличения. При разработке и исследовании оптической системы компактного цифрового микроскопа с переменным увеличением используются методы, основанные на формулах параксиальной оптики. Исследование проводится с использованием средств MatCad, Zemax, ОПАЛ. Оптическая схема «цифрового микроскопа» представляет собой проекционный объектив, который строит изображение на ПЗС-матрице. Системы имеют возможность изменения увеличения за счет смещения объектива или его компонентов относительно предмета и приемника, поскольку перепад увеличения в таких системах относительно невелик, то можно использовать несколько подходов к построению оптической схемы. Первый вариант построения системы – использование системы объектива небольшого увеличения, изменение увеличения осуществляется за счет смещения всей оптической 62 системы относительно предмета. Как показал расчет конкретного варианта системы, оптическая система такого типа может обеспечить разрешение до 6–12 мкм (при коэффициенте передачи контраста оптической 0,2) при увеличении оптической части – (2,6– (–0,5)). На рис. 1 представлены графики зависимости линейного увеличения (рис. 1, а), заднего отрезка, т.е. расстояния от последней линзы системы до приемника (рис. 1, б) и длины системы(рис. 1, в) от переднего отрезка для системы такого типа. 4 -V 150 S' 140 130 3.5 120 3 110 100 2.5 90 80 2 70 60 1.5 50 40 1 30 20 0.5 10 -S -S 0 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 0 20 72 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 а б в Рис. 1. Зависимость линейного увеличения (а), заднего отрезка (б) и длины системы (в) от переднего отрезка системы Другая возможность построения проекционного объектива с переменным увеличением – использование двухкомпонентной системы, в которой перемещается только один компонент. В качестве первого компонента системы был выбран апланатический мениск, у которого первая поверхность – концентрична осевой точке предмета, а вторая поверхность – апланатическая. Благодаря этому апертура системы, стоящей за мениском, меньше апертуры все оптической системы в n раз, где n – показатель преломления материала мениска (рис. 2). Перемена увеличения осуществляется за счет смещения второго компонента системы, в качестве которого может быть выбрана склеенная или расклеенная система. Рис. 2. Схема системы с апланатическим мениском На рис. 3 показаны графики зависимости линейного увеличения (рис. 3, а) и длины системы (рис. 3, б) от расстояния между компонентами. 4 -V L 3.8 99 3.6 97.5 3.4 96 3.2 94.5 3 93 2.8 91.5 2.6 90 2.4 88.5 2.2 87 2 85.5 1.8 84 1.6 82.5 1.4 81 1.2 79.5 1 78 0.8 76.5 0.6 75 0.4 73.5 72 0.2 0 d 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 d 70.5 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 а б Рис. 3. Зависимость линейного увеличения (а) и длины системы (б) от переднего отрезка 63 Были выполнены расчеты системы, построенной по такой схеме, подтверждающие получение достаточного для некоторых применений разрешения системы (около 20–40 мкм) при небольших диапазонах изменения увеличений системы. На рис. 4 показаны графики зависимости расстояния между компонентами в зависимости от длины систем при значении переднего отрезка 30 мм, 40 мм и 15 мм. Рис. 4. Графики зависимости расстояния между компонентами от длины системы Представленные зависимости позволяют определить диапазон возможных значений габаритной длины при требуемом переднем отрезке системы. При выполнении работы были получены формулы для габаритного расчета проекционной двухкомпонентной системы с переменным увеличением и исследованы габаритные соотношения в системах двух типов. УДК 681.78 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Н.В. Смирнов (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики), А.В. Прокофьев (ОАО «Специальное конструкторское бюро станочных информационноизмерительных систем с опытным производством») Научный руководитель – к.т.н., доцент С.С. Митрофанов (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) Ускорение темпа развития технологий машиностроения определяет постоянное увеличение сложности и точности выполнения операций механической обработки деталей на промышленном оборудовании. При этом точность обработки ограничена, главным образом, точностью позиционирования исполнительного органа обрабатывающего комплекса относительно обрабатываемого узла. В свою очередь задача повышения точности позиционирования рабочего органа и детали неразрывно связана с задачей контроля их взаимного положения, которая решается при помощи различного рода преобразователей перемещений, в том числе и оптико-электронных. Обеспечение высокой точности оптикоэлектронных преобразователей линейных перемещений (ОЭПЛП) при сохранении уровня надежности систем, их работоспособности при высоких скоростях движения идентифицируемых объектов позволяет увеличить экономическую эффективность производства. Таким образом, разработка ОЭПЛП исполнительных механизмов промышленных станков является крайне важной задачей. Решением поставленной задачи занимаются на предприятии ОАО «СКБ ИС» в рамках выполнения НИОКР по теме: 64 «Создание гаммы угловых и линейных преобразователей субмикронной точности для комплектации прецизионного многокоординатного механообрабатывающего оборудования». Для создания ОЭПЛП требуемой точности необходимо провести анализ обобщенной структуры и особенности построения современных ОЭПЛП, разработать детальную структуру и математическую модель будущего прибора, а также осуществить подбор комплектующих элементов с расчетными параметрами. На данном этапе работы реализованы: 1. алгоритм обработки данных ОЭПЛП; 2. алгоритм нахождения координат изображения штриха по методу вычисления энергетического центра; 3. методика испытаний ОЭПЛП субмикронной точности на основе штриховой меры, позволяющая получить основные характеристики устройства; 4. сравнительный анализ разработанных алгоритмов для оптимального решения поставленной задачи; 5. макет канала точного отсчета ОЭПЛП. Также созданы несколько рабочих прототипов будущих изделий, основанных на оптоэлектронных методах измерений, с диапазонами перемещений 200 мм и 2040 мм. Проведены экспериментальные исследования воспроизводимости точностных характеристик, по результатам которых установлены максимальные значения отклонения измерения перемещения равные ±0,17 мкм и ±0,45 мкм, соответственно. Полученные значения удовлетворяют условиям технического задания на НИОКР и превосходят показатели аналогичных моделей ОЭПЛП – MT 101K (Heidenhain, Германия) и ЛИР ДА-10 (ОАО «СКБ ИС», Россия). На основании проведенных прикладных исследований доказаны возможность реализации ОЭПЛП субмикронной точности и целесообразность продолжения работ по разработке и оптимизации их конструкции. УДК 51-74 ОСОБЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ДВУХПОЛОСТНОЙ ИНТЕГРИРУЮЩЕЙ СФЕРЫ Ю.Ю. Смирнов, А.С. Шерстобитова Научный руководитель – д.т.н., профессор А.Д. Яськов Интегрирующая сфера широко используется для измерения оптических характеристик объектов с диффузным отражением/пропусканием света. Представляет интерес также применение двухполостной интегрирующей сферы, которая позволяет одновременно получать данные по отражению и пропусканию исследуемого объекта. Цель работы состояла в сравнении конструкций двухполостной интегрирующей сферы с экраном и без него, а также численном анализе распределения освещенности для этих конфигураций. Конструктивное изображение стандартной двухполостной интегрирующей сферы показано на рис. 1, а, двухполостной интегрирующей сферы с экраном – на рис. 1, б. 65 а б Рис. 1. Конструкция двухполостной интегрирующей сферы: без экрана (а); с экраном (б) В первой конфигурации использовался внешний осветитель, во второй осветителем служил светодиод. В обеих конструкциях коллекторы на основе оптического волокна передавали отраженное и прошедшее излучение в электронную систему сбора и обработки данных. В первой конфигурации оба коллектора располагались горизонтально и были закрыты диафрагмами. Во второй конфигурации только один из коллекторов был закрыт диафрагмой, другой – располагался вертикально. Экран в этой же конструкции, расположенный в полости верхней сферы, препятствовал прямому попаданию света на образец. Интегрирующие сферы имели сходные оптико-геометрические характеристики: диаметр полостей 60 мм, диаметры входного (первая конфигурация) и выходных портов – 8 мм, размеры экрана (вторая конфигурация) – 7,5 × 12,5 мм, коэффициент отражения внутренней поверхности сфер и экрана – 97%. Измерения спектров отражения R(λ) и пропускания T(λ) исследуемых объектов посредством двухполостных интегрирующих сфер предполагали установку образца между обеими интегрирующими сферами. Каналы отражения и пропускания могли также быть разделены и использоваться независимо. Распределение освещенности внутри двухполостных интегрирующих сфер, а также на поверхности образца рассчитывалось матричным методом [1, 2]. На внутренней поверхности сферы, на поверхностях экрана и образца выделялись кольцевые зоны. Обмен излучением между элементами зон определялся конфигурационными факторами, которые задавали направление на соответствующие элементы зон. Поверхности, участвующие в обмене излучением, были разделены на верхнюю и нижнюю поверхности образца, верхнюю и нижнюю части первой и второй сфер, верхнюю и нижнюю поверхности экрана. Если обмена излучением между зонами не происходило, то соответствующие зонам конфигурационные факторы приравнивались нулю. Результаты расчетов показаны на рис. 2. а б Рис. 2. Относительная разность освещенностей для двухполостной интегрирующей сферы: без экрана (а); с экраном (б); 1 – верхней части первой сферы; 2 – нижней части первой сферы; 3 – верхней поверхности образца; 4 – нижней поверхности образца; 5 – верхней части второй сферы; 6 – нижней части второй сферы; Ev0 – начальная освещенность 66 Расчеты показали, что наибольшую неравномерность освещенности имела верхняя часть первой сферы во второй конфигурации двухполостной интегрирующей сферы. Освещенность нижней части первой сферы, поверхности образца, а также поверхность сферы во второй конфигурации оставалась практически равномерной, только несколько снижалась. На основании приведенных расчетных данных, можно сделать вывод, что экран не вносит неравномерности освещенности образца и, таким образом, не приводит к дополнительной фотометрической погрешности. Поэтому он может быть использован в конструкциях интегрирующей сферы для повышения эффективности светоотдачи излучателя при исключении прямого попадания света от излучателя на образец. 1. 2. Литература Tardy H.L. Matrix method for integrating-sphere calculations // J. Opt. Soc. Am. A. – 1991. – V. 8. – № 9. – Р. 1411–1418. Clare J. F. Comparison of four analytic methods for the calculation of irradiance in integrating spheres // J. Opt. Soc. Am. A. – 1998. – V. 15. – № 12. – Р. 3086–3096. УДК 531.7.082.5:535.42/44 НОВЫЙ МЕТОД ДИФРАКЦИОННОГО КОНТРОЛЯ МАЛЫХ УГЛОВЫХ И ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Ю.А. Соколов Научный руководитель – к.т.н., доцент В.Н. Назаров В настоящее время для юстировки и проведения линейных и угловых измерений в приборостроении и машиностроении широко применяются различные виды приборов и датчиков. Фотоэлектрические автоколлиматоры используются во многих задачах угловых измерений. Достоинствами таких приборов являются возможность автоматизации процесса измерений, высокая точность и большой диапазон измерений. К недостаткам можно отнести большие габаритные размеры, вызванные необходимостью использования длиннофокусных объективов для достижения высокой чувствительности, высокую цену устройств и невозможность изменения чувствительности и диапазона измерений. Альтернативой таким автоколлиматорам служат различные когерентно-оптические схемы контроля, использующие волновую природу света. Данные методы обладают рядом достоинств, главные из которых – высокая чувствительность и точность, простота, дешевизна и малые габариты конструкции. Недостатками таких схем являются: значительно меньший диапазон измерений при сравнимой чувствительности [1]; сложность конструкции при большом диапазоне измерений [2]; специфичность конструкции, которая делает невозможным использование схемы для автоколлимационных измерений, но обладает высокой чувствительностью и большим диапазоном измерений при использовании схемы в качестве углоизмерительного датчика [3]. Целью работы является поиск и исследование новых когерентно-оптических схем контроля, свободных от упомянутых недостатков и обладающих следующими достоинствами: большей чувствительностью, компактностью и простотой реализации по сравнению с ныне существующими фотоэлектрическими и когерентно-оптическими угломерами. В работе исследуется новый метод дифракционного контроля малых угловых и линейных величин на основе схемы дифракционного интерферометра. В отличие от схем интерферометров с делением пучка излучения в исследуемой схеме оба интерферирующих волновых фронта формируются дифракционными элементами – щелевыми апертурами или нитями, которые устанавливаются перед объективом на некотором расстоянии друг от друга 67 вдоль оптической оси. В фокальной плоскости объектива формируется картина интерференции их Фурье-спектров. При изменении угла падения излучения на схему или перемещении одного из объектов между интерферирующими волновыми фронтами возникает дополнительная разность фаз, которая приводит к синусоидальному изменению интенсивности в фиксированных точках интерференционной картины и к смещению интерференционных полос на приемнике. Измерив величину интенсивности в разных точках картины можно определить величину и знак изменения угла или смещения объекта. В ходе исследования с помощью математического аппарата теории преобразования сигналов в оптике и метода решения задач дифракции на основе принципа ГюйгенсаФренеля были выведены математические выражения, описывающие двумерные распределения интенсивности в фокальной плоскости линзы для двух схем контроля с расположением апертур перед линзой и с двух сторон от нее. Для схемы двух щелей перед линзой был проведен расчет ее чувствительности к изменению угла падения излучения при различных параметрах схемы: начальном угле падения излучения и расстояниях между апертурами. Также были оценены чувствительности схемы к продольным и поперечным смещениям одной из апертур при различных углах падения излучения. Минимально разрешаемые угловые и линейные величины составили порядка 0,005" и 5 нм. В ходе работы также была получена инженерная методика расчета необходимых конструктивных параметров схемы: диаметра коллимированного пучка излучения, длины когерентности источника, начального угла падения излучения, расстояния между апертурами и размеров щелевых апертур. Проведен расчет параметров схемы для заданных чувствительностей. Результаты расчетов показали возможность создания дифракционного автоколлиматора, отличающегося большей чувствительностью и меньшими габаритами по сравнению с существующими фотоэлектрическими автоколлиматорами. Основным недостатком исследуемой схемы на данном этапе исследований является значительно меньший диапазон абсолютных измерений. Он ограничен периодом синусоидального колебания интенсивности в центре интерференционной картины. Так, при чувствительности в 0,1" диапазон абсолютных измерений составляет ±10". Для сравнения: диапазон измерений у фотоэлектрического автоколлиматора «Elcomat 3000» с той же чувствительностью составляет ±2000". Для расширения диапазона измерений исследуемая схема может быть модифицирована добавлением второй системы освещения с целью получения второй интерференционной картины с другим периодом колебаний интенсивности. При поочередном измерении интенсивности в двух картинах появляется возможность одновременного учета их значений, при этом период суммарного колебания возрастает в зависимости от соотношения исходных периодов колебаний. Это может быть реализовано выбором источника излучения с длиной волны отличной от длины волны первого источника или внесением дополнительного наклона коллимированного пучка излучения от второго источника. Для проверки правильности математических моделей на базе лабораторий НИУ ИТМО, кафедры КиПОП [4] и Технического Университета Ilmenau (Германия) были собраны лабораторные установки и проведены экспериментальные исследования. В ходе экспериментов было получено несколько серий фотографий интерференционных картин при различных расстояниях между апертурами и различных углах падения излучения. Анализ полученных результатов подтвердил правильность математических моделей и показал хорошее количественное соответствие с результатами расчетов. Поскольку рассмотренная схема дифракционного интерферометра обладает рядом преимуществ: высокой чувствительностью, компактностью и простотой реализации, а также возможностью изменения чувствительности и диапазона измерений, то представляет интерес ее дальнейшее исследование и совершенствование, а также использование при создании простых средств измерений угловых и линейных величин, работающих в широком диапазоне 68 чувствительностей (от 0,005" до десятков секунд; от 5 нм до 20 мкм). 1. 2. 3. 4. Литература Назаров В.Н., Линьков А.Е. Дифракционные методы контроля геометрических параметров и пространственного положения объектов // Оптический журнал. – 2002. – Т. 69. – № 2. – С. 76–81. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Ю.Г. Якушенкова. – М.: Машиностроение, 1987. – 480 с. Arefiev A.A., Ivanov A., Kotenok A. Interferometric devices for angular measurements // SPIE. – 1996. – V. 2775. – P. 189–196. Назаров В.Н., Соколов Ю.А. Дифракционный метод контроля угловых и линейных перемещений // Известия вузов. Приборостроение. – 2012. – Т. 55. – № 4. – С. 78–82. УДК 535.345.67 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЗАДАННОЙ УГЛОВОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК М.В. Столярчук Научный руководитель – ассистент К.В. Каряев Введение. Известно, что интерференционные оптические покрытия изменяют свои цветовые характеристики в отраженном свете в зависимости от угла падения излучения. Это свойство широко используется в природе многими растениями и животными [1]. Множество практических задач может быть решено с использованием подобных покрытий, в том числе для борьбы с контрафакцией [2], использования в офтальмологической оптике и декоративных целях. Целью работы является получение покрытий, меняющих цвет отраженного излучения в зависимости от угла падения в соответствии техническим требованиям. Базовые положения исследования. В работе для расчетов были использованы цветовые координаты x, y относительно стандартного колориметрического наблюдателя МКО 1931 (Международная комиссия по освещению), которые определены с помощью функций соответствия, определенных на диапазоне длин волн видимого спектра [3]. Поставленная задача относится к классу обратных, где известными величинами являются цветовые координаты x, y, заданные для определенных углов падения, при неизвестном распределении оптических толщин интерференционного покрытия. Предлагаемое решение задачи основывается на минимизации целевой функции (ЦФ) – среднеквадратичного отклонения модельных значений x, y от их расчетных значений, получаемых в результате решения прямой задачи. Для поиска минимума ЦФ использовались метод перебора по сетке и градиентные методы оптимизации, требующие вычисление первых и вторых производных (методы 1-го и 2-го порядка) и основанные на последовательном переходе к оптимуму функции с помощью градиента этой функции. Результаты исследования. В результате работы разработаны численные методы синтеза оптических покрытий с заданными цветовыми характеристиками и выполнена их реализация на языке программирования Python. Проведена сравнительная оценка эффективности этих методов: время, затраченное на получение решения, точность решения. Показано, что интерференционные покрытия могут обладать как широким цветовым охватом, так и малым изменением цвета в отраженном свете на заданном диапазоне углов. 