WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Марков Сергей Николаевич

ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С НЕКЛАССИЧЕСКИМИ ДИФРАКЦИОННЫМИ РЕШЕТКАМИ И МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ ПРИЕМНИКАМИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность: 05.11.07 –

«Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК)

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Бажанов Ю. В.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Бойко В. А.

кандидат технических наук, Савушкин А. В.

Ведущая организация:

ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт Техномаш»

Защита состоится «_____» _____________2009г. в ____  часов на заседании диссертационного совета Д 212.143.03 в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, Москва, Гороховский пер., д.4, МИИГАиК (зал заседаний ученого совета)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК

Автореферат разослан «____» ______________ 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Климков Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Как известно, оптическая система спектрального прибора состоит из коллимирующего, диспергирующего и фокусирующего элементов. Объединить функции этих оптических элементов в одном впервые удалось Роуланду, когда он создал вогнутую сферическую отражательную дифракционную решётку. С тех пор шло совершенствование решёток, в частности, появились неклассические вогнутые дифракционные решётки (ВДР) с неравноотстоящими искривлёнными штрихами, аберрации которых скорригированы. Применение в спектральных приборах многоэлементных приёмников излучения (МПИ), как и в большинстве оптико-электронных приборов, принесло большие преимущества, связанные с оперативностью регистрации спектров и возможностью их обработки на компьютере. Новые возможности в выборе оптической схемы прибора возникают также при использовании ввода и вывода излучения с помощью оптических волокон.

Применение новой элементной базы невозможно без создания методов расчёта и оптимизации их аберрационных и энергетических характеристик, а также разработки оптических систем приборов и устройств, максимально полно реализующих преимущества неклассических ВДР и МПИ. Решению этих актуальных вопросов посвящена настоящая работа.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание универсальных методов расчёта характеристик и оптимизации параметров ВДР и разработка на этой основе оптических систем приборов и устройств с повышенными оптическими и эксплуатационными характеристиками.

Указанная цель достигается путём решения следующих задач:

– разработка методов оптимизации параметров решёток и схем для их использования;

– расчёт новых оптических схем с максимальным использованием преимуществ, даваемых многоэлементными приёмниками;

– разработка оптических систем нового поколения приборов с учётом их применения в различных областях науки и техники.

Объект исследования

Спектральные приборы и волоконно-оптические устройства с неклассическими дифракционными решётками.

Методика исследования

Рассмотрение вопросов в диссертационной работе основано на анализе литературных данных, выполнении теоретических исследований и проверке достоверности результатов по данным численного моделирования и экспериментальных исследований.

Научная ценность работы

Научная ценность работы состоит в том, что в ней впервые:

  1. Получены выражения для интегральных критериев качества спектрального изображения, даваемого вогнутой решёткой, включающие в себя функцию зрачка оптической системы.
  2. Разработан численно-аналитический метод, в котором, наряду с оптимизацией параметров вогнутых дифракционных решёток, проводится автоматический выбор оптической схемы.
  3. Разработан аналитический метод компенсации дефокусировки с одновременной оптимизацией всех параметров оптической схемы спектрометра с плоским полем при заданном угле падения.
  4. Получены оптимальные оптические схемы спектрометров с плоским и круговым полями изображения.
  5. Предложены новые малогабаритные многощелевые вертикальные схемы с повышенными характеристиками.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в:

  1. Программной реализации:
    • аналитического метода минимизации дефокусировки с оптимизацией всех параметров оптической схемы спектрометра с плоским полем при заданном угле падения и частоте штрихов;
    • численно-аналитического метода оптимизации оптической схемы, включающий оптимизацию по углу падения излучения на решётку и частоте штрихов решётки.
  2. Рекомендациях по применению вогнутых нарезных и голограммных решёток в различных типах спектральных приборов.
  3. Разработке и создании спектральных приборов нового поколения:
    • малогабаритного спектрометра «FSD8»;
    • монолитного спектрометра «OPTUS»;
    • десятиканального мульти-демультиплексора для ВОСП;
    • полихроматора атомно-эмиссионного спектрометра «ЛАЭС-спектр».

