Методы расчета лазерных систем переменного увеличения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Севрюгин, Александр Сергеевич

• Севрюгин, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Севрюгин, Александр Сергеевич

Введение.

Глава

Основные положения к расчету лазерных систем переменного увеличения.

1.1. Область применения систем переменного увеличения.

1.2. Особенности лазерных систем переменного увеличения. Анализ литературных источников о методах расчета систем переменного увеличения. Классификация лазерных систем переменного увеличения.

1.3. Метод сопряженных плоскостей.

1.3.1. Базовые формулы для одиночной линзы.

1.3.2. Базовые формулы для двухкомпонентной системы.

1.3.3. Базовые формулы для трехкомпонентной системы.

1.4. Комбинирование матричного метода и метода двух лучей для проверки правильности параксиального расчета.

1.4.1. Проверка с использованием расчета лучей по формулам матричной оптики.

1.4.2. Проверка с использованием правила АВСБ.

1.5. Полнота исходных данных.

1.5.1. Пример определения параметров выходящего лазерного пучка при известных параметрах исходного пучка.

1.5.2. Пример определения параметров выходящего лазерного пучка в случае неполноты исходных данных.

Глава

Методы расчета оптических схем лазерных трехкомпонентных систем переменного увеличения.

2.1. Многочлены и некоторые операции над ними.

Используемые условные обозначения.

2.2. Расчет оптических схем лазерных трехкомпонентных систем переменного увеличения согласно методу сопряженных плоскостей.

2.2.1. Расчет систем для решения первой задачи.

2.2.2. Замечания по отбору решений.

2.2.3. Полная компенсация отклонения линейного увеличения во всем диапазоне перемещения компонентов (механическая компенсация).

2.2.4. Последовательность расчета для синтеза искомой оптической системы.

2.2.5. Расчет систем для решения второй задачи.

2.2.6. Полная компенсация смещения выходной опорной плоскости во всем диапазоне перемещения компонентов (механическая компенсация).

2.2.7. Последовательность расчета для синтеза искомой оптической системы.

2.3. Метод расчета оптических схем лазерных трехкомпонентных систем переменного увеличения с учетом свойств лазерных пучков.

2.4. Искажения лазерного пучка из-за конечности апертуры оптического элемента.

2.5. Расчет конструктивных параметров линз.

2.6. Переход к системе конечной толщины.

Глава

Примеры расчета лазерных систем переменного увеличения и оценка искажений лазерного пучка оптической системой.

3.1. Оценка качества лазерной системы переменного увеличения.

3.2. Формирование изображения оптической системой при наличии аберраций.

3.2.1. Формирование изображения оптической системой для когерентного случая.

3.3.2. Формирование изображения оптической системой для некогерентного случая.

3.3. Пространственно-частотный спектр во входной опорной плоскости.

3.4. Использование ортогонального базиса многочленов Цернике для аппроксимации амплитудной и фазовой части функции зрачка.

3.5. Расчет распределения интенсивности в выходной опорной плоскости. Шаг дискретизации и формирование выборки в плоскости зрачка и выходной опорной плоскости.

3.6. Критерии оценки качества лазерной системы переменного увеличения и величины искажений лазерного пучка в выходной опорной плоскости.

3.7. Расчет лазерного панкратического фокусирующего объектива.

3.7.1. Параксиальный расчет.

3.7.2. Переход к системе конечной толщины.

3.7.3. Искажения лазерного пучка для различных положений лазерного панкратического фокусирующего объектива.

3.8. Расчет панкратической системы для передачи энергии лазерного излучения.

3.8.1. Параксиальный расчет.

3.8.2. Переход к системе конечной толщины.

3.8.3. Искажения лазерного пучка для различных положений панкратической системы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы расчета лазерных систем переменного увеличения»

В настоящее время лазерные системы переменного увеличения находят применение в таких областях, как лазерная технология, лазерная локация и дальнометрия, оптические исследования и измерения, создание систем технического зрения и оптических систем записи и хранения информации. Особый интерес представляют лазерные панкратические системы, осуществляющие непрерывное изменение оптических параметров в заданном диапазоне. Эти системы наиболее универсальны, поскольку каждая из них позволяет получить параметры, свойственные в отдельности целому набору различных оптических систем.

