Основы компьютерного моделирования оптических систем различных классов

Такие системы могут содержать функциональные элементы, не обладающие симметрией вращения: цилиндрические и торические поверхности, дополнительные деформации на любых поверхностях, нецентрированные голографические элементы (ГОЭ), диафрагмы некруглой формы, дифракционные решетки.

Кроме того, отдельные элементы, в частности поверхности, могут не лежать на одной оси (бывают смещены, наклонены или повернуты на произвольные величины). Поскольку каждая поверхность описывается в своей местной системе координат, описание взаимного расположения поверхностей сводится к описанию взаимного расположения систем координат, связанных с поверхностями.

2.2. Параксиальные характеристики оптических систем

Для правильной работы ОС необходимо согласовывать оптические характеристики ее звеньев. Первым звеном определяют предмет, а последним – изображение.

Для удобства чтения оптических схем и проведения компьютерных расчетов приняты единыеправила знаков (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Правило знаков

Положительным направлением считается распространение света слева направо:

а) осевые расстояния между преломляющими поверхностями считаются положительными, если они измеряются по направлению распространения света, т. е. слева направо;

б) радиус кривизны поверхности считается положительным, если центр кривизны находится справа от поверхности, т. е. она обращена выпуклостью влево;

20

в) угол между лучом и оптической осью (нормалью) считается положительным, если для совмещения оси с лучом ось (нормаль) нужно вращать по часовой стрелке;

г) отрезки, перпендикулярные оптической оси, считаются положительными, если они располагаются над осью.

Предмет может быть самосветящимся (Солнце, звезды, лампа накаливания или газоразрядные лампы) или несамосветящимся источником излучения, освещаемым другим источником излучения (обычно через специальную осветительную систему). Приемником изображения могут быть человеческий глаз, экран проектора, фотопленка или различные фотоэлектронные устройств (ПЗС-матрица, электронно-оптический преобразователь ЭОП и т. д.). Описание работы оптического прибора предполагает знание характеристик его элементов (например, разрешающая способность приемника изображения определяет требуемое разрешение для ОС).

Основными понятиями в ОС являются сопряженные точки, одна из которых является изображением другой, и кардинальные элементы (главные плоскости; главные точки H и H'; передняя и задняя фокальная плоскости; передний фокус F; задний фокус F'; переднее и заднее фокусные расстояния и ', передний и задний фокальные отрезки SF и S'F’). Их называют параксиальными (гауссовыми) характеристиками, рассчитанными в параксиальной области, в которой предполагается идеальное изображение ОС.

Если ' > 0, то система положительна. В однородной среде n = n'; f f ' . Переднее и заднее фокусные расстояния не являются аб-

солютно независимыми:

ff ' nn',

где n – показатель преломления в пространстве предметов; n' – показатель преломления в пространстве изображений.

Основы трансляции рассмотрены на примерах ППП Оpal и ПП

Zemax [7].

21

2.3. Присоединительные характеристики оптических систем

Параметры предмета (объекта) и изображения. Существуют два пространства: предметов и изображений, которые могут быть действительными или мнимыми.

Для центрированных систем поверхности предмета и изображения считаются плоскими и перпендикулярными оптической оси,

аполе на предмете и изображении – кругами. Корректно описывать размеры и положение предмета (изображения) двумя способами:

1)ближний тип – предмет (изображение) расположен на конечном расстоянии, от предмета исходят расходящиеся пучки лучей,

аполное описание предмета (изображения) представляет собой вектор линейных координат, которые измеряются в миллиметрах;

2)дальний тип – предмет (изображение) расположен в бесконечности, от предмета исходят параллельные пучки лучей, и полное описание предмета (изображения) представляет собой вектор угловых координат, т. е. тангенсы углов, под которыми виден предмет (изображение) из центра зрачка (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Описание предмета и изображения

22

Обычно используют вектор координат. В центрированной ОС, обладающей симметрией вращения относительно оптической оси, достаточно одной координаты y.

Система называется телескопической, если предмет и изображение относятся к дальнему типу. Когда предмет – дальнего типа, а изображение – ближнего, то это фотографическая система, причем изображение может формироваться на поверхности любого приемника изображения, включая фотоматериалы. Если предмет – ближнего типа, а изображение – дальнего, то имеем систему микроскопа, а также лупы и окуляра. Проекционные (репродукционные) системы имеют предмет и изображение ближнего типа.

Обобщенные размеры предмета и изображения 2y0max,

2y'0max – удвоенные максимальные размеры предмета и изображе-

ния. Предмет (изображение) и обобщенные поля для ближнего типа является линейной величиной, измеряется в миллиметрах, а для дальнего типа – угловой величиной, измеряется в угловой мере.

