автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование поляризационных свойств зеркально-линзовых элементов оптических систем

РГ6 од

САШТ1- !ПЕ?ЕРЗУ?ГСККИ ШЗТЙГУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И с. О тип

ОПТЖ'Л

На правах рукописи:

АНДРЕЕВ Опия Димлтров

йсглвдоЕ"Ш1э поляризационных свойств зерхально-лшэових ЭЛйМОЯТОВ ОПТЯЧбСКИХ систем

Спецаа.шк>сть 05.11.01/ - Оптические прябори

Автореферат даесертгцаа на- соискание учвло2 стапеня кандидата технических наук

Срнкт - Петербург 1993

УДК 533.8

Работа выполнена в Санкт-Петербургском института точной механики и оптики (СШЯЫЭ)

- доктор технических наук,профессор

Лаяхов Э.Д.

-. кандидат технических наук,доцент Коротаев В.З.

- доктор технических наук, профессор Андреев Д.Н.

- кандидат технических наук Волков О.А.

- 0ПТШСО-МЗ)'_9;Г«Я8СКО8 объединение ш.В.И.Ленина г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится " " шил 1993 г. в ч. ига. на заседании специализированного совота

Д 053. 26. 01 "Оптический приборы" при Санкт - Петербургском институте точной механики и оптики по адресу : 1Э0000, Санкт -Петербург, пэр. ГрИЕЦова,-14.

С диссертацией мозаю ознакомиться в библкотаке. института.

Автореферат разослан " " 1993 г.

Вазш отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах ), заверенные печати, просим направлять в здрас института: 197101, Санкт-Петербург, ул.Саблинская, 14, секретарю ' сшцкахнзироваяного совета.

Ученый секретарь ,

специализированного совета Д 053.26.01

кандидат технических наук, доцэат З.М.Красавцев

Научные руководите та

Официальные оппоненты

Ведущее предаркятае

I. Общая характеристика робота

.и.туалз,1тооть работа, Проблема созденял пока оптических п онтико-элоктронных приборов,обладающих лучшими,по оравивиио с изшсгшвд характеристиками,заставляет развивать методы рясчэ-та свойств оптачесю« скотом и утативать влкятао таких факто ров,которыми а лриближвяннх расчетах гао пренебрегать. К таким факторам можно отнпста влияние тлчризацы>яиих свойств огггнчошеих спетом,как для приборов прилцпл действия котори основан н-т использования полярязащшяих свойств оптического излучония, так и для прабороэ, поляризация пзлупвпия в которта обусловлена использовлналм источников поляризованного иалучоя-т, лпСо лздучзшг поляризуется в процессе ярохоцдмпгя элемэа-тов огггачэских систем, нвпримэр, аэ границах раздала ерэд.

Среди злэмонтоъ, поляризационные свойства которых изучэвы недостаточно полю, ш;као виде лить элемента с ¡гоплоекдага, например, сфоричосхши поворжюстямя, я т-тошю, линзовао п оорка-льно-лшпзоиуо алэмэнгы оптачеекзх скотам.

|.ув;8стауи5ие нэтог;! расчета поляразаияокшк свойств отеческих систем прздползгаэт, что а озтлчзской система, состоящей ко бэскопочшх плоских элементов распрэотравяеТсм бесконечный потакай вожевой Фронт. То есть» палнчв.о..1 элементов с нвплошйь. ШЕорзкостлка просто нровзбрегаэт. Однако» пронвбрэзшнгэ влаяняом та;си элементов в рлдз случаев, папримор, при разработке светосялышх сгстзм аэ допустило, так как 8то можэт привести к значительной погрегшюстй расчета н лодостаточно тстагой оценка параметров пркбороВ в Целом»

Цоль и задача работа. Целью настояла работа являемой исследование поляризационных свойств оптачеекк енотом, в том числа, содержащее ношгосгсйе поверхности оютчоскйх вломэнточ.

для достагаэшш указанной цела нзобходтзг

- разработать мэтодику расчетё полярйзцяонгпйс свойств оптичеекмх систом с нвплосктга поворхцостш.ш;

- разработать программу для расчета цо^шрхзащганных спойсто опгачесжю систем, содержащих злекзтг! о азпдоекдми йовер-

з

хяос'.яяма;

- прозоста еналва поляризационных свойств некоторых характерных ТИПОВ ОПТИЧВСКЯХ СЕОТГ/Ц.