На защиту выносятся:

  1. Численно-аналитический метод оптимизации параметров ВДР, гарантирующий нахождение глобального минимума функции в виде интегрального критерия качества спектрального изображения, включающего функцию зрачка при автоматическом выборе оптической схемы спектрометра.
  2. Аналитический метод компенсации дефокусировки с одновременной оптимизацией всех параметров оптической схемы спектрометра с плоским полем при заданном угле падения.
  3. Результаты расчётов и анализ оптимальных оптических схем спектрометров с плоским и круговым полями изображения.
  4. Оптические схемы и результаты испытаний изготовленных приборов для различных видов спектрального анализа, а также демультиплексоров для волоконно-оптических линий связи.

Личный вклад автора

Все принципиальные предложения по методам оптимизации принадлежат автору. Им разработана большая часть методов и алгоритмов расчёта оптических систем. При его участии проведено проектирование оптико-электронных систем приборов, а также разработка их конструкции. Он принимал участие в юстировке, наладке приборов и анализе результатов их испытаний.

Апробация работы

Основные результаты представлены на 2-х международных конференциях и научно-технической конференции студентов и молодых ученых МИИГАиК.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 6 научных работ, из них 3 статьи, 2 трудов и 1 тезис доклада на конференции, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём составляет: 141 страница машинописного текста, 30 таблиц, 33 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, а также приведены задачи, решаемые в процессе выполнения работы.

В первой главе проведён обзор спектральных приборов с вогнутыми дифракционными решётками.

В п.1.1 приведены основные характеристики спектральных приборов с ВДР. Указано, что разрешающая способность в данной работе будет определяться как произведение полуширины аппаратной функции спектрометра (АФС) на величину обратной линейной дисперсии (ОЛД), а для оптимизации параметров решётки будут использоваться интегральные критерии качества изображения и оптическая передаточная функция (ОПФ).

В п.1.2 приведена современная теория аберраций вогнутых решёток, основанная на разложении в ряд по координатам на решётке функции оптического пути ФОП. Коэффициенты аберраций выражаются как

, (1)

где Mijk  коэффициенты разложения части ФОП, зависящей от схемы расположения решётки, k  порядок спектра,   длина волны, e0  величина периода в центре решётки, а Gijk  коэффициент, зависящий от картины штрихов и выраженный через геометрические параметры штрихов решётки:

,, (2)

где величины, , , p и q  коэффициенты ряда, выражающего изменение шага и кривизны штрихов решётки.

В работе приведены выражения для коэффициентов нарезных решёток Rijk, изготовленных при наклонённой плоскости резания и коэффициенты голограммных решёток Hijk, определяемые положением источников записи. Используя соотношения:

,, (3)

можно получить уравнения, связывающие эти коэффициенты с коэффициентами Gijk.

Ввиду всего этого, оптимизация характеристик ВДР ведётся через геометрические параметры, а затем, используя полученные уравнения связи, вычисляются параметры нарезных и голограммных решёток.

В п.1.3 приведена классификация многоэлементных приёмников излучения и даны их основные оптические параметры и характеристики. Рассмотрены основные типы МПИ, достоинства и недостатки каждого типа: ПЗС  структуры; ПЗИ  структуры; фотодиодные решетки; решёт­ки активных ячеек.

Во второй главе приводятся методы расчёта оптимальных параметров дифракционных решёток. Рассмотрены схемы с постоянным углом падения, которые используются главным образом в спектрографах при неподвижной входной щели, при этом поверхность приёмника может иметь различную форму: плоскость, цилиндр, набор плоскостей и т.д. (см. рисунок 1). На рисунке 1 приведена схема спектрометра с постоянным углом падения (входная щель не показана); точка O  центр решётки, FF  кривая фокусировки, AA  ближайшая прямая, находящаяся под углом к главному лучу и MM  ближайшая окружность радиуса R с центром в точке C.