69 1. 2. 3. Литература Shinya Yoshioka, Shuichi Kinoshita, Haruhisa Iida, Takahiko Hariyama. Elucidation and reproduction of the iridescence of a jewel beetle // Proc. SPIE 8480, The Nature of Light: Light in Nature IV, 848005 (October 15, 2012). Bill Baloukas and Ludvik Martinu. Metameric interference security image structures // Appl. Opt. – 2008. – V. 47. – Р. 1585–1593. Джадд Д., Выщецки Г. Цвет в науке и технике. – М.: Мир, 1978. – 592 с. УДК 681.2.082 УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКСПРЕСС-МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА И.В. Попов, А.С. Супрун Научный руководитель – к.т.н., доцент С.А. Алексеев В настоящее время проявляется большой интерес к волоконно-оптическим системам передачи данных, а точнее к новым системам, которые позволяют решить задачи уплотнения потоков информации. Мониторинг выполнения этих задач можно производить измеряя профиль показателя преломления в подобных системах, а именно в волоконных световодах. В соответствии с указанными целями была собрана установка и разработана методика, для получения профиля распределения показателя преломления оптического волокна. В качестве источника были использованы светодиоды, а в качестве фотоприемника микроскоп, совмещенный с телекамерой, подключенной к персональному компьютеру. Обработка полученных данных с камеры происходила программным методом. Использование достаточно недорогого оборудования и достаточно простой сборки и юстировки позволяет нам говорить о высокой востребованности выбранного метода в производстве. Использование стандартных цифровых технологий облегчает процесс получения и обработки данных. Достаточно быстрое определение характеристик световода позволяет производителю и потребителю определить качество волокна на ранних стадиях. 1. 2. 3. Литература Чео П.К. Волоконная оптика: Приборы и системы / Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1988. – 280 с. El-Diasty F. Characterization of optical fibres by two- and multiple-beam interferometry // Opt. Lasers in Eng. – 2008. – № 46(4). – Р. 291–305. Дмитриев А.Л. Волоконно-оптические системы передачи информации (учебное пособие). – Л.: ЛИТМО, 1991. 70 УДК 681.2.082 ЗАВИСИМОСТЬ КАЧЕСТВА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОФИЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА ОТ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ В МЕТОДЕ БЛИЖНЕГО ПОЛЯ А.С. Супрун, И.В. Попов Научный руководитель – к.т.н., доцент С.А. Алексеев В настоящее время в информационных системах широко используется оптическое волокно, от характеристик которого зависит способность передавать требуемые объемы информации в соответствии с заявленными характеристиками. Для исследования оптоволокна использовались: светодиоды, в качестве источника, а в качестве фотоприемника микроскоп, совмещенный с телекамерой, подключенной к персональному компьютеру. Обработка полученных данных с камеры производилась программным методом. При анализе изображения в ближнем поле на выходе регистрировалось цифровое изображение торца волокна, с распределением интенсивности, по которому можем судить о профиле показателя преломления исследуемого образца. При обработке данных, полученных данным методом, необходимо учитывать свойства и параметры излучателя, оптической системы и фотоприемного устройства. В итоге получены методики, которые позволят производить коррекцию полученных изображений для измерения профиля показателя преломления оптического волокна методом ближнего поля. 1. 2. Литература Чео П.К. Волоконная оптика: Приборы и системы / Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1988. – 280 с. Дмитриев А.Л. Волоконно-оптические системы передачи информации (учебное пособие). – Л.: ЛИТМО, 1991. УДК 527.224.7 ЗЕРКАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ С ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТЫ Н.И. Сучков Научный руководитель – ст. преподаватель С.И. Кучер В настоящее время по-прежнему актуальна проблема получения с земной орбиты качественного изображения, позволяющего получить размеры объекта, его форму, структуризацию. Спутниковые изображения находят применение во многих отраслях деятельности – сельском хозяйстве, геологических и гидрологических исследованиях, лесоводстве, охране окружающей среды, планировке территорий, образовательных, разведывательных и военных целях. Такие изображения могут быть выполнены как в видимой части спектра, так и в ультрафиолетовой, инфракрасной и других частях диапазона. Подобные задачи обычно решаются зеркальными или зеркально-линзовым системами. Исходя из тематики выпускной квалификационной работы было предложено рассмотреть зеркальные системы для наблюдения в инфракрасном диапазоне. Так как необходимо обеспечить мгновенный снимок как можно большего участка поверхности земли, стоит задача реализовать систему с угловым полем не менее 4° с учетом высоты ИСЗносителя 200 км необходимо обеспечить фокусное расстояние не менее 1000 мм, при диаметре главного зеркала не более 400 мм. Так же обязательным условием было 71 обеспечение минимальных габаритов системы. В ходе работы было рассмотрено множество различных зеркальных систем, но всем характеристикам удовлетворяла только одна, состоящая из двух эллиптических и одного гиперболического зеркал. С помощью данной системы можно получить угловое поле от 4 до 5°. Далее, в ходе выполнения ВКР будут рассмотрены возможности реализации конструкции. Таким образом, в данной работе был произведен сравнительный анализ различных зеркальных систем, рассмотрены основные проблемы космической фотосъемки и реализация зеркальной системы, удовлетворяющей техническому заданию. УДК 535 АНАЛИЗ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕТОДАМИ ГАРТМАНА И ШЕКА–ГАРТМАНА С.В. Щербаков, Т.В. Точилина Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев И. Гартман в 1904 году опубликовал описание разработанного им количественного метода исследования объективов по звезде [1]. Суть метода заключается в применении экрана с рядом отверстий, симметрично расположенных по зонам объектива. Такой экран называется диафрагмой Гартмана. Диафрагму располагают перед объективом (при исследовании качества изображения, образованного объективом телескопа, – на верхнем торце трубы) и делают два снимка яркой звезды: один при положении фотопластинки перед фокальной плоскостью объектива (предфокальный снимок), а второй – в положении за нею (зафокальный снимок). Световые лучи от звезды пройдут через отверстия диафрагмы и узкие пучки лучей при фотографировании оставят на фотоснимке следы от диафрагмы Гартмана в виде пятен (светлых на позитиве). Диаметр отверстия диафрагмы Гартмана и положение фотопластинок относительно фокальной плоскости должны быть выбраны такими, чтобы, с одной стороны, световые пятна на фотопластинках не сливались, а с другой, – чтобы размер их, определяемый расфокусировкой изображения точки и дифракцией, был бы не слишком велик. М.Ф. Романова (Труды ГОИ, вып.35, с.1, 1927) рекомендует применять отверстия диаметром d = 0,002f′, располагая их на расстояниях l ≥ 0,005f′ друг от друга, а предфокальный и зафокальный снимки выполнять на удалениях от фокальной плоскости, соответственно, равных L L z − z1 = , z − z2 = , 2πl f′ 2πl f′ +1 −1 3 3 15 ⋅ 10 λ L 15 ⋅ 10 λ L где L – расстояние от диафрагмы до фокуса. Вполне очевидно, что метод Гартмана применим не только для исследования аберраций объективов, но и формы обрабатываемых (полируемых) поверхностей оптических деталей. Несмотря на сравнительно высокую трудоемкость получения конечной информации о форме волнового фронта при контроле аберраций оптических систем или формы отдельных, как правило, большого диаметра, поверхностей, метод Гартмана достаточно широко применяется в практике оптического производства. При контроле отражающих поверхностей метод Гартмана применяется, как правило, на ранней стадии их полировки, при этом при контроле из центра кривизны деформация формы обрабатываемой поверхности определяется деформацией волнового фронта и равна: 72 W ( ρ, θ ) 1 = − W ( ρ, θ ) . n′ − n 2 Итак, применение метода Гартмана требует выполнения весьма трудоемких процедур, связанных как со сборкой и юстировкой контрольной схемы, так и с выполнением высокоточных измерений координат следов лучей на фотоснимках. Поэтому для изучения изменяющихся во времени фазовых искажений волнового фронта, например, из-за атмосферной турбулентности, весьма удобным оказался модифицированный метод Гартмана, основанный на применении датчика Гартмана. Для интерференционного контроля полированных несферических поверхностей второго порядка находит применение автоколлимационная схема Максутова с эталонной сферой. Ограничивает применение этой схемы необходимость изготовления крупногабаритной высокоточной сферы. Более технологичной представляется основанная на том же принципе коллимационная схема, где эталонная сфера заменена диафрагмой, подобной диафрагме Гартмана, с подсвеченными отверстиями [2]. Однако, для применения этой схемы необходим обстоятельный анализ ее параметров. Решению этой задачи и посвящено настоящее сообщение. f ( ρ, θ ) = 1. 2. Литература Зверев В.А. Кривопустова Е.В. Оптотехника несферических поверхностей. Учебное пособие. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. – 200 с. Ляхов Д.М. Математическая модель модифицированного метода Гартмана // Оптический журнал. – 2010. – Т. 74. – № 12. – С. 17–21. УДК 666.11.016.2 РАЗРАБОТКА ЛЮМИНОФОРНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА Е.Е. Трусова (Белорусский государственный технологический университет) Научные руководители: д.т.н., профессор Н.М. Бобкова (Белорусский государственный технологический университет), д.х.н., профессор Е.Н. Подденежный (Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого) Основным препятствием для повсеместного внедрения светодиодного освещения является высокая стоимость светодиодных ламп и светильников, созданных на основе светодиодов белого цвета излучения. Традиционная структура «белого» светодиода, наиболее часто используемая для целей освещения, состоит из комбинации одного или нескольких чипов, на поверхность которого нанесен слой желтого люминофора в виде полимернокристаллического компаунда, преобразующий излучение синего цвета в желто-зеленое, что в сумме с частично проходящим синим излучением воспринимается глазом как квазибелый свет. Такая конструкция мощных светодиодных излучателей обладает рядом недостатков: малой живучестью полимерного компаунда из-за его термической деградации, отравления наполнителя люминофора за счет взаимодействия поверхности люминесцентного порошка и активных органических групп полимерной основы. Кроме того, в данной конструкции от чипа к чипу трудно добиться воспроизводимости цветового оттенка (бина), который может изменяться от холодного к нейтральному или теплому белому свету. Технология нанесения полимерно-кристаллического компаунда является довольно сложной и плохо воспроизводимой. Одним из направлений, разрабатываемых с целью снижения стоимости светодиодных осветительных приборов, является использование так называемых удаленных люминесцентных преобразователей (remote converter), т.е. люминесцентных материалов, 73 вынесенных на определенное расстояние от светодиодного кристалла (чипа) или матрицы кристаллов. Использование удаленного люминофорного преобразователя в составе светодиодного источника освещения позволяет повысить однородность излучения по диаметру светильника, а сам фотопреобразователь может быть изготовлен из стеклокерамики, либо люминофорного покрытия на прозрачной полимерной или стеклянной подложке. Люминофорное стеклокерамическое композиционное покрытие представляется наиболее экономичной и рациональной формой создания люминесцентных удаленных преобразователей, вариантом, пригодным для массового применения. Состав люминофорной композиции представляет собой смесь легкоплавкого оксидного стекла, люминесцентного порошка (в представленной работе – YAG:Се3+ со средним размером наночастиц d0~ 50– 60 нм) и светорассеиващей добавки, в качестве которой используется порошок кварцевого стекла. В качестве стеклянной подложки могут выступать стекла группы баритовых кронов или флинтов. Однако допустимо применение в качестве подложки и обычного листового стекла при отдаленном положении светодиодов. Требования к легкоплавкому стеклу как к основе для люминофорного покрытия можно сформулировать следующим образом: − ТКЛР стекла должно быть совместимым со значением ТКЛР стеклянной подложки (в пределах (75–90)·10–7 К–1); − температура полного растекания при термообработке − не выше 650–700ºС; − показатель преломления – 1,7 (учитывая высокий показатель преломления наполнителя YAG:Се3+). С учетом этих требований, т.е. в целях обеспечения очень низкой температуры полного растекания и высоких значений ТКЛР и показателя преломления, наибольший интерес представляют стекла висмутборатных систем. Исследованы легкоплавкие стекла на основе Bi2O3−B2O3−ZnO, Bi2O3−B2O3−ВаO и Bi2O3−B2O3−CаO стеклообразующих систем. Свойства стекол представлены в таблице. Таблица. Сравнительная характеристика висмутборатных стекол, содержащих ZnO, BaO и СаО Свойства Система Bi2O3−B2O3−ZnO Система Bi2O3−B2O3−ВаO Система Bi2O3−B2O3−CаO 1000−1100 1000−1100 1000−1100 Температура начала размягчения, °С 450−550 490−530 520−565 Температура полного растекания, °С 610−680 540−630 605−665 ТКЛР, α·107 К–1 96,8−98,4 88−97 78−88 Показатель преломления 1,59−1,68 1,79−1,82 1,72−1,77 Температура синтеза, °С По совокупности исследования физико-химических свойств в качестве оптимального состава для изготовления ллюминофорных покрытий принят состав стекла, %: В2О3 35, Bi2O3 30, ВаO 20, с температурой полного растекания 520ºС, ТКЛР 106,7·10–7 К–1, показателем преломления 1,7. Изготовлены экспериментальные образцы стеклокристаллических люминофорных покрытий на гладких и рифленых подложках с введением YAG:Се3+в широком соотношении стекло : люминофор–70: 30; 75 : 25; 80 : 20; 85 :15. Разработаны конструкции и изготовлены макеты светильников белого цвета излучения с удаленными (прямоугольными и полукруглыми) фотопреобразователями. Удаление люминофора от нагретого кристалла светодиода в значительной степени 74 уменьшает термическую деструкцию люминофора. Это увеличивает срок службы светильника и позволяет использовать более мощные светодиоды. Введение люминофорного компаунда только в углубления фотопреобразователя в значительной степени уменьшает расход люминофора при сохранении равномерности светового потока светильника и однородности излучения. Технология нанесения компаунда в углубления пластины фотопреобразователя проста и совместима с промышленными методами нанесения компаундов и шликерного литья толстопленочных покрытий, используемыми на предприятиях светотехнической и приборостроительной промышленности. УДК 53.082.539 : 535.343 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРАСИТЕЛЕЙ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ НПВО Д.Г. Фатхуллина Научный руководитель – к.т.н., доцент Е.В. Жукова Информация об оптических свойствах красителей необходима для выбора спектральных диапазонов, в которых можно изучать бумажные документы с надписями методом оптической когерентной микроскопии (ОКМ) [1]. Присутствие слоя красителя на поверхности бумаги меняет ее поверхностную микроструктуру, которая изучается при помощи томограмм, а также с использованием приема реконструкции 3D-изображений отдельных участков. Возможности диагностики поверхности таких образцов бумаги методом ОКМ зависят от спектральных свойств красящих веществ. Любой краситель сложен по химическому составу, при этом каждый компонент имеет свои индивидуальные оптические свойства. Сведения об оптических постоянных для конкретного вещества можно найти в специальных изданиях, но чаще всего значения показателей преломления и поглощения приводятся для набора длин волн. Для диагностики методом ОКМ нужны данные о красителях разного происхождения в широкой области спектра. Для исследования оптических постоянных многокомпонентных смесей, к которым следует отнести красители традиционных пишущих инструментов, нужно было выбрать метод их экспериментального изучения и далее рассчитать эффективные значения показателя преломления и показателя поглощения веществ. Для решения этой задачи подходит метод спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), который обладает необходимой чувствительностью в изучении тонких слоев веществ и материалов. Цель работы – исследование оптических свойств красителей методом спектроскопии НПВО на примере изучения красящих веществ, используемых в текстовыделителях, в пастах шариковых ручек разных производителей, а так же чернил для авторучек разного цвета. Актуальность исследования спектральных свойств красителей связана с расширением области применения метода ОКМ в изучении бумажных документов разного происхождения, например для установления фактов подделок надписей на документах. В спектральном диапазоне 0,30–1,18 мкм были измерены спектры НПВО указанных трех групп красящих веществ, используя возможности спектрально-вычислительного комплекса, собранного на базе монохроматора МДР-204. Был выполнен анализ экспериментальных спектров, определены спектральные диапазоны, которые могут быть использованы для диагностики надписей на бумаге методом ОКМ. В ходе работы были также рассчитаны значения эффективных оптических постоянных красящих веществ. Данные о точном положении полос поглощения и эффективных оптических постоянных красителей разного происхождения необходимы для разработки конкретных методик диагностики надписей на бумажных носителях методом ОКМ. 75 1. Литература Гуров И.П., Жукова Е.В., Маргарянц Н.Б. Исследование внутренней микроструктуры материалов методом оптической когерентной микроскопии с перестраиваемой длиной волны // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2012. – № 3 (79). – С. 40–44. УДК 621.397 ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ДАТЧИКА ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ПЗС ЛИНЕЙКОЙ Фи Хоанг Тунг Научный руководитель – д.т.н., профессор Е.Г. Лебедько В работе проводится оценка точности датчика линейных перемещений с ПЗС линейкой. Основными факторами, влияющими на точностью измерения датчика, является шумы ПЗС линейки и погрешность временного квантования при измерении временного интервала Тс. Рассматривается средняя квадратная погрешность измерения исходя из аналитического представления спектральной функции сигнала на выходе фотоприемника. При этом учитывается спектральная функция пространственного распределения потока в плоскости чувствительных элементов ПЗС линейки. Получены зависимости ошибок измерения от частоты считывания, пространственных характеристик приемника. 1. Литература Лебедько Е.Г. Теоретические основы передачи информации. – СПб: Лань, 2011. – 352 с. УДК 681.786 РАЗРАБОТКА МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТА ПО СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЮ Чан Ван Тан Научный руководитель – к.т.н., доцент А.В. Краснящих В настоящее время все больше распространяется использование компьютерных моделей для визуализации и создания объектов. Построение трехмерных моделей объекта вручную сопряжено с большими затратами, а применение специальной аппаратуры для сканирования трехмерных объектов не всегда возможно, так как глубина сканирования такими устройствами ограничена. Существует большое количество различных алгоритмов и подходов к задаче построения трехмерных моделей объекта по набору цифровых изображений. Эти подходы требуют различных исходных данных, базируются на разных физических принципах и математических методах. В работе приводится способ получения трехмерной модели объекта по стереоизображению. Объект регистрируются стереоскопической системой, а также предлагаются модификации алгоритмов, используемых на различных этапах решения задачи построения. Такой способ получения трехмерной модели объекта не накладывает ограничений на размеры объекта: это может быть как не большой объект, так и земной ландшафт. 