Метода исследовании. Ооаоышм методом исследования поляр-кзациощшх свойств оптических систем слузгал мэтод Деюнсц.Основным мэтодом описания шляризационных свойств оптических енотом являлся метод поляртзацшяных аб~ррацж>ншх функций.Основой для расчетов'являлась разработанная автором методика расчета поляризационных .войств ептач&шш: слотом с недлосюши поверхностями, в том числе, я в ввдэ программы для 1вм совместжшх ПЭВМ.

Ноте научвыэ результата и основное положения, вшюсзмые "1а вящяту.

Х.Вибор метода описания поляризационных свойств оптических систем с нэплоскама поверхностям с помощь» поляразгцаоя-вдх аберрационных фуккцш нч основе анализа различных .методов описания поляризявдонаих свойств оптическая систем.

2.Методика расчета поляразвидошшх свойств оптических ситам с цашюсюьи поверхностями, основанная на разбивши входного зрачка оптической система на равновеликие площадки, расчете хода лучеЗ от каэдой кг этих площадок чероз оцтячэскую систему с учете--.? иэувнешй состояния поляризации и расчета распределения акторов Джонса или стокса в плоскости изображения.

3.Применение указанной методики для расчета ыляргоащюн-ннх аберрационных функции оптических систем.

¿.Результат исследования изотропной, радаальда-сашат-ричлоа системы методом поляризационных аберрации, шлучаавдахся при взаимодействии параксиальных сферических волновых фронтов со сферическими поверхностями.

5.;т>зультаты исследования функции рассеяния точки и оата-чоскоЗ п&радзточша функции свободного от дву;:учепрэломлащя линзового осьектава, в вддэ их зависимостей от поляризации падащ&го излучения.

Практическая данность:

- разработана мэтоддко расчета поляризационных свойств элементов и оптических систем, содержащих в том числа и няплоские поверхности, которая позволяет учесть вяшгаэ искааэний состояния полярязагрш на характеристики оптических и оптако-олекгронннх приборов;

- на основания разработанной мэтодакя состевлэея црогрим-ма для персональных ко?,щыг-,оров совмзстнше с ibm, возводящая исследовать полярхзахггонше своЯстса оптических систем, и их элементов;

- результаты провэлэаных исследований п расчетов могут быть использованы при выбора оптических систем и' их элементов для приборов, функциональные характеристики которых зависят от изменения состояк-я поляризаций излучения: в оптической системе» .

Реализация результатов работы очрагэна актом об использовании методика и результатов расчетов поляризационных свойств одтичоскоЗ системы в фззкко-тзхничэсном институте нм.А.Ф.Исффе РАН.

Апробация работ. Материалы дассертгщюшгой работа докда-дивзлеоь на:

Научно-технической конфэрэяцка,студентов, Еспзрентоа и научных работников из Болгария п ССС? (Ленинград, 1983г.);. Научно -техническом соманарв "Пр-ленешю о1ггихо--гшктровшх приборов и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Москва, М,щга,1Е89г. > ;

XII научной конференции болгарских аспирантов в СССР с мезду-народаым участием "Актуальные проблемы современной науки-90 " (Москва, 1390г.>;

Нагшо-тэхшчоском сошнаре "Оптако-злэктрошшз методы и срвд-С1ТЗ в контрольно-изкорктальшй техника" (Москва, ЩИгП, I99D

Публикации. По материалам диссертация ¿Шёзтся три ' публикации.

С

Суру,т/ура и объем рвбэтц. Диссертационная работа состоит из введания, четырех глав, заключения,библиографического списка из 89 наименовании. 2 приложений, содьрштг 125 страниц основного текста 50 рисунков 8 таблиц.

11. Краткое оозшткзшю работы

Введотш. Рассмотрена и обоснована актуальность работы, сформулирована ей цэлг а задачи, новизна н основные попоивши, ваносимыв на аещиту.

