Расчет освещенности экрана астигматическим пучком при распространении его в неоднородной среде

• Автор: Нгуен Ван Тханг
• Шифр специальности: 05.09.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА

РАСЧЕТ ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА ОТ ДВУХ КОГЕРЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1. Теория расчета освещенности экрана от двух когерентных источников

1.2. Распространение оптического излучения в однородной прозрачной среде

1.3. Оптические схемы получения двух когерентных одинаково поляризованных пучков

1.4. Компьютерное моделирование освещённости экрана от двух пересекающихся пучков

1.5. Выводы к первой главе

ГЛАВА

РАСЧЕТ ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА С УЧЕТОМ РЕФРАКЦИИ СВЕТОВОГО ПУЧКА

2.1. Анализ метода расчета освещенности экрана для пучка в неоднородных средах

2.2. Расчет распространения светового пучка в сферически неоднородной среде в приближении геометрической оптики
2.3. Алгоритм расчета изменения освещенности экрана для сферически неоднородной среды
2.4. Программа расчета освещенности экрана в интерференционно-рефракционной системе
2.5. Выводы ко второй главе
ГЛАВА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА
3.1 Оптические элементы экспериментальных систем
3.2. Оптические схемы установок для исследования изменения освещенности экрана
3.2.1 Лазерные рефрактографические системы
3.2.2. Интерференционная система иа основе интерферометра Маха-Цендера
3.2.3. Схема интерференционно-рефракционной установки
3.3. Оптические схемы на основе метода фазового сдвига
3.4. Выводы к третьей главе
ГЛАВА
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ КАРТИН ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА
4.1. Методы обработки рефракционных изображений [37]
4.2. Алгоритм и программа обработки рефрактограмм для сферически неоднородной среды [42]
4.3. Метод фазового сдвига
4.4. Выводы к четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение ЩФормулы расчета суммарной освещенности экрана для разных схем
Приложение 2і_Основньіе расчетные блоки программы моделирования и обработки картин освещенности экрана

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Современный этап развития светотехники характеризуется тремя существенными достижениями.
В-первых, это создание источников света нового поколения [1-3] — полупроводниковых лазеров и светодиодов, которые стали применяться для освещения-, а также в различных светотехнических приборах, в частности, в оптико-электронных системах. Они имеют преимущества по сравнению с традиционными источниками: монохроматичность, высокая направленность, большая плотность мощности, поляризованность и т.д. Примером применения лазерных источников в области освещения - это лазерные шоу и различные виды рекламы. Свойства высокой направленности и высокой когерентности новых световых источников позволяет широко их применять во многих областях, особенно в оптических методах измерения. Известные достоинства оптических методов - высокая чувствительность, бесконтактность применения, отсутствие влияния на параметры исследуемого явления, возможность проведения качественных и количественных измерений - способствовали использованию их при визуализации и изучении неоднородностей в прозрачных средах. Кроме того, оптические методы практически не имеет' инерционных погрешностей, что позволяет выполнять точные измерения быстро протекающих процессов [1,4]. *
Во-вторых, развитие новых методов цифровой регистрации освещенности объектов позволяет создавать новые методы измерения различных физических величин [5-7]. Совместное использование цифровой регистрации оптических изображений и их цифровой обработки позволяет сократить затраты труда и времени, а также повышать точность измерения.
В-третьих, современные компьютерные технологии позволяют проводить математическое моделирование сложных физических явлений,

которые можно увидеть визуально только после сложной компьютерной обработки их изображений [8].
Одним из современных методов исследования оптически неоднородных сред является метод лазерной рефрактографии, основанный на освещении оптически неоднородной среды структурированным излучением, регистрации создаваемой им освещенности экрана и компьютерной обработке изображения рефракционных картин, наблюдаемых на экране. Основная сложность исследования неоднородных сред заключается в трехмерности и отсутствии общих аналитических решений для распространения излучения в них. Аналитическое решение прямой задачи расчета и визуализации распространения геометрооптических лучей в оптически неоднородной среде возможно, если среда является сферически (или плоски) неоднородной средой, показатель преломления которой зависит только от одной координаты (и = п(г) в сферической системе координата или п = п(у) в декартовой системе координата).
Цель работы. Основной целью данной работы является разработка методов расчета освещенности экрана для исследования распространения светового излучения в оптически прозрачной неоднородной среде с учетом явлений интерференции и сильной рефракции. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать алгоритм и создать математическую модель расчета освещенности экрана в разных интерференционных схемах (глава 1), провести анализ влияния различных параметров интерференционных схем на изменение освещенности экрана;
разработать метод расчета и исследовать распространение монохроматического излучения в прозрачной сферически неоднородной среде в приближении геометрической оптики;
разработать методику расчета освещенности экрана в каустической области в приближении геометрической оптики с учетом интерференционных явлений сильной рефракции;
разработать алгоритм и создать программу расчета освещенности на
ГЛАВА
РАСЧЕТ ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА С УЧЕТОМ РЕФРАКЦИИ СВЕТОВОГО ПУЧКА
2.1. Анализ метода расчета освещенности экрана для пучка в неоднородных средах
В оптически неоднородной среде волновой фронт пучка деформируется. По изменению формы известного исходного волнового фронта путем решения обратной задачи может быть получена общая информация о свойствах оптически неоднородной среды, через которую распространяется пучок. Деформация волнового фронта может быть описана как отклонение светового луча б и как изменение разности фаз 0. Этим изменениям соответствуют два оптических метода исследования неоднородности среды: теневой метод, основанный на измерении отклонения лучей, и интерференционный метод, основанный на измерении изменения разности фаз. В обоих методах деформация волнового фронта вызывает изменения освещенности экрана. Регистрация изменения структуры освещенности экрана и её обработка дают информацию о параметрах оптически неоднородной среды.
В теневом методе исследования оптически неоднородных сред сравниваются два изображения освещенности экрана (ОЭ): одно
изображение получают когда между источником излучения и экраном среда однородная, а второе - при наличии неоднородной среды. В интерференционном методе измеряются локальные изменения освещенности экрана при его освещении двумя пучками.
Метод расчета изменения ОЭ для диагностики и визуализации оптически неоднородной прозрачной среды реализуется следующими этапами [1]:
- с помощью оптической системы , световой луч пропускается через исследуемую среду;