76 Алгоритм построения трехмерной модели объекта по стереоизображению можно представить в виде следующих шагов: 1. калибровка стереоскопической системы (найти внутренние параметры камеры); 2. ппределить некоторые число сопряженных точек на стереоизображение; 3. выполнить выпрямление стереоизображения; 4. построить плотную карту диспаратности; 5. произвести тригуляцию. В качестве исходных данных используются изображения объекта, которые регистрируются стереоскопической системой. Дальнейшая обработка осуществляется с использованием пакета программ MATLAB. В результате обработки исходных данных формируется трехмерная модель объекта в действительном масштабе. 1. 2. 3. Литература Грузман И.С. Цифровая обработка изображений в информационных системах: учеб. пособие. – Новосибисрк: Изд-во НГТУ, 2002. – 352 с. Bouguet JY. Camera Calibration Toolbox for Matlab // Computational Vision at the California ресурс]. – Режим доступа: Institute of Technology [Электронный http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/, своб., англ. Лукьяница А.А. Эффективный алгоритм восстановления промежуточных ракурсов по стереопаре // В материалах международной конференции «Graphicon 2006». – Новосибирск. – 2006. – С. 15–18. УДК 535.55 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ H-ПАРАМЕТРА АНИЗОТРОПНОГО СВЕТОВОДА ОТ РАДИУСА ИЗГИБА О.А. Шрамко, А.В. Рупасов, Р.Л. Новиков Научный руководитель – д.т.н., профессор И.К. Мешковский Введение. Постановка проблемы. Одной из важнейших задач создания волоконнооптического гироскопа (ВОГ) является изготовление его чувствительного элемента, основная часть которого – волоконный контур. Последний представляет собой многослойную и многовитковую катушку оптического волокна, создаваемую путем квадрупольной намотки световода на каркас. Волокно в контуре укладывается в «канавки», образованные световодом нижележащего слоя. Но по различным причинам волокно может перескакивать из одной «канавки» в другую. Эти нарушения структуры контура, называемые дефектами, характеризуются пониженным радиусом изгиба волокна [1], что приводит к ухудшению его оптических свойств. В стационарном состоянии, т.е. в отсутствие дефекта, световод, находящийся внутри контура, имеет радиус Rст, зависящий от номера слоя N, диаметра волокна d и диметра каркаса D. В случае стабильности D и d получаем прямо пропорциональную зависимость радиуса изгиба волокна в стационарном состоянии только от номера слоя. Радиус волокна в дефекте имеет минимальное и постоянное, в случае стабильности величины натяжения волокна, значение. Для оценки способности волокна сохранять поляризацию проходящего по нему света используют h-параметр, зависящий от радиуса изгиба волокна. Механизм случайной связи поляризационных мод в анизотропном оптическом волокне может быть представлен с помощью простой модели. Перекачка оптической мощности из одной ортогональной моды в другую происходит в дискретных точках Mi, расположенных в пределах одной длины деполяризации Ld на протяжении всего волновода. При длине волокна L количество таких точек будет равно L/Ld. Каждая пара точек преобразования, 77 расположенных симметрично относительно середины волокна, возбуждает две пары вторичных волн (в каждом направлении), которые вносят одинаковую фазовую ошибку ∆φei. Среднее значение фазовой ошибки близко к нулю, а ее среднее квадратичное отклонение зависит от ширины спектра источника света, коэффициента экстинкции поляризатора и hпараметра волокна. Шум, создаваемый фазовой ошибкой, приводит к нестабильности смещения и увеличению минимальной измеряемой угловой скорости. Таким образом, при реализации возможности локализации дефектов намотки и нахождения зависимости между радиусом изгиба волокна и h-параметра можно уже после намотки волоконного контура прогнозировать его выходные характеристики. Цель работы. Определение зависимости h-параметра анизотропного оптического волокна чувствительного элемента ВОГ от диаметра катушки. Базовые положения исследования. В представленной работе изгиб световода достигается путем намотки на каркасы различных диаметров с помощью специального станка для намотки оптического волокна. Для ввода света строго в ось анизотропного световода применяется интерферометрический метод, основанный на компенсации разности фаз ортогональных мод путем сдвига плеча поляризационного интерферометра Майкельсона. Измерение h-параметра проводится поляризационно-амплитудным методом. Результаты работы 1. Были проведены измерения h-параметра волокне для восьми различных диаметров в диапазоне от 34 мм до 180 мм. 2. Описана методика измерения h-параметра, обработаны и проанализированы экспериментальные данные. 3. Получена зависимость h-параметра от диаметра катушки. 4. Проведена оценка влияния измеряемого параметра на точностные характеристики ВОГ. 1. 2. Литература Мешковский И.К., Киселев С.С., Куликов А.В., Новиков Р.Л. Дефекты намотки оптического волокна при изготовлении чувствительного элемента волоконнооптического интерферометра // Приборостроение. – 2010. – №2. – С. 47–51. Мешковский И.К., Унтилов А.А., Киселев С.С., Куликов А.В., Новиков Р.Л. Качество намотки чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа // Изв. вузов. Приборостроение. – 2011. – Т. 54. – №7. – С. 75–78. УДК 60.681.7.067.221 СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДОПУСКОВ ДЛЯ ЛИНЗОВЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATHCAD Д.А. Абрамов Научный руководитель – д.т.н., профессор А.П. Смирнов Краткое введение. Конструирование линзовых систем достаточно сложный процесс и может включать несколько этапов, это замедляет рост производства. На сегодняшний день все большую популярность имеют построенные математические модели в разных областях науки, которые позволяют получить полную картину исследуемого объекта, а так же проанализировать его. Предлагается провести расчет допусков и выбрать наиболее оптимальный вариант конструкции линзовой системы с помощью статистического анализа на основе построенной математической модели в вычислительном комплексе PTC MathCad. 78 Цель работы. Построение математической модели, позволяющей, следуя техническим требованиям, автоматизировать процесс выбора и назначения допусков на исследуемые детали сборки. Базовые положения исследования. Построенные раннее математические модели линзовых оптических устройств (подробное описание в работах [3–5]) позволяют решить ряд следующих задач: − провести классический расчет и оптимизацию геометрических параметров; − исследование критериев качества изображения; − автоматизированный выбор оптимальной конструкции; После выполнения вышеуказанных расчетов мы можем перейти к статистическому анализу допусков на элементы исследуемой конструкции. Существуют различные способы сборки конструкций линзовых систем, их подразделяют на: насыпные, насыпные в оправах, резьбовые, комбинированные и специальные [2]. Акцентируем наше внимание на насыпной сборке микрообъективов. При конструировании линзовых систем мы сталкиваемся с первичными погрешностями. Некоторые из них: − погрешность центрировки самих линз; − зазор в посадке линзы или оправы в корпусе; − зазор в посадке линзы или склейки в оправу; − наклон линзы из-за перекоса опорного торца корпуса, торцевое биение; − несоосность посадочных рабочих поверхностей корпуса. Рассмотрим зазор в посадке линзы или склейки в оправу. При креплении линз используются посадки с гарантированным зазором (рисунок). Будем полагать, что статистические характеристики подчиняются закону Рэлея [6]. Рисунок. Статистические данные программы Результаты. Полученные статистические данные можно использовать непосредственно при сборки линзовых устройств. Данная программа делает работу конструктора более простой и быстрой. Следующим этапом автоматизация сборки линзовых оптических систем. 79 1. 2. 3. 4. 5. 6. Литература «Единая система допусков и посадок», Государственный стандарт Союза ССР. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов. – СПб: Политехника, 2007. – 578 с. Смирнов А.П. Модель оптической системы в среде MathCad // Приборостроение. – 2007. – № 4. – С. 56–62. Смирнов А.П., Абрамов Д.А., Пименов А.Ю. Компьютерное моделирование оптических систем. Часть 1. Линзовые устройства. Практикум в среде MathCad. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 84 с. Смирнов А.П., Пименов А.Ю., Абрамов Д.А. Моделирование линзовых оптических систем в среде Mathcad // Труды X международной конференции «Прикладная оптика2012». – 2012. – Т. 3. – C. 75–79. Смирнов А.П., Златев И.Н., Марков Д.В., Пименов А.Ю. Статистическое моделирование первичных погрешностей конструкций линзовых систем // Труды X международной конференции «Прикладная оптика-2012». – 2012. – Т. 1. – C. 102–106. УДК 681.7.068 ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МОЛЕКУЛЯРНЫМИ КЛАСТЕРАМИ СЕРЕБРА ДЛЯ ДЕТЕКТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ИСКРЫ Д.С. Агафонова (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина) «ЛЭТИ») Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор А.И. Сидоров (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) Задача детектирования электрической дуги и искры возникает в связи с необходимостью обеспечения правильной и безопасной работы устройств и оборудования и предупреждения аварий, связанных с возникновением взрывоопасных и пожароопасных ситуаций. Среди существующих методов обнаружения электрического разряда оптические методы, т.е. основанные на обнаружении оптического излучения от разряда, обладают такими преимуществами как высокое быстродействие и селективность. Однако непосредственное измерение мощности оптического излучения затруднительно в условиях повышенных электромагнитных полей, что является характерным для устройств и оборудования (силовые установки, трансформаторы и т.д.), в которых возникает задача регистрации электрической дуги и искры и предупреждение аварийных ситуаций. Проблема может быть снята при использовании волоконно-оптического детектора, чувствительный элемент которого выполнен из диэлектрических материалов и нечувствителен к электромагнитным наводкам. Цель работы – исследование возможности использования люминесцентных стеклянных волокон с молекулярными кластерами серебра и квантовыми точками CdS и CdSхSe1-х в качестве чувствительного элемента в волоконном датчике со спектральным преобразованием излучения электрической искры и дуги. В работе исследовались волокна диаметром 300–500 мкм из силикатных стекол с молекулярными кластерами Agn (n = 1–4) и волокна из оксифторидных стекол с квантовыми точками CdS и CdSхSe1-х. Формирование нейтральных молекулярных кластеров серебра производилось при обработке волокон с серебром УФ излучением или нагреве волокон с ионами серебра, введенными в объем волокна методом ионного обмена. Под воздействием излучения в интервале 230–530 нм в волокнах возбуждается люминесценция в спектральном интервале 500–800 нм. Происходит спектральное преобразование внешнего излучения и 80 возбуждение волноводных мод. Квантовые точки CdS и CdSхSe1-х формировались при термообработке оксифторидных волокон, исходно содержащих ионы Cd, S и Se. Варьирование температуры и времени термообработки позволяет управлять размером квантовых точек, и, за счет этого, сдвигать полосу их люминесценции по спектру. В волокне из оксифторидного стекла с квантовыми точками CdSSe была получена люминесценция с максимумом на λ=900 нм и шириной полосы по полувысоте 200 нм. В этом случае имеет место наилучшее согласование спектра люминесценции со спектральной чувствительностью кремниевого фотоприемника. Преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое позволяет также уменьшить потери на светорассеяние в передающем кварцевом волокне. Для указанных волокон были определены эффективности преобразования внешнего излучения в интервале длин волн 365–530 нм в волноводные моды при боковом освещении. Наибольшей эффективностью преобразования обладают волокна с квантовыми точками CdS и молекулярными кластерами серебра в оболочке. УДК 681.4.07 ЮСТИРОВКА И КОНТРОЛЬ ВЫСОТЫ И ЦЕНТРОВКИ МИКРООБЪЕКТИВОВ П.А. Белойван Научный руководитель – д.т.н., профессор С.М. Латыев Получение целевых показателей качества микрообъективов при их сборке и юстировке является достаточно трудоемкой задачей. Однако этот процесс можно ускорить, используя метод адаптивно-селективной сборки с последующим контролем на специальном стенде. Целью работы является разработка контрольно-юстировочного стенда для контроля высоты и центровки микрообъектива, а также для измерения погрешности револьверного устройства. Рисунок. Схема стенда для юстировки и контроля микрообъективов: 1 – индикатор линейных перемещений «ЛИР 14»; 2 – сетка; 3 – столик; 4 – тубус; 5 – контролируемый микрообъектив; 6 – ПЗС-матрица; 7 – монитор; 8 – тубусная линза; 9 – сменное дистанционное кольцо 81 Метод предусматривает наличие эталонного микрообъектива, имеющего номинальное значение высоты и совмещенные оптическую и механическую оси, с помощью которого установка настраивается, после чего производится непосредственная юстировка или контроль высоты или центровки микрообъектива. Измерение высоты контролируемого микрообъектива производится с помощью автоматизированного фотоэлектрического индикатора линейных перемещений «ЛИР 14», показания которого сравниваются со значениями, полученными при измерении эталонного микрообъектива. Контроль искомой несоосности производится по величине сдвига изображения контролируемого микрообъектива относительно эталонного на ПЗС-матрице. На данной установке можно также осуществлять контроль погрешностей револьверных устройств, если снабдить ее устройством для их крепления. 1. 2. 3. 4. 5. Литература Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. – Л.: Машиностроение, 1982. – 238 с. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов. – СПб: Политехника, 2007. – 578 с. Скворцов Г.Е, Долинский И.М. Станок для юстировки и подгонки высоты микрообъективов // Оптико-механическая промышленность. – 1966. – № 9. – С. 17–20. Латыев С.М., Табачков А.Г., Фролов Д.Н., Резников А.С. Унификация оптических и механических конструкций линзовых микрообъективов // Приборостроение. – 2011. – № 11. – С. 14–21. Латыев С.М., Смирнов А.П., Табачков А.Г., Фролов Д.Н., Шухат Р.В. Проект линии автоматизированной сборки микрообъективов // Приборостроение». – 2011. – № 11.– С. 7–13. УДК 621.383.4 МНОГОЗОННЫЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ До Тан Тай Научный Руководитель – д.т.н., профессор Л.А. Губанова В работе рассмотрены существующие виды многозонных просветляющих покрытий, достоинства и недостатки каждого вида. Многозонные покрытия – диэлектрические системы, которые снижают отражение от границы раздела воздух – оптический элемент в нескольких участках спектральных электромагнитного излучения. В зависимости от конкретной задачи участки электромагнитного излучения могут быть разными, а ширина участков определяется назначением данного прибора. Например: для лазерной техники, необходимо иметь низкое отражение для длины волны генерации и ее гармоник (вторая гармоника, третья гармоника и т.д.). Поскольку вне зон минимального отражения, отражение существенно возрастает, то это облегчает юстировку оптической схемы прибора во время его сборки. Если наблюдательный прибор предназначен для работы и днем и ночью, то он должен иметь две зоны (области) пропускания – видимую и ближнюю инфракрасную части спектра, а просветляющие покрытия должны иметь минимальное отражение в этих зонах. В качестве многозонных просветляющих покрытий, в литературе рассматриваются следующие виды. − Однослойное покрытие обеспечивает минимальное отражение на длинах волн λк=λ0/(2k+1) при k = 0,1,2,… если его оптическая толщина равна λ0/4. При этом во всем диапазоне спектра коэффициент отражения меньше коэффициента отражения подложки. 82 − Многослойные покрытия (двухслойное, трехслойное и т.д.). Минимальное отражение можно реализовано на нескольких длинах волн λ0, λ1, λ2 и т.д. в зависимости от соотношения между показателями преломления пленкообразующих материалов и их оптических толщин. Если просветляющие покрытия образованы четвертьволновыми слоями или слоями с оптическими толщинами кратными четверти длины волны, то минимумы отражения повторяются также как и для однослойного покрытия на длинах волн λк = λ0/(2k+1) при k = 0,1,2,… вне этих зон коэффициент отражения существенно больше коэффициента отражения подложки. Если оптические толщины слоев образующих просветляющее покрытие не кратны друг другу, то зона минимального отражения будет единственной, а вне этой зоны коэффициент отражения существенно больше коэффициента отражения подложки. Существующие конструкции просветляющих покрытий не обеспечивает решения проблем, которые стоят перед оптическим приборостроением. 1. 2. 3. 4. Литература Путилин Э.С. Оптические покрытия. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 207 с. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. – Л.: Машиностроение, 1973. – 224 с. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия. – Л. Машиностроение, 1977. – 264 с. Li Li, J.A. Dobrowolski, J.D. Sankey and J.R. Wimperis. Antireflection coatings for both visible and far-infrared spectral regions // Applied Optics. – 1992. – V. 31. – № 28. – Р. 6150– 6156. УДК 681.78 ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СОПРЯЖЕНИЯ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА С ОКУЛЯРОМ ЭНДОСКОПА А.В. Карандин (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Научный руководитель – к.т.н., доцент В.И. Батшев (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Видеоспектрометры на базе акустооптических (АО) фильтров находят широкое применение в различных областях науки и техники. Высокое пространственное и спектральное разрешение, быстрая произвольная спектральная перестройка выгодно отличают их от приборов, построенных на других физических принципах. В сравнении с другими оптическими фильтрами, позволяющими одновременно анализировать пространственные и спектральные свойства объекта, АО фильтр обеспечивает перестройку в более широком спектральном диапазоне (например, 0,4–0,8 мкм) с весьма высоким для таких компактных устройств разрешением (до 0,1 нм). При этом АО фильтры обеспечивают неплохое разрешение (до 1000 разрешимых положений по каждой из координат). Одним из наиболее перспективных применений АО видеоспектрометров являются спектральные исследования труднодоступных объектов: биомедицина, неразрушающий контроль промышленных изделий сложной формы и пр. Благодаря малой массе и малым габаритам, отсутствию подвижных элементов, исполнению в виде законченных компактных программно управляемых устройств АО фильтры в наибольшей степени подходят для сопряжения с такими устройствами для наблюдения труднодоступных объектов, как жесткие линзовые и гибкие оптоволоконные эндоскопы. Для сопряжения АО с окуляром эндоскопа нужна афокальная система, обеспечивающая согласование их габаритных и светоэнергетических характеристик. Методика ее расчета приведена в докладе А.С. Мачихина, В.И. Батшева, А.