Глава I.Мат-оды описрчил поляризованного оптического излучения g поляризационных свойств огтгшских систем.их алеманток Рассмотрены физачискасй сшсл и математическое описание цеполя-рнэованпого, частично поляризованного а полностью пэляризопан--дого излучения.' Более подробно проанализировано описание полностью поляризованного излучения и ого преобразований в оптических системах мэтодом Д»д>нса. lía основа атого рассматривается зависимость матриц Джонса оптической систьиы от состава алшэнтов и последовательности их распололвиия, ориентации алиментов и системы в цзлом по отдошонн» к орту волновой нормали, дадаидэго излучения, а таксо от ориентации системы координат, в которая ошсивается падающее и иротедаее излучение, частоты падавдой шлнц. Проанализировано виражаниа дуй матрица Дгонса оптической систеш с произвольно ориентированными элементам.!, как основного для шяярнэацвоикого анализа оптической системы, Рассмотрено соотношэйде, являзцевся основным на Сазе формализма матриц когерентности, которое моают быть использовано для расчета характеристик качеств оптического изобразил, формируемого системами, измвнявдими ссс-тоыша поляризации излучения. В атом случав система представ-дана, так называемой,- матричной функцией рассеяния амплитуды. Более подробно рассмотрен вопрос описания частично поляризованного излучения ц его преобразовании в оптических системах с помогаю, параметров Стокса а на базе матрац Мюллзра. Каздуй из рассмотреть* методов описания взаимодействия излучения с оптической системой обладает своими преимуществами и недостатка-

ш я выбор конкретного метода опясзкпя пазкск? от поотавяоннсЯ задачи, сяоПотп оптической сйстоьй! и природу рассютряпавхгаго светового пучка.Вывода, сформулированное в дешой улшзэ онрэ-доллгзт доли и задачи работы,

Глава л. Поляртааццовшй анализ оптических систем В иорпой чаоти главы проводится анализ поляризационных лазании в оптически састэмах с точки зрзкия ах ашшля на функциональные характеристики пркйорсв с шмсз^ьи понятий инструментальная голяриэвцкл :1 остаточная БОллрнзахда. На оснозаная стаэдергазоьзпного определенна тер»инэ поляризатор приводится определение термина поляр -тафгоий зланзпт, как .оптического элемента изменяемого состояний поляризация Еадевд&Гс» нэ него оптического КЗЛуЧОННЯ.ДЛЯ списания ооляртоирущнх а!5Г,КНТОП асподьзуоч-ся понятие долярлзадаозно-фазовоэ проетргЕство, в котором лгбой Форма поляризационного поведения ноляртзирук^его элемента ставится п соответснззе д описывается с помирл еось-)а незавикпшх характеристик. Суть этих форм поляризационного поведения восемь степеней свобода комплексных элементов 2х& матрицу Джонса.С их псмоцьэ проводитоя анализ источников инструментальной поляршацлл, поляризационных явлений на преломляющих и огрвханща границах раздела сред. Форда поляризационного поведения поляризирунцвго аломаага связана с осяш поля-разацнонно-фэвового пространства я ату связь мояю выразить с помощьв оо- единичная матрица, ста

матрицы Паули.

Ка основа еаюша опясаяаа поляризационных свойств оптических систем вадьо, что Е5В0ЕМ0250 представать одной матрицей Дковса лээбую другую систему, кроме систеш о плоскими поверхностями оптических элементов. Вследствии разнацц в оптически длинах хода лучей я различных углах падения, различные части пучка вносят разлито поляризационные искааеяяя - аберрации в структуру волнового фронта, которые описывазтся поляризациоа-ноа чберрэциошюа функцией. Это матрица Джонса связанная с ходом лучей, которое является функциями координат объекта, зрачковых координат и дшшы волну . Подробно расе-лютреяа интерпретация поляризационной «беррацнонноЗ функции, ее графическое

представление по аналогия с графическим представлением аберраций оптической системы показано на графах зависимостей поляризационных параштров от зрачковых координат или координат объекта. В качестве прдаэра приведены исследования телескопического объектива, шдалнзного по схсаэ Кассегрена и дсо-яко выпуклой линзы, ванолнекой водным раствором сах;:.^ •

Во второ2 части главы на примере анализа изотропной радн-ально симметричной оптической системы, состоядь2 из сферических поверхностей, досматривается котодахи даляризационмах аберраций, как один из способов расчета поляризационной аберрационной функций, подходящей для анализа более проста оптических шагам. Далее пряв&деш осаошцэ ао«я»Еип котодхса поляризационного расчета хода луча и предложена квизнорная методика расчета поляризационных свойств зг-ркальяо-данзошх систем, которая сводится к сдадузядаму:

- разбииниэ входного зрачка оптической систол па равновеликие пло'дадкик и расчет хода лучзй из точки предмета, проходящих через центр! этих плоцадои, через оптическую систему, определение координат пересечения каадого луча с плоскость» установки или плоскостью изображения;

- для ка:здого луча по его ход/ чер&з оптическую систеад в ' точках его пересечения с поверхностями оптических элементов