Расширение области применения лазерных систем переменного увеличения, повышение требований к качеству и характеристикам таких систем, а также разработка систем нового типа часто не позволяет применять для их расчета уже существующие или узкоспециализированные методы. Следовательно, разработка методов расчета лазерных систем переменного увеличения представляется весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета лазерных систем переменного увеличения, осуществление программной реализации предложенных методов расчета и их практическое применение при расчете различных лазерных систем переменного увеличения.

Очевидно, что достижение указанной цели связано с решением ряда задач, возникающих как при расчете классических систем переменного увеличения, так и при расчете оптических систем, используемых для передачи лазерного излучения. Решение большинства этих задач требует учета свойств лазерных пучков и особенностей их преобразования оптической системой.

В частности, в рамках данной диссертации необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ преобразования лазерного пучка лазерной системой переменного увеличения при произвольных законах перемещения компонентов системы.

2. Рассмотреть особенности лазерной системы переменного увеличения с оптической компенсаций (с линейными законами перемещения компонентов).

3. Получить систему уравнений, связывающую неизвестные параметры лазерной системы переменного увеличения с оптической компенсацией, с параметрами, задаваемыми разработчиком.

4. Провести анализ семейства лазерных систем переменного увеличения с оптической компенсацией, являющихся решениями исходной системы уравнений, и разработать критерии отбора решений.

5. Рассмотреть возможность перехода от рассчитанной лазерной системы переменного увеличения к лазерной системе переменного увеличения с механической компенсацией (с нелинейными законами перемещения компонентов).

6. С использованием пп. 1-5 разработать методы и алгоритмы расчета лазерных систем переменного увеличения.

7. Провести анализ формирования распределения интенсивности излучения в выходном сечении лазерного пучка, формируемого лазерной системой переменного увеличения с учетом дифракции и аберраций.

8. Разработать количественные критерии оценки величины искажений лазерного пучка.

9. Разработать и осуществить компьютерную реализацию предложенных методов и провести экспериментальное исследование возможностей их практического применения при расчете лазерных систем переменного увеличения.

Для решения сформулированных задач в данной диссертации привлечен ряд методов расчета и моделирования.

При рассмотрении преобразования лазерного пучка оптической системой использовались методы расчета пространственной структуры лазерных пучков в параксиальном приближении, в частности метод сопряженных плоскостей, матричный метод и метод двух лучей.

Математический аппарат, положенный в основу методов расчета лазерных систем переменного увеличения, предложенных в данной диссертации, требует рассмотрения некоторых элементов теории многочленов, а также методов решения алгебраических уравнений, в частности методов Лагерра и метода Лобачевского.

Количественная оценка искажений, вносимых оптической системой в формируемый лазерный пучок из-за дифракции излучения и остаточных аберраций, невозможна без привлечения аналитических и численных методов теории аберраций. В дополнение к ним в данной диссертации использовались методы скалярной дифракционной теории формирования изображений в оптических системах при когерентном и некогерентном освещении. Результаты численного моделирования, представленные в данной работе, получены с использованием алгоритмов быстрого дискретного преобразования Фурье (БПФ), а также с применением аппарата ортогональных многочленов Цернике для представления аберраций оптической системы.

Структурно диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 63 наименований, содержит 202 страницы машинописного текста, 42 рисунка, 4 таблицы и 16 листов приложений.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Севрюгин, Александр Сергеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенные в данной диссертации методы расчета систем переменного увеличения позволяют выполнять расчет систем, относящихся к трехкомпонентным лазерным системам переменного увеличения с оптической компенсацией (при линейных законах перемещения компонентов), с учетом заданного набора исходных данных и ограничений на итоговые параметры рассчитываемых систем. Исходные формулы для двух представленных методов базируются на методе сопряженных плоскостей, справедливом как для лазерных, так и для обычных оптических систем переменного увеличения, и охватывают не только линзовые, но и зеркальные системы, и их комбинации. Кроме этого, при необходимости легко может быть осуществлен переход к системам с механической компенсацией (с нелинейными законами перемещения компонентов).

Согласно предложенным методам, расчет лазерной системы переменного увеличения (определение параметров ее компонентов в параксиальном приближении) сводится к нахождению, корней, алгебраических уравнений, для чего могут применяться любые общие итерационные и специальные численные методы решения указанных уравнений.

Основным достоинством этих методов является большое число решений, отвечающих заданному набору исходных данных (до 80-ти для первого метода и до 12-ти для второго метода), что позволяет проводить анализ в широком диапазоне параметров и таким образом повысить эффективность и сократить время анализа.

