Введение к работе
В современных оптических и оптико-электрошшх системах
активного принципа действия широко используются отражатели
оптического излучения - зеркала, призмы, дифракционные р>; :іетки,
шарниры, угловие зеркала, линзовые отражатели и др. До недавнего
времени, однако, считалось, что уникальным свойством отражать
падающие лучи в строго обратном направлении независимо от угла и
моста их" падения среди этих элементов обладают лишь
зеркально-линзовые системы, содержащие отражательный элемент
(зеркало) вблизи фокальной плоскости объектива и прямоугольный
уголковый отражатель (трипель-призма), известный еще с прошлого
века. В современной терминологии прямоугольный уголковый
отражатель называют отражателем ' тетраэдрического типа или
прямоугольным световозвращателем. Благодаря наличию целого ряда
полезных свойств, таких, например, как высокий коэффициент
отражения, узкая диаграмма направленности отраженного излучения и
возможность управления ею, чувствительность к угловым колебаниям,
возможность сборки в различные конструкции, прямоугольный
уголковый отражатель нашел широкое практическое применение в
качестве катафотов, маяков, буев и т.д. . на транспорте,
радиолокационных отражателей, ретрозеркал лазеров,
преобразовательных элементов фотоэлектрических автоколлиматоров,
зеркал интерферометров, отражательных элементов светолокационной
далыюметрии, оптической локации, дистанционного контроля
объектов 11-61. .
Известно, что свет при отражении .от какой-либо границы раздела сред, как правило, меняет Первоначальное состояние поляризации.' Прямоугольный световозвращатель с тремя последовательными отражениями от рабочих отражающих граней является поляризующим оптическим элементом и формирует отраженную волну с прострйнствешю-неоднородным состоянием поляризации (21. Если зеркально-линзовые отражатели практически не изменяют состояния поляризации отраженного ими излучения, то уголковые отражатели, особенно работающие на основе полного внутреннего отражения, могут в значительной степени влиять на характер поляризации отраженного излучения. Поэтому при проектировании
оптических систем приходится сталкиваться с расчетом изменения состояния поляризации излучения, пносимого прямоугольным световозвращателем. Особенно важно знание поляризационных характеристик составляющих элементов для устройств, действие которых основано на использовании свойств поляризованного излучения.
Прямоугольный уголковый отражатель представляет собой многогранную угловую область. Среди угловых областей, имеющих точное решение задачи дифракции в замкнутой аналитической форме, особую роль играют области, которые при последовательных зеркально-симметричных, отражениях в своих границах однократно и плотно заполняют все пространство [7]. Это так называемые зеркально-симметричные . (калейдоскопические) структуры. Решение дифракционной задачи для них замыкается в однолистном пространстве, краевые волны от ре,бер и сферическая дифракционная волна от вершины не возникают, 1я поле дифракции, складываясь только из волн геометрической оптики 18), представляет собой сумму конечного числа волн, однотипных с дифрагирующей волной [7]. Известно 191, что распространение плоской электромагнитной волны в двугранных углах, угол раскрыва которых кратен числу %, не ведот к возникновению волн другого типа. Аналогичным свойством обладают семь - различных конфигураций зеркально-симметричных многогранных углов [101. Возвратно-отражающим свойством среди них обладают только три трехгранных угла, двугранные углы которых равны: (it/2, %/2, ic/e), где 8 - целые четные числа, при в = 2 имеем прямоугольный уголковый отражатель, {%/2, тс/3, %/4) и (и/2, к/3, тс/5) С111. Оптические, системы эквивалентны, если характеризуются одинаковой функциональной связью между сопряженными точками пространства предметов и изображений. У всех световозвращателей сопряженные точки пространства предметов и изображений ориентированы зеркально-симметрично относительно вершины отражателя. Поэтому базовой системой, среди семи возможных зерквльно-призменных базовых систем [12], для всех световозвращателей является прямоугольный уголковый отражатель.