Рисунок 1. Схема спектрометра с постоянным углом падения (входная щель не показана)

В п.2.1 приводятся методы минимизации аберраций первого порядка по рабочей спектральной области прибора. Аберрации первого порядка (дефокусировка и астигматизм), как правило, оказывают на суммарные аберрации системы максимальное влияние. В связи с этим необходимо минимизировать их в первую очередь. Величины аберраций дефокусировки и астигматизма 1-го порядка определяются коэффициентами разложения ФОП V200 и V020 .

Наиболее простым методом компенсации этих аберраций является приравнивание соответствующих коэффициентов аберраций нулю для заданной длины волны. Однако такое решение не будет оптимальным по всей рабочей области спектра прибора. Ввиду этого для минимизации аберраций 1-го порядка используется известный метод, основанный на минимизации по спектральной области соответствующего коэффициента аберраций:

, (4)

где 1    2  рабочая область длин волн, а   параметр, по которому ведется минимизация. Величина V200 зависит от трех величин: расстояний до входной щели прибора и её изображения d и d0, а также от коэффициента изменения шага, поэтому в общем случае необходимо составить три уравнения типа (4) и решать их относительно этих параметров совместно.

В работе приводится решение этой системы уравнений аналитическим методом. Метод реализован с помощью программы MathCAD. Для приближённого решения компенсации остальных аберраций аналитическим методом можно их аберрационные коэффициенты приравнять нулю для средней длины волны рабочего спектрального диапазона. Достоинством метода является возможность его реализации с помощью обычных систем аналитического программирования без разработки специальных программ.

В работе также приводится численно-аналитический метод компенсации дефокусировки, в котором сначала аналитически решается система из уравнений типа (4) относительно параметров d0 и, а затем численно оптимизируется величина расстояния d и угла наклона плоскости изображения к главному лучу. Таким образом, для заданных угла падения и частоты штрихов решётки могут быть найдены все параметры, определяющие оптическую схему спектрометра.

В п.2.2 приводится метод компенсации аберраций 2-го и 3-го порядков с использованием критерия в виде величины, выражающей усредненную сумму квадратов аберраций по зрачку системы и функции передачи модуляции. Рассмотрены формы оправ дифракционной решётки, ограничивающих её заштрихованную часть: круговая, прямоугольная симметричная и прямоугольная смещённая относительно её геометрического центра.

Заключительным этапом является численная оптимизация оценочных функций в виде критериев качества спектрального изображения по последним оставшимся параметрам оптической схемы, ранее не входившие в расчёты, а именно по углу падения излучения на решётку и по частоте штрихов. В результате всего этого появляется возможность автоматического выбора оптической схемы спектрального прибора.

Существует большое количество схем спектральных приборов, различающихся типом сканирования спектра, т.е. взаимным перемещением решетки и щелей относительно друг друга. В настоящей работе рассматриваются наиболее распространённые на практике схемы с постоянным углом падения и плоской или цилиндрической поверхностью изображения, однако разработанный метод позволяет рассматривать общие схемы, вводя дополнительные условия на вид фокальной поверхности или тип сканирования спектра.

В настоящей работе оптимизация ведётся по геометрическим параметрам, описывающим положение и форму штрихов решётки, т.е. рассматривается произвольная картина штрихов на поверхности решётки. Затем по уравнениям, связывающим геометрические параметры с параметрами нарезания или голографирования, происходит переход к реально изготовимым решёткам. При этом учитываются технологические ограничения того или иного типа решёток.

Оптимизация по геометрическим параметрам штрихов решётки делает метод расчёта универсальным в том смысле, что он может быть использован не только для существующей технологии нарезных и голограммных решёток, но и при её развитии, кроме этого, развиваются и альтернативные методы изготовления решёток, например, метод прямой записи сканирующим лазерным или электронным пучком.

В п.2.3 описана программная реализация разработанных методов расчёта. Методы компенсации аберраций 1-го и 3-го порядков и методика автоматического выбора оптической схемы прибора программно интегрированы и реализованы на персональном компьютере. В работе приведена блок-схема программы и её краткое описание.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»