В. Перчика «Расчет оптических систем 83 для сопряжения перестраиваемых акустооптических фильтров и окуляров наблюдательных приборов» на конференции «Прикладная оптика-2012». Целью работы является расчет афокальной системы сопряжения перестраиваемого АО фильтра с окуляром эндоскопа. Исходными данными для расчета являются параметры АО фильтра и окуляра эндоскопа, а также габаритные и аберрационные требования к системе сопряжения: 1. угловое поле АО фильтра 2ɷао=3°, его световой диаметр Dао=6 мм; 2. угловое поле окуляра эндоскопа 2ɷэ=7°, диаметр его выходного зрачка Dэ=2,5 мм; 3. длина афокальной системы не более 100 мм, разрешающая способность не хуже 70 лин/мм, хроматизм положения не более 100 мкм. В работе рассчитана афокальная система, параметры которой удовлетворяют всем предъявленным требованиям. Расчет проведен в предположении, что окуляр производит безаберрационное изображение. Синтез исходной схемы был проведен по теории аберраций третьего порядка и оптимизирован в программе «Zemax». УДК 681.723 ИНФРАКРАСНЫЙ ЦИФРОВОЙ МИКРОСКОП ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ А.А. Колесова (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Научный руководитель – к.т.н., доцент В.И. Батшев (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Бесконтактный тепловой метод контроля является эффективным средством диагностики электронной техники. Он успешно применяется для обнаружения проблем в конструкции на ранней стадии создания устройств, а также в серийном производстве для выявления бракованных изделий. Бесконтактный тепловой метод контроля имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным методом контроля тепловых полей, что сделало его неотъемлемой частью системы контроля качества и полезным инструментом при разработке электронных устройств. Реализация данного метода возможна, например, с использованием цифрового ИК микроскопа, работающего в спектральном диапазоне 8– 14 мкм. Целью работы является расчет оптической системы цифрового ИК микроскопа для бесконтактного контроля электронной техники. Исходными данными для расчета являются: параметры приемника изображения и объекта наблюдения. В качестве приемника изображения выбрана неохлаждаемая микроболометрическая матрица (XenixXTM-640) с геометрической разрешающей способностью 640×480 и размером пиксела 17×17 мкм2. Размеры чувствительной площадки приемника 11,0×8,2 мм2. Требуемый предел разрешения в пространстве предметов составляет 10 мкм. Из исходных данных определены параксиальные характеристики оптической системы: − линейное увеличение β = 8×; − числовая апертура А = 0,5; − линейное поле в пространстве предметов х×у=1,4×1,0 мм2. Далее рассчитаны конструктивные параметры оптической системы. В качестве материала линз использован Ge.Объектив состоит из четырех линз, общая длина системы не превосходит 150 мм. В перспективе планируется изготовление рассчитанной системы, а также калибровка ИК микроскопа для измерения температуры. 84 УДК 617.7 КОНТАКТНАЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНЗА ПАНФУНДОСКОП Е.С. Кузьмина, Д.А. Кузьмин Научные руководители: к.т.н., доцент Д.Н. Черкасова; к.т.н., доцент А.В. Бахолдин Цель работы. Освоить методику компьютерного расчета передающего канала составной оптической системы «Глаз – Офтальмологическая линза – базовый оптический офтальмологический прибор», на примере компьютерного расчета контактной офтальмологической линзы «Панфундоскоп» как компонента составной системы: «Глаз – Панфундоскоп – Стереомикроскоп со щелевой лампой». Реализуемый метод исследования глаза – биомикроофтальмоскопия. Положения исследования. Выполнить компьютерный анализ оптических схем панфундоскопов фирм OLIS и Rodenstock, с целью выбора оптимальной. Промежуточные результаты. Рассмотрена компьютерная модель глаза по Гульстранду с углом поля 90° и диаметром зрачка 8 мм. Изучены в эксперименте три составных схемы: 1. «Офтальмологическая линза +15 дптр – офтальмоскоп» (по методу офтальмоскопии в обратном виде); 2. «Офтальмоскопическая линза Хруби – стереоскопический микроскоп со щелевой лампой» (по методу биомикроофтальмоскопии); 3. «Глаз – пробная очковая линза» (по методу субъективной рефрактометрии); Выполнен габаритный расчет, который включал в себя два этапа. На первом этапе рассчитан угол поля системы, на втором – диаметра зрачка глаза. Выполнен поверочный расчет панфундоскопов фирм OLIS и Rodenstock по данным технической документации ГОИ. Основной результат. Освоена и подтверждена на примере методика компьютерного расчета составной схемы «Глаз – ОЛ Панфундоскоп – Стереоскопический микроскоп со щелевой лампой». При этом решены следующие задачи: − дана техническая характеристика компонентов с использованием технической документации ГОИ им. Вавилова и ОАО «ЗОМЗ»; − доказана возможность композиции данной составной системы на базе панфундоскопов фирм Rodenstock, ОЛИС и прибора ЩЛ-2Б; − в результате аберрационного расчета выбрана оптическая схема панфундоскопа фирмы Rodenstock, как оптимальная. УДК 666.223.9+620.172.242 КРАТКОВРЕМЕННАЯ ПОТЕРЯ ПРОЧНОСТИ КВАРЦЕВОГО ВОЛОКНА ПОСЛЕ ВЫТЯЖКИ А.Ю. Кулеш Научный руководитель – д.т.н., доцент М.А. Ероньян Повышение прочности кварцевого стекла является актуальной проблемой, необходимость решения которой продиктована развитием современных средств новой техники. Механические свойства кварцевого волокна за последние десятки лет хорошо изучены, однако процессы деградации прочности кварцевых волоконных световодов, 85 особенно в первые минуты после их вытягивания в литературе не освещены. Целью работы является исследование прочностных свойствволокон из кварцевого стекла сразу после его вытягивания. Используя цилиндрическую заготовку из кварцевого стекла марки КВ диаметром 12 мм вытягивали волокно диаметром 125 мкм с последующим нанесением отверждаемого ультрафиолетовым излучением эпоксиакрилатного покрытия толщиной 60–70 мкм. Нагрев заготовки осуществляли в печи сопротивления при температуре графитового нагревателя ≈2100–2150оС. Прочность коротких отрезков волокна (около 30 мм) измеряли методом изгиба при комнатной температуре и естественной влажности окружающей среды. Величину разрушающего растягивающего напряжения (σ) рассчитывали по формуле [1]: σ=E[1+6,9/2(1,219d/∆–1,137(d/∆)2)](1,219d/∆–1,137(d/∆)2), где d – диаметр стекловолокна; ∆ – расстояние между нейтральными осями петли волокна; Е=73,5 ГПа – модуль Юнга. Обнаружено, что в течение первых минут после вытягивания прочность волокна снижается почти в 2 раза. Примерно через час прочностные свойства стабилизируются. Обнаруженное явление кратковременной потери прочности связано со спецификой состояния поверхностного слоя волокна и может быть объяснено, вероятно, следующими причинами: − обезвоживанием полимерной оболочки в атмосфере сухого азота во время отверждения; − наличием закалочных растягивающих напряжений в тонком наружном слое волокна; − наличием микропримесей в гетерогенном состоянии; − химическим взаимодействием поверхностного слоя стекловолокна с атмосферой печного пространства при высоких температурах. В докладе проведены сравнительные анализы с целью определения природы обнаруженного явления. 1. Литература Bogatyrjov V.A., Bubnov M.M., Dianov E.M., Makarenko A.Y., Rumyantsev S.D., Semjonov S.L., Sysoljatin A.A. High-strength hermetically tin-coated optical fibers // Optical fiber commun. – 1991. – Р. 115. УДК 535.243 ПРИМЕНЕНИЕ УФ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТАВА КУМОЛОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ОСОБО ЧИСТОГО АЦЕТОНА А.С. Лебедь Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор А.Д. Яськов Кумол и его производные востребованы при производстве особо чистого ацетона. Контроль состава исходного продукта изначально предполагалось производить рефрактометрическими технологиями. Предприятием «ИЛАН СПб» были предоставлены образцы производных кумола из производственного процесса. Эти образцы исследовались на гониометрическом рефрактометре с некоторым наименьшим отклонением. Использовалась жидкостная кювета в виде призмы с оптическими окнами из кварцевого стекла КУ-1 и гониометр с точностью отсчета по кругу 0°00′05″, что позволяло измерять показатель преломления с точностью ∆n=0,00005. В результате исследования было установлено, что пробы кумола и его производных не являются растворами; содержащиеся в них нерастворимые фракции, различающиеся по показателю преломления, формируют в поле зрения окуляра систему полос. Эти полосы соответствуют показателю преломления разных фракций. Различие в показателях 86 преломления доходит до ∆N=0,01. Этот результат не позволяет использовать технологические рефрактометры, рефрактометры в связи с чем были исследованы спектры УФ пропускания тех же проб в диапазоне длин волн λ=200–400 нм. Использовался специально разработанный УФ спектрометр, внешний вид и оптическая система, которого показаны на рис. рис 1. а б Рис. 1. Внешний вид спектрометра (а); оптическая схема спектрометра (б) При исследовании спектров использовалась стандартная кварцевая кювета с длиной прохода 10 мм. Эталоном являлась дистиллированная вода, заполнявшая кювету. Полученные спектры показаны на рис. 2. Рис. 2. 100%(кювета кювета+вода) (1); Кумол(ИПБ)(кювета+кумол кумол) (2); Ацетон(ОСИ)(кювета+ацетон) ацетон) (3); ИПБ+0,1%ДМФК(кювета+проба) (4); ИПБ+1,0%ДМФК ИПБ (5); ИПБ+0,4%АИФ АИФ (6); смесь ИПБ20%+18%+ацетон 6,2% (7) Все пробы различались по положению края собственного поглощения. поглощения Исследованные пробы имеют почти нулевую прозрачность в области фундаментального поглощения, но отличаются по положению края полосы фундаментального поглощения. Выявляется также неоднородность проб. Например, проба 6 имеет два края, которые предположительно соответствуют двум полосам поглощения при λ=277 нм и λ=310 нм, которые предположительно соответствуют двум полосам поглощения лощения двух компонентов, содержащихся в данной пробе. Таким образом, представляет интерес исследование и разработка в производственных условиях промышленного УФ спектрофотометра для определения и контроля состава в пробах кумола и его производных. производных Предполагается использовать в составе промышленного спектрофотометра проточную кювету, кювету вид которой показан на рис. 3. 87 Рис 3. Схема проточной кюветы Рис. УДК 539.234 ИЗМЕНЕНИЕ Е СВОЙСТВ ПЛЕНОК ОКСИДОВ ТИТАНА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ Е.А. Моисеев Научный руководитель – ст. преподаватель М.В. Погумирский В настоящее время при создании сложных многослойных интерференционных систем, создаваемых методом электронно-вакуумного электронно напыления, применяются различные материалы, такие как оксиды титана, оксиды гафния, оксиды кремния и т. д. Выгоднее применять материалы, у которых разница показателей преломления максимальна. максимальна На данный момент из доступных материалов лучше всего использовать оксид титана (IV) (TiO2) и оксид кремния (IV) (SiO2). Такие системы позволяют создавать высокоэффективные отражающие или просветляющие покрытия. Но при нанесении оксида титана (IV) на стеклянную подложку возникает ряд технологических проблем. проблем Например, при электронно-лучевом испарении в вакуумной камере оксида титана (TiO) требуется подкисление среды. Подкисление осуществляется добавлением в среду кислорода. Кроме того требуется выдерживать температурный режим нагрева подложки, подложки установленной в вакуумной камере. Известно, что при температурах 200°С–300°С С осаждаемое вещество оксида титана имеет структуру анатаза. анатаза В работе использовался оксид титана (TiO) и оксид кремния (SiO2), которые наносились последовательно в виде шестишести или восемнадцатислойной системы, системы и при этом не производилось дополнительное подкисление среды в вакуумной камере. камере Были получены покрытия, имеющие довольно высокое поглощение. Последующий термический отжиг до температур превращения структуры оксида титана в анатаз приводил к падению поглощения. Термический отжиг образцов производился в градиентной печи до температур 540°С, 600°С, 750°С. Преобразование структуры оксида титана происходит при температурах 200°С–300°С. Именно при этих температурах происходит изменение оптических постоянных интерференционных покрытий. покрытий Величина уменьшения поглощения может достигать от нескольких долей, до нескольких десятых долей процентов. Применение дополнительной технологической обработки покрытий на основе оксидов титана, позволяет управлять величиной поглощения не только на этапе нанесения, но и после, что расширяет технологические возможности использования покрытий, покрытий созданных электронно-лучевым методом. 88 УДК 535.3915 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ТОЛЩИН СЛОЕВ, ФОРМИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЕ, НА ЕГО СПЕКТРАЛЬНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ С.А. Мустафин Научный руководитель – д.т.н., профессор Л.А. Губанова Интерференционные покрытия находят широкое применение для увеличения пропускания оптических систем [1]. С этой целью на большинство преломляющие грани наносятся просветляющие многослойные диэлектрические системы. Выбор конструкций таких систем определяются требованиями к спектральной характеристики покрытия и показателем преломления из которого изготовлен оптический элемент. В большинстве случаев для создания ахроматических просветляющих покрытий используются системы состоящие из трех, четырех и более слоев [2]. Толщина каждого слоя оказывает существенное влияние на спектральную характеристику, т.е. на ширину и на величину минимального коэффициента отражения. В современной литературе обычно утверждается, что необходимо строгое соответствие толщин слоев расчетным [3], но современное технологическое оборудование не всегда позволяет с достаточной степенью контролировать толщину слоев. В работе показано, что отклонение в толщинах слоев может положительно сказаться на характеристике покрытия. Для анализа были рассмотрены стандартные трехслойные ахроматические покрытия сформированные на материалах с различными показателями преломления и обеспечивающие уменьшение коэффициента отражения границы двух сред (воздух-стекло) в видимом диапазоне с величины 4,2 до 1·10–6% в зависимости от показателя преломления подложки. В работе были проанализированы разные варианты рассогласования толщин слоев. Базовое покрытие состоит из слоев оптические толщины которых равны между собой и равны λ0/4, где λ0 референтной длины волны. Такое покрытие позволяет снизить коэффициент отражения до величины меньше одного процента в интервале длин волн λ1=417 нм λ2=627 нм для стекол с nm=1,51, λ1=423 нм λ2=613 нм для стекол с nm=1,57, λ1=436 нм λ2=586 нм для стекол с nm=1,65, λ1=453 нм λ2=558 нм для стекол с nm=1,72. При отклонении оптической толщины каждого слоя на 30% наблюдается увеличение полосы минимального отражения и смещение ее в длинноволновую область, такая тенденция присуща материалам с любым показателям преломления. В дальнейшем был проведен анализ структур с рассогласованными отклонениями толщин слоев.При отклонениях оптических толщин на 30% в первом и третьем слоях наблюдается смещение зоны минимального отражения в длинноволновую область и ее уширение на 34% для стекол с nm=1,51 (λ1=528 нм λ2=811 нм), 36% для стекол с nm=1,57 (λ1=537 нм λ2=797 нм), 42% для стекол с nm=1,65 (λ1=554 нм λ2=768 нм), 53% для стекол с nm=1,72 (λ1=574 нм λ2=735 нм). В дальнейшем следует проанализировать характеристики других структур просветляющих покрытий с целью определения наиболее устойчивых к ошибкам систем. 1. 2. 3. Литература Путилин Э.С. Оптические покрытия. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 227 с. Введенский В.Д., Метельников А.А., Фурман Ш.А. Ахроматические просветляющие покрытия для стекол с показателем преломления 1,46–1,80 // Оптико-механическая промышленность. – 1980. – № 3. – С. 32–34. Введенский В.Д., Метельников А.А., Столов Е.Г., Фурман Ш.А. Ахроматические просветляющие покрытия на основе тугоплавких окислов // Оптико-механическая промышленность. – 1980. – №11. – С. 31–34. 89 УДК 681.786 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ ПРИ ПОСТРОЕНИИ 3D МОДЕЛЕЙ Нгуен Хоанг Вьет Научные руководители: д.т.н., профессор В.В. Коротаев; к.т.н., доцент А.В. Краснящих Введение. На сегодняшний день бурное развитие промышленности и информационных технологий дают возможность создавать транспортные средства, передвигающиеся без участия человека. Для решения задачи автоматического управления необходимо разработать средства оперативного анализа и мониторинга дорожной обстановки в оперативной окрестности вокруг транспортного средства, а также разработать алгоритмы управления и реагирования на широкий спектр дорожных ситуаций, с адаптацией к внешним условиям. Решение проблемы оперативного анализа и мониторинга требует построения трехмерных моделей окружающих объектов. В работе рассматривается подход решения задачи с использованием стереоскопической оптико-электронной системы. Цель работы. Исследование виляющих факторов при построении 3D моделей с помощью стереоскопической системы. Базовые положения. В данной работе, мы рассмотрена стереоскопическая система, состоящая из двух произвольно ориентированных телевизионных датчиков. Телевизионные датчики регистрируют дорожную обстановку и передают полученные изображения для обработки ЭВМ. На базе полученных изображений сцены ЭВМ строит трехмерную модель окружающих объектов. Существует ряд факторов, оказывающих влияние на результат построения, как разрешение матрицы ПЗС (КМОП), разрешение оптической системы, относительное расположение камер. В том числе разрешение матрицы ПЗС (КМОП) и разрешение оптической системы влияют на глубинное разрешение системы в целом, относительное расположение камер влияет на поле зрение системы. Результаты. Моделирование стереоскопической системы, математическое решение задачи и проведение эксперимента. УДК 004.942+681.7.013.84 ВЛИЯНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ДЕЦЕНТРИРОВОК ПРОСТРАНСТВЕННОГО ФИЛЬТРА НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ МЕТОДОВ ФАЗОВОГО КОНТРАСТИРОВАНИЯ М.В. Окулов Научный руководитель – к.т.н., доцент С.А. Смирнов Введение. Методы оптической фильтрации пространственных частот широко распространены и применяются для задач диагностики фазовых объектов, т.е. таких объектов, которые меняют лишь фазу, но не амплитуду проходящего излучения. Существующие приемники оптического излучения неспособны зафиксировать подобные объекты, поскольку являются квадратичными и регистрируют квадрат комплексной амплитуды, теряя фазовую информацию. Регистрация фазовых объектов возможна, таким образом, только при условии преобразования фазовой модуляции оптического сигнала в амплитудную. Преимуществом методов оптической фильтрации пространственных частот в сравнении с интерферометрическими методами является отсутствие оптического канала для опорного пучка, что обеспечивает относительную простоту юстировки. В реальных условиях оптические системы фильтрации пространственных частот бывают подвержены нагрузкам, 90 вызывающим смещение фильтра, что вызывает необходимость их компенсации. Базовые положения исследования. В работе исследуются наиболее распространенные системы фильтрации пространственных частот, использующие такие фильтры, как нож Фуко, фазовый нож Гильберта и фильтр Цернике. Исследование осуществляется путем компьютерного моделирования системы двойной дифракции, осуществляющей визуализацию фазового транспаранта, представляющего собой случайно распределенные по нормальному закону одиночные фазовые объекты. Моделирование проводится на языке программирования F# на платформе .NET. Модель должна допускать возможности задания статистических параметров распределения положения объектов, их размеров и величины вносимого фазового искажения волнового фронта проходящей плоской волны. Из предложенных вариантов выбирается тип фильтра, задается значение его линейного смещения и выводится значение контраста интенсивности полученного изображения. Промежуточные результаты. Составлена компьютерная модель оптической системы, осуществляющей визуализацию случайного фазового транспаранта методом пространственной оптической фильтрации. Получаемые результаты легко интерпретируются и соответствуют описанным в литературе теоретическим представлениям и практическим результатам. Основной результат. Наименьшее негативное влияние линейной децентрировки фильтра пространственных частот на интерпретируемость и контраст изображения визуализированного фазового транспаранта обнаружено при использовании фазового ножа Гильберта. Полученный результат свидетельствует о преимуществе использования этого метода визуализации фазовых объектов в оптических системах, подверженных действию вызывающих смещение фильтра нагрузок. УДК 535.8 ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК CDS ВО ФТОРФОСФАТНЫХ СТЕКЛАХ В.