Таким образом, существует не один, а большое, теоретически бесконечное, семейство тетраэдрических световозвращателей в форме указанных трехгранных углов. Любой из них может быть использован
в оптических и >. для решения тех же функциональных задач, что и тр'їдицмопннй прямоугольный уголковый отражатель. Следует отметить, что новизна, трудность ломки стереотипа об исключительной уникальности прямоугольного уголкового отражателя и сложность понимания процесса распространения электромагнитных волн в нових структурах являются причинами их слабой изученности и применения 113,141. В частности, полнризациошше свойства в известной нам литературе не рассматривались вовсе.
Поиск 'световозвращателей с оптимальными характеристиками, наиболее полно отвечающими многочисленным и часто противоречивым требованиям, непрерывно продолжался на протяжении последних десятилетий. Поскольку по мере совершенствования оптических и оптико-электронных систем и расширения сферы их использования появляются все новые требования к отражателям, то проблема поиска оптимальных световозвращателей актуальна в настоящее время и, видимо, останется актуальной в ближайшем будущем. Новые тотраздрическио световозвращатели существенным образом расширяют элементную базу оптических и оптико-электронных систем, а вместе с этим и круг задач, решение которых становится возможным при их' использовании. Следовательно, они представляют собой не только большой теоретический, но и несомненный практический интерес, поскольку ввиду геометрического разнообразия и связанных с этим обстоятельством различий в характеристиках смогут более полю удовлетворить требованиям, предъявляемым к отражающим структурам возвратного действия.
Из-за сложности геометрических форм и процесса .формирования структуры отраженного излучения возникает необходимость ориентироваться преимущественно на численные методы исследования, в полной м^ре использующие возможности современных персональных компьютеров. С другой стороны, в отличие от большинства оптических систем, главной задачей которых является построение изображения требуемого качества, основное назначение световозвращателей состоит в формировании отраженного излучения с заданными характеристиками. Поэтому разработка численных методов оптимизации параметров световозвращателей представляет собой самостоятельную проблему. Алгоритмы должны обладать достаточной универсальностью, а их работоспособность и эффективность
подтверждаться при решении конкретных задач, кик реперних, о использованием хорошо изученного прямоугольного уголкового отражателя, так и нетривиальных.
Таким образом, вышесказанное говорит о перспективности и актуальности выбранного направления научных исследований.
Ц5Ь_работы - теоретическое исследование поляризационных и внерготических свойств, передаточных характеристик и особенностей действия тетраэдрических световозвращателей, создание численных алгоритмов расчета и оптимизации их характеристик, а также разработка новых функциональных оптических устройств на их основе.
Эта цель конкретизируется в следующих ' взаимосвязанных задачах:
систематизация материала по методам расчета и оптимизации оптических характеристик прямоугольного уголкового отражателя;
анализ физической модели процесса распространения света внутри тетраэдрических. световозвращателей;
разработка ; методики построения матриц Джонса тетраэдрических световозвращателей;
реализация на ПЭВМ численных алгоритмов вычисления лучевых, апертурних, поляризационных, передаточных и энергетических характеристик тетраэдрических световозвращателей;
исследование собственных состояний поляризации и поляризационных зависимостей передаточных характеристик тетраэдрических световозвращателей;
разработка на основе методов нелинейного программирования численных алгоритмов оптимизации характеристик тетраэдрических световозвращателей;
разработка новых оптических устройств на основе тетраэдрических световозвращателей с улучшенными апертурними, поляризационными и энергетическими характеристиками.
НХ2ная_новиэна заключается в следующем:
1. Впервые изучены поляризационные свойства псего семейства тетраэдрических световозвращателей.
?.. Разработаны универсальные программ) численного расчета и оптимизации лучевых, апертурних, поляризационных, ' передаточных и энергетических характеристик тетраздрнч^ских
световозвращателей с учетом их гаоярітшх и весовых параметров.
3. Впервые прмдложеио при оптимизации характеристик световозвращателей использовать ряд нових конструктивних параметров, таких как соотношение длин бокових ребер (выбор оси визирования), частичную металлизацию бокових отражающих граней, металлизацию боковых граней разними металлами.
