Расчет и моделирование высокоразрешающих градиентных и дифракционно-градиентных объективов

• Автор: Ежов, Евгений Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 140 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Методы исследования оптических систем, включающих дифракционные и градиентные элементы
1.1. Методы параксиального и аберрационного расчета
1.1.1. Параксиальный расчет
1.1.2. Расчет монохроматических аберраций
1.2. Расчет хода реальных и псевдолучей через оптические системы с дифракционными линзами, структура которых выполнена на асферической поверхности
1.2.1. Лучи в однородной среде, ограниченной асферическими поверхностями
1.2.2. Расчет хода лучей через дифракционную структуру, выполненную
на асферической поверхности
1.3. Аттестационная оценка качества высокоразрешающих оптических систем-монохроматов
1.3.1. Оценка качества по интегральным характеристикам дифракционного изображения точки
1.3.2. Вычисление волновой аберрации
1.3.3. Расчет интегральных характеристик дифракционного
изображения
Глава 2. Принципы компоновки исходной оптической схемы, алгоритмы
и программные средства расчета и оптимизации систем
2.1. Компоновка схемы и получение исходных конструктивных параметров оптической системы
2.2. Оценка качества оптических систем на этапе оптимизации
2.3. Алгоритмы и программные средства расчета и оптимизации
систем
Глава 3. Синтез и оценка потенциальных возможностей оптических систем, склеенных из радиально-градиентных элементов

3.1. Компонент, состоящий из трех склеенных плоскопараллельных радиально-градиентных пластин
3.2. Объектив, склеенный из четырех плоскопараллельных радиальноградиентных пластин
3.3. Трехлинзовые склеенные радиально-градиентные объективы
Глава 4. Синтез и оценка потенциальных возможностей систем, включающих радиально-градиентные и дифракционные элементы
4.1. Объектив, состоящий из двух плоских дифракционных линз и склеенной линзы Вуда
4.2. Объектив, состоящий из трех плоских дифракционных линз, разделенных неоднородными средами
4.3. Схемы и расчет дифракционно-линзовых антенн микроволнового
диапазона
Заключение
Библиографический список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена разработке принципов построения, методов и алгоритмов расчета высокоразрешающих оптических систем, включающих градиентные и дифракционные элементы, а также анализу таких систем и оценке их потенциальных возможностей.
Актуальность темы.
Создание и развитие новых прогрессивных технологий в различных областях науки и техники и, прежде всего, технологий, основанных на использовании лазерного излучения, значительно расширило поле применения оптики, усложнило решаемые с ее помощью задачи. Это, в свою очередь, привело к существенному повышению требований, предъявляемых к оптическим системам, в частности, к необходимости все более тесного сочетания высоких, часто физически предельных оптических характеристик с не менее высокими эксплуатационными характеристиками. Вышеперечисленное потребовало, наряду с непрерывным совершенствованием оптических систем, выполненных на традиционной основе, расширения элементной базы. Работы в этой области ведутся как в нашей стране, так и за рубежом, и сегодня одним из наиболее перспективных представляется направление, предполагающее использование дифракционных и градиентных элементов. Преобразование фронта волны первыми из них осуществляется в результате дифракции света на микроструктуре элемента, выполненной на поверхности заданной формы. Вторые преобразуют волновой фронт в результате рефракции на поверхностях раздела сред и при распространении волны в неоднородной среде. Выбор дифракционных и градиентных элементов обусловлен специфичностью их свойств и, прежде всего, широкими возможностями коррекции аберраций.
Прообраз современной дифракционной линзы (ДЛ) - амплитудная зонная пластинка - была предложена О. Френелем в начале 19-го века [1]. В 1898 г. Р. Вуд, реализуя идеи Дж. Рэлея, впервые изготовил фазоинверсную зонную

где X - длина волны используемого света; и' - апертурный угол оптической системы в пространстве изображений, т.е. угол между осью системы и лучом, соединяющим осевую точку плоскости изображения с крайней точкой выходного зрачка.
Здесь напомним, что при отсутствии аберраций доля энергии, приходящаяся на центральный кружок дифракционного изображения с радиусом 5Д, £’(бд)=0,84. Минимально же допустимое значение Е(дк), при котором изображение еще можно считать практически не отличающимся от дифракционно-ограниченного, установленное, опираясь на общепринятую оценку качества изображения, ограниченного только сферической аберрацией третьего порядка, равно 0,73 [139, 30, 31].
Доля энергии, приходящаяся на выбранную площадку 51, находится путем интегрирования:
где Е0- полная энергия в изображении; х,у- отклонения исследуемой
интенсивность в дифракционном изображении, вычисляемая в рамках теории дифракции Кирхгофа и в приближении Фраунгофера [58] по формуле
Здесь хК(р,0)- волновая аберрация системы в выходном зрачке, вычисленная относительно некоторой выделенной точки плоскости изображения, в которой лежит площадка интегрирования в выражении (1.67); рт- радиус выходного зрачка; р и 0 - полярные координаты в выходном зрачке; гр - расстояние от выходного зрачка до плоскости изображения.
Площадка, в пределах которой вычисляется интеграл в (1.67), может быть совмещена с плоскостью наилучшей установки или с гауссовой плоскостью. В
(1.67)
точки от центра площадки вдоль соответствующих осей; і(х,у)
1{х,у) =
і У т -Л
7 42 1 1ЄХР Р,Є) ЄХР
Рг2г Г.2л