проводится переход от системы координат,связанное с предыдущей поверхность®, к систеко координат, связанной с плоскость!) падания излучения на границе раздела срод, в ото! системе координат определяются соотношения мещду состояниями поляризации падаадей, отраженной к прошедиой волн;

- опраделяется ыатрнца Джонса каадого луча на каадой поверхности и такиы образом для каздого луча в пространстве изображении да моагем определить его вектор Дзонса или Стокса;

- кружок рассеялся оптической система вписывается в квадрат, который разбивается на ячеек и каздой из ячеек ставится в соответствие элемент матрзщг шхп;

- перебирая последовательно все лучи приходящие на входной врачок, определяется координата пересечения лучей, с плос-костьэ изображения, находят те лучи, которые попадает в каедув из ячеек;

- для каздого луча определяется вектор Дтонса или Стокса в плоскости изоброгания.

На основе кзлоаэшюго з главе моаио сделать вшэд о перспективности я практической ценности, а такта о достаточной универсальности прэдногекной методики для расчета поляризационных свойств оптических систзм с нзплоадаги поверхностями.

Глава З.Исзлэдовааио поляризационной зависимости характеристик липового обгвктава

В этой главе» работы рассмотрена зависимость функции' рассеяния точки и оптической передаточной функция линзового объектива о? поляризации пядащего на чего оптического излучении.Показано, что Ъутеда рассеяния линзовой системы зависит от поляржацял излучения ц на основании анализа, полученных рэзультатов, можно сделато вшюд, что при изменении голярлзащга волны, падрв-цей на ейекгив, происходит угловое перераспределение энергии в по функции рассеяния, Причем зто проявляется только для светосильных объективов, а дня несветосадьних поляризационная зависимость настолько слаба, что функция рассеяния пэ отличается от функции рассеяния объектива а случае асла па учитывается полярззацил пвдающэго излучения. Завгсжйссть функции рассеяния от поляризации излучения сильнее йроязйя&тся в случае линейно поляризованного излучения.

В случай некогеренткого излучения хараэтарястатоя качества объектива является эго оптическая йбр'бяатбчпвя функция, которая определяется вычислением автокорреляции зрачковой функции объектива. Показано, что оптическая передаточная функция является поляриз&циошю зависимой. Учет поляризации излучения приводит к небольпему язмэнешго оптической передаточной Функции объектива по сравнении со случаем, если влиянием поляризация падавшего излучения пренебречь, максимальным ато отличиэ становится з случае линейной поляризации падаь^дэго излучения. Поляризационную зависимость оптической п&редаточиоЗ функции необходимо иметь з виду при оценке качества сбэтос&л>еых объективов.

При когерентной освещении характер-дети одаозаачао опрэделягщеа свойства бззаб&ррационзого линзового объектива

э

является его зрачковая функция, 3 качества зрачковой функция недеполяризирущэй олталэской систем! кожио рассматривать его передаточную функции для комплексной амплитуда поля. Приводится анализ зависимости кавдрзтя модуля зрачковой функции и распределения фазы по выходному врачку от состоянии поляризации пвдащэго излучения. Ка основании анализа подученных результатов моашо сделать вывод, что поляризационная зависимость опта*: • скоа передаточной функции в атом случае обусловлена, в основном, модулем зрачковой функции, а вдияниэк (¿.азы зрачковоЛ функции на стическуэ передаточную фуютда шано прзнэбрчь.

Глава 4.Собственные состояния политизации-оптачес-коЗ СИС-

ТбМЦ

Б о той гллЕо обоснована необходимость анализа собственных состояний поляризации систем, не являющихся дэтляризируэдгна.Таким системами глоазю назвать практичэоки все скоте?,а! и элемента инструментальной охтккк, но применение их затрудняется часто тем, что при прохождении оптических влзшнтов сильно изменяется состоягше поляризации излучения, а это имеет значение в системах. Которые чувствительны к поляризации излучения. Исследование собственных состоянии поляризации нэдеполя-ризярузгщ оптических сггстви проводптся с помощью метода матриц Мвдюра. Условкя суцестаопэеил поляризованных, частично голяризоваявых и даполярЕВовашщх собственных состояний связаны с шляризцкоааой адвасамостъэ) коэффициента пропускания оптической системы. В случае, если коэффициент пронуекания оптической системы является зависимым от поляризации падающего излучения, такая оптическая система обладает двумя эллиптически цалярнзпегшымя собственники состояниями поляризации. В случае, когда козф$ЕЦдент пропускания не зависит от состояния поляризации падавшего излучения, такая система обладает, кроме того, в качестве собственного состояния я нэпо-ляризовацЕое аздучзваэ.