Передний и задний отрезки S, S ' – указывают положение пред-

мета (изображения) относительно ОС. Для ближнего типа передний отрезок – расстояние от первой поверхности ОС до предмета, а задний отрезок – расстояние от последней поверхности до изображения (в миллиметрах в соответствии с правилом знаков). Для дальнего типа передний и задний отрезки – в обратных метрах (диоптриях) относительно полюса входного (выходного) зрачка.

2.4. Выбор начальных данных для расчета лучей. Параметры внеосевых пучков

Ход лучей в реальных ОС рассчитывают с целью определения положения и размера изображения предмета и сравнения его с идеальным изображением. Расчет хода лучей через систему выполняют, когда известны конструктивные параметры r, d, n, а также по-

ложение предмета S1 и его размер (угловой или линейный y ).

В предметной плоскости обычно выделяют осевую точку А и ряд внеосевых точек Bi . Для оценки качества изображения достаточно

рассчитать ход ограниченного числа лучей в меридиональной (M) и сагиттальной (S) плоскостях. Число лучей, ход которых необходимо рассчитать, определяется относительным отверстием:

23

имеющего на входном зрачке высоту mкр , и зонального – высоту mз mкр 0,5 0,707mкр (рис. 2.3);

–в ОС с несферическими поверхностями и в светосильных ОС ( D / f 1:1,5 1: 2,8 ) рассчитывают три луча;

–в сверхсветосильных ОС ( D / f 1:1 1:1,5 ) – четыре луча.

Рис. 2.3. Наборы лучей для расчета через ОС

Высоты лучей во входном зрачке определяют из равенства

получим

m3 m4 0,75;

m2 m4 0,5;

m1 m4 0,25.

В наклонных (внеосевых) пучках в меридиональной плоскости ход лучей рассчитывают для тех же высот во входном зрачке, что и в осевом пучке, выбирают лучи, вверх и вниз симметрично рас-

положенные относительно главного луча ( mгл 0 ):

m3 , m2 , m1 , mгл = 0, m1 , m2 , m3 .

24

В ОС с малыми угловыми полями ( 2ω 20 30о ) можно выполнять расчет для одной внеосевой точки В ( y1 yкр ); для нормальных

по полю ОС ( 2ω 50 60o ) – для двух внеосевых точек ( y2 yкр;

Лучи сагиттального пучка рассчитывают на высотах Mi , чис-

ленно равных высотам лучей в меридиональной плоскости для одной из половин зрачка (обычно верхней), симметричной относи-

тельно меридиональной плоскости ( M3 m3; M2 m2 ; M1 m1 ).

2.5. Зрачковые характеристики

Через ОС проходят не все лучи, которые исходят от предмета. Ограничение размера пучков лучей – результат совместного действия всех имеющихся в оптической системе диафрагм.

Апертурная диафрагма (АД) ограничивает размер осевого пучка, идущего из осевой точки предмета. Она не должна совпадать с предметом, изображением или промежуточным изображением. Апертура определяет размер осевого пучка лучей в ОС (входящего или выходящего). Передняя (задняя) апертура – линейный или угловой размер входного (выходного) зрачка. Числовая апертура – произведение линейного или углового размера зрачка на показатель преломления (табл. 2.2).

Необходимо согласовывать апертуры предыдущей и последующей частей ОС: обычно выходной зрачок предыдущей ОС по положению и размерам совпадает с входным зрачком последующей ОС.

25

Для удаленного предмета (изображения) положение входного S p (выходного S 'p ) зрачка отсчитывается в миллиметрах от первой

(последней) поверхности оптической системы. Для близкого предмета (изображения) положение входного (выходного) зрачка отсчитывается в диоптриях от предмета (изображения).

2.6. Параметры формы поверхностей

Оптические поверхности рассматриваются как гладкие непрерывные поверхности, преломляющие или отражающие лучи. Ступенчатые поверхности типа линз Френеля не рассматриваются.

Поверхности описываются уравнением на поверхности X , Y , Z общего вида:

f x, y, x 0.

Каждая поверхность описывается в своей местной системе декартовых координат (системе Федера), начало которой помещено в вершину поверхности, ось Z нормальна к поверхности, оси X и Y касаются поверхности.

Входной язык обеспечивает задание плоских, сферических поверхностей, асферических поверхностей вращения второго и высшего порядков, а также конических, цилиндрических и торических поверхностей и голографических оптических элементов (киноформов). При задании, как правило, используется радиус кривизны поверхности r. Радиус кривизны плоских поверхностей равен бесконечности. Для плоскости условно принимается r 0.