А. Полякова Научный руководитель – ассистент В.А. Асеев Введение. Стекла, активированные полупроводниковыми нанокристаллами, представляют большой интерес как с точки зрения изучения фундаментальных закономерностей, обусловленных квантовым размерным эффектом, так и для задач прикладной оптики. Прикладной интерес связан с высокой нелинейностью, наблюдаемой в таких стеклах их потенциальной применимостью в качестве активных сред при создании твердотельных лазеров, генерации второй гармоники, а также в качестве элементов памяти для компьютеров нового поколения. Еще одно важное значение стекла с квантовыми точками имеют для люминофоров. Целью работы является исследование фторфосфатных стекол с различным содержанием квантовых точек CdS. Исследование зависимости спектров поглощения от размеров квантовых точек, зависимости спектров люминесценции от размеров квантовых точек. Экспериментальная часть. Образцы, используемые в работе имели следующий состав, представленный в таблице. 91 Таблица. Состав образцов, используемых в работе (стекла различались по составу содержанием СdS) № 1 2 3 NaPO3 47 47 47 H3PO4 30 30 30 Ga2O3 10 10 10 ZnO 5 5 5 MnS 2 2 2 NaAlF6 7,5 7,5 7,5 CdS 5,2 4,2 2,8 В данной работе были изучены спектральные характеристики фторфосфатных стекол с различным содержанием квантовых точек CdS. Для каждого образца с различным содержанием CdS были измерены спектры поглощения. Анализ спектров показал, что при увеличении содержания CdS полоса поглощения сдвигается в длинноволновую область. Также была проведена термообработка при температуре 420 градусов для каждого стекла. Спектры поглощения были измерены после 80 минут и 160 минут термообработки. Для всех образцов графики спектров поглощения стекла имеют схожий характер. После термообработки наблюдается рост квантовых точек СdS, а следовательно смещения края поглощения. Далее были исследованы спектры люминесценции для всех образцов. Люминесценция измерялась для образцов с различным содержанием квантовых точек CdS после каждой термообработки. Измерения проводились при длинах волн возбуждения 405 нм и 465 нм. Анализ зависимости длины волны излучения люминесценции от времени термообработки при длине волны возбуждения 405 нм показал, что с увеличением длительности термообработки длина волны излучения увеличивается. После последней термообработки результаты близки, самая большая длина излучения приходится на самую высокую концентрацию. Данные для длины волны возбуждения 465 нм имеют ту же зависимость. Выводы. В результате данной работы были проведены исследования фторфосфатных стекол с различной концентрацией квантовых точек CdS. Показано, что в спектрах поглощения при увеличении концентрации CdS полоса поглощения сдвигается в длинноволновую область. При увеличении длительности термообработки происходит рост квантовых точек, что приводит к смещению края поглощения в длинноволновую область. С увеличением концентрации CdS или увеличении размера квантовых точек наблюдается сдвиг пика люминесценции так же в длинноволновую область. УДК 628.952.2 ИЗОБРАЖАЮЩИЕ СВОЙСТВА ДВУХКООРДИНАТНОГО КОМБИНЕРА НА ПЛОСКИХ СВЕТОВОДНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПРИЗМЕННОГО ТИПА М.С. Рудакова Научный руководитель – к.т.н., доцент С.А. Смирнов В современном мире технологии развиваются очень быстрыми темпами, и область авиационной техники не исключение. Одним из ключевых моментов в данной области является вопрос по оборудованию кабины пилота. И особое место в оборудовании занимает кабинный индикатор коллиматорного типа. Проблемой является то, что при считывании информации с индикатора, пилот всегда вынужден отвлекаться от обстановки, переводя взгляд от окружающего ландшафта на приборную доску. В результате чего возникает нагрузка на зрительный аппарат оператора. Для того чтобы этого не происходило необходимо осуществить доставку вторичной информации непосредственно в поле зрения 92 пилота при наблюдении за внешней обстановкой. Для этой цели и служат кабинные индикаторы коллиматорного типа. В данной работе будет рассмотрена наиболее важная деталь проекта широкоугольной коллиматорной системы (ШКС). А именно, оптическое световодное устройство, относящееся к разряду растровых оптических систем, реализованных по принципу плоских отражающих/преломляющих (частично или полностью) поверхностей. Целью работы является моделирование двухкоординатного световодного устройства в программе TracePro с различными характеристиками: угол наклона ТР-слоев и призмы – α и β, количество TP-слоев – n, толщина устройства – d. И анализ полученных картин плотности мощности на экране, с целью проверки качества изображения и выбора наиболее оптимального варианта по ряду параметров – отсутствию засветок, равномерности освещенности в зрачковой области, минимизации потерь света, отсутствию слепых зон в изображении. Само по себе устройство состоит из двух частей: мультипликатор горизонтального поля (МГП) и мультипликатор вертикального поля (МГП). Рассматривается четыре случая построения экранов с числом ТР-слоев в каждом мультипликаторе от 3 до 6 и с разными углами в основаниях призм (таблица). Таблица. Четыре случая построения экранов с числом ТР-слоев Наименование параметра n d1 МГП α1 β1 n d2 МВП α2 β2 Вар. 1 37/23,2 4 4 37° 37° 3 4 23,2° 23,2° Вар. 2 23,2/23,2 3 4 23,2° 23,2° 3 4 23,2° 23,2° Вар. 3 30-60/30-60 6 4 30° 60° 5 6 30° 60° Вар. 4 30/23,2 3 4 30° 30° 3 4 23,2° 23,2° Каждый ТР-слой имеет свое покрытие поверхностей, зависящее от угла наклона ТРслоев α и углового поля ω. Возможны три случая реализации покрытий поверхностей, в зависимости от угла наклона ТР-слоя: 1. при внешнем падении излучения на селективный слой (α>30°); 2. при внутреннем падении излучения на селективный слой (α<30°); 3. при нечетном числе отражений (α=30°). Информацию о том, что излучение необходимо пропустить или частично отразить, ТРслой получает через величину угла падения. Если угол больше наперед заданной величины, то луч проходит ТР-слой без частичного отражения. Для случая 1) углы падения должны лежать в пределах 180 − 3α ± ω , для случая 2) в пределах 3α ± ω . В случае 3) пропускание обеспечивается в окрестности углов ± ω . Таким образом, в ходе работы, были получены различные распределения пятен плотности мощности на экране. В общем случае, полученные данные не совсем удовлетворяют нашим ожиданиям, так как мы не наблюдаем равномерной освещенности экрана: распределение по углу носит ячеистый характер, и, кроме того, существуют участки слепых зон. А в некоторых случаях мы наблюдаем очень сильное уменьшение потока излучения, после его полного прохождения системы. Однако, полученные нами распределения, дают нам возможность выбрать наиболее оптимальный вариант и скорректировать его в дальнейшем под наши требования. 93 УДК 681.7.066.3:681.7.022:621.384.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ НЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИОННОЙ ОБРАБОТКОЙ Е.П. Руденок Научный руководитель – к.х.н., ст.н.с. Л.А. Черезова Использование асферической оптики необходимо для дальнейшего развития оптического приборостроения, в первую очередь для разработок современных телескопов наземного и космического базирования. Асферические поверхности позволяют увеличить разрешающую способность и светосилу, уменьшить массу и габариты оптических приборов, улучшить качество изображения [1]. Актуальной является задача создания принципиально новых методов изготовления асферических поверхностей, по возможности лишенных таких недостатков, как: малая управляемость процессом, наличие факторов, влияющих на точность получаемой поверхности [2]. Целью работы является исследование возможности получения не осесимметричных асферических поверхностей ионной обработкой. Перспективным в этом плане является метод формообразования внеосевых оптических поверхностей ионными пучками, широко применяемыми в настоящее время для получения осесимметричных асферических поверхностей [3]. В работе исследуется возможность использования существующих на сегодняшний день автономных широко апертурных ионных источников, в частности, источников типа «Кауфман», для получения внеосевых асферических поверхностей на деталях диаметром до 70 мм. Заданный профиль конкретной детали получается за счет программирования времени обработки каждой зоны формируемой поверхности посредством экранирования ионного пучка непрозрачным экраном-маской, имеющей профильный вырез. Была предпринята попытка получения внеосевой асферической (цилиндрической) поверхности путем маскирования широкого ионного пучка «щелевой» маской, с использованием автономного ионного источника типа «Кауфман». Маска представляла собой кварцевую пластинку, толщиной 0,5 мм, со щелевым вырезом, размером, соответствующим диаметру обрабатываемой детали. Маска расположена под пучком на расстоянии 5 мм от обрабатываемой детали в зоне максимальной равномерности пучка и максимального съема. Обработке подвергалась деталь из стекла К8 диаметром 70 мм. В результате была получена внеосевая асферическая поверхность с максимальной асферичностью 2 мкм, градиентом асферичности 0,3 мкм/мм при среднеквадратической ошибке профиля λ/10. В результате проведенных исследований показана возможность создания технологического процесса формирования внеосевых поверхностей путем маскирования широко апертурного ионного пучка, что позволит создавать оптические элементы, обладающие новыми свойствами, и решать многие научно-технические задачи на новом точностном и функциональном уровне. 1. 2. 3. Литература Ган М.А., Куликовская Н.И. Асферические поверхности в оптических приборах // ОМП. – 1990. – № 11. – С. 3–12. Горелик В.В., Заказнов Н.П. Изготовление асферической оптики. – М.: Машиностроение, 1978. – 248 с. Вишневская Л.В., Первеев А.Ф. Асферизация поверхностей методом ионной обработки // ОМП. – 1990. – № 11. – С. 17–23. 94 УДК 531.557:535.2 ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ БАЛЛИСТИКИ СНАРЯДА Л.В. Севко Научный руководитель – к.т.н., доцент Д.В. Шпаков Баллистика – это наука о движении тел, брошенных в пространстве, которая основана на математике и физике. Главным образом она занимается исследованием движения снаряда, выпущенного из огнестрельного оружия. Так как снаряд, выпущенный из ствола оружия, летит не по прямой, а по некоей криволинейной траектории, выстрел нужно производить под определенным углом. Данный угол напрямую зависит от расстояния до цели и начальной скорости пули. Составляем систему уравнений x = V0 ⋅ t ⋅ cos α y = 0 2 z = − gt + V0 ⋅ t ⋅ sin α 2 Таким образом, движение происходит в вертикальной плоскости 0XZ. Из первого уравнения находим t и подставляем в третье, получаем уравнение траектории: g ⋅ x2 z = x ⋅ tgα − . (1) 2V02 ⋅ cos 2 α Пуля движется в плоскости 0XZ по параболе. Чтобы найти дальность полета, надо определить точки ее пересечения с осью ox (в этом случае z = 0). Из (1) следуют два решения: х1 = 0 (очевидное решение; это точка выстрела х0), х2 = D =V02⋅sin2α/g; Dmax= V02/g . (2) Если скорость V0 известна, дальность до мишени D измерена дальномером или другими средствами, угол прицеливания α определяется по таблицам стрельбы для конкретного типа боеприпасов. Приближенно его можно найти из (2): α = 0,5arcsin(D⋅g/V02) , (3) если мишень находится на горизонте оружия. Как следствие, в прицельное приспособление нужно вносить поправки. С веянием новых технологий на замену обычным симуляторам, таким как пейнбол и страйкбол, пришел новый симулятор lasertag. В нем пули заменены на лазерные сигналы. Однако на луч света не может повлиять ни ветер, ни сила притяжения, а значит ни о какой баллистике речи не идет. Для создания наибольшей реалистичности можно создать имитационную модель, входными параметрами для которой будут данные с датчиков, которые будут подсоединены к оружию, а выходным параметром будет служить попадание в цель или промах. 95 В качестве датчиков целесообразно использовать акселерометр, гироскоп и gps-датчик. Базой для реализации послужит проект ARDUINO, который представляет собой набор готовых системных плат с определенным набором датчиков. Интерфейсом для обмена данных является usb выход. Достоинством данной системы являются простота сборки и обработки данных. После обработки данных, которые будут сняты с датчиков, будет произведено сравнение расчетного угла, при котором возможно попадание в цель, с реальным углом наклона оружия. Это и даст результат, попали мы в цель или нет. УДК 538.953; 538.958; 535.21; 535.341.08; 535.341.5 СТЕКЛА ДЛЯ ПОГЛОЩАЮЩИХ ОБОЛОЧЕК КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДИСКОВЫХ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ НЕОДИМОВЫХ ФОСФАТНЫХ СТЕКОЛ М.В. Ворошилова2, С.И. Никитина2, Р.В. Смирнов1, Ю.К. Федоров2 Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор В.И. Арбузов1,2 1 ( Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2ОАО НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им С.И. Вавилова») К активной среде для мощного высокоэнергетического лазера предъявляется очень большое число достаточно жестких требований, одновременно удовлетворить которым способна не каждая среда. Активная среда для таких лазеров должна иметь высокую концентрацию центров свечения, что может быть обеспечено только твердотельной средой. У неодимовых фосфатных малы значения нелинейного показателя преломления n2, узка полоса люминесценции в области 1,06 мкм, могут быть получены высокие значения сечения вынужденных переходов у, что выводит эти стекла в число наиболее важных в практическом отношении лазерных стекол. Из таких стекол изготавливаются крупногабаритные дисковые активные элементы для многоканальных усилителей излучения. Для таких активных элементов существует важная проблема паразитной генерации и суперлюминесценции. Дело в том, что кроме вынужденных переходов электронов наблюдаются и спонтанные переходы у части возбужденных ионов активатора. Кванты света люминесценции, распространяющиеся вдоль больших полированных поверхностей активного элемента в сторону боковых поверхностей, вызывают частичный «сброс» инверсной населенности, что приводит к снижению коэффициента усиления излучения в активном элементе. Влияние паразитной генерации и суперлюминисценции сказывается тем сильнее, чем больше поперечные размеры активного элемента. Основной метод борьбы с суперлюминесценцией это оклеивание боковых поверхностей активных элементов (АЭ) поглощающими покрытиями (кладдингом), не позволяющими квантам света люминесценции отражаться обратно в объем активного элемента. Обычно в качестве стекол для кладдинга используют медьсодержащие стекла. Необходимо было разработать состав стекла для кладдинга, близкого к составу стекла для активных элементов и показателем преломления, не отличающимся более чем на ∆n=0,005–0,010. Показатель поглощения излучения на длине волны 1,054 мкм должен был находиться в диапазоне 1,22 см–1 < a1,054 < 2 см–1. В ходе работы было проведено несколько серий варок фосфатных стекол разных составов. Варка стекла с заданным показателем преломления в наше время не представляет особой сложности. Тем не менее, одновременные жесткие ограничения по показателю преломления, показателю поглощения и коэффициенту термического расширения (КТР) значительно усложняют эту задачу. Требования по показателю преломления обусловлены тем, что для предотвращения эффекта полного внутреннего отражения на границе раздела сред должно соблюдаться условие: nкл>nклея>nАЭ, где nкл – показатель преломления кладдинга, 96 nклея – показатель преломления клея и nАЭ – показатель преломления активного элемента. Из технологических трудностей стоит отметить тот факт, что окислительно-восстановительные условия могут незначительно изменяться от варки к варке, и разброс значений показателя преломления для образцов стекол разных варок одного состава может достигать 2⋅10-3. Из-за ограничений по составу, увеличение значения показателя преломления в стекле для кладдинга достигалось варьированием концентрации ВаО, вводимого в состав сверх 100 мол.%. При генерации стимулированного излучения активный элемент лазера под действием излучения ламп накачки нагревается, причем зачастую неравномерно. Требования по КТРу (∆α ≤ 10⋅10–7 К–1) обусловлены тем, что большая разница в расширении пластин активного элемента и оклейки может привести к частичному отклеиванию кладдинга. По результатам работы были построены зависимости показателя преломления ne от концентрации BaO, было проверено выполнение зависимости Бэра для стекол составов СК КНФС-1 и СК КНФС-3. Пластины для кладдинга активных элементов, изготовленные на основе полученных практических составов стекол, используются РФЯЦ – ВНИИЭФ (г. Саров) в установках «ЛУЧ» с размером активного элемента 475×240×40 мм из стекла КНФС-1 и «УФЛ-2М» с размером активного элемента 810×460×40 мм из стекла КНФС-3. УДК 681.7.065.37 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОВОГО ЗАТВОРА НА ОСНОВЕ НПВО Н.Ю. Соснина Научный руководитель – ст. преподаватель М.В. Погумирский Оптическим затвором называют устройство для управления световым потоком, т.е. временного перекрытия и последующего пропускания в течение определенного промежутка времени [1]. Принцип действия затвора, основан на эффекте нарушения полного внутреннего отражения (НПВО) излучения. Затвор является сложной конструкцией, детали которого соединены методом оптического контакта двух призм с последующей фиксацией – клеевым соединением элементов возбуждения (пьезоэлемента) и боковых пластин. Данная работа актуальна, так как оптические затворы являются одним из элементов лазера. В том числе они применяются в лазерных дальномерах, и работают на длине волны λ=1,54 мкм, которая является безопасной для глаза. Целью работы является описание технологии изготовления светового затвора на основе НПВО, как наиболее рационального технологического маршрута изготовления, а также измерение характеристики затвора (пропускания). При изготовлении оптического затвора на НПВО используются две технологии: технология механической обработки стекла при помощи шлифовально-полировальных материалов, а также технология ионной обработки стекла в вакууме. Материал, который используется для данного затвора – стекло марки К8, что дает нам преимущества перед пассивными затворами на основе насыщающегося поглотителя, для которого характерна фотохимическая деградация поглотителя [2]. Одной из основных проблем при обработке является высокая точность изготовления поверхности затвора. Например, точность изготовления углов призмы 10 секунд, а точность изготовления канавки 0,01 мкм. Высокие требования к деталям обусловлены тем, что затвор НПВО является модулятором добротности. Так как при изготовлении призм совмещаются две вышеуказанные технологии, то сначала в данной работе был применен метод попарного изготовления призм (призмы обрабатываются относительно друг друга), который оказался нерациональным, так как в итоге получался большой отход стекла и невозможность 97 исправить ошибки, полученные на одном из этапов обработки, как следствие это сильно удорожало стоимости деталей. Внедрение специальных эталонных приспособлений (детали, углы которых изготовлены с высокой точностью), позволило отказаться от уникальности парных деталей и за счет этого увеличился выход годных деталей. Суть этой технологии заключается в том, что теперь призмы затвора обрабатывались отдельно, каждая в совокупности с эталонным приспособлением. В результате работы были изготовлены затворы по усовершенствованной технологии и измерено их пропускание. 