Рассмотрена ззрквлъно-дшзовзя оптическая система и проанализированы ео собственные состояния поляргэации. В силу указанной эевнсй/госгл ксгХфадазата ирспуекЕшш, точпэь его сааи евмоотв от паеяраэемяз ледащего аэлучангя а соботаоашз сос

тотаия поляризации оптической систош делается вывод, что зер-кзльно-линзовыо систз.чы нэ обладай? яаголяризованзкма и частично поляр'лзовашшня собствешши! состояниями. Собственнее состояния поляризации такой система являются линейно поляризованным! и ортогональными, то есть если на систему падает линейно поляризованное излучение, то выходящий пучок поляризован тагоса линейно. Результаты исследования объясняют наблвдаомое сочание пучка в виде креста в опытах с системой поляризатор -линзовая система - поляризатор.

:п. Заклзчение

1.Проведан обзор и систематизированы метода описания поляризованного оптечзсхого излучения и анализа поляризационных свойств аттических систем и их алепэнтов с точка зрения применения для расчета поляризационных свойств оптических систем с неплоски.п ПОВЗрХЕОСТйМЯ.

2.Выбран метод описания поляризационных свойств оптических систем с нэплоскаки поверхностями оптических элементов с помощью полярвзр'даошшх аберрационных функций.

3.Проанализированы поляризационный свойства некоторах простых оптических систем с помотда> метода поляризационных аберраций, что позволяет выявить область применения такого подхода.

4.Разработана методика расчета - асхлириззциовнкх свойств оптических систем с неллоскими поверхностями элементов, осно- ' ванная ыа разбиении входного зрачка сжгзческой; систол на равновеликие площадка, расчето хода лучей от хаадоЗ из атих пло-цадок чорэз оптичэскуэ систему с учетом изменения состояния поляризации и расчете распределения вьктороз Дгонса или Стокса в плоскости йзображзния.

5.На основании разработанной методика составлена программа для персональных компьютеров, совместимых o iem, позволяющая исследовать поляризационные свойства оптических систем и их элементов.

6.Разработанная методика применена для расчзтя поляризационных аберрационных функции оптических систем.

-Н

7 .Методом пэллризацгшз'з: абаррацай, шлучащххся при взвпуэдэйстевн параксиальных сферических волновцх фронтов со сфэргчес'.-дкз поверхностями, исследована азотропкоя радаально-симаотричная одтачоекая система.

8.Исследованы функция рассеялив точтех и олт>л.оскал поро-даточчгя функнкя свободного от даулучоаролсмленгл линзового объектива и показана ш зависимость от поляряззцги пад-шдего гзлучаьаи.

9.ЕССЛ8ДОВЗЯЫ СОбСТВЗНЕЩЭ COCTO.IKW пэлярлзацяи ХЦ3023-

волг-зой нодашлярйзкрущэЁ оптической систьх-и и ус-ювгд суцэс-июьанзм Еополяразовгнзах и чаеттагз яолпрйзоваЕаггх собственна состояний шлярлзацда оетечэскоЯ скстмзг.

Основшэ содэрказко жссортац'хч опубликовано в тоботах : I.Андреев О.Д.,Дешонко Б.А., Кэроааов В.З., Пзнзаа Э.Д. ШдярйзаддовнйА угдшэр. йатараалц Всосовзаогэ сэшшара "Црзшгеша оптнко-электрозаых приборов е волоконной. оптики в народам хозяйстве". .Москва, ISSSr., с.05-32. г.Аадрэез О.Д.,Коротаэз В.В., Панков Э.Д.З&тадака расчета поляригацяоккых свойств аоркальных и лзгоовых оптических систем. Тез. докл. Ш научно-Töxs. конференции болгарская аспирантов в СССР с шздународаш участием "Актуальные хгроблзыа ^ современной науки - SO"., Москва, 1990г., с.64-65.

3.Андреев О.Д., Коротаев В.В., Банков Э.Д. Мэтодлка расчета поляризационных свойств оеркаяъшх и линзовпх систем,- Оофхя, 1930.-Sc. С ЕЛ.- Деп. в ЦН2Б 15.08.90. N ВД35Э2/90.

Подписано к печати 9.Ü6.93 г. . Объем I п.л.

Знказ 196 Тираж ILO экз. ' Бесплатно

Ротапринт. ЗГГЧО. I&ÜGCC, С.-Петербург, пер.Гривцовг, 14