2.6.1. Несферические поверхности вращения второго порядка

Уравнение несферических поверхностей (НП) вращения второго порядка вокруг оси Z имеет вид

26

Параметрами уравнения (2.1) являются кривизна 0 при вершине ( 0r0 1) и квадрат эксцентриситета образующей e2 (для 0 0

значение e2 безразлично). Возможны следующие виды: e2 0 – сфера;

0 e2 1 – эллипсоид; e2 1 – параболоид; e2 1 – гиперболоид;

e2 0 – эллипсоид (сплюснутый).

Конус, имеющий угол при вершине 2α, можно рассматривать как предельный случай гиперболоида при r 0, тогда

e2 1 tg2α.

При расчете параксиальных лучей конус не учитывается. В компьютерных программах радиус конуса при вершине принимается равным 0,01, а его знак выбирается по ориентации рабочей полости.

Уравнение сферической поверхности описывается выражением

2.6.2. Уравнения поверхности вращения высшего порядка

Дополнительными параметрами поверхности вращения высшего порядка кроме радиуса кривизны при вершине и квадрата эксцентриситета являются тип деформации высшего порядка (U-тип

или Z-тип); нормировочный фактор hy или hz ; коэффициенты

a2 , a3, , b3, b4 … Нормировочные факторы используются для удоб-

ства задания НП.

Обычно нормировочный фактор задают равным половине светового диаметра для поверхности U-типа или стрелке прогиба для поверхности Z-типа, тогда значения коэффициентов будут близки

27

к величинам деформаций соответствующих порядков на краю светового диаметра поверхности.

Параметр Q описывает деформацию высшего порядка относи-

тельно базовой поверхности второго порядка вдоль нормали к поверхности. Деформация Q может задаваться в виде полинома:

– от величины переменной u x2 y2 , тогда

Форму, описываемую уравнением (2.2), применяют для неглубоких поверхностей, к примеру, для планоидных; для глубоких – уравнение (2.3). Уравнение (2.1) является каноническим и наиболее универсальным. В других формах уравнений, используемых в оптических компьютерных пакетах, возможно автоматически или специальным итерационным процессом вычислений преобразовывать коэффициенты в коэффициенты базового уравнения.

2.6.3. Уравнения цилиндрических и торических поверхностей

Цилиндрические и торические поверхности описываются только

впространственных оптических системах.

Впрактике расчетов используются цилиндры второго порядка, уравнения которых могут быть получены из базового уравнения (2.1)

с ориентацией по осям X и Y. При u x2 имеем профиль цилиндра, образующая которого параллельна оси Y;

при u y2 – уравнение цилиндра, образующая которого параллельна оси X;

28

при e2 0 имеем круговые цилиндры с осью, параллельной осям Х или Y.

Цилиндры с ориентацией по оси Z обычно не используются.

Уравнения торических поверхностей. Торы получаются враще-

нием окружности вокруг оси, лежащей в ее плоскости, но не проходящей через центр окружности, и задаются радиусом вращения. Обычно используются торические поверхности двух ориентаций: с осью вращения, параллельной оси X и с осью вращения, параллельной оси Y.

В работах [14, 15] более подробно описаны возможные виды уравнений торических поверхностей и даны формулы связи с каноническим уравнением (2.1), а также уравнения дифракционных оптических элементов (ДОЭ).

Несферические поверхности классифицируют с учетом их назначения, технологических показателей, методов обработки и контроля. Формулы расчета технологических показателей НП даны в от-

раслевом стандарте 16 .

2.6.4. Уравнения дифракционных оптических элементов

Дифракционные оптические элементы, называемые также голограммными оптическими элементами (ГОЭ), представляют собой некую тонкую структуру, нанесенную на отражающую поверхность (плоскую, сферическую или несферическую). Действие ДОЭ заключается в том, что после отражения свет претерпевает дифракцию на структуреДОЭ (разлагается нанесколько дифракционных порядков).

Для описания структуры ДОЭ принимается голографическая модель, в которой предполагается, что структура ГОЭ образуется подобно голограмме как результат записи интерференционной картины взаимодействия двух волновых фронтов с определенными параметрами: длиной волны, положениями когерентных источников и дополнительной деформации фронтов. Свойства структуры ДОЭ определяются характеристической функцией (эйконалом), представляющей собой разность расстояний от произвольной точки на поверхности элемента до первого и второго источников плюс дополнительная деформация фронтов. Период пространственной структуры ДОЭ в какой-либо зоне соответствует изменению эйконала на величину, равную длине волны.

29