1. 2. Литература Звелто О. Принципы лазеров. Учебное пособие – М.: Мир, 1990. – С. 560. Мустель Б.Р., Парыгин В.С. Методы модуляции и сканирования света. – М., 1970. – С. 296. УДК 5202:535.1 АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИК ОБЪЕКТИВА С ДВОЙНЫМ ПОЛЕМ ЗРЕНИЯ ДЛЯ ОПТИКО-ЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ А.Е. Фоломин (ОАО «НПК «СПП») Научный руководитель – к.т.н., профессор А.А. Шехонин (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) Вступление. В середине прошлого века появились первые оптико-локационные станции (ОЛС). В Советском Союзе были разработаны первые в мире бортовые ОЛСы для пилотируемых летательных аппаратов. В настоящее время новые модификации этих станций уже встроены внутри фюзеляжа носителя и находятся на вооружении у самолетов семейства МиГ и Су отечественного производства. Самолеты семейства МиГ и Су в настоящее время находятся в эксплуатации, поэтому новая перспективная ОЛС должна разрабатываться с учетом нынешних конструктивных особенностей носителя, что, в свою очередь, накладывает определенные ограничения на реализацию новых принципов построения. Целью работы является поиск решения в создании оптической системы оптиколокационной станции, которая содержит в своем составе объектив с двойным полем зрения. Базовые положения исследования. Для достижения данной цели в докладе были поставлены и решены следующие задачи: − анализ существующих оптико-локационных станций самолетного типа; − анализ идей и основных принципов построения оптической схемы ОЛС нового поколения с применением ИК объективов с двойным полем зрения. Промежуточные результаты. Приведенный анализ показал, что можно разработать оптико-механический тракт и моноапертурную оптико-локационную станцию в целом, которая удовлетворяет жестким требованиям по размещению, массе. Основной результат. Проведенный анализ состояния разработок современных оптиколокационных станций показал, что ИК объектив с двойным полем зрения может применяться в различных оптических системах, работающих в среднем диапазоне длин волн, а также для решения широкого круга задач в различных условиях боевого применения данной системы. 98 УДК-535.3915 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОНЫ МАКСИМАЛЬНОГО ПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ МАЛОГО РАДИУСА Хоанг Тхань Лонг Научный руководитель – д.т.н., профессор Л.А. Губанова Практически на все преломляющие и отражающие поверхности оптических элементов наносятся интерференционные покрытия, влияющие на его энергетические и фазовые характеристики [1]. На поверхности сферических элементов чаще всего наносят просветляющие покрытия, основной целью которых является снижение коэффициента отражения от границы раздела двух сред, что позволяет увеличивать пропускания таких элементов [2]. В ряде работ рассматривается необходимость создавать равнотолщинные интерференционные слои, поскольку спектральные характеристики покрытий определяются геометрическими толщинами слоев, которые их формируют. В работе приводится анализ распределения энергетического коэффициента отражения от сферической поверхности малого радиуса. Показано, что зона постоянного коэффициента отражения просветляющих покрытий разных конструкции на оптических элементах разного радиуса кривизны зависит от: радиуса кривизны оптических элементов, показателя подложки и структуры просветляющего покрытия. При увеличении радиуса оптического элемента наблюдается постоянная зона коэффициента минимального отражения, если ее размер нормировать к радиусу кривизны оптического элемента. Размер этой зоны составляет 0,08rd, где rd радиус кривизны оптического элемента. Вне этой зоны наблюдается существенное увеличение коэффициента отражения. Минимальный коэффициент отражения просветляющего покрытия зависит не только от структуры покрытия, но и от материала оптической детали, из которого она изготовлена. Этот коэффициент для двухслойных систем лежит в интервале от 1,7·10–8 до 5,4·10–3 для материалов, показатели преломления (nm) которых лежат в интервале от 1,51 до 1,75. получено, что зоны, в которых отклонение минимального отражения не превышает 10% составляет для материала с nm = 1,51–0,07·rd, с nm = 1,75–0,2·rd. 1. 2. Литература Путилин Э.С. Оптические покрытия. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 227 с. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия. – Л.: Машиностроение, 1977. – 264 с. УДК 535.31, 535.8 РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БЛАСТЕРА В.С. Шевкунов Научный руководитель – к.т.н., доцент А.В. Бахолдин Лазертаг, или лазерный бой, – высокотехнологичная игра, происходящая в реальном времени и пространстве. Суть игры состоит в поражении игроков-противников и интерактивных мишеней безопасными лазерными выстрелами из бластера-автомата. Собственно «поражение» игрока происходит путем регистрации луча бластера-автомата оппонента специальными датчиками, закрепленными на одежде игрока. Работа является инженерной задачей по усовершенствованию оптической системы игрового оборудования «Лезертаг», использующегося в коммерческих целях. Заказчиком был предоставлен прототип оружия, технические характеристики, которого, 99 отличаются от желаемых. Оптическая схема представляет собой однокомпонентную систему со светодиодом VISHAY 6100. Недостатками являются: − однолинзовая система в сочетании с большим фокусным расстоянием и малыми габаритами приводит к отсечению «полезных» лучей и потери энергии, и как следствие: − малая дальность боя ~ 50–60 м; − большой диаметр пятна облучения, что сильно упрощает игру, делая ее не интересной. Задачей работы является компьютерное моделирование новой оптической системы в соответствии с требованиями: − улавливаемое пятно от источника, на расстоянии 100 м, должно иметь диаметр 1 м; − диаметр светового пятна, по уровню 0,1 от максимальной расчетной освещенности, не более 1,3 м; − максимальный диаметр оптических элементов, не более – 40 мм; − максимальная длина оптической системы, не более – 400 мм; − длина волны излучения (940±50) нм Результаты. Проведен габаритный расчет для различных светодиодов марки OSRAM, которые отличаются углом рассеивания и позволяют загружать модели напрямую в программу ZEMAX и наблюдать распределение энергетики на приемнике. Стоит отметить, что для однолинзовой системы фокусное расстояние будет схоже с длиной всей системы. В свою очередь габариты системы ограничены ТЗ. Проблему решает вариант с двухкомпонентной системой из рассеивающей и собирающей линзы (телеобъектив). При использовании телеобъектива получается значительный выигрыш в габаритах системы. Из рассмотренных систем, лучшей является двухкомпонентная система OSRAM SFH4045, так как удовлетворяет энергетическим требованиям и дает возможность усовершенствования игры для большей реалистичности засчет того, что пятно имеет спад энергетики по краям, что можно использовать в игре, как «эффект прелатащей рядом пули». Так же был собран макет рассчитанной оптической системы и проведен эксперимент в стенах университета, а затем и вне помещения. Форма пятна соответствует теоретической, что позволяет использовать данный метод для дальнейших исследований. УДК 628.9.04:628.9.94 УЛИЧНЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК МОДУЛЬНОГО ТИПА. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА С.А. Шилин (ООО «Эколюкс») Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Е.В. Калашников (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) Уличные светодиодные светильники, в настоящий момент, являются наиболее перспективным светотехническим решением для освещения улиц, дорог, площадей. Данное утверждение можно подтвердить только преимуществами светодиодных светильников в сравнение с традиционными источниками света – лампы ДРЛ и ДНаТ. Преимущества светодиодных уличных светильников: − мгновенный старт после включения питания; − отсутствие высокочастотных пульсаций; − возможность управления светорассеиванием с помощью вторичной оптики; − низкое энергопотребление; − длительный срок эксплуатации. 100 На сегодняшний день на рынке представлено, довольно, мало разработок светодиодных уличных светильников отечественного производства. Большинство производителей делают попытки переоборудования уже существующих светильников сконструированных для использования с газоразрядными лампами. В связи с этим моя работа посвящена созданию прототипа модульного уличного светодиодного светильника, способного конкурировать со светильниками зарубежного производства, как по качественным характеристикам, так и по цене. Цель работы. Сконструировать уличный светильник модульного типа для освещения автомобильных дорог класса «А», «Б»,«В» из компонентов, как отечественного производства, так и с использованием компонентов разработанных зарубежными компаниями, занимающимися данным направлением деятельности. Кроме того создать опытный образец одного модуля будущего светильника. Задачи, которые были поставлены перед началом работы над конструированием светильника: 1. составить список требований к светодиодному светильнику (ТУ); 2. подобрать компоненты уличного светодиодного светильника и обосновать их выбор; 3. создать концепцию построения конструкции модульного типа, он же проект светильника; 4. собрать опытный образец одного модуля светильника; 5. протестировать модуль светильника и представить результаты; 6. обозначить все положительные и отрицательные качества светильника; Промежуточные результаты. В процессе работы над светодиодным светильником столкнулся с проблемами: 1. выбора оптимального радиатора для рассеивания тепла, выделяемого светодиодами при работе; 2. настройкой источника питания светодиодов; 3. выбора вторичной оптики для достижения ассиметричного распределения света необходимого для правильной засветки дорожного полотна; 4. конструктива крепежной системы. Основной результат. В результате работы был создан опытный образец модуля уличного светодиодного светильника с ассиметричной диаграммой распределения света. 101 УДК 535 ВОЛНОВАЯ АБЕРРАЦИЯ В ИЗОБРАЖЕНИИ ТОЧКИ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ ЭКРАНИРОВАНИИ ВХОДНОГО ЗРАЧКА К.В. Ежова, Е.В. Ермолаева, И.Н. Тимощук Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев На рис. 1 показано сечение меридиональной плоскостью сферы сравнения, проходящей через осевую точку P′ и крайнюю точку Q′ волнового фронта. Вполне очевидно, что волновая аберрация в плоскости рисунка заметно уменьшится, если кривую сечения поверхности Рис. 1. Волновая аберрация при центральном экранировании входного зрачка сравнения провести через крайнюю точку волнового фронта и крайнюю точку Qэ′ его экранируемой части. В этом случае радиус кривизны окружности сечения поверхности сравнения меридиональной плоскостью становится равным Rэ. При этом Rэ′ = ( δg ′ кр − ∆′э tgσ′кр ) σ′кр (1 − cos σ′ ) ∆′ − ∫ кр э 0 2 2 2 ( δg ′э − ∆′эtgσ′э ) . = σ′ δg ′d ( sin σ′кр ) (1 − cos σ′э ) ∆′э − ∫ δg ′d ( sin σ′э ) 0 cos σ′кр э (1) Величину ∆′э находим, решая уравнение: ( δg ′ кр cos σ′кр − ∆′э sin σ′кр ) 2 σ′кр ∫ δg ′d (sin σ′кр ) − (1 − cos σ′кр ) ∆′э 0 = ( δg ′э cos σ′э − ∆′э sin σ′э ) 2 σ′э ∫ δg ′d (sin σ′э ) − (1 − cos σ′э ) ∆′э 0 Рис. 2. Возможные варианты расположения плоскости установки изображения Поперечная аберрация δg ′ = dФ ≈ dФ . Возможный вид кривой зависимости d (sin σ′) dσ′ δg′=δg′(σ′) представлен на рис. 2, а. Величина остаточной поперечной аберрации в 102 изображении осевой точки определится выражением δg ′ = δg 0′ + δg ′∆′ , где δg 0′ – поперечная аберрация изображения в плоскости Гаусса; δg ′∆′ – расфокусировка изображения, вызванная продольным смещением плоскости установки изображения относительно плоскости Гаусса. Величина δg ′∆′ = ∆′ ⋅ tgσ′ . При этом величина продольного смещения плоскости установки ′ изображения ∆′ = δg ∆′ . В соответствии с рис. 2, а величина ∆′ = tgψ . При центральном tgσ′ экранировании входного зрачка экранируемая часть осевого пучка лучей в образовании изображения не участвует. Линия, проведенная вблизи неэкранируемой части кривой δg 0′ = δg 0′ (σ′ ) таким образом, чтобы абсолютные отклонения кривой относительно линии были минимальны, пересекает ось 0 − δg ′ в некоторой точке Ak′ . При этом отклонения кривой от рассматриваемой линии определяют отклонение множества точек пересечения лучей с плоскостью установки изображения относительно точки, смещенной относительно оптической оси на расстояние, равное δg ′k = 0 Ak . Осевая симметрия рассматриваемого пучка лучей определяет множество точек поперечной аберрации, образующее окружность, радиус которой равен δg ′k . При этом пятно рассеяния в изображении точки будет иметь вид кольцевой полоски, ширина которой определится размахом отклонений поперечной аберрации δg 0′ относительно линии. Для «сжатия» кольцевой полоски в одно осевое пятно можно применить пластинку, одна из поверхностей которой плоская, а другая имеет форму конической поверхности вращения, поместив ее во входном зрачке оптической системы в параллельных пучках лучей. Примером такой системы может служить сферическая отражающая поверхность с осевой точкой входного зрачка в центре кривизны поверхности. Малой «деформацией» линейной образующей конуса можно компенсировать остаточную сферическую аберрацию в изображении точки. Заметим, что линию можно провести таким образом, чтобы она пересекала кривую δg 0′ = δg 0′ (σ′) в двух точках, что позволит получить волновую аберрацию равной нулю в трех точках волнового фронта. УДК 535 ПРЯМАЯ И ОБРАТНАЯ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ РАВНОГО ЭЙКОНАЛА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ДВУМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ А.В. Гапеева Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Плотность потока энергии электромагнитного поля определяется вектором УмоваПойнтинга, равным c G= E×H, (1) 4π где с – скорость света в вакууме; Е – вектор напряженности электрического поля; Н – вектор напряженности магнитного поля, причем ε E = µ H . Гармоническое электромагнитное поле в общем случае можно определить уравнениями вида: 103 E (r , t ) = E0 (r ) exp (−iω t ) (2) , H (r , t ) = H0 (r ) exp (−iω t ) где вектора E0 (r ) и H0 (r ) определяются комплексными векторными функциями положения. Однородную плоскую волну, распространяющуюся в среде с показателем преломления n = εµ в направлении, определяемом единичным вектором s , можно представить следующими векторными функциями: E 0 (r ) = e (r ) exp (ik 0 n s ⋅ r ) (3) , H0 (r ) = h (r ) exp (ik0 n s ⋅ r ) где e (r ) и h (rr ) – векторные функции положения, обязательно комплексные, если необходимо учесть все возможные состояния поляризации излучения; k 0 = 2π / λ 0 . Заметим, что уравнение s ⋅ r = const определяет плоскость, а произведение ns ⋅ r определяет оптический путь от начала отсчета до плоскости, отсчитываемый в направлении орта s . При этом комплексные векторные функции положения можно представить в виде: E 0 (r ) = e (r ) exp[ik 0 L(r )] (4) , H0 (r ) = h (r ) exp[ik 0 L(r )] где L (r ) = n s ⋅ r − вещественная скалярная функция положения, называемая эйконалом. Множество элементарных плоских волн при L(r ) = const. образует поверхность, которую называют геометрической волновой поверхностью или геометрическим волновым фронтом. Применив к выражениям (4) известные векторные тождества, при λ 0 → 0 получаем: ( grad L ) 2 2 =n . (5) Средняя во времени величина вектора Умова-Пойнтинга определяется выражением: G =V w s, (6) где s = grad L n = grad L . (7) grad L Отсюда следует, что направление усредненного во времени вектора Умова-Пойнтинга совпадает с нормалью к геометрическому волновому фронту. Пусть E (ξ′, η′) − освещенность поверхности равного эйконала (волнового фронта), а E ( x′p , y ′p ) − освещенность освещаемой поверхности. Световой поток, проходящий через площадку dSi = dξ′dη′ , распространяется по нормали к волновой поверхности. Следовательно, форма волновой поверхности однозначно определяет характер распределения светового потока на освещаемой поверхности S i +1 ( x′p , y ′p ) . Определение распределения освещенности некоторой поверхности при известной форме поверхности равного эйконала называется решением прямой задачи. Прямая задача решается однозначно. Примером решения прямой задачи может служить определение освещенности в изображении точки в геометрическом приближении (без учета явления дифракции) при сферической форме волнового фронта, т.е. в случае безаберрационного изображения точки). Определение формы поверхности равного эйконала при заданном распределении освещенности некоторой поверхности называется решением обратной задачи. Однако, вполне очевидно, что элементарный световой поток может падать на одну и ту же элементарную площадку освещаемой поверхности, проходя различные элементарные площадки, произвольно расположенные на поверхности равного эйконала произвольной формы. Отсюда следует, что нет однозначного соответствия между 104 распределением освещенности на освещаемой поверхности и формой поверхности, а, соответственно, и нет однозначного аналитического решения обратной задачи. Таким образом, любое решение обратной задачи является частным решением, достигаемым, в конечном счете, путем последовательного подбора требуемой формы волнового фронта. Успех подбора на всех стадиях его осуществления легко проверяется путем решения прямой задачи. Литература 1. Зверев В.А. Основы геометрической оптики. – СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002. – 218 с. 2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1970. – 856 с. 3. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем. – М.: Искусство, 1960. – 526 с. УДК 535 ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ «НЕИЗОБРАЖАЮЩЕЙ» ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ОСВЕТИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА А.В. Гапеева, И.Н. Тимощук Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Пусть точечный источник излучения S освещает отверстие произвольной формы в плоском экране, как показано на рис. 1. При этом конфигурация центральной проекции отверстия на плоской поверхности будет подобна конфигурации отверстия в экране. Световой поток, излучаемый площадкой dS в телесный угол dω в направлении, определяемом полярными углами 2 (α, β), равен d Ф = L dω dS cos ε , (1) где L – фотометрическая яркость излучения площадки dS в точке (ξ, η) в направлении (α, β); в общем случае L = L (ξ, η; α, β); ε – угол между направлением (α, β) и нормалью к элементу поверхности. а б Рис. 1. Центральная проекция: отверстия в экране (а); источника излучения (б) Пусть сечение телесного угла dω наклонной плоскостью образует площадку dSv на некотором расстоянии R от площадки dS вдоль оси телесного угла dω, нормаль к которой образует угол εv . При этом dS cos ε 2 d Ф = L dω dS cos ε = L v 2 v dS cos ε = L dωv dS v cos ε v . (2) R В то же время световой поток, проходящий через площадку dSv, равен 2 (3) d Ф v = Lv dω v dS v cos ε v . 