А. Разработано 17 новых функциональных оптических устройств на оониве тотраодрических световозвращателей с улучшенными апертурними, поляризационными и энергетическими характеристиками, защищенных авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Пвакти^ес^анота^имос/г^раб^ты. Полученные в диссертации результати можно применить при проектировании, анализе работы и оптимизации характеристик оптических и оптико-электронных систем, использующих отражатели возвратного действия. Они применимы также при исследовании различных призм и зеркалыю-симметричних пространственных структур, эквивалентных по своему Функциональному действию плоскому зеркалу и призме-крыше [151. Большой выбор н разнообразие форм исследуемых в диссертации световозвращателей существенно расширяет элементную базу зеркально-призмеиных систем и дает возможность находить оптимальные решения различных практических . задач. Знание поляризационных свойств тетраэдрических световозвращателей позволит учесть их влияние на работу многих оптико-электронных приборов, использующих поляризованное излучение, таких, например, как светодалыюмери и системы взаимной ориентации объектов с модуляцией излучения по поляризации, интерферометр» и другие.
На основании разработанных оптических ориентаторов могут быть создан» различные типы визуальных и автоматических оптико- ;»Л'<ктрошшх устройств, предназначенных для дистанционного определения взаимной ориентации подвижных объектов, для сборки и юстировки приборов, для виставлення деталей, узлов строительных конструкций и рабочих органов станков, для измерения угловых перемищнпий и т.д. Вращатели плоскости поляризации могут быть использован» в качестве отражающих или контрольных '.элементов в оіричєскиу схемах, где необходимо сохранение линейности поляризации или стабилизация плоскости поляризации возвращаемого излучения. Разработанное устройство поворота плоскости
поляризации на 90" найдет применение в измерительных комплексах с совмещенными осями приемной и передающей оптики, В ЧАСТНОСТИ, в качестве поляризационной развязки в коаксиальных, приемопередающих локаторах. Локационные системы, созданные на основе предложенных уголковых отражателей с максимально возможными диапазонами рабочих углов или площадями рабочей апертуры при сохранении массы, будут иметь широкий диапазон видимости и погашенную контрастность объектов, подвергаемых контролю, что повысит ^Фиктивность их работы. Лазеры, в которых в качестве глухого зеркала использованы специально разработанные одиночные уголковые отражатели или рет-роверкала, собрашше из элементарных уголков, будут генерировать излучение с малой угловой расходимостью. Они могут быть применены как источники получения мощного когерентного оптического излучения и использованы в сверхдальних линиях связи, а также для передачи энергии на большие расстояния. Применение новых типов тетра-эдричоских световозвращателей позволит существешю упростить конструкции поляризационных оптико-электронных угломеров, исключив из них устройства модуляции поляризационных параметров излучения.
Апробация_работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались: на 3 университетском семинаре "Применение лазерной и оптико-электронной техники в народном хозяйстве" (Минск, 1986); на 3 и 4 Всесоюзных совещаниях "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 198в, 1988); ни 4 и 5 Всесоюзных совещаниях '.'Координатно-чувотьительные фютоприем-ники и оптико-электрошше устройства на их основе" (Барнаул, 1987, 1989); на 3 Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" (Таллин, 1987); на 6 Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990); на 2 Всесоюзном совещании молодых ученых и специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Севастополь, 1990).
Н_3ВД1У_та255Т5_95НО5Ш_0959?ёиия:
1. Результаты теоретических исследований поляризационных и энергетических свойств, собственных состояний поляризации и передаточных характеристик нризменных, металлизированных и зеркальных тетраэдрических световозвращателей п форме зеркально-симметричных углов (%/2,%/2,11/s), (11./2,11/3/1/4) и (1С/2,нУН,11./-:>) В
- В -
зависимости от геометрических параметров, показателя преломления материала, наличия и свойств покрытий, длины волны излучения.
-
Результаты сравнительного анализа оптических характерно-тик всего семейства тот'раэдрических световозвращателей с; параметрами широко используемого прямоугольного уголкового отражателя.