Помимо этого, в данной работе даны примеры расчета лазерных систем переменного увеличения с использованием указанных методов, начиная с параксиального расчета и заканчивая аберрационным расчетом и анализом качества рассчитанной системы. Представленные численные результаты расчетов подтверждают обоснованность и правильность предложенных методов при расчете лазерных систем переменного увеличения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Севрюгин, Александр Сергеевич, 2005 год

1. Бегунов Б.Н. Современное состояние панкратических систем // Сб. трудов МВТУ. 1962. - № 110. - С. 40-59.

2. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 1973. - 488 с.

3. Бездидько С.Н. Применение полиномов Цернике в оптике // Оптико-механическая промышленность. 1974. - № 9. - С. 41-52.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.: Пер. с англ./Под ред. Г. П. Мотулевич. М.: Наука, 1970. - 856 с.

5. Вержбицкий В. М. Численные методы. М.: Высшая школа, 2001. - 266 с.

6. Волосов Д.С. Методы расчета сложных фотографических систем. Л.: Гостехиздат, 1948. - 394 с.

7. Джерард А., Берч Дж.М. Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978. -342 с.

8. Журова З.А., Зверев В.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения // Оптический журнал. -1999.-Т. 66, №10.-С. 26-32.

9. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. -М.: Машиностроение, 1992. 488 с.

10. Зверев В.А., Рамин Хон, Точилина Т.В. Линеаризация взаимосвязи перемещений компонентов в двухкомпонентной схеме переменного увеличения // Оптический журнал 2003. - Т. 70, №11. - С. 37-39.

11. Каханер Д., Моулер М., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение: Пер. с англ./Под ред. X. Д. Икрамова. М.: Мир, 2001. - 575 с.

12. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроение, 1985.- 128 с.

13. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Советское радио, 1978. - 262 с.

14. Компьютеры в оптических исследованиях / Под ред. Б. Фридена. М.: Мир, 1983.-448 с.

15. Корн Г., Корн Т. Справочник по высшей математике / Под ред. И. Г. Арамановича. М.: Наука, 1974. - 720 с.

16. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев E.H. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990. - 432 с.

17. Справочник конструктора оптико-механических приборов / В.А. Панов, М.Я. Кругер. JI.: Машиностроение, 1980. - 780 с.

18. Пахомов И.И. Панкратические системы. М.: Машиностроение. 1976. -160 с.

19. Пахомов И.И. Трехкомпонентные оптические системы с механической компенсацией // Оптико-механическая промышленность. 1982. - №6. - С. 90-99.

20. Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. - 152 с.

21. Пахомов И.И., Шикуть A.B. Телескопические панкратические системы для оптических квантовых генераторов // Сб. трудов МВТУ. 1974. - № 184.- С. 34-41.

22. Пахомов И.И. Оптические системы изменения параметров гауссовых пучков // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1992. - №4. - С. 9-13.

23. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин Н.В. Оптико-электронные квантовые приборы / Под ред. И.И. Пахомова. М.: Радио и связь, 1982. -456 с.

24. Пахомов И.И., Севрюгин A.C. Оптические системы переменного увеличения для информационно-распознающих систем // Тез. докл. 51

25. Международной научн.-техн. конф. "Тепловидение". Москва, 2001. - С. 157.

26. Пахомов И.И., Севрюгин A.C. К расчету оптических систем переменного увеличения для изменения параметров лазерных пучков // Тепловидение: Межотрасл. сб. научн. тр. МИРЭА. 2002. - № 14. - С. 3-15.

27. Пахомов И.И., Севрюгин A.C. Расчет лазерных систем переменного увеличения // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2004. - № 1(54). - С. 319.

28. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. М.: Наука, 1981.-800 с.

29. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. JL: Машиностроение, 1982. - 270 с.

30. Родионов C.JL, Пржевалинский Л.И., Шехонин A.A. Применение коэффициентов интерполяционного полинома для представления аберраций оптических систем // Изв. вузов. Приборостроение. 1974. - Т. XVII, № 10.-С. 104-107.

31. Родионов С.Л., Вознесенский Н.Б. Аппроксимация аберраций оптических систем с использованием значений волновых, поперечных и продольных аберраций // Изв. вузов. Приборостроение. 1979. - Т. XXII, №6. - С. 8790.

32. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. М.: Машиностроение, 1969. - 671 с.

33. Стефанский М.С. Определение оптических параметров пятикомпонентных телескопических СПУ при простейшей кинематической схеме // Оптико-механическая промышленность. 1962. -№11.-С. 18-24.