2 2 В общем случае d Фv=τd Ф, где τ – коэффициент пропускания среды, разделяющей площадки dS и dSv. Из сопоставления выражений следует, что при τ=1: L=Lv. Совокупность 105 геометрических лучей, проходящих через две произвольно расположенные площадки (диафрагмы), размеры которых значительно меньше расстояния между ними, образует совокупность геометрических пучков лучей, называемую физическим пучком, при этом поверхность, ограничивающую поперечные размеры физического пучка, принято называть световой трубкой. Из формулы (2) следует, что освещенность площадки dSv, на которую падает световой 2 2 поток d Ф, равна E = d Ф dS v =L dS R 2 cos ε v cos ε . При ε=εv=0, а R=R0 получаем E0 = LdS / R02 . При ε=εv, а R=R0/cosε освещенность площадки dSv равна E = L dS 2 R0 4 cos ε . Из сопоставления полученных выражений находим, что 4 E = E0 cos ε. При неравномерной яркости излучения элементарной площадки поверхности световой поток, излучаемый всей поверхностью, равен 2 δФ = π sin ω ∫∫ L (ξ, η) dS , (4) излучающей (5) ξη где ω – апертурный (плоский) угол телесного угла излучения; S = dξdη – элементарная площадка излучающей поверхности. Пусть δФ=π sin2ωL0δS, где L0 – среднее значение яркости излучения поверхности δS: L0 δS = ∫∫ L (ξ, η) dξdη . ξη L(µ, ν) dξdη = 1 . L δ S 0 ξη Следовательно, величина D(ξ, η) = L(ξ, η) / (L0 δS ) подобна функции рассеяния точки в изображающей оптике и может быть названа функцией неизображающего отображения (ФНО) в неизображающей оптике. Плоскость отверстия в экране и освещаемую поверхность естественно считать параллельными излучающей поверхности. При этом центральные проекции излучающей поверхности на освещаемую поверхность при произвольном расположении центров проекции в пределах отверстия в экране, как показано на рис. 1, б, одинаковы и по форме, и по размерам, т.е. ФНО подобна ФРТ при соблюдении условия изопланатизма изображения. При этом реальное распределение освещенности на освещаемой поверхности определится интегралом свертки: ~ E p (x p , y p ) = ∫∫ D (µ p , ν p )E p (x p − µ p , y p − ν p )dµ p dν p . При этом ∫∫ ∞ E ~ ~ Пусть E~ p = p . Тогда при ε = 0: E p = 1 ; при ε = π/2: E p = 0 . При этом возникает E0 p вполне очевидная мысль, суть которой сводится к тому, чтобы собрать световой поток, падающий на освещаемую поверхность вне угла ε=εк, и «положить» его на поверхность в пределах угла 0≤ε<εк. Для решения этой задачи применим отражающую поверхность несферической формы. Освещаемая зона поверхности формируется световым потоком, излучаемым в пределах телесного угла, определяемого плоским углом, равным 2ωp. Для того, чтобы световой поток, излучаемый в пределах телесного угла, определяемого плоским углом от 2ω = 2ωp до 2ω =π, непрерывно распределялся в пределах освещаемой зоны, касательная к кривой меридионального сечения отражающей поверхности в крайней точке (в точке Q) должна располагаться под углом γ = −ωp к оси Oz, как показано на рис. 2. 106 Рис. 2. Схема «неизображающей» оптической системы осветительного устройства УДК 535 ВАРИАНТЫ КОМПОЗИЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗЕРКАЛЬНЫХ ТЕЛЕСКОПОВ С ГЛАВНЫМ ЗЕРКАЛОМ СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ Е.В. Ермолаева, Ю.А. Подгорных Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Входным зрачком крупногабаритных телескопов, как правило, является оправа главного зеркала. В этом случае при существующем уровне технологии изготовления и из соображений практической осуществимости форма отражающей поверхности главного зеркала должна быть сферической. Афокальная система, состоящая из главного зеркала сферической формы и вторичного зеркала, поверхность которого эквидистантна параболоиду, должна быть кеплеровского типа [1, 2], т.е. иметь промежуточное изображение, как показано на рис. 1. Рис. 1. Варианты композиции оптической системы при сферической форме главного зеркала Если в зеркальном объективе Грегори плоскость изображения проходит через вершину поверхности главного зеркала, то поверхность этого зеркала изобразится вторичным зеркалом в плоскости промежуточного изображения [3, 4]. Тогда в этой можно поместить дополнительную отражающую поверхность, как показано на рис. 2. Рис. 2. Схема оптики объектива с отражающей поверхностью в выходном зрачке 107 Коррекционными параметрами в полученной оптической системе являются коэффициенты деформации отражающих поверхностей σ1, σ2 и σ3. Подбором коэффициента σ2 можно компенсировать или остаточную кому, или астигматизм. Сферическую аберрацию можно компенсировать подбором коэффициентов σ1 и σ3, причем эти коэффициенты могут принимать и такие значения, как σ1=0 при σ3≠0 или σ3=0 при σ1≠0. Очевидным достоинством рассматриваемой оптической системы является то, что при апланатической коррекции аберраций главное (большое) зеркало может иметь сферическую форму. Очевидным недостатком рассматриваемой оптической системы является большая длина системы и неудобное расположение приемника изображения на большом расстоянии от главного зеркала. Рис. 3. Схема оптики инвертированного объектива с отражающей поверхностью в выходном зрачке Однако, поставив следующим по ходу луча после главного зеркала плоское зеркало, можно добиться сокращения длины системы примерно в два раза. На рис. 3 показан ход лучей при таком схемном решении. В предельном случае коэффициент экранирования главного зеркала плоским kЭпл.=0,375, что является допустимым. Таким образом, мы получаем инвертированную схему объектива, которая имеет более конструктивный вид. Рис. 4. Схема оптической системы объектива при сферической форме главного зеркала Однако в этой схеме главное зеркало не несет коррекционной нагрузки. Поэтому систему главного зеркала с плоским естественно заменить системой из двух отражающих поверхностей типа оптической системы Кассегрена, как показано на рис. 4. При этом в полученной системе при сферической форме главного зеркала возможна компенсация не только сферической аберрации, комы и астигматизма, но и кривизны поверхности изображения. 108 1. 2. 3. 4. Литература Daniil T. Puryayev. Afocal two-mirror system // Optical Engineering.– 1993. – V. 32. – № 6. – P. 1325–1327. Зверев В.А., Бахолдин А.В., Гаврилюк А.В. Оптическая система высокоапертурного телескопа // Оптический журнал. – 2001. – Т. 68. – № 6. – С. 6–14. Русинов М.М. Несферические поверхности в оптике. – М.: Недра, 1973. – 296 с. Русинов М.М. Композиция оптических систем. – Л.: Машиностроение, 1989. – 383 с. УДК 535 ВАРИАНТЫ КОМПОЗИЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НЕКОНТАКТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ВЗРЫВАТЕЛЯ Д.Е. Кукушкин, А.В. Гапеева, Д.А. Сазоненко, И.Н. Тимощук Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Рассмотрим возможные варианты построения оптической системы устройства обнаружения изменения светового поля в узком угловом поле в пределах широкого угла. Будем считать, что расстояние до источника изменения светового поля значительно превышает фокусное расстояние оптической системы. Известно, что отражающая поверхность параболоида вращения образует стигматическое изображение осевой точки бесконечно удаленного предмета. Однако, изображение внеосевой точки предмета будет иметь вид кометы, форма и величина которой определяется, прежде всего, комой изображения, а величина комы определяется квадратом относительного отверстия и угловой величиной поля изображаемого пространства. Угловая величина изображаемого предмета в меридиональной плоскости (в плоскости чертежа) равна отношению соответствующего размера приемника (чувствительной площадки) к соответствующему фокусному расстоянию параболы. Поскольку требуемая угловая величина изображаемого предмета достаточно мала, то, учитывая очевидное требование к сравнительной простоте конструкции оптической системы, при определенных параметрах устройства в качестве исходной конструкции можно принять отражающую поверхность параболоида [1]. Если начало декартовой системы координат поместить в фокусе F ′ параболы, как показано на рис. 1, то ее можно определить уравнением вида: y 2 = r02 + 2r0 z . В плоскости обнаружения (в плоскости x0y) угол обзора должен составлять десятки градусов. Для того, чтобы отражающая поверхность обладала этим свойством, образуем ее вращением рассматриваемой параболы вокруг оси 0y на требуемый угол. В результате получим отражающую поверхность, определяемую уравнением: 2 2 r0 − y ) ( 2 2 x +y = 2 . (1) 2 4 r0 Размер входного зрачка в меридиональной плоскости определяется разностью высот падающих на отражающую поверхность лучей: h = mн − mв , а в сагиттальной плоскости – соответствующим размером чувствительной площадки и косинусами углов, образованных нормалями к отражающей поверхности и к чувствительной площадке с лучом в точке его падения на поверхность и на площадку. Угол обзора из условия падения сигнала не превышает 120°. Следовательно, для кругового обзора требуется не менее трех оптических устройств (модулей). В состав активных неконтактных оптических взрывателей (НОВ) кроме приемных устройств входит устройство подсветки зоны обнаружения изменения светового поля. Схема одного из вариантов оптической системы подсветки построена на основе применения 109 отражающей поверхности параболоида, в фокальной плоскости которого расположен источник света. Параллельные пучки световых лучей, отраженные соответствующим сектором параболоида и системой из двух плоских зеркал, направляются на отражающую коническую поверхность вращения. Недостатком рассмотренной оптической системы приемного устройства является присущая ей малая площадь входного зрачка. Рассмотрим вариант построения оптической системы приемного устройства на основе применения цилиндрической отражающей поверхности. Положение изображения, образованного узкими пучками лучей, падающими на оптическую поверхность и преломленными ею, определяется меридиональным и сагиттальным инвариантами Аббе [2]: n′ cos2 ε′ n cos2 ε n′ cos ε′ − n cos ε (2) − = sm′ sm rm n ′ n n ′ cos ε′ − n cos ε . (3) − = s s′ s s rs Для отражающих поверхностей n′ = −n и, соответственно, Пусть при этом sm = s s = ∞ . В этом случае инварианты (2) и (3) принимают вид: s m′ = 1 rm cos ε; s ′s = 1 rs . Пусть в 2 2 cos ε рассматриваемой отражающей поверхности радиус кривизны rm = ∞ . При этом sm′ = ∞ . В то же время при ε = 0 отрезок s0′ s = 1 rs . В результате получаем, что s′s = s0s ′ / cos ε . 2 Следовательно, поверхность изображения, образованного узкими пучками лучей в сагиттальной плоскости, отраженными цилиндрической поверхностью, кривизны не имеет. Изложенные соображения позволяют оптическую систему приемного устройства представить в виде пластины, задняя торцевая поверхность которой имеет цилиндрическую форму. Цилиндрическая отражающая поверхность формирует изображение бесконечно удаленного предмета на плоской поверхности входного торца. Ширина входного зрачка определяется шириной параллельного пучка лучей, падающих на пластину, а высота зрачка определяется расстоянием между плоскими поверхностями пластины, которое выбирается из энергетических и конструктивных соображений. 1. 2. Литература Зверев В.А. Основы геометрической оптики. – СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002. – 218 с. Слюсарев Г.Г. Геометрическая оптика. – М.–Л.: Изд-во АН СССР, 1946. – 332 с. УДК 535 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ ПАНКРАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Нгуен Ван Луен Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Процесс разработка оптических систем переменного увеличения представляет собой многоэтапный процесс, причем каждый этап разработки требует выполнения большого объема вычислений. Наиболее трудоемким этапом разработки является этап параметрического синтеза на основе аберрационного анализа и оптимизации параметров компонентов системы по критерию качества изображения. Поэтому разработка метода, алгоритма и программного обеспечения процесса выполнения проектирования оптических систем переменного увеличения является актуальной задачей. 110 Основой решения этой задачи является теория проектирования оптических систем и, в частности, теория телескопических систем переменного увеличения. Телескопические (афокальные) весьма разнообразны по конструкции оптической системы, находят достаточно широкое как самостоятельное применение, так и в составе оптических систем многих оптических приборов и устройств. В рамках настоящего доклада представлены результаты разработки метода автоматизированного проектирования панкратических телескопических систем с двухкомпонентной оборачивающей системой переменного увеличения. Оптическая система телескопической системы состоит из объектива, оборачивающей системы и окуляра. Во много случаях для уменьшения диаметра компонентов оборачивающей системы используют коллективную линзу, размещаемую в задней фокальной плоскости объектива. Оптическую систему панкратической телескопической системы можно построить на основе применения объектива или окуляра переменного фокусного расстояния, а также коллектива или оборачивающей системы переменного увеличения. В рассматриваемом случае изменение видимого (углового) увеличения изображения осуществляется изменением поперечного увеличения оборачивающей системы посредством продольного перемещения ее компонентов при неизменном расстоянии между плоскостями предмета и изображения оборачивающей системы. Наиболее рациональной панкратической телескопической системой считают систему, в которой выходной зрачок и окулярное угловое поле остаются неизменными при всех значениях увеличения. При этом угловое поле и диаметр входного зрачка изменяются обратно пропорционально увеличению системы. Процесс проектирования телескопической панкратической системы начинается с габаритного расчета, который выполняется при среднем значении увеличения оборачивающей системы, относительно которого кратность изменения увеличения в сторону обоих пределов одинакова. При этом определяются габариты телескопической системы с двухкомпонентной оборачивающей системой. Определив габаритные параметры компонентов системы, необходимо оценить их изменение при изменении увеличения в заданном диапазоне, а также закон перемещения компонентов оборачивающей системы. Результаты габаритного расчета положены в основу аберрационного расчета, целью которого является определение конструктивных параметров компонентов системы. Для определения исходных вариантов конструкции компонентов можно использовать метод разделения переменных (или алгебраический метод). На основе теории алгебраического метода можно построить алгоритмы и программы для автоматизации определения аберрационных параметров исходных вариантов типичных оптических систем (склеенные объективы, объективы с линзами, разделенными воздушными промежутками, двухкомпонентные объективы, трехкомпонентные объективы и т.д.). Путем синтеза этих типичных систем можно получить сложные системы. Определив конструктивные параметры отдельных компонентов, в соответствии с результатами габаритного расчета строим реальную оптическую систему. Потом при изменении увеличения на заданном интервале оцениваем характер и величину остаточных аберраций изображения, образованного реальной системой, уточняем закон перемещения компонентов оборачивающей системы, оцениваем изменение положения и диаметра входного зрачка (при постоянном входном зрачке), технологичность линз при изготовлении... На основе приведенных соображений построен алгоритм и разработана программа автоматизации проектирования телескопической панкратической системы. Разработанная программа предназначена для выполнения следующих этапов и процедур проектирования оптики панкратических телескопических систем: автоматизация габаритного расчета; автоматизация определения исходных вариантов компонентов при конструктивном синтезе оптических систем; совместимость и обмен данными разрабатываемых оптических систем со специальными программами проектирования оптических систем (OSLO, ZEMAX), что особенно при оптимизации параметров компонентов по критерию качества изображения; 111 автоматизация синтеза компонентов для образования панкратической телескопической системы. Процесс проектирования выполняется непрерывно и автоматически. Кроме того, программа может экспортировать рассчитанные данные оптической системы в программы AutoCAD, SolidWorks для моделирования и построения чертежей. Важное значение для решения сложной и трудоемкой задачи проектирования оптических систем переменного увеличения имеет создание эффективного программного обеспечения. В результате изложенного можно сделать вывод о том, что задача автоматизации проектирования панкратической телескопической системы с оборачивающей системы переменного увеличения успешно решена. УДК 535 АНАЛИЗ АБЕРРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ Нгуен Ван Луен, К.В. Ежова Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Расчет системы переменного увеличения в области параксиальных соотношений сводится к выбору оптических сил компонентов системы и определению закона их перемещений, при которых достигается требуемое изменение поперечного увеличения изображения. Диапазон перемещения компонентов определяется начальным положением компонентов. Однако выбор начального положения компонентов далеко не всегда может оказаться наиболее благоприятным для сохранения неизменной коррекции аберраций. Поэтому разработка метода аберрационной оценки выбранного начального положения компонентов, а, соответственно, и диапазона перемещения компонентов при заданной кратности изменения увеличения изображения, является весьма актуальной задачей. Чтобы оценить аберрационные свойства изображения, образованного любой оптической системой, надо знать параметры такой оптической системы. В двухкомпонентной системе переменного увеличения предмет и его изображение расположены на конечном расстоянии от первого и второго компонентов соответственно, и изменение поперечного увеличения изображения осуществляется продольным перемещением компонентов при сохранении расстояния между плоскостями предмета и изображения неизменным. При этом оптическая сила компонентов постоянна, и оптическая сила системы непостоянна. Величина может быть произвольна, в частном случае построения можно положить расстояние между плоскостями предмета и изображения равно нулю. В первом приближении компоненты системы переменного увеличения будем считать тонкими компонентами. Основные параметры тонкого компонента зависят только от его внутренних конструктивных элементов и функционально взаимосвязаны с параметрами, непосредственно определяющими аберрации образованного изображения при любом произвольном положении компонентов относительно плоскости предмета. Основные параметры тонких компонентов и их параметры при произвольном положении взаимосвязаны выражением, содержащим углы, образованные осевым виртуальным лучом с оптической осью. Угол в пространстве предметов или изображений можно принять равным единице. Тогда другой, соответствующий ему, угол будет равен поперечному увеличению изображения или его обратной величине. В случае двухкомпонентной системы переменного увеличения имеем четыре основных параметра и один параметр, который должен оставаться неизменным при пяти значениях поперечного увеличения. В результате имеем систему из пяти линейных уравнений с пятью неизвестными. Любая оптическая система переменного увеличения может существовать лишь при 112 конечном расстоянии между предметом и изображением. Если предмет расположен на бесконечно большом расстоянии, то для оптического сопряжения плоскости предмета с плоскостью предмета оптической системы переменного увеличения необходима дополнительная оптическая система ϕ0, которая и будет выступать в роли собственно объектива. Сочетание объектива ϕ0 с двухкомпонентной системой переменного увеличения образует объектив переменного фокусного расстояния. При этом имеем пять основных параметров и один параметр, который должен оставаться неизменным при пяти значениях поперечного увеличения. Откуда определяем систему из шести уравнений с шестью неизвестными. Если двухкомпонентная система переменного увеличения образует мнимое изображение, то рассматриваемую систему необходимо дополнить оптической системой переноса изображения, размещаемой за систему переменного увеличения. Поперечное увеличение изображения, образованного системой переноса изображения, соответствует условию меньше нуля. В результате получаем, что поперечное увеличение изображения, образованного оптической системой рассматриваемой схемы, равно величине больше нуля. При этом получаем схему вариообъектива. Система переноса изображения может состоять из двух компонентов ϕ01 и ϕ02. Если при этом оптическая система, состоящая из дополнительной системы ϕ0, системы переменного увеличения и компонента ϕ01, образует афокальную систему, то при независимой коррекции аберраций афокальная система в сочетании с компонентом ϕ02 образует оптическую систему трансфокатора. В схеме вариообъектива постоянны оптическая сила и поперечное увеличение системы переноса изображения. В этом случае предполагаем, что коэффициент аберрации системы переноса изображения не изменяется. При этом имеем пять основных параметров и один параметр, который является коэффициентом аберрации системы переноса. В результате имеем систему из пяти линейных уравнений с шестью неизвестными. Решив систему уравнений, получим величины основных параметров. Рассмотренный подход к анализу аберрационных свойств двухкомпонентной системы переменного увеличения позволяет выбрать наилучшее сочетание аберрационных характеристик. УДК 535 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ТРЕХЗЕРКАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ БАЗОВОЙ ДВУХЗЕРКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Е.