-
Универсальные алгоритмы численного расчета-и оптимизации лучевых, поляризационных, апертурних, передаточных и энергетических характеристик тетраздрических световозвращателей с учетом их гаПари'ншх и весовых параметров.
4. Новый подход в получении оптимальных характеристик
световозвращателей, учитывающий в качестве свободных параметров,
помимо величин отступлений двугранных углов от идеальных
значений, азимута поляризации, показателя преломления и экраниро
вания отдельных секторов рабочей апертуры фронтальной грани,
неиспользуемые ранее конструктивные параметры: соотношение длин
боковых ребер (выбор оси визирования), частичную металлизацию
рабочих граней, металлизацию рабочих граней разними металлами.
5. Установление свойства двусвязности угловой апертуры
призменных световозвращателей в форме трехгранных углов
(%/?.,'К/'З,к/4) и (7C/2,it/3,u/5).
fi. Результаты теоретических исследований особенностей действия тетраздрических световозвращателей в системах взаимной ориентации и выставления объектов. Разработанные контрольные элементы автоколлимационных датчиков, которые при заданных дальности действия и апертуро оптической системы обеспечивают максимально возможную чувствительность в независимом определении угла окручивания или в независимом определении коллимационных углов, а также позволяют проводить независимое измерение всех трех ййлеровских углов поворота одновременно.
7. Принпшгн построения вращателей плоскости поляризации, обоспечиваніих стабилизации или поворот плоскости поляризации возвращаемого линейно-поляризованного света на заданный угол при любом входном азимуте поляризации. Особую практическую ценность имеют устройство поворота плоскости поляризации но 90*, используемое в качестве поляризационной развязки в измерителышх системах (. совмещенными осями ггриемной и передающей оптики, и
поляризационное устройство без модуляции поляризационных характеристик для измерения угла скручивания.
8. Результаты теоретических исследований зависимости интенсивности электромагнитного поля в центри дифракционной картины дальней зоны от геометрических параметров тетраздричееких световозвращателей. Разработанные призмоннно уголковые отражатели и ретрозеркала лазеров, составленные из них, обеспечнвамцие для заданных показателя преломления материала и габаритно-весовых характеристик максимально возможную осевую силу отраженного излучения.
Публикации. По тематике, близкой к диссертационной, опубликовано свыше 80 научных работ, в том числе получено 33 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Непосредственно но диссертационной работе результаты содержатся в Ы печатной работе, среди которых 17 авторских свидетельств огпр и патентов России. Список основных публикаций приведен в конце авторффата.
ФШУ?_5!У!5' Содержание диссертации отражает личный вклад автора в решение рассмотренных задач. Автору принадлежит выбор направления и постановка отдельных задач исследовании, разработка методов и численных алгоритмов, их практическая реализация, получение основных изложенных в работе результатов и их интерпретация. Соавторы некоторых работ, вошедших в диссертации, С.В.Процко, Б.Ю.Ханох и А.П.Хапалюк принимали участие в формировании данного направления исследований на начальном етапи, с ними обсуждались вопросы постановки отдельных задач и полученные результаты. Автор благодарит их и выражает признательность за сотрудничество.
Работа выполнена в лаборатории нелинейной оптики НИМ прикладных физических проблем им.А.Н.Савченко и на кафедр» теоретической физики Белорусского государственного университета. Автор выражает глубокую благодарность и признательность всем своим коллегам за поддержку.
Особую благодарность автор выражает проф. А.П.Хапалюку и проф, Л.М.Барковскому за постоянное внимание к данной работе, ценные советы и помощь при ее выполнении, А.С.Рудницкому - за полезные дискуссии по ряду связанных с диссертацией вопросов.
?ТРУЛ5іЇЕІ_2959ій- Диссертация состоит из введения, четыре.
-Ю -
гнав н заключения, она изложина на 378 страницах, содержит і*.) рисунков, tl таблиц и список цитируемой литературы, включающий ЗВИ шиш.-новация. Каждая глава имеет независимую систему нумерации формул, рисунков й таблиц.