34. Справочник по специальным функциям / Под ред. М. Абрамовича, Н. Стиган. М.: Наука, 1979. - 832 с.

35. Технологические лазеры. Справочник / Под ред. Г.А. Абильсиитова. М.: Машиностроение, 1991. - 432 с.

36. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Советское радио, 1980. - 392 с.

37. Ярив А. Введение в оптическую электронику: Пер с англ./Под ред. О. В Богданкевича. М.: Высшая школа, 1983. - 398 с.

38. Aurin F. Zoom system for C02 laser, precalculation and final design // Optical System Design, Analysis and Production for Advanced Technology Systems. -1986.-V. 46, №34.-P. 123.

39. Bass M. et al. Handbook of Optics. Fundamentals, Techniques & Design. -New York, 2001. 1480 p.

40. Bergstein L. General theory of Optically Compensated Varifocal Systems // J. Opt. Soc. Am. 1958. - V. 58, № 3. - P. 154.

41. Besenmatter W. Designing zoom lenses aided by the Delano diagram // Materials of International Lens Design Conference. New York, 1980. - P. 120.

42. Betensky E. The role of aspherics in zoom lens design // Materials of International Lens Design Conference. New York, 1990. - P. 78.

43. Betensky E. Zoom lens principles and types // Lens Design, PROC SPIE. -1992. -V. 53, №9. P. 672.

44. Clark A.D. Zoom Lenses. New York: American Elsevier Pub. Co, 1973. - 891. P

45. Grey D.S. Zoom lens design. New York: New York Press, 1973. - 230 p.

46. Hopkins H.H. A class of symmetrical systems of variable power // Materials of Conference on Optical Instruments. London, 1951. - P. 43.

47. Hopkins H.H. The use of diffraction-based criteria of image quality in automatic optical design // Optica Acta. 1966. - № 4. - P. 343.

48. James C.W. Basic Wavefront Aberration Theory for Optical Metrology // Applied Optics and Optical Engineering, Academic Press (University of Arizona). 1992. - V. XI, № 123. - P. 28.

49. Johnson R.B., Feng C. Mechanically compensated zoom lenses with a single moving element//Applied Optics. 1992. - V. 31, № 13. - P. 2274.

50. Kienholz D.F. The design of a zoom lens with a large computer // Applied Optics. 1970. - V. 9, № 6. - P. 1443.

51. Kingslake R. The development of the zoom lens // Journal of the SMPTE. -1960.-V. 69, №34.-P. 67.

52. Kingslake R. Lens Design Fundamentals. New York: Dover Publications, 1992. -518 p.

53. Matter G.H., LuszezE.T. A family of optically compensated zoom lenses. // Applied Optics. 1970. - V. 9, № 4. - P. 884.

54. Oshima S. Zoom lenses for television-Canon's design philosophy. Tokyo: Image Technology, 1988. - 118 p.

55. Oskotsky M.L. Grapho-analytical method for the first-order design of two-component zoom systems // Optical Engineering. 1992. - V. 8, № 12. - P. 512.

56. Pegis R.J., Peck W.G. First-order design theory for linearly compensated zoom systems. // J. Opt. Soc. Am. 1962. - V. 52, № 8. - P. 154.

57. Mau-Shiun Yeh, Shin-Guo Shiue, Mao-Hong Lu. First-order analysis of a two-conjugate zoom system // Optical Engineering. 1996. - V. 35, № 11. - P. 3348.

58. Tanaka K. A novel configuration of zoom lens // Optik. 1986. - V. 33, №11. -P .845.

59. Tanaka K. Paraxial analysis of mechanically compensated zoom lenses. Five-component type // Applied Optics. 1983. - V. 22, № 4. - P. 541.

60. Tanaka K. Recent development of zoom lenses // Proc. SPIE. 1997. - V. 31, №29.-P. 13.

61. Tao I.C.K. Design of zoom system by the varifocal differential equation // Applied Optics. 1992. - V. 31, № 13. - P. 2265.

62. Woltche W. Design and structure of high-performance zoom lenses for 35 mm photography // Materials of Lens and Optical Systems Design Conference. London, 1992.-P. 803.

63. Wooters G., Silvertooth E.W. Optically compensated zoom lens // J. Opt. Soc. Am. 1965. - V. 55, № 4. - P. 347.

64. Yamaji K. Design of zoom lenses // Prog. Opt. 1967. - V.24, № 6. - P. 107.