В. Ермолаева, Ю.А. Подгорных Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Оптическая сила i-го тонкого зеркального компонента ϕi = 2(− 1)i / ri , где ri – радиус кривизны первой по ходу луча отражающей поверхности компонента. Оптическая сила системы из двух тонких зеркальных компонентов равна ϕ = ϕ1 + ϕ2 − ϕ1ϕ2 dэi , где di = (−1)i⋅di ; di – расстояние между отражающими поверхностями в исходной системе. Отношение k oэ = h2 / h1 определяет параксиальный коэффициент экранирования осевого пучка лучей (зрачка) по диаметру. Задний фокальный отрезок удобно выразить через расстояние между компонентами, положив s′F ′ = ks dэ1 , где ks – коэффициент, значение которого выбирается из конструктивных соображений. При этом d э1 = k oэ / k s , ϕ1 = k s (1 − koэ ) / koэ , ϕ 2 = (1 − ϕ1 ) / koэ . Кривизна поверхности изображения при равном нулю астигматизме i=k (пецвалева кривизна) определяется коэффициентом S = ∑ ϕ / n . Преобразовав это IV i i i =1 113 выражение, получаем уравнение: 2ks + 1 ks 2 koэ − koэ + = 0. (1) k s − S IV k s − S IV При ks = 1 и SIV = 0 уравнение (1) принимает вид: 2 (2) k оэ − 3k оэ + 1 = 0. Решив это уравнение, получаем k oэ = 0,382 , ϕ1 = −ϕ2 = 1,618 , dэ1 = 0,382. При 0< ks < 1 изображение, образованное двухзеркальной системой, расположено в сходящихся пучках лучей в промежутке между зеркалами. Используя параметры оптической системы из двух тонких зеркальных компонентов, находим, что разность d p = d э1 − s′F ′ = d э1 − k s d э1 = (1 − k s ) d э1 . При этом для осевого виртуального луча при h1=1 имеем: h p = 1 − k oэ ϕ1 (1 − k s ) / k s . Используя полученную формулу, находим, что hp = koэ + ks (1 − koэ ) . Пусть Dp – диаметр сечения сходящегося осевого пучка лучей в плоскости расположения изображения. При этом приближенно справедливо следующее геометрическое соотношение: D p / D = h p / h1 = h p , где D – диаметр входного зрачка. Отсюда следует, что D p = Dhp = koэ D + (1 − koэ ) k s D . Диаметр изображения, образованного рассматриваемой оптической системой, равен ′ 2 y = −2f ′ tgw , где w – угол поля в пространстве предметов. При этом экранирование осевого пучка лучей поверхностью изображения определим коэффициентом k wэ , равным k wэ = −2 Ftgw/[k oэ + k s (1 − k oэ )] , где F – диафрагменное число. Вполне очевидно, что должно соблюдаться условие k wэ ≤ k oэ . При этом находим, что 2tgw ≥ −k oэ2 [1 + k s (1 − k oэ ) / k oэ ]F . При ks=1: 2tgw = −k oэ / F . Таким образом, чем меньше диафрагменное число F (чем светосильнее система), тем угловое поле больше. Заметим, что при SI=0 и SII=0 коэффициент ( 2 ) S III = −[1 − 2 ϕ1 − k s S IV ] /(2 k s ) , где SIV = − ϕ1 − ϕ2. В общем случае SIII≠0 и SIV≠0. Для достижения плананастигматической коррекции аберраций изображения, при которой SI=SII=SIII=SIV=0, двухкомпонентную зеркальную систему можно дополнить третьим зеркальным компонентом ϕ3 = −2 / r3 . Рассмотрим оптическую систему, схема которой показана на рисунке, для которой f ′: D=−F. Рисунок. Трехзеркальная оптическая схема Кривую сечения несферической поверхности вращения меридиональной плоскостью в декартовой системе координат определим уравнением вида: y 2 = 2rz − (1 + b ) z 2 , где r – радиус кривизны поверхности в осевой точке; b – эксцентриситет кривой второго 114 порядка, образующей поверхность вращения. При диаметре третьего компонента, равном D3, поверхность компонента определяется уравнением: D32 = 8r3∆ 3 − 4 (1 + b3 ) ∆ 32 , где ∆3 – «прогиб» вогнутой поверхности третьего компонента (∆3 < 0). В соответствии с рисунком на расстояния от третьего компонента до изображения, образованного двухкомпонентной системой, и до изображения, образованного третьим компонентом (и всей системой в целом), должны быть наложены соответственно следующие очевидные геометрические ограничения: a3 < ∆ 3 − D / 2 , a3′ > D − ∆3 , где D – диаметр входного зрачка системы. В общем случае отрезки а3 и а′3 можно выразить через диаметр D соотношениями вида: a3 = −k1 D / 2 , a3′ = k1 D / 2 − D / 2 + k 2 D = [(k1 − 1) / 2 + k 2 ]D , где k1>1, k2>1. При этом, используя формулу отрезков, находим, что оптическая сила третьего компонента, приведенная к оптической силе всей системы (ϕ < 0), равна 2 2 ( k1 + k2 ) − 1 a − a′ F 2 ( k1 + k2 ) − 1 . (3) ϕ 3 = f ′ 3 3 = f ′ = −2 a3a′ k1D k1 + 2k2 − 1 k1 k1 + 2k2 − 1 При этом оптические силы первых двух компонентов, приведенные к оптической силе ~ =V ϕ ; ϕ ~ =V ϕ . всей системы, определяются соотношениями: ϕ 1 3 1 2 3 2 Как следует из формулы (3), диафрагменное число двухкомпонентной системы в составе трехкомпонентной равно F12 = f12′ / D = f ′ / (V3 D ) = − F / V3 . Кривизна поверхности изображения, образованного рассматриваемой оптической системой в целом, определяется коэффициентом S IVΣ = −ϕ 1 − ϕ 2 − ϕ 3 = −V3 ( ϕ1 + ϕ2 ) − ϕ 3 = V3 S IV − ϕ 3 , где SIV – коэффициент, определяющий кривизну поверхности изображения, образованного двухкомпонентной оптической системой. При SIVΣ = 0 коэффициент S IV = 1 V3 ϕ 3 = 2 F 2 ( k1 + k 2 ) − 1 ( k1 + 2k2 − 1) 2 (4) . Подставив соотношение (4) в уравнение (1), при выбранном значении коэффициента ks получаем уравнение относительно величины kоэ, решив которое, находим все параметры рассчитываемой системы. УДК 535 ВЕКТОРНЫЙ И МАТРИЧНЫЙ МЕТОДЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ЛУЧА, ПРЕЛОМЛЕННОГО СИСТЕМОЙ ПРОИЗВОЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ПЛОСКИХ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ К.В. Ежова, И.А. Трусов Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев В общем случае из-за погрешностей изготовления компланарность нормалей к поверхностям зеркально-призменных систем нарушается, а развертка отражений в призме приобретает клиновидность. При реальном расположении поверхностей зеркальнопризменных систем (в том числе и без учета погрешностей изготовления) принятые в вычислительной оптике методы расчета лучей не применимы. Рассмотрим векторный и матричный методы расчета направления преломленного луча поверхностями зеркальнопризменных систем. Пусть A, A′′ – орты падающего и преломленного лучей; n, n´ – показатели преломления разделяемых сред; N – орт нормали к поверхности в точке падения луча. Тогда закон 115 преломления луча на поверхности раздела двух сред произвольной формы можно записать в виде: n A × N = n ' A ′ × N , (1) при этом модули векторов, определяемых векторными произведениями в выражении (1), взаимосвязаны соотношением (2) n sin ε = n ' sin ε ' , где ε, ε′ – углы падения и преломления луча. Выражение (1) можно представить в виде: n′A′′ – nA = µN, (3) где µ – скалярный множитель. Умножив левую и правую части выражения (3) скалярно на N, получаем µ=n′A′′N–nAN. При этом выражение (3) принимает вид: n n A ' = A + N ( A ' N ) − N ( AN ) . (4) n' n' Правую часть выражения (4) можно представить в форме детерминанта (определителя): n n A ( AN ) − ( A ' N ) . (5) A' = n' n' N 1 Применив закон преломления, получаем 2 n 2 n A ( AN ) 0 1 − 2 (1 − ( AN ) ) A' = − . (6) n' 1 n' N N 1 Тогда в соответствии с выражением (5) при преломлении луча на первой поверхности имеем: n2 ( A 2 N1 ) n1 A1 ( A1N1 ) − A2 = . (7) n1 n2 N1 1 Для луча, преломленного на второй поверхности, единичный вектор A3 = (A2N2 ) − n2 A 2 n3 N1 n3 n2 ( A3N 2 ) . (8) 1 Подставив выражение (7) в выражение (8), получаем n n A1 ( A1N1 ) − 2 ( A 2 N1 ) ( A1N 2 ) − 3 ( A 3 N 2 ) n1 n1 n1 , A3 = N1 1 ( N1N 2 ) n3 N2 0 1 2 где ( A 2 N1 ) = 1 − n1 2 n2 2 + n1 2 n3 2 2 ( A 2 N1 ) ; ( A 3 N 2 ) = 1 − n2 2 n3 (9) 2 + n2 2 n3 2 (A2N2 ) . Анализ вида полученных выражений позволяет предположить, что орт луча, преломленного на последовательности из n плоских поверхностей N1, N2, …, Nn, определяются выражением (10): 116 A n+1 = n1 × nn+1 A1 ( A1N1 ) − n2 n3 ( A 2 N1 ) ( A1N 2 ) − n1 n1 ( A 3 N 2 ) ... ( A1N n ) − nn +1 n1 ( A n+1N n ) N1 1 ( N1N 2 ) ... ( N1N n ) × N2 0 1 ... (N 2 N n ) ... N n−1 ... 0 ... 0 ... ... ... ( N n −1N n ) Nn 0 0 ... 1 . (10) При этом получаем: cos( A n +1 , q ) = A n +1q = ( A1q ) =− n1 nn+1 n ( A 2 N1 ) ... ( A1N n ) − n+1 ( A n+1N n ) n1 n1 n2 ( A1N1 ) − ( N1q ) (N 2q) 1 0 ... ... ( N1N n ) (N 2 N n ) ... ( N n −1q ) ... 0 ... ... ... ( N n −1N n ) (N nq) 0 ... 1 (11) . УДК 535 ПОВЕРХНОСТЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ, ОБРАЗОВАННОГО ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ, ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ СМЕЩЕНИИ ОПТИЧЕСКИХ ОСЕЙ ТОНКИХ КОМПОНЕНТОВ, СОСТАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМУ Ю.А. Подгорных, Е.С. Рытова, И.А. Трусов Научный руководитель – д.т.н., профессор В.А. Зверев Поперечные первичные аберрации в меридиональной и в саггитальной плоскостях определяются соответственно выражениями вида: 2 −2 n ' α ' δg ' = 2 m '( m ' + M ' ) 3 h' 2 −2 n ' α ' δG ' = 2 SI + 3m ' + M ' 2 M '( m ' + M ' ) 3 SI + 2 h' l 2m ' M ' 2 2 yS II + yS II + m' h 'l M' 2 2 2 2 2 y (3S III + J S IV ) + 1 l 3 3 y SV ; 2 y ( S III + J S IV ), h' h' l h 'l где S I , S II , S III , S IV и S V – коэффициенты, определяющие сферическую аберрацию, кому, астигматизм изображения точки, кривизну поверхности изображения и дисторсию изображения соответственно. В том случае, когда астигматизм изображения внеосевых точек предмета отсутствует, кривизна поверхности изображения определяется коэффициентом Пусть S IV . 117 S I = S II = S III = S V = 0, а S IV ≠ 0 . Тогда при n′ = 1 и при α′ = 1 меридиональная и сагиттальная составляющие поперечной аберрации определятся соответственно ω' Ω' 2 2 выражениями вида: δg ' = − n ' y ' S IV ; δG ' = − n ' y ' S IV . При этом продольная 2 2 составляющая кривизны поверхности изображения (пецвалева кривизна) равна: δg ' δG ' 1 2 z 'p = = = − y ' S IV . ω' Ω' 2 Рисунок. Смещение оптической оси в продольном направлении Пусть OO′ – базовая линия (оптическая ось) оптической системы. Пусть оптическая ось OiO′i компонента ϕi смещена в поперечном направлении относительно оси OO′ на расстояние, равное δci, а оптическая ось Oi+1O′i+1 компонента ϕi+1 смещена в том же направлении на расстояние, равное δci+1, как показано на рисунке. В этом случае продольная составляющая пецвалевой кривизны поверхности изображения, образованного i-м 2 1 2 1 yi′+1 компонентом, равна z ′pi = − yi′ S IV ,i = − S IV ,i , 2 2 2V i +1 где Vi+1 – поперечное увеличение изображения, образованного вторым компонентом; при 1 2 2 этом в пространстве изображений второго компонента имеем z ′′pi = Vi +1 z ′pi = − yi′+1S IV ,i . 2 В соответствии с рисунком величина предмета для второго компонента равна величина образованного им изображения y i +1 = y 'i + δ ci − δ ci +1 ; y 'i +1 = Vi +1 y i +1 = Vi +1 ( y 'i + δ ci − δ ci +1 ) . При этом продольная составляющая кривизны поверхности изображения равна: 1 2 1 2 2 z ' p ,i +1 = − y 'i +1 S IV,i +1 = − ( y 'i + δci − δci +1 ) Vi +1S IV,i +1 = 2 2 =− 1 2 y 'i +1 S IV,i +1 − (δci − δci +1 )vi +1S IV,i +1 y 'i +1 − 1 2 2 (δci − δci +1 ) vi +1 S IV,i +1 . 2 2 Продольная составляющая кривизны поверхности изображения, образованного i-м и i+1-м компонентами, равна 1 2 z '' p ,i + z ' p ,i +1 = − y 'i +1 ( S IV,i + S IV,i +1 ) − (δci − δci +1 )Vi +1 S IV,i +1 y 'i +1 − 2 − 1 2 2 (δci − δci +1 ) Vi +1 S IV,i +1 . 2 Из этого выражения следует, что при поперечном смещении i-го и i+1-го компонентов на различные расстояния кроме пецвалевой кривизны появляется продольный сдвиг и наклон 118 изображения. При δci = δci +1 (т.е. при отсутствии относительного смещения оптических осей): z ' p ,i ,i +1 = − 1 2 2 y 'i +1 ( S IV,i + S IV,i +1 ) = − 1 2 2 y ' S IV . УДК 535.421 ОСОБЕННОСТИ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ АМПЛИТУДЫ ОБЪЕКТНОЙ ВОЛНЫ ПРИ СИНТЕЗЕ ГОЛОГРАММ «СФОКУСИРОВАННОГО» ИЗОБРАЖЕНИЯ И.Н. Корепин Научный руководитель – д.т.н., профессор С.Н. Корешев Применение систем с синтезированными голограммами-проекторами «сфокусированного» изображения является перспективным направлением развития традиционной проекционной фотолитографии, так как позволяет восстанавливать теоретически безаберационное изображение исходного объекта, при относительно большом поле экспонирования, с минимальным характеристическим размером элемента равным длине волны, т.е. на дифракционном пределе. Кроме того в таких системах вместо традиционных сложных и дорогих проекционных объективов могут применяться простые и недорогие оптические системы, строящие изображение низкого качества. Обозначенные выше достоинства, а также отсутствие успешных попыток синтеза таких голограмм-проекторов, обуславливают постановку данной работы, целью которой является разработка метода синтеза голограмм-проекторов «сфокусированного» изображения для проекционной фотолитографии. Одной из важных задач, которые необходимо решить для достижения данной цели является разработка метода расчета комплексной амплитуды объектной волны в плоскости голограммы. Синтез голограммы-проектора «сфокусированного» изображения может осуществляться в соответствии с математической моделью физического процесса записи аналоговой голограммы-проектора сфокусированного изображения. Анализ этого физического процесса, с учетом дискретного характера вычислений, показал, что для регистрации всей полноты информации о структуре объекта требуется расчет порядка миллиона лучей для каждой точки поля. Такой объем вычислений является крайне трудоемкой задачей даже для современных вычислительных систем. Для решения данной проблемы был разработан ряд методов, так или иначе позволяющих сократить количество вычислений. Первый из них основан на составлении так называемой «таблицы соответствия». Его применение напрямую не ведет к уменьшению объема вычислений, однако позволяет проводить их лишь одни раз для каждого объектива, а не повторять регулярно при синтезе каждой новой голограммы. Суть метода сводится к разбиению процесса синтеза на два этапа. На первом этапе, производится расчет необходимого количества лучей для каждой точки поля предмета, независимо от структуры объекта. Пятно рассеяния, образованное каждой точкой в отдельности сохраняется в условную ячейку «таблицы соответствия». На втором этапе остается только сложить те ячейки таблицы, которые соответствуют светлым точкам изображаемого предмета. Другой подход, разработанный для решения поставленной задачи, основан на том, что благодаря осевой симметрии проекционной оптической системы достаточно рассчитать пятна рассеяния лишь для одного ряда точек, лежащих вдоль одной из полуосей поля предмета, а остальные могут быть вычислены при помощи простой операции поворота соответствующего пятна рассеяния на заданный угол. Такой подход позволяет во много раз сократить количество ячеек таблицы соответствия. 119 Наконец еще один метод, позволяющий сократить количество лучей, которые необходимо рассчитать для успешного синтеза голограммы-проектора, исходит из того факта, что, на практике, форма волнового фронта излучения от одной точки поля является достаточно гладкой. Таким образом, для ее восстановления (формы) с достаточной точностью необходимо рассчитать лишь небольшое количество лучей. Значения комплексной амплитуды в других точках рассчитываются на основе метода билинейной интерполяции. При этом стоит отметить, что точное количество узлов интерполяции, т.е. рассчитываемых лучей, должно определяться экспериментально, по качеству изображения восстанавливаемого голограммой. В ходе работы были предложены и научно обоснованы некоторые методы, позволяющие существенно сократить объемы вычислительных ресурсов, затрачиваемых на расчет действительных лучей через оптическую систему, при вычислении комплексной амплитуды объектной волны в плоскости голограммы. Их применение значительно ускоряет процесс синтеза голограммы-проектора «сфокусированного» изображения, что является важным моментом для возможности применения таких систем для задач проекционной фотолитографии. УДК681.7.065.37 ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ МИКРОСТРУКТУРИРОВАНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ Ли Хуэй Научный руководитель – ст. преподаватель М.В. Погумирский В настоящее время для защиты полимерных оптических материалов используют специальные защитные лаки, некоторые из них требуют полимеризации при помощи излучения с длиной волны около 240 нм. Свойства фотополимеризуемых защитных лаков близки к свойствам позитивных фоторезистов применяемых при литографии. Особенностью таких лаков является то, что с их помощью возможно создание на поверхности полимера пленки с упорядоченной структурой. Такая структура повторяет образ маски, которая была использована при засветке пленки. Так же иметься возможность использовать для засветки лака различные уровни интенсивности получаемые при интерференции света. Тонкие пленки, содержащие микроструктуры на поверхности оптического объекта являются перспективными новыми материалами. В работе использовался фотополимеризуемый лак SHC-125-B Super Hard Coating предназначенный для создания защитных покрытий на полимерном органическом стекле марки CR-39. Методом центрифугирования лак наноситься на полированную подложку из стекла марки К8. Затем производится полимеризация детали УФ излучением (лампа ДРБ180) со временем выдержки от 30 до 65 секунд. Этого времени облучения детали не достаточно, что бы весь лак стал твердым. Затем аккуратно производиться промывка детали в изопропиловом спирте. После этого деталь подвергается длительному облучению УФ, более 15 минут. На поверхности детали формируется пленка с выступами в форме полусфер или вытянутых полуцилиндров. При использовании большего времени первичного облучения детали на образце чаще появляться полусферы. Размеры полусфер составляют от 0,5 до 1,6 мкм при толщине от 0,2 до 1 мкм. Коэффициентов пропускания света в диапазоне от 400 до 700 нм составляет 0,94, что соответствует системе состоящей из материала К8 и пленки. Но при больших углах, более 50 градусов образцов наблюдается дифракция света. 120 В работе рассмотрен технологический процесс создания упорядоченных структур, основанный на литографии с использованием интерференции для управления интенсивностью облучающего излучения. Были подобраны параметры технологического процесса, позволяющие управлять формой создаваемых структур. Такие пленки могут обладать с сильной зависимостью пропускания света от угла падения или пленки вызывающие дифракцию света. Описываемые материалы и пленки могут найти применение при создании спектральных приборов. 1. 2. 3. Литература Климов В.В. Наноплазмоника. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 480 с. Ландсберг Г.С. Оптика. – М: Наука, 1976. – 928 с. Рудин Я.В. Диссертация «Технология офтальмологических СПбГУ ИТМО, 2000. – 145 с. 